2020-06-11 20:47:01
物理学原理解释了群体的秩序和混乱

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当前的实验支持有争议的假设,即物理学中一个众所周知的概念(一个关键点)是集体动物系统惊人行为的背后。康斯坦茨大学(University of Konstanz)集体行为高级研究卓越中心集群的物理学家表明,可以将光控制的微泳粒子制成组织为集体状态,例如群和漩涡。通过研究在这些状态之间波动的粒子,它们为关键行为提供了证据,并为集体的复杂行为所依据的物理原理提供了支持。研究结果发表在科学杂志《自然通讯》上。

动物群体表现出既健壮又灵活的自相矛盾的特征。想象一下鱼群:成百上千的个体处于完美的秩序和阵地之中,可能突然转变为躲避一次袭击的阵阵龙卷风。如果动物群体能够在面对“噪声”(如涡流或阵风)的稳定性与对重要变化(如掠食者的进场)的响应能力之间达成这种微妙的平衡,则它们将从中受益。

关键过渡

他们如何实现这一目标尚不清楚。但是近年来,出现了一种可能的解释:临界度。在物理学中,临界度描述的系统是在临界点发生诸如气体到液体等状态之间的过渡。人们认为,关键性是要为生物系统提供鲁棒性和灵活性之间的必要平衡。这项研究的主要作者,集体行为高级研究中心的首席研究员,康斯坦茨大学物理系教授克莱门斯·贝辛格说:“稳定和高响应能力的结合正是关键点。” “因此有必要测试这是否可以解释我们在集体行为中看到的某些模式。”

过去主要通过数值模拟研究了集体状态徘徊在临界点附近的假设。在《自然通讯》上发表的新研究中,Bechinger及其同事为数学预测提供了罕见的实验支持。 “通过证明集体行为与批判行为之间的紧密联系,我们的发现不仅增加了我们对集体状态的一般理解,而且还暗示了一般的物理概念可能适用于生命系统,” Bechinger说。

实验证据

在实验中,研究人员使用了玻璃珠,该玻璃珠的一侧涂有碳帽,并置于粘性液体中。当受到光照时,它们就像细菌一样游动,但有一个重要的区别:可以控制粒子如何与其他物体相互作用的各个方面,从个体如何移动到可以看到多少邻居。这些微泳颗粒使研究人员可以避开无法轻易控制相互作用规则的生物系统的挑战。 “我们在计算机中设计规则,将其进行实验,然后观察交互游戏的结果,” Bechinger说。

但是为了确保物理系统与生物系统相似,研究人员设计了反映动物行为的相互作用。例如,他们控制着个人相对于邻居移动的方向。粒子被编程为要么直接向主体中的其他物体游动,要么偏离它们。根据运动的角度,粒子组织成漩涡或无序群。逐渐调节该值会引起漩涡和无序但仍具有凝聚力的群体之间的快速过渡。 Bechinger说:“我们观察到的是,该系统可以从一种状态突然过渡到另一种状态,这表明了对诸如捕食者这样的外部扰动做出反应所需的灵活性,并为关键行为提供了明确的证据。”

“与动物群和神经系统相似的行为”

康斯坦茨·马克斯·普朗克动物行为研究所的集体行为高级研究中心共同负责人兼集体行为学系主任伊恩·库赞教授说,这一结果是“了解动物集体如何进化的关键”。尽管未参与这项研究,但库赞(Couzin)数十年来一直致力于研究如何分组来增强动物集体的感知能力。

Couzin说:“这项研究中的粒子的行为与我们在动物群乃至神经系统中所看到的行为非常相似。我们知道集体中的个体会从更敏感的响应中受益,但是生物学的最大挑战在于测试是否关键是使个人自发地变得对环境更加敏感的原因。这项研究已经证实,这可以通过自发出现的物理特性来实现。通过非常简单的交互作用,他们表明您可以将物理系统调整为一个集体状态,关键-秩序与无序之间的平衡。”

通过证明生命系统中集体性与批判行为之间存在联系,本研究还暗示了如何将集体的智慧设计到物理系统中。除了简单的粒子外,这一发现还有助于设计带有机载控制单元的自主微机器人设备的有效策略。 “与他们的同龄人类似,这些微型特工应该能够自发地适应不断变化的条件,甚至能够应对不可预见的情况,这可能是由于他们在临界点附近的行动而实现的,”贝辛格说。

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