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探究蚂蚁的通讯行为 西安辅轮中学初二（四）赵海晨摘要：对蚂蚁的通讯行为探究结果表明：蚂蚁采取的是“在一次觅食期应使能量摄取量最大，而使旅行时间最短”的取食原则；纸片的颜色不影响蚂蚁的通讯行为；香水能短时间内干扰蚂蚁的化学通讯，而后又能快速形成新的路径，表明蚂蚁的通讯是同作用于其他感官的信号联合起作用的。 关键词：蚂蚁通讯行为化学通讯觅食 蚂蚁隶属于膜翅目(Hymenoptera)蚁科(Formicidae),是一类最常见的真社会性昆虫。其种群数量庞大、分布广、在陆地生态系统中占据重要地位。近年来,我国的蚂蚁研究在分类学、生态学、行为学、医药学等方面都有长足的进展。 生物学八年级上册课本3940页“探究蚂蚁的通讯”，书上是这样引出要探究的问题： 仔细观察过蚂蚁的同学都知道，一只蚂蚁发现食物后， 会迅速返回巢穴。不一会儿， 一大群蚂蚁排着长长的队伍，“浩浩荡荡”地奔向食物所在地点。蚂蚁不会发声， 它们是靠什么传递信息的呢？侦察蚁在食物和巢穴之间是否留下了什么标记呢？然后教材让学生自己作出假设，并介绍了一个参考办法：用大一些的透明容器养一窝蚂蚁，在离蚁穴稍远些的地方放置一些食物，蚁群中的侦察蚁会先出来侦察； 然后大批工蚁回来搬运食物。可以在侦察蚁返巢的路上事先放好一张纸片，让它从上面爬过。待大批工蚁出洞时，取走或挪动纸片，观察工蚁的行动。 我们根据背景资料提出了这样的问题：蚂蚁是靠气味来通讯的。 在老师的带领下，我们于 2007年10月1日至31日完成了课本上的探究实验，并做了一些改进得到一些启示。 一、实验准备 1确定蚂蚁巢穴 家里阳台上有蚂蚁出没处，说明附近有蚂蚁巢穴。 2蚂蚁喜爱的食物蜂蜜 3其他用具：纸片、双面胶、放大镜、镊子、六神花露水。 二、实验过程及观察 1铺设纸片观察 1）在阳台边靠近水泥路的地方发现较多蚂蚁，滴上一滴蜂蜜，等待蚂蚁，大约4min出现大量蚂蚁，沿着蚁队找一个蚂蚁窝； 2）把食物放在平整的水泥地面上，然后在离蚂蚁窝不远的水泥地面上放上食物来引诱侦察蚁； 3)在水泥面上铺上小纸片（同一本万能贴上的相同颜色纸片）。另外，为了防止小蚂蚁从纸片底下钻过来，我们用双面胶把纸片贴在水泥地面上。由于水泥地面比较平整，而且纸片底下不留空隙，实验效果更为明显。 4)我们选择同一本万能贴上的不同颜色纸片（大小相同），重复前面的实验步骤。实验结果和用同色纸是一样的。这就说明纸的颜色对蚂蚁并没有影响。 2化学气味干扰实验 1）在阳台边靠近水泥路的地方发现较多蚂蚁，滴上一滴蜂蜜，等待蚂蚁，大约4min出现大量蚂蚁，沿着蚁队找一个蚂蚁窝； 2）把食物放在平整的水泥地面上，然后在离蚂蚁窝不远的水泥地面上放上食物来引诱侦察蚁； 3）等待侦察蚁取食， 回巢报信， 形成浩浩荡荡的搬运大军。当有部分蚂蚁开始搬运食物时，在距离洞口大约40cm的蚁径上滴上预先准备好的香水， 观察蚂蚁的反应。 三、实验现象 1铺设纸片结果 铺设纸片观察确实证明了蚂蚁靠气味交流信息，纸的颜色对蚂蚁并没有影响。但继续观察发现，蚂蚁仍能在短时间内形成新的路径，时间长短和纸片的大小相关。 2化学气味干扰实验结果 1）侦察蚁面对液体食物，先选择吸饱（明显可以观察到取食前后膨大的腹部），然后回家报信，中途遇到同穴工蚁碰碰触角，侦察兵回蚁穴，工蚁走向蜂蜜。59min，蜂蜜滴周围挨个挤满了蚂蚁，位置如图E。后到的蚂蚁多于离开个体。后到个体绕着蜜滴边走边用触角碰触正在取食的个体，若无个体离开就直接踩在蜜滴上取食，导致不少个体由于体重增加太多陷入蜜滴死亡；也有少量个体取食太多，在回蚁穴途中死亡。它们采取了一旦获得食物，就尽最大可能的带回蚁穴最多的食物的取食策略。  2）蚂蚁取食队伍形成了较固定的回穴路径（图位置如图E），在蚁穴与食物的中点位置，滴了一滴六神花露水，水泥地面形成一个直径1厘米的印记，此刻，花露水滴两端的归巢蚁与觅食蚁不能准确地走向各自的目的地，进入混乱状态。大约5min后，双方找到通向各自目的地的路，与原路径相比，只在香水滴所在位置处略有变化（如下图）。     3讨论 1）    取食策略 少量个体取食太多，在回蚁穴途中死亡，观察对比刚从蚁穴出来的蚂蚁，该个体的腹部明显透亮、膨大、运动缓慢，说明蚂蚁采取的是“在一次觅食期应使能量摄取量最大，而使旅行时间最短”的原则。 2）根据香水实验现象，我们开始怀疑是否是操作失误，隔天同样的地点同样是风和日丽的下午，我们重复该实验，得到相同的实验结果。这不是和课本上的知识有出入吗？干扰了蚂蚁的化学通讯，蚂蚁因该是找不到回家的路的。为揭开这个疙瘩，我们查阅了大量的资料：工蚁的通讯方式除了信息素示踪，也就是化学通讯外，还能利用动作通讯，如：触角接触、轻抚、轻推等；蚂蚁听不见，但在一定范围内，蚂蚁脚上的侦测器可以接收另一只蚂蚁腹部表面发生板磨擦发出的人无法听见的频率很高的声波引起的土壤震动；有的蚂蚁还能利用太阳定位。所以，蚂蚁的通讯是同作用于其他感官的信号联合起作用的。指导老师谢增兰李存棣蚂蚁的视觉不是很好，大多数蚂蚁只是有限的利用着这种感觉，许多蚁种几乎将自己永远封锁在地下世界里。在终日不见阳光的巢穴里，在闷热而基本静止的空气里，更可取的交流方式是信息素的传递。 蚂蚁使用化学物质交换信息。据估计蚂蚁大约有10-20个这样的化学“单词”或“短语”。在一个特定的时刻每只工蚁所传播的每种信息素量一般不超过百万分之一克。 二十世纪七十年代，英国昆虫学家John Bradshaw及其同事就发现在织叶蚁中有一种化学的报警方式。当一只工蚁在巢内或者领地内发现了敌人就就会从头部腺体排出由4种化学物质混合的物质。这四种化学物质以不同的速度向外扩散，它的同伴会一个接一个的收到这些物质。第一个是己醛（一个分子有6个碳原子的醛类物质），它引起警觉。第二个是己醇（在化学结构上和己醛类似，可以通过氧化反应变成己醛），足量使蚂蚁警觉起来并开始寻找麻烦的根源。第三个是十一烷（一种饱和脂肪烃类），它可以吸引工疫更靠近事发地点并叮咬任何异物。第四种是油酸辛烯醇，它可以增加进攻动力使蚂蚁进行攻击。蚂蚁和其他昆虫一样，是依靠触角辨别气味的，触角的第一节膨粗，有膝状弯曲，非常灵活。由于触角是一对，因此即能辨别气味的强度，也能辨别气味来源的方向距离，成虫以互相交换反哺的食物，通过其气味互相了解对方的健康和营养状况，对方发现的食物等信息。觅食的蚂蚁在演化过程中形成了非常复杂的交流方式，它们能够利用有吸引力的道路信息素来将同伴引向食物或水源。人们对蚂蚁的交流体系进行了广泛的研究，它们甚至还有与人类的交通、电脑和通信网络相关的算法。现在，研究人员发现，在“法老蚂蚁”的交流体系中似乎还有一种类似人类所使用的交通标志，比如说，它们可以用“停”这个交通标志来强化人们所熟悉的“行”这个交通标志。具体来说，它们会用一种令人厌恶的信息素来标记没有价值的路径，从而将信号集中在岔路口等需要做出决断的地方。赞同蚂蚁（ant）属节肢动物门，昆虫纲，膜翅目，蚁科。目前有21亚科283属(after Bolton 2003)（主流沿用的是16亚科的分类系统和21亚科的系统相比，新的系统从猛蚁亚科中分出了若干亚科）。蚂蚁是人们常见的一类昆虫，很容易识别。一般体小（0.5mm-3cm），颜色有黑、褐、黄、红等，体壁具弹性，光滑或有毛。口器咀嚼式，上颚发达。触角膝状，413节，柄节很长，末端23节膨大。腹部第1节或1、2节呈结状。有翅或无翅。前足的距大，梳状，为净角器（清理触角用）。为多态型的社会昆虫据估计，仅有大约半数的蚂蚁目前约为11700种被描述了。一个更大范围的蚂蚁区系研究也有待进行。常见的有小家蚁Monomorium pharaonis L.等。蚂蚁的型与分工发育为完全变态。所有的蚁科都过社会性群体生活。一般在一个群体里有四种不同的蚁型。l、蚁后：有生殖能力的雌性，或称母蚁，在群体中体型最大，特别是腹部大，生殖器官发达，触角短，胸足小，有翅、脱翅或无翅。主要职责是产卵、繁殖后代和统管这个群体大家庭。2雄蚁：或称父蚁。头圆小，上颚不发达，触角细长。有发达的生殖器官和外生殖器，主要职能是与蚁后交配。3工蚁：又称职蚁。无翅，一般为群体中最小的个体，但数量最多。复眼小，单眼极微小或无。上颚、触角和三对胸足都很发达，善于步行奔走。工蚁是没有生殖能力的雌性。工蚁的主要职责是建造和扩大巢穴、采集食物、伺喂幼蚁及蚁后等。4兵蚁：头大，上颚发达，可以粉碎坚硬食物，在保卫群体时即成为战斗的武器。蚂蚁建立群体，也是以通过婚飞方式两性相识结交为起点。相识后一见钟情，在飞行中或飞行后交尾。“新郎”寿命不长，交尾后不久死亡留下“遗孀”蚁后独自过着孤单生活。蚁后脱掉翅膀，在地下选择适宜的土质和场所筑巢。她“孤家寡人”，力量有限，只能暂时造一小室，作为安身之地，并使已“受孕”的身体有个产房。待体内的卵发育成熟产出后，小幼虫孵化出世，蚁后就忙碌起来。每个幼蚁的食物都由她嘴对嘴地喂给，直到这些幼蚁长大发育为成蚁，并可独立生活时为止。当第一批工蚁长成时，它们便挖开通往外界的洞口去寻找食物，随后又扩大巢穴建筑面积，为越来越多的家族成员提供住房。自此以后，饱受艰苦的蚁后就坐享清福，成为这个群体大家族的统帅。抚育幼蚁和喂养蚁后的工作均由工蚁承担。但蚁后还要继续交配，不断产生受精卵，以繁殖大家族。她的寿命可长达15年。蚁巢有各种形式，大多数种类在地下土中筑巢，挖有隧道、小室和住所，并将掘出的物质及叶片堆积在入口附近，形成小丘状，起保护作用。也有的蚁用植物叶片、茎秆、叶柄等筑成纸样巢挂在树上或岩石间。还有的蚁生活在林区朽木中。更为特殊的是，有的蚁将自己的巢筑在别的种类蚁巢之中或旁边；而两“家”并不发生纠纷，能够做到和睦相处。这种蚁巢叫做混合性蚁巢，实为异种共栖。无论不同的蚁类或同种的蚁，其一个巢内蚁的数目均可有很大的差别。最小的群体只有几十只或近百只蚁，也有的几千只蚁，而大的群体可以有几万只，甚至更多的蚁。在我国华南一带的阔叶林中，还有一种翘尾蚁，顾名思义，就是它那带有螯针的尾端常翘起来，像是跃跃欲试，随时准备进攻的样子。它有种怪脾气，经常与树打交道。它喜欢用叼来的腐质物以及从树上啃下来的老树皮，再搀杂上从嘴里吐出来的粘性汁液，在树上筑成足球大的巢，巢内分成许多层次，分别住着雄蚁、蚁后和工蚁，并在巢中生儿育女，成为一个"独立王国"。开始时一树一巢，当群体过大，而且又有新的蚁后出生时，新蚁后便带领部分工蚁另造新居。有时为争夺领域，常展开一场恶斗。为了在树上捕捉其他小虫为食，它可用细长而有力的足在树冠的枝叶上奔跑。如两树相距较近，为免去长途奔波之劳，它们能巧妙地互相咬住后足，垂吊下来，借风飘荡，摇到另一棵树上去，搭成一条"蚁索桥"。为了能较长久地连接两树之间的通途，承担搭桥任务的工蚁还能不断替换。树上的食物捕尽，又结队顺树而下，长途奔袭，捕捉地面上的小动物。猎物一旦被擒获，翅尾蚁便会用螯针注入麻醉液，使猎物处于昏迷状态，然后拉的拉，拽的拽，即使是一只超过它们体重百倍的螳螂或蚯蚓，也能被它们轻而易举地拖回巢中。人们从有这种蚁巢的树下经过，可要十分小心。如惊动了它们，会倾巢出动，顺树而下或从空而降，进行攻击，使你遭受挨蜇之苦。蚁类的食性在不同亚科和不同种类之间有很大的差别。一般可分为肉食性、植食性和杂食性。蚂蚁在一年中的大部分时间里都在辛勤地劳动。那么到了严寒的冬天它们又到哪里去觅食呢?它们是如何过冬的呢?原来聪明的蚂蚁在入冬之前早有准备。它们首先搬运杂草种子，准备明年播种用；同时搬运蚜虫、介壳虫、角蝉和灰蝶幼虫等到自己巢内过冬，从这些昆虫身上吸取排泄物做为食料(奶蜜)。蚂蚁为什么知道冬天快来了呢?从现代科学的观点看，蚂蚁的这种本能是受它们体内的年生物钟控制而起作用的，换句话说，它们是按照年生物钟的运行规律做好越冬期食物储备的。与蚂蚁互动形成的生物达到了惊人的程度。与蚂蚁共生(symbiosis)的生物，或专性或间性，植物超过了52科465种(Jolivet 1996)，动物则达到了数千种(Kistner 1982; Hölldobler & Wilson 1990)，还有大量未知的真菌和微生物(Schultz & McGlynn 2000; Mueller et al. 2001)。蚂蚁正在使用着非凡的生存策略种植真菌，收获种子，放牧产蜜昆虫，编制巢穴，合作捕食，社会性寄生，蓄奴这些都极大地刺激着科学家和公众的好奇心。蚂蚁在世界各个角落都能存活，其秘诀就在于它们生活在一个非常有组织的群体中。它们一起工作，一起建筑巢穴，使它们的卵与后代能在其中安全成长。蚂蚁有不同的类型，每一类都有其专门的职责。蚁后产卵，大部分卵将发育成雌性，它们被称为工蚁。它们负责建筑并保卫巢穴，照顾蚁后、卵和幼虫，以及搜寻食物。到了一定的时候，雄蚁与新的蚁后会产生出来。它们有翅膀，从巢穴里集群飞出。交配以后，雄蚁即死去，新的蚁后则开始领导起又一个群体的生活。在群体中，蚁后是最重要的成员。它是唯一能产卵的。这意味着它是这一群体中所有蚂蚁的母亲。工蚁喂养它，替它清洁身体，并将它的卵带到另一处去照料。某些澳大利亚蚂蚁将它们的工蚁作为一种活的储藏罐。当工蚁采集了大量的花蜜，即一种源自花中的甜甜的液体，将它吞进体内、身体变得膨大起来之后，它们就将自身挂在巢穴的天花板上，一直到有别的蚂蚁需要食用它们体内储藏的那些花蜜为止。兵蚁正在林地上觅食。为搜寻食物，它们有时会在林地上排成长队。它们总是很饥饿，因此几乎会向任何东西发起进攻，有时甚至是大的哺乳动物。不同的蚂蚁吃不同的食物。收获蚁吃种子，它们将种子收藏在地窖里；而割叶蚁吃蘑茹，它们将叶片搬运到地下，用来培植蘑茹。有些蚂蚁则贮存一种叫蚜虫的昆虫，它们人蚜虫体内抽取一种含糖的物质作为食物，这同人类从母牛身上挤奶的方式非常相似。根据科学家的研究证明，蚂蚁在洞穴里缺少糖份，对自己的生长发育很不好，为了能够找到充分的糖份，所以蚂蚁一旦发现甜的东西，触角就会自主的硬起来，这是蚂蚁的一个天性。 摘抄中科院爬行动物研究室蚂蚁的信息蚂蚁是社会性很强的昆虫，彼此通过身体发出的信息素来进行交流沟通，当蚂蚁找到食物时，会在食物上撒布那样的信息素，别的蚂蚁就会本能地把有信息素的东西拖回洞里去。 当蚂蚁死掉后，它身上的信息素依然存在，当有别的蚂蚁路过时，会被信息素吸引，但是死蚂蚁不会像活的蚂蚁那样跟对方交流信息（互相触碰触角），于是它带有信息素的尸体就会被困惑的同伴当成食物运回去。 通常情况下，那样的尸体不会被当成食物吃掉，因为除了信息素以外，每一窝的蚂蚁都有自己特定的识别气味，有相同气味的东西不会受到攻击，这就是同窝的蚂蚁可以很好协作的基础。【关于蚂蚁搬家】在一些介绍自然常识的书上，蚂蚁搬家，燕子低飞，蛇过道等现象，都被认为是即将下雨的先兆。事实果真如此吗？ 如果说蚂蚁能够凭借本能准确地感觉出即将下雨，甚至能准确地感觉出下雨量的大小，都是完全有可能的，但蚂蚁是一种低智慧生物，其视力范围很短，主要依靠嗅觉感知周围的事物，测量自己的家与周围较大区域地势的相对高低，是一项较复杂的工作，必须依靠很好的视觉，鼠目寸光，蚂蚁的目光比老鼠还短，因此，蚂蚁不大可能会有测量自己的家与周围较大区域地势相对高低的本能。至于根据预测未来几天的雨量来判断自己的家是否会被雨水淹没，其判断难度更大，就连人类目前也很难准确做到这点，难道蚂蚁比人还厉害，可以准确的计算自己的家是否会被雨水淹没？是否需要通过搬家回避雨水淹没？ 蚂蚁窝几乎无处不在，在我家的附近就有很多，我发现，每当连续下大雨的时候，茫茫大地一片汪洋，一连好几天积存着很深（相对于蚂蚁来讲）的雨水，放眼望去，那些蚂蚁的家也不乏有被水完全淹没的，那末，在那深深的水下被一连浸泡了好几天的那一窝窝蚂蚁，是否都遭到了灭顶之灾呢？根本没有，只要雨过天晴，积水一退，那些蚂蚁窝的洞口又迅速地出现了一只只繁忙的蚂蚁，只见它们忙里忙外，丝毫没有死伤惨重的迹象。这表明蚂蚁的窝根本不怕雨水短时间的浸泡，当雨水的浸泡使得蚂蚁窝上部没有空气时，窝内的蚂蚁可采用堵住通道，向窝内下面较深处转移的方法避免雨水浸泡的伤害，土壤的疏水作用，以及蚂蚁窝内部较深处的结构特征，使得蚂蚁根本没有必要一感觉到要下雨就开始考虑是否搬家。 为了验证被水完全淹没的蚂蚁窝内的蚂蚁是否会被水全部淹死，还可以通过水淹实验加以验证，试验表明：受到水淹4个小时，没有看出对窝内蚂蚁的生命产生影响。既然被水淹的蚂蚁窝内的蚂蚁不会被水淹死，则在生物进化的过程中，蚂蚁就没有必要进化出在即将下雨前选择搬家的本能。生物进化的选择往往是最科学的选择，为了防止蚂蚁窝被水淹，更科学的选择应该是在开始建蚂蚁窝时就将其建在可防水淹的地方，而不是一次次地采取“劳民伤财”的搬家行动。难道蚂蚁在建窝时没有服从生物进化的选择？ 由此看来，蚂蚁搬家不一定是蚂蚁担心自己的家是否会被水淹没采取的行动，完全有可能是另有原因。比如，由于蚁群数量增加造成在蚂蚁窝附近的食物短缺，需要寻找新的食物来源，由于在蚂蚁窝附近出现别的蚁群造成一种威胁，需要回避危险，或者是每群蚂蚁本身就有一种建立多个蚁窝的习惯等等。至于蚂蚁选择在阴天或夜晚搬家，主要是为了防止太阳的暴晒对蚁卵可能造成的伤害，由于在夜晚人们不注意蚂蚁的行动，但常常能够在阴天看见蚂蚁搬家，于是，就将蚂蚁搬家与下雨联系了起来。有时人们会把“蚂蚁”用来比喻草根、团结，比如“蚂蚁精神”、“蚂蚁社区”等等。蚂蚁的食性蚂蚁属于杂食性的昆虫，它荤素同食，死掉的昆虫的尸体它们也吃。所以我们有时可以看到许多蚂蚁在搬苍蝇、蟑螂等的尸体。 虽然蚂蚁是杂食性的，但它比较喜欢吃的东西，找一个蚂蚁较多的地方，在那里轻轻放上一些米饭和一些糖，两者比较，明显糖比米饭甜，没一会儿，糖的周围爬满了蚂蚁，而米饭那边蚂蚁却很少。这证明了蚂蚁确实喜欢吃甜的东西。 将一块肉和一些蔬菜放在一群蚂蚁中，结果是：过了一会儿，肉和蔬菜两边都有蚂蚁，但看上去肉那边的蚂蚁更多，所以蚂蚁在荤的和素的食物中还是较喜欢荤食。 蚂蚁不但要自己出去觅食，有时还会饲养自己的“奶牛”，办有自己的“畜牧厂”。蚂蚁饲养的“奶牛”其实是蚜虫。蚜虫以植物的汁液为食。工蚁把成群的蚜虫豢养在蚁穴中，每天晚上都把这些“奶牛”驱赶到植物枝叶上，为了安全起见，蚂蚁总是先爬到树枝上把甲虫、草蛉之类的昆虫赶走。蚂蚁之所以饲养这些蚜虫，是因为蚜虫西上吸食植物的汁液，经过消化，可以产生带有甜味的粪便枣蜜露。当蚂蚁“挤奶”时，只要用触角轻轻的敲打蚜虫的腹部，蚜虫就会分泌出蜜露。工蚁吸食后，回到巢穴中吐出，由专门储藏蜜露的工蚁储藏起来备用。所以蚂蚁是很会过生活的。 一种生活在非洲的红蚂蚁，它们没有固定的家，喜欢到处游荡。见什么吃什么，看见昆虫，它们就吃昆虫，见野兽就吃野兽。有时，红蚂蚁在前进的路上与有着“兽中之王”之称的狮子遇见了，退缩的不是红蚂蚁，而是狮子。红蚂蚁一见到狮子就一拥而上，爬到狮子身上乱咬。它们在咬的同时，将体内的毒素“注射”给了狮子。很快，狮子就昏迷了，然后死去。 这时，红蚂蚁们才不慌不忙地吃着狮子的肉，最后把剩下的储存在嗉囊里，等到饿了在吃。有狮子这个“庞然大物”，红蚂蚁们可以好几天不用去找食物了。另外，大蟒也是它们喜欢吃的。 此外，同样令人惊讶的是，我们发现蚂蚁还很具有数学头脑，它们在搬运差不多大的食物时，有不同多的蚂蚁。曾经一位科学家做过实验，把三块大小成倍数的食物放地上，过了一段时间后，蚂蚁发现这些食物来搬运，三块食物上的蚂蚁数量居然也成等差数列。看来蚂蚁还是很聪明的小家伙呢