アリはA地点からB地点まで直線で歩きますか？それは実はブラウン運動です

制作：中国科学普及協会

著者: 蘇成宇 (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

アリは数学の問題によく登場します。なぜなら、アリは常に A 地点から B 地点まで歩き、最短の歩行距離を計算する必要があるからです。彼らは立方体の上、または 2 つの立方体の上、さらには円柱の上を歩くことができます...

いずれにせよ、問題を解くための前提は、アリが一直線に歩くという前提に基づいていますが、実際のところアリは本当に一直線に歩くのでしょうか?この質問に答える前に、まず話題を砂漠に移さなければなりません。

砂漠は、砂と太陽以外に道案内となる視覚的な手がかりがほとんどなく、最も迷いやすい場所の一つです。地形の多くは似ているため、方向を判断するのが困難です。

言うまでもなく、砂漠には強い風が吹いており、飛散する砂によって地形が変化するだけでなく、視界も遮られます。風や砂で歩いた跡が隠れてしまい、戻る道を見つけるのが難しくなることもあります。

しかし、チュニジアの広大な塩原に生息する足の長い砂漠アリにとって、道を見つけることは普通のことだ。結局、道を見つけられなければ砂漠で生き残ることはできず、ずっと前に絶滅していたでしょう。彼らは通常単独で行動し、餌となる死んだ昆虫を探しに単独で出かけます。時には、採餌距離は数十メートル、数百メートルに達することもあります。食べ物を見つけると、それを口でつかんで巣まで引きずります。

脚の長い砂漠のアリがクモの死骸を引きずっている

(画像提供: Harald Wolf)

それで、彼らはどうやって家に帰るのでしょうか?

ハラルド・ウルフは2000年初頭から砂漠アリのナビゲーションに関する研究を始めました。当時、ウルフはアリが家に帰る道が直線になることはほとんどないことを発見しました。

この実験では、5匹の砂漠アリが食料源に近づく際の歩行経路を記録しました。赤い円は餌ポイントの位置を示しています。これらのアリの進路は直線ではないことがわかります。

（画像出典：参考1）

科学者たちは、砂漠アリが頭から歩いているときも、食べ物を後ろ向きに引きずっているときも、落書きのような曲線の軌跡を描くことを発見しました (下の写真を参照)。その軌跡にはほとんどパターンがなく、前向きに歩いているときは、軌跡の線がわずかに滑らかに見えるという点が異なります。

グラフィティ風の曲線トラック

(画像提供: Harald Wolf)

記事の調査結果によると、砂漠アリは視覚と嗅覚の手がかりを効果的に組み合わせて食料源を見つけることができるという。これは単なる初期の実験結果でした。 20年間の継続的な研究の結果、ウルフは砂漠アリのナビゲーション能力が非常に複雑であることを発見しました。それは単純な視覚と嗅覚の手がかりだけではなく、経路の統合と太陽によるナビゲーションも含まれます。

パス統合は主なナビゲーション方法であり、このプロセスは一種の「アリの GPS」として考えることができます。科学者はどうやってこれを知るのでしょうか?彼らはアリの足の長さを変える実験を行った。彼らはアリの足の長さを長くし、アリの足に「小さな竹馬」を取り付けて、アリが歩くたびに大きな一歩を踏み出せるようにした。アリの中には、歩くたびに足が小さくなるように、足を切り詰めて足の長さを短くするアリもいます。その後、実験場に砂を敷き、アリの通った道を記録しました。科学者たちは、アリが巣から餌場まで歩く道を観察し、記録した。

アリの軌跡は高速カメラで記録されました。

(画像提供: Harald Wolf)

脚が長くなったり短くなったりした砂漠アリ

（画像出典：参考文献4）

科学者たちはアリの歩く方向と歩数を記録することで、アリの移動距離と方向の合計を計算した。アリの歩行経路をすべて合成して、巣に戻る直線距離と方向を取得します。アリの歩幅が変わると、巣に戻る場所も変わることがわかった。これは、アリが歩数と歩幅に基づいて移動距離を計算していることを示唆しています。

砂漠でのウルフテスト

（画像出典：参考文献4）

砂漠のアリが巣から出て餌を探しに出発する様子を想像してみてください。餌を探すために、まず東に50歩、次に北に30歩、最後に西に20歩歩きました。その道はジグザグのようです。さて、家に帰る時間です。そして、家に帰るための直行経路を計算します。それは、南に 30 歩、次に西に 30 歩といったところでしょうか。

これは砂漠アリがまっすぐに歩けない直接的な理由でもあります。複数のナビゲーション メカニズムの組み合わせと相互作用により、アリは直線から外れます。

最新の研究で、科学者たちは、アリの進路が直線ではなく、曲がりくねっていて不規則な場合もあり、ブラウン運動に似たランダムウォークの特性を示していることを発見した。

実験場所

(画像提供: Harald Wolf)

さらに、アリが餌を探して巣に戻るまでの経路を追跡して記録することで、経路角度の変化を測定した。研究者たちはアリの進路をそれぞれ約50センチの長さの小さな区間に分割し、各区間間の角度の変化を測定した。たとえば、アリが最初に東に歩き、次に北に歩く場合、2 つの方向の間の角度は 90 度になります。

始点から終点までのアリの経路

（画像出典：参考資料2）

その後、科学者たちはすべての角度の統計分析を行い、角度の平均と分布を計算しました。結果は、これらの角度が 0 度から 360 度の間で均等に分布していることを示しており、砂漠アリの進路はブラウン運動と同様にランダムであることを示しています。もちろん、砂漠アリのブラウン運動特性はすべての探索行動に現れるわけではありませんが、主にターゲットが見つからないときに探索行動を開始します。このとき、彼らの歩行経路は明らかなブラウン運動の特徴を示します。

目標に近づくと、つまり巣や餌場に近づくと、砂漠アリの進路はゆっくりとまっすぐになります。つまり、砂漠アリは外に出ると、ほぼ常にランダムなブラウン運動で移動し、餌を見つけて巣に近づいたときだけゆっくりと直線的に移動するのです。

2019年、フランスの科学者たちは砂漠のアリにヒントを得て、GPSなしで自律的に移動して基地に戻ることができるAntBotと呼ばれるロボットを設計した。このロボットは重さ2.3キログラムで6本の足があり、荒れた地形でも移動できる。

アントボット

（画像出典：sciencedaily）

AntBot には、空の光の偏光を感知できる光学コンパスが搭載されています。このコンパスは、晴天でも曇天でも 0.4 度の精度で方向を測定できます。同時に、ロボットには相対的な動きを測定するための光学フローセンサーも装備されています。このセンサーは地面の質感の変化を観察して移動距離を計算します。アリの経路統合メカニズムと同様に、AntBot も歩数を数えて歩いた距離を正確に計算します。

実験では、AntBot は複雑な環境をランダムに探索し、1 cm 以内の誤差で正確に開始位置に戻ることができました。ある日、ロボットがナビゲーションに GPS を必要としなくなり、これらすべてが小さな砂漠のアリからヒントを得ることになるなんて、誰が想像したでしょうか。

参考文献:

[1]Wolf H、Wehner R. 食料源の特定：砂漠アリCataglyphis fortisの嗅覚と風走性指向J.実験生物学ジャーナル、2000年、203(5):857-868。

[2] Wolf H、Baldy N、Pfeffer SE、et al.砂漠アリの歩行軌跡の幾何学的マルチスケール曲がり具合J.実験生物学ジャーナル、2024年、227(10)。

[3] Pfeffer SE、Wahl VL、Wittlinger M. 後ろ向きに家を見つけるには？砂漠アリCataglyphis fortisの後方歩行時の移動運動と脚間協調J。実験生物学ジャーナル、2016年、219(14):2110-2118。

[4] Gadagkar R. 動物行動実験の設計方法：5. アリは歩行距離をどのように推定するのか？ J.レゾナンス、2019、24：875-889。

[5] CNRS. 「GPSなしで移動する初の歩行ロボット。」サイエンスデイリー。 ScienceDaily、2019年2月13日。

[6] テックエクスプローラー。 「GPSなしで移動する初の歩行ロボット。」 2019年2月13日。