Kiến sa mạc Cataglyphis ở Bắc Phi đi kiếm ăn ngoằn ngoèo hàng trăm mét trên bãi muối phẳng không có mốc, rồi khi tìm được mồi thì chạy gần như thẳng một mạch về tổ. Chúng làm được nhờ "tích phân đường đi" (path integration): liên tục cộng dồn hướng (đo bằng la bàn ánh sáng phân cực của bầu trời) và quãng đường (đo bằng cách "đếm bước") để luôn biết tổ nằm ở hướng nào, cách bao xa. Thí nghiệm năm 2006 gắn "cà kheo" cho kiến đã chứng minh chúng đếm bước.
Bài toán của kiến sa mạc
Những bãi muối khô ở Tunisia nóng tới mức mặt đất có thể vượt 50–60 độ C giữa trưa. Kiến Cataglyphis ra kiếm xác côn trùng chết vì nóng, phải chạy nhanh và về tổ nhanh để không bị nướng chín. Mặt đất phẳng, không có mốc nhìn thấy, mùi cũng không giúp được vì nắng nóng làm mùi bay hơi rất nhanh — chúng không thể theo vệt mùi như kiến thường. Vậy mà chúng vẫn về đúng cái lỗ tổ nhỏ chỉ bằng đầu kim trên mặt đất.
Nhà nghiên cứu Rüdiger Wehner (Đại học Zürich, Thụy Sĩ) và cộng sự đã dành nhiều thập kỷ nghiên cứu những con kiến này, biến chúng thành một trong những "mô hình" nổi tiếng nhất về tìm đường ở động vật.
Tích phân đường đi: cộng dồn từng bước
Hãy tưởng tượng bạn bị bịt mắt đi trong một sân rộng: ba bước về phía trước, quay phải, năm bước, quay trái, hai bước… Nếu ghi nhớ kỹ mọi hướng và số bước, bạn có thể tính ra cần đi hướng nào, bao nhiêu bước để về chỗ xuất phát. Người đi biển xưa gọi cách này là "dự đoán vị trí" (dead reckoning). Kiến sa mạc làm đúng điều đó, liên tục, trong não chỉ bằng đầu kim.
Bằng chứng kinh điển: các nhà khoa học đợi kiến tìm được mồi ở xa, nhấc nó lên và đặt sang một chỗ khác cách đó vài chục mét. Con kiến lập tức chạy theo đúng hướng và đúng khoảng cách mà lẽ ra sẽ đưa nó về tổ nếu nó không bị di chuyển — rồi dừng lại, bắt đầu tìm quanh. Nó chạy theo "phép tính" trong đầu, không theo thứ gì nó thấy.
La bàn ánh sáng phân cực
Hướng được kiến đo bằng ánh sáng bầu trời. Ánh sáng mặt trời bị phân cực khi tán xạ trong khí quyển, tạo ra một mẫu phụ thuộc vị trí mặt trời. Kiến có một vùng chuyên biệt ở mép trên mắt kép nhạy với ánh sáng phân cực. Khi các nhà khoa học che vùng mắt này, hoặc dùng kính lọc làm thay đổi mẫu phân cực, kiến chạy sai hướng đúng như dự đoán.
Thí nghiệm cà kheo: kiến đếm bước
Năm 2006, Matthias Wittlinger, Rüdiger Wehner và Harald Wolf công bố trên tạp chí Science một thí nghiệm nổi tiếng. Họ huấn luyện kiến đi từ tổ đến chỗ có thức ăn cách 10 m. Khi kiến đến chỗ ăn, họ thay đổi chân của kiến:
| Nhóm | Thay đổi | Kết quả khi chạy về |
|---|---|---|
| Bình thường | Không | Dừng lại tìm tổ đúng khoảng 10 m |
| "Cà kheo" | Gắn thêm đoạn lông cứng nối dài chân | Chạy quá, dừng ở khoảng 15 m |
| Chân ngắn | Cắt ngắn một phần chân | Chạy thiếu, dừng ở khoảng 6 m |
Kiến "cà kheo" bước dài hơn nhưng vẫn đếm đúng số bước cũ, nên đi quá; kiến chân ngắn bước ngắn hơn, nên đi thiếu. Khi các con kiến này lại đi từ tổ ra (với chân đã thay đổi) và quay về, chúng lại về đúng khoảng cách — vì giờ "bước chuẩn" của cả chiều đi lẫn chiều về là như nhau. Kết quả cho thấy kiến dùng một kiểu "máy đếm bước" để đo quãng đường. Các nghiên cứu khác cho thấy chúng còn dùng thêm dòng hình ảnh mặt đất trôi qua mắt.
Khi gần tổ: tìm kiếm và mốc
Phép cộng dồn không hoàn hảo; sai số tích luỹ theo quãng đường. Khi đã chạy đến chỗ "phép tính" bảo là tổ mà không thấy, kiến bắt đầu một kiểu tìm kiếm xoáy ốc quanh điểm đó, các vòng lặp ngày càng rộng nhưng luôn quay lại trung tâm. Ở nơi có mốc, kiến còn ghi nhớ "ảnh chụp" khung cảnh quanh tổ và so sánh để chỉnh hướng ở chặng cuối. Đây là sự kết hợp mà mọi người đi rừng cũng dùng: ước lượng bằng la bàn và bước chân, rồi tìm mốc ở chặng cuối.
Bài học cho người tìm đường
- Hướng + khoảng cách là đủ để quay về, nếu bạn ghi nhớ kỹ. Đây chính là cách đi theo góc phương vị và đếm bước đôi.
- Sai số tích luỹ: càng đi xa không có mốc, càng lệch. Kiến cũng vậy, nên cần chặng tìm kiếm ở cuối.
- Tìm kiếm có hệ thống: vòng xoáy quanh điểm dự đoán tốt hơn đi lung tung — đây cũng là kỹ thuật tìm kiếm mà con người dùng (xem bài "Đi thẳng theo góc phương vị").
Câu hỏi thường gặp
Kiến sa mạc tìm đường về tổ thế nào?
Chúng dùng tích phân đường đi: liên tục cộng dồn hướng đo bằng ánh sáng phân cực của bầu trời và quãng đường đo bằng cách đếm bước, để luôn biết tổ nằm ở hướng nào, cách bao xa.
Thí nghiệm cà kheo với kiến là gì?
Là thí nghiệm công bố năm 2006: kiến được nối dài hoặc cắt ngắn chân sau khi đi tới nguồn thức ăn. Kiến chân dài chạy quá tổ, kiến chân ngắn chạy thiếu, chứng tỏ chúng đo quãng đường bằng cách đếm bước.
Vì sao kiến sa mạc không theo vệt mùi?
Vì mặt đất sa mạc quá nóng làm mùi bay hơi rất nhanh, và kiến phải chạy nhanh về tổ để không bị nóng chết. Chúng dựa vào la bàn bầu trời và đếm bước thay vì vệt mùi.
Ánh sáng phân cực giúp kiến thế nào?
Ánh sáng bầu trời bị phân cực theo một mẫu phụ thuộc vị trí mặt trời. Kiến có vùng mắt nhạy với ánh sáng phân cực nên đọc được mẫu này như một la bàn.
Tích phân đường đi giống kỹ thuật nào của con người?
Giống kỹ thuật dự đoán vị trí (dead reckoning) của người đi biển xưa và cách đi bộ theo góc phương vị kết hợp đếm bước đôi khi không có mốc.
