《Methods in Ecology and Evolution》：ALTAA: Analysis of long-term activity patterns in ant colonies
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本文介绍了一个用于记录、分析和模拟蚁群等昆虫集群长期时空活动模式的多组件系统（ALTAA），包含扁平巢设计、低功耗硬件和Python分析程序。系统无需个体标记，可实现低扰动、高时空分辨率的长周期观察。研究以黑毛蚁为例，揭示了群体规模、幼虫存在和巢穴几何结构对个体运动活跃度、空间利用及群体对扰动反应的影响，为揭示复杂生物系统中涌现的集体行为模式和潜在规则提供了强大工具包。
1. 引言
集体行为因其只在相互作用的个体群中涌现的特性，一直是引人入胜的研究领域。然而，对其进行定量研究常面临技术挑战，要么产生低质量、稀疏的数据，要么产生不切实际的庞大数据量，尤其是在长时间记录大型群体时。常见难点包括尽量减少个体间相互遮挡，以及在生成尽可能高信息含量的数据的同时控制数据量。本文介绍的集成系统（ALTAA）旨在解决这些问题，允许记录、分析和模拟蚁群等昆虫集群的长期时空活动模式。该系统包含扁平巢（flat-nest）设计以防止个体遮挡，运行在低功耗单板计算机（Single-Board Computer, SBC）上的记录系统，以及一套用于定量分析的计算机程序，以指导潜在行为规则的形成和验证。与传统的基于个体标记的方法相比，ALTAA方法无标记，干扰小，内存占用低，可扩展性强，可对大量群体进行平行的长期观察。该系统特别适用于研究那些源自细微、渐进变化，背景噪声大，难以从复杂生物系统的随机行为中分离的集体活动模式。
2. 方法
2.1 软件开发与硬件工具
系统的软件主要使用Python（版本3.9）开发，并调用了OpenCV、wxPython、SciPy和Matplotlib等包。用于实验观察的巢（arena）通过Blender软件设计，并使用立体光刻（Stereolithography, SLA）3D打印机制作。记录装置框架由MakerBeam铝型材和木质面板搭建，内部有LED光源以确保照明均匀。记录核心是一台运行AntOS软件的单板计算机（Raspberry Pi 4b），其上连接了一个摄像头用于图像采集，以及一个数字温度传感器。系统的框架包含三大组件：（i）AntOS用于实验期间的行为记录，（ii）Visualizer用于数据分析可视化，（iii）AntSim用于基于理论规则的模拟，以验证观察到的数据。所有代码和设计文件均已开源在GitHub仓库。
2.2 AntOS：装置与扁平巢
装置核心是专门设计的扁平巢。其内部高度仅为1.2毫米（蚁后室稍高），这一设计限制了工蚁在彼此身上爬行，从而显著减少了图像处理中的遮挡问题，并降低了数据存储和分析的复杂性。扁平巢配有供水容器、蔗糖溶液容器和通风孔，允许工蚁在其中生活数周甚至数月，而无需实验者频繁干预。为保护蚂蚁健康，3D打印的树脂巢在使用前需经过异丙醇清洁、紫外线照射、水洗和干燥等一系列后处理步骤。引入蚂蚁到扁平巢的过程通过一个特殊的漏斗和透明橡胶管完成，以减少操作带来的压力。
2.3 AntOS：软件功能
AntOS程序通过图形用户界面（GUI）控制，每秒从摄像头获取一帧图像进行处理，并将结果数据（运动点坐标、检测到的颜色标记等）保存在CSV文件中。其核心功能是检测连续帧之间的运动差异，找到轮廓并计算其中心点作为运动点。程序还会定时保存区域图像以供后续检查，并记录装置内部温度。数据处理时，蚂蚁的个体身份并非必需，这大大降低了长周期、大群体观测的资源要求。
2.4 数据探索与可视化：Visualizer
Visualizer程序用于分析和可视化AntOS收集的数据。它提供多种图形绘制功能，包括：检查运动点是否准确落在蚂蚁身体上的“SanityChk”；绘制运动强度（单位时间内运动点数量）随时间变化的“Intensity”图；计算并绘制运动数据功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）的“intensityPSD”图，用于识别活动的周期性；绘制运动点空间分布热图的“spAHeatmap”；以及分析蚂蚁近距离聚集活动强度的“proxMCluster”等。这些分析有助于揭示蚂蚁活动在时间和空间上的宏观模式。
2.5 模拟：AntSim
AntSim软件可以根据假定的蚂蚁行为规则，模拟生成与真实数据格式相同的运动数据。用户可以通过定义活动/不活动时长的分布，并引入诸如个体间的相互影响等规则，来模拟不同群体规模下的活动模式。将模拟结果与Visualizer分析的观测数据进行比较，可以评估哪些行为规则是必要的，能够重现观测到的集体模式，从而推断蚂蚁行为的内在规律和社会背景如何影响整体活动模式。
2.6 实验研究
本研究以黑毛蚁（Lasius niger）为模型，探讨了群体规模、幼虫存在与否以及巢穴几何结构对其时空活动模式的影响。实验从野外采集的11个蚁后开始培育，建立了独立的实验蚁群。实验分为两部分：
- •
实验一：研究了群体规模的影响。从每个蚁群中随机选取1只、6只和10只工蚁（分别记为n1， n6， n10），放入方形扁平巢中，并加入同巢的中晚期幼虫。每个群体记录一周。
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实验二：研究幼虫和巢穴形态的影响。在一年后，使用新的工蚁样本，设置了无幼虫且在圆形扁平巢中的1只和6只蚂蚁组（分别记为n1* 和 n6*），与之前的数据进行对比。
数据分析基于AntOS记录的数据，通过Visualizer进行统计分析和可视化，并使用AntSim进行模拟验证。
3. 结果
3.1 运动强度
分析运动强度（即单位时间内检测到的运动点总数）发现，群体规模为10只（n10）时的总运动量显著低于从6只群体（n6）按比例线性外推的预期值（预期比例为1.0， 实测中位数为0.896），表明在更大的群体中，个体蚂蚁的平均运动量并未线性增加，而是出现了下降。在有无幼虫的比较中，相同群体规模的总运动强度没有显著差异。
3.2 时间模式
通过功率谱密度（PSD）分析发现，黑毛蚁的活动中存在20至120分钟（长周期）范围内的弱周期性，其强度（以长周期平均功率除以短周期平均功率的比值表示）在不同群体规模（n1， n6， n10）间无显著差异，比值中位数约为2.0。然而，在没有幼虫存在的情况下（n1和 n6），这种周期性显著减弱**，比值分别降至1.552和1.781。这表明幼虫的存在能够促进工蚁活动呈现更明显的长周期节律。
3.3 空间模式
空间热图分析揭示了蚂蚁的空间利用偏好：
- 1.
幼虫吸引力：在有幼虫的群体中，蚂蚁活动显著集中在幼虫（位于巢中心）周围。在无幼虫的群体中，活动中心则远离巢中心。
- 2.
边缘吸引力：所有规模的群体均在巢的墙壁/边缘附近表现出高活动性。在方形巢中，蚂蚁有更高的概率沿着垂直于墙壁的方向行走。
- 3.
水源吸引力：在没有幼虫的圆形巢中，蚂蚁在水源（棉线供水处）附近的活动较高。
- 4.
群体规模与幼虫的影响：群体活动（n6， n10）比单独个体（n1）更加分散。此外，无论是单个蚂蚁还是群体，在没有幼虫时，其活动都比有幼虫时更加分散。没有幼虫的单个蚂蚁（n1*）的行走百分比和行走距离也显著高于有幼虫的个体（n1）。
3.4 群体对干扰的反应
在实验开始时，蚂蚁经历了从原巢迁移到实验巢的环境变化干扰。分析发现：
- •
初始高活跃度：在有幼虫的6只和10只蚂蚁群体中，活动强度在实验初期显著升高，随后在2-3天内呈指数衰减，逐渐稳定到一个较低水平。衰减的半衰期在n6和n10群体间无显著差异。
- •
幼虫的作用：无幼虫的6只蚂蚁群体（n6）以及有或无幼虫的单个蚂蚁（n1， n1）均未表现出这种清晰、一致的初始高活跃度和衰减模式，其活动变化方差更大，表明结构化的“激活-恢复”过程依赖于幼虫的存在和群体规模。
- •
近距离集群活动：通过“proxMCluster”分析蚂蚁间的近距离集群活动强度，发现只有在有幼虫的群体中，实验初期才会出现特别高的集群活动峰值，随后出现较小的波动。幼虫的缺失显著降低了蚂蚁近距离集群时的整体活动强度。
3.5 模拟结果
通过AntSim模拟，研究尝试从个体行为规则推断出群体模式：
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仅从单只蚂蚁（n1）数据中提取的活动/不活动时长分布的平均值进行简单线性放大模拟（无增强、无互动），无法重现观测到的群体活动模式（特别是n10的活性低于线性预期）。
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为模拟数据加入“增强”步骤，增加长活动/不活动时长的概率，以反映个体变异，模拟结果与真实数据在活动波动（长/短周期比值）上变得一致。
- •
进一步加入“互动”规则（当群体中许多蚂蚁同时活跃时，增加个体进入较长不活动状态的概率），最终成功模拟出与真实数据一致的活动波动模式和n10群体的活性降低模式。这支持了“蚂蚁在群体环境中会因同伴的活跃而减少自身活动”的假设。
4. 讨论
本研究开发的ALTAA系统是一个用于研究蚂蚁等昆虫集群长期行为变化的多组件工具包。其亮点在于通过扁平巢设计解决了社会性昆虫高密度互动导致的遮挡难题，实现了无需个体标记、低扰动、高时空分辨率的长期观测，并整合了从数据采集、可视化分析到理论模拟的全流程。实验研究以黑毛蚁为例，系统性地揭示了：
- 1.
群体规模对活性的非线性抑制：群体运动总量未随个体数线性增加，暗示了社会互动对个体运动的抑制效应。
- 2.
幼虫驱动的长周期节律：蚂蚁活动存在20-120分钟的弱周期性，幼虫的存在显著加强了这种节律。
- 3.
明确的空间偏好：蚂蚁被幼虫、巢壁/边缘和水源所吸引。幼虫的存在使活动空间更集中，反之则更分散。
- 4.
幼虫与社会互动共同影响应激恢复：只有包含幼虫的群体在环境干扰后表现出清晰的、有规律的高活性-衰减-稳定的适应过程，且初期伴随着高强度的近距离集群活动，这提示幼虫是群体对新环境做出协调、探索性反应的核心驱动因素。
通过AntSim模拟，研究进一步证实了从单一个体行为线性叠加无法准确预测集体行为，必须引入反映社会互动（如“看到同伴活跃则自身减少活动”）的规则，才能重现观测结果。这凸显了从个体到集体层面涌现行为研究的必要性。
尽管当前系统尚无法模拟三维巢穴结构或进行大规模（如上百只）个体追踪，但其模块化、低成本、开源的特点使其易于扩展和适配。它可以用于研究群体发育、环境扰动下的长期行为变化、复杂而嘈杂的集体活动模式等。随着技术的普及，该系统有望成为一个强大的、易于获取的工具，帮助行为生态学和系统生物学领域的研究者深入探索集体行为的奥秘。
