“这种土壤非常适合这项工作，”沃尔特·钦克尔说，汗水顺着他的脸流淌。“你可以在这里一小时内挖出一个六英尺深的洞。”他的声音有些含糊，因为他就是这么做的——甚至更多。他正蹲在一个八英尺深的洞底，位于佛罗里达州塔拉哈西机场和污水处理厂之间一片炎热、干燥、开阔的田地里。他铲土时，混有粘土的沙子从洞里飞出来。62岁的钦克尔休息了一会儿，然后拿起一把小铲，拨开坑壁上的沙子。他抬头看了一眼。“我想我们可以开始把它取出来了，”他说。
当他用小铲尖戳时，一件奇妙的雕塑开始从土中显现。他刮掉更多的沙子，露出了刚才完全埋在地下的管状物和椭圆形叶状物。这东西非常脆弱，以至于当钦克尔和他的研究生将其从地里取出时，它断成了几十块。这是一个完美的三维蚂蚁巢穴模型，稍后将在实验室重新组装。钦克尔这个美好的四月早晨，一直在将牙科石膏混合成蛋酒的稠度，加入玻璃纤维，用一片卷曲的叶子支撑巢穴入口作为漏斗，倒入石膏，然后让它凝固。然后他就在巢穴旁边挖了一个坑，将石膏模型取了出来。
大头蚁
分布范围：美国东南部沿海平原，从佐治亚州到路易斯安那州
巢穴平均深度：7英尺
巢室平均数量：100
蚁群平均规模：5,000
成熟的佛罗里达收割蚁巢穴可以达到10英尺深，包含200个巢室。通常，蚁群会存活15年，直到蚁后死亡。
“这是一个典型的蚂蚁巢穴——一个垂直的通道和水平的巢室，”他说，小心翼翼地将碎片铺在草地上。十多年来，钦克尔，佛罗里达州立大学塔拉哈西分校的蚁学家或蚂蚁专家，一直在研究蚂蚁的行为和社会组织。他对它们的巢穴产生了好奇——这些神秘的地下洞穴从未被科学家清晰地看到过。“很难想象地下是什么样子，”他说。巢穴到底是什么样子？它们能揭示出关于蚂蚁以及它们如何组织生活的什么信息？科学期刊上出现过一些草图，但很少按比例绘制，细节也很少。钦克尔尝试挖掘巢穴并绘制自己的草图，但发现他无法清楚地看到它们的三维结构。15年前，他有了一个主意。他混合石膏并将其倒入火蚁巢穴中。当他挖出模型并费力地将碎片重新粘合在一起时，“那是一种启示。”
现在，他说，我们可以更精确地描述蚁巢结构，从而更好地理解这些昆虫以及科学上称为自组织（自然界中的简单单位通过相互作用形成更大的模式）的神秘原理。当每个个体响应外部线索完成其工作时，一个蚁群就会发展起来。钦克尔说，这种行为的规则是“某种程度上内部编程的；它们源于神经系统的组织方式。”数千种穴居蚂蚁物种中的每一种都有特定的巢穴设计，每一种都遵循特定的规则建造。“这套规则是什么？它们是如何得到的？它们是如何执行的？”钦克尔想知道。“一个没有领导者，没有计划的群体，如何在黑暗中创造出如此复杂的结构？”大多数蚁群始于一只新受精的蚁后挖一个单室巢穴，将自己封闭在里面，并抚养第一批工蚁。蚁后只需受精一次：它们在一个囊中储存一辈子的精子，在成熟的蚁群中，如果环境温度足够温暖——华氏72度——一些蚁后可以在许多年里每天产下1000个卵。幼虫在一周内孵化，靠蚁后体内的储备进食，一个月内长大成熟。然后工蚁开始觅食——就佛罗里达收割蚁而言，它们觅食昆虫和种子——以喂养下一批卵。蚁群就这样扩张了。工蚁大约存活一年，但一个蚁群可以存活10或20年，直到蚁后死亡。大多数蚂蚁物种（包括收割蚁）的蚁群是社会性的、合作的、无缝的有机体，与我们认为的个体有机体唯一的区别在于“它们没有粘在一起”，正如钦克尔所说。蚁群是一种生物——一个超个体。钦克尔在1985年制作了他的第一个模型——火蚁的巢穴，学名为 Solenopsis invicta，意思是“未被征服者”。它们建立巨大、长寿的蚁群，拥有25万个个体，蚁后可以活七年。大多数蚂蚁只防御它们的巢穴，而火蚁则凶猛地防御周围的领土，通常超过1000平方英尺，它们的蜇伤甚至对哺乳动物来说也是难忘的。钦克尔完成了开创性的研究，揭示了它们蚁群中“食物流动行为规则”。他探索了它们的巢穴——首先用氯仿麻醉里面的居民，部分是为了他自己的安全，但主要是“将它们击倒在原地，这样我就可以看到它们在巢穴中的分布情况”——并认为他对巢穴的几何形状有了很好的了解。但是当他将牙科石膏倒入其中并挖出来时，图像就清晰多了。“火蚁的巢穴比我想象的更有规律，排列也更不随意，”他说。“它们显然是有组织的，规则的，可预测的——非常有趣。我开始研究建筑了。”
从地表向下建造
蚁巢的平面图因物种而异，但钦克尔的研究表明，许多蚁群在开辟地下家园时遵循共同的顺序。一个蚁群始于一只新受精的蚁后挖一条隧道，并用储存在她体内的营养物质抚养最初几十只幼虫。一个月内，成年工蚁按年龄自我分工，最老的工蚁承担上层巢穴的特定任务，年轻的工蚁则进行更深层的工作。随着巢室和走廊的增加，蚁后退到下层巢穴，开始每天产下多达1000个卵，以跟上建筑队伍的进度。在三到五年内，蚁群完成巢穴的最终版本，蚁后产卵速度减慢，有效地结束了生育高峰，并将成熟蚁群的组成从50%的幼蚁转变为25%。——Jocelyn Selim
几年后，他铸造了名为 Odontomachus brunneus 的陷颚蚁巢穴模型，这种蚂蚁因其不寻常的面部结构而得名。陷颚蚁巨大的上颚向两侧突出，使其看起来像锤头鲨。这些上颚非常坚固：如果蚂蚁夹住了一个过于光滑和圆润而无法抓牢的东西，它的上颚就会以足够的力量猛然合上，将蚂蚁向后弹出三英寸。在这个模型中，钦克尔识别出了他在火蚁巢穴中看到的相同结构，“只不过这里的内部巢穴由一个单一的单元组成——串串烧单元。”这是钦克尔对巢室沿着单一垂直隧道一个接一个串联起来的描述，使模型本身呈现出一种“一根棍子上串着许多肿块”的外观。“于是我有了这样一个想法：存在一种基本的、广泛存在的建筑单元，它可能是许多蚂蚁巢穴的基础。”
火蚁巢穴很浅；大多数巢室都与地表附近的巢穴核心紧密相连，并且几乎完整地从地下取出。但是陷颚蚁建造的巢穴更加庞大，如果模型不完整，就会失去真实的特性——和数据。钦克尔必须取回所有的碎片，为了完整地看到它，他必须设计一种方法来粘合和支撑一个完整重新组装的模型。
北方小甲虫蚁
分布范围：从长岛到伊利诺伊州；南部延伸至墨西哥湾沿岸和佛罗里达州
平均巢穴深度：3英尺
平均巢室数量：2
平均蚁群规模：500到1,500
这种农业型蚂蚁巢穴中的每个卵形巢室都是一个花园，里面堆满了腐熟的毛虫粪便，为蚁群赖以为生的真菌提供肥料。
他还在思考这个问题时，对佛罗里达收割蚁——大头蚁（Pogonomyrmex badius），俗称“pogo”——产生了兴趣。收割蚁是更令人印象深刻的蚂蚁物种之一，它在不到一周的时间内建造一个复杂的、七英尺深的巢穴，在此过程中移动了数磅的沙子。然后，觅食者在它们的领地内寻找种子，这些种子（多达30万颗）储存在地下巢室中。工蚁将种子碾碎成浆状物，喂给幼虫。钦克尔认为，幼虫反过来可能会向工蚁提供营养液，补充它们的甜植物分泌物、蚜虫蜜露和吸食猎物昆虫汁液的饮食。钦克尔早期试图清楚地描述巢穴中所有这些发生区域的尝试都未成功。但在20世纪90年代初，他发现了一个新近废弃的pogo巢穴，他用一次性倒入的五加仑牙科石膏填充了整个巢穴。石膏硬化后，模型从地下取出——碎成了180块。
“我把它们清理干净，它们在我的实验室工作台上放了三四年，”他说。“组装它看起来令人望而生畏。”但是钦克尔，一个业余木匠，他的房子里摆满了自己设计的优雅手工家具，他设计了一种方法，用环氧树脂将破碎的模型粘合在一起，并将模型安装在一块高高的胶合板背板前，用突出的钢焊条支撑，使其以与在地下相同的方向悬挂在空中。“我开始在实验室桌上组装子单元，”他说，经过几个月——比蚂蚁建造巢穴的时间长得多——“我将模型重新组装成大约十几个子单元，然后弄清楚它们是如何组合在一起的。”收割蚁群的巢穴有130个巢室，由大约30英尺的垂直隧道连接。
他还对其他物种进行了同样的操作，包括 Aphaenogaster ashmeadi 和 Pheidole morrisii，其中一些安装好的模型放置在他佛罗里达州立大学校园办公室外的有机玻璃展示柜中。正如钦克尔所描述的，它们“在物理上、智力上和美学上都令人愉悦”。
钦克尔认为，蚁群的生长方式与单个生物体相同，遵循指导其细胞之间以及其与环境之间相互作用的规则，这一过程被称为胚胎发生。蚁群是“由单一、受精的蚁后通过社会发生（sociogenesis）的规则和相互作用产生的”——社会根据其内部规则生长和变化的过程。“正如成熟的生物体因胚胎发生规则的不同而不同，”他说，成熟的蚁群也因社会发生规则的变异而不同。
钦克尔正试图描述这些规则。例如，他研究工蚁的大小、分布和劳动模式如何随着蚁群的成长而变化，以及按工蚁大小和年龄划分的劳动分工如何有助于塑造蚁群的结构和习性。这些因素似乎像工厂平面图组织人员一样组织劳动力。年轻的工蚁从巢穴底部开始，照顾幼虫和蚁后，然后随着年龄的增长向上移动，承担更重要的工作——“一般的巢穴维护、食物准备、种子储存。最后，它们甚至向上移动，成为守卫和垃圾收集者，最终成为觅食者。”
火蚁
分布范围：美国东南部
平均巢穴深度：5英尺
巢室平均数量：100
平均蚁群规模：220,000
这种领地意识极强的火蚁是一种来自巴西和阿根廷的入侵物种，其巢穴由许多相同的隧道和巢室阵列组成，钦克尔将其描述为紧密堆积的烤肉串。
他还记录了新的蚁群是如何开始的，其中包括蚁后挖洞并启动事物的一些不寻常的变化。尽管新受精的火蚁蚁后通常独自建立新蚁群，但有时它们会与其他同时到达现场的新受精蚁后合作。这是一个难题，因为它似乎有风险：工蚁往往会杀死除一只蚁后之外的所有蚁后。有时，一只受精的蚁后会定居在一个失去蚁后的孤儿蚁群中，尽管她与那里的工蚁无关，并作为一种“皇家寄生虫”接管蚁群。钦克尔不知道为什么工蚁愿意为这样一位篡位者服务。此外，新蚁群的工蚁经常从其他新蚁群那里偷走幼虫，而其他蚁群的工蚁又将其偷回来，如此循环，直到一个蚁群获胜。然后所有的工蚁都去住在获胜的巢穴中，从而抛弃了它们的母亲。
淡黄蚁
分布范围：美国东南部
平均巢穴深度：1到2英尺
平均巢室数量：15到20
平均蚁群规模：500到3,000
这种常见的、但研究甚少的蚂蚁将从巢穴中挖出的泥土搬走，使得蚁群难以被发现。该蚁群不仅高效，而且难以捉摸，它建造的巢穴与内部蚂蚁的数量密切相关。
钦克尔说，蚁巢设计有一个基本主题：垂直隧道用于移动和运输，水平巢室用于工作、储存和容纳幼虫。但巢穴在形状、数量、巢室大小以及连接方式上因物种而异。例如，佛罗里达收割蚁的巢穴，最大的巢室靠近地表且间距紧密，越深则越小越远。小巢室呈椭圆形；大巢室则多叶且更复杂。
但工蚁究竟如何“知道”生成这些形状，并不那么显而易见。“在它们工作时，每个工蚁都会对需要完成的工作做出反应，”他说。“单个工蚁有哪些特性，以至于一旦每个工蚁都做出了贡献，总和就是特定的结果？”
钦克尔的一名研究生萨莎·米凯耶夫分析了17个淡黄蚁（Formica pallidafulva）的巢穴模型。她始终发现，当下降的隧道是垂直的时，相邻的巢室是圆形的，而当隧道倾斜时，巢室是椭圆形或泪滴形的，并沿着隧道的轴线排列。钦克尔说，这种观察简单地说明了巢穴建造规则之一：如果隧道是垂直的，挖掘的蚂蚁倾向于在工作时均匀分布，如果隧道是倾斜的，它们则倾向于聚集在较低的一端。
这是一个开始，但目前仍不清楚哪些工蚁负责挖掘，它们是单独还是作为一个群体具有这种方向偏好，或者蚂蚁的数量如何影响巢穴的大小和形状。“我能想象，如果数量很少，它们可能只会挖一条隧道，因为它们不会拥挤。但如果数量更多，它们可能也会挖巢室，”钦克尔说。
几个月后，在一个八月的早晨，钦克尔带着一个全新的想法深入阿巴拉契科拉国家森林，这个想法被装在了皮卡车的车厢里。多年来，钦克尔曾用乳胶、石膏粉和增强了玻璃纤维的牙科石膏铸造蚂蚁巢穴。每种材料都有优点，但没有一种是完美的。所以今天他将尝试一些新的东西：熔融金属。他花了好几个月的时间，用一个镀锌垃圾桶里的耐火粘土炉和一台由汽车加热风扇制成的鼓风机，精心制造了一个铸造厂。
灰蚁
分布范围：美国东南部
平均巢穴深度：1到2英尺
平均巢室数量：5到8
平均蚁群规模：100到200
这种食腐蚁通常在林地中发现，身体细长，形成小型蚁群。巢室设计浅而简单。
钦克尔开始工作，堆放木炭，点燃，然后等待一个小时，让30磅的废锌熔化。与此同时，他在一个pogo巢穴入口周围筑起一道泥坝，并用塑料管吹走松散的沙子。最后，他倒入熔融的锌。它流淌得如此顺畅，以至于钦克尔担心它可能会消失在一个地下老鼠洞里。等待10分钟让它冷却和硬化后，他开始用他最喜欢的铲子在巢穴旁边挖掘。
“这就像埋藏的宝藏，”研究生凯文·海特说，随着闪闪发光的金属从地下冒出。一些隧道上长满了毛发状的突起，完美地捕捉到了——那是另一种蚂蚁物种，微小而狡猾的盗蚁（Monomoriumviridum）的隧道，它们通过掠夺其他蚂蚁物种的幼虫来生存。海特用绳子绑住沉重的铸件，并帮助将其从地下拖出。它只分成了八块。“太棒了，”钦克尔说。
但后来，当他有时间思考时，他得出结论，锌密度太大。金属在到达巢穴底部之前就冷却凝固了。下次，他说，他会先浇铸熔融铝，然后再浇铸锌。
他有很多机会完善他制作3D模型的技术。仅该地区就有50种地栖蚂蚁，全世界大约有5000种，每种蚂蚁都有自己独特的生活方式和巢穴形状。例如，有切叶蚁属（Atta），它们建造世界上最大的巢穴，深达35英尺，覆盖的面积相当于一个小房子。“我很想制作一个切叶蚁巢穴模型，”钦克尔笑着说，“但我需要几吨石膏。”
