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生物物理学

生物物理学

礼貌:彼得·查德威克/科学图片库
01 Feb 2018
取自《物理世界》 2018年2月号

Swarms of midges might be an annoyance if you’re out walking 在 the woods, but for physicists they offer unique 在sights 在to 集体行为, as 珍妮弗·欧莱特 找出

尼古拉斯·欧莱特 喜欢mid。是的,这些微小的苍蝇令人气愤,并且可以咬人,但是通过培训成为物理学家的欧埃莱特(Ouellette)着迷于这些昆虫如何以及为何形成巨大的群,有时成千上万。我们知道这些群完全由雄性mid组成,它们的触角较长,并且拍打翅膀的频率几乎是雌性的两倍。雌鸟被高亢的声音吸引着,飞向蜂群,希望繁殖,这使得蜂群成为了一种精心设计的mid灭仪式。

据称,mid虫对声音的敏感性是由一位芬兰生态学家在1960年代在树林里散步时发现的。当他演唱当地民歌时,这位生态学家注意到这些苍蝇蜂拥而至,似乎是被他的声音所吸引。 Ouellette知道,但是,如果他想研究声群的话,那么他需要比唱民歌更科学的方法。因此,他在实验室找到了一名博士后。 斯坦福大学 倪妮 (现在在宾夕法尼亚州立大学)–用麦克风追踪mid虫并记录其翅膀的跳动。

当Ni和Ouellette通过扩音器向他们猛冲蜂群的嗡嗡声时,他们注意到了一些不寻常的东西。如果他们改变了通过扬声器播放的声音的大小–大声,轻声,大声,轻声–中等密度最高的区域会随着音量的变化而变化。当他们只通过扬声器播放雌性声音时(由于它们缺乏触角,您可以很容易地发现雌性声音),整个雄性蜂群飞过并坐在上面。

被鸡群迷住了

欧厄莱特(Ouellette)是越来越多的试图了解这种现象的科学家之一“collective behaviour”来。此前,Ouellette致力于流体流中模式的形成和相干结构的研究,在注意到飞行中的star鸟成群而形成的异常模式之后,对生物群着迷。“在我看来,这就像动荡,”他回忆说,并指出海湾流中形成的大漩涡是这种现象的一个例子。“它们显着地出现在流程本身之外。因此,必须有某种机制导致这些动物结构的形成。”

But swarm scientists are still puzzling over how such a mechanism might work 和 whether there’s a set of universal laws dictating such 集体行为 across a wide range of biological systems. That’s the nagging question, because while flocking 和 swarming are common 在 nature, each species that exhibits such 集体行为 does so just a little bit differently. A flock of starlings, a swarm of midges or a group of fire ants linking together to form floating rafts, for 在stance, are not quite the same thing.

即使是术语也很笨拙。“许多人将植绒和蜂拥一词互换使用,” admits Ouellette. “但是,由于我同时从事这两种工作,因此我通过使用“植绒”来表示具有净,有序运动的组,而使用“群体”来表示没有任何整体顺序或净运动的集体运动来区分它们。不过,尽管我尝试了很多,但这仍然不是标准用法。”尽管如此,Ouellette确信所有这些系统都有一些通用之处-某些方面并不完全取决于您正在研究的动物。

对于 乍得黄玉 –来自马萨诸塞州威廉姆斯学院的应用数学家,他与Ouellette一起独立研究蝗虫群模型–一切都归结为三个问题。个人做什么?小组做什么?这两件事又有什么关系?“这些问题很简单,但是却很难回答,” Topaz says.

更好地了解群体不仅是智力上的挑战。例如,它还可以通过改善地铁,音乐会,集会和其他许多人聚集的地方的人群管理策略,为社会带来红利。此外,此类工作还可以为科学家提供一种独特的方法来设计可抵抗故障的复杂网络。例如,如果只有一个吊架降落,那么电网可能会发生灾难性的故障,而整个美国飞机延误所需要的只是一场冬季风暴,摧毁了航空业枢纽中的一个关键节点。辐条飞行网络。

“我们在设计受控和分布式系统方面不如人类”欧莱特承认。相比之下,大自然似乎解决了这一问题,它们的鸡群和鸡群没有相同的窒息点。如果大量的八哥star迁移而使几只禽类脱离形态,则总体动态不会改变。没有中央节点-没有自上而下的机制-但是在这种集体系统中确实出现了一种受控秩序。“它是自下而上而不是自上而下的控件,” says Ouellette.

群策群力

Swarming research has been firmly 在 the wheelhouse of observational biologists for decades, when they would monitor swarm behaviour 在 the field 和 carefully write down their observations. It wasn’t until the 1980s, however, that computer graphics specialist Craig Reynolds developed what became the canonical computational model for 集体行为: the so-called “boids program”–基于代理的模拟,其名称来源于“bird-oid” (or “bird-like”)对象。该程序成为好莱坞的主要活动,被用来模拟蒂姆·伯顿(Tim Burton) 蝙蝠侠归来以及战斗人员在主要战斗场景中的移动 指环王 trilogy.

基本概念很简单(图1)。首先,将群体中的每个个体视为最初以恒定速度沿直线移动的点(或粒子)。然后编程一些简单的规则来控制这些点之间的交互。例如,如果两个点的距离太近,它们必须分开以避免碰撞,但是如果它们之间的距离太大,则它们必须再次靠近。当点的集合变得足够密集时,将形成植绒图案。调整规则,就会出现一种类似mid虫或蝗虫的图案。另一套规则将为您提供类似于火蚁的模式。

这些模型主导了对集体行为的研究,但Ouellette认为,这种方法是不够的,几乎不可能实现精确的解决方案,因为此类系统是高度非线性的,并且具有数百到十亿个运动部件。但是,甚至不知道哪对变量具有非线性相关性,因为正如Ouellette所说,“我们首先不知道什么参数很重要”。最重要的是,非线性系统中所有这些个体的综合效应加起来不仅仅是这些部分的总和。“您得到的不是单个状态的简单平均值。”

Ouellette考虑了一个经典的逆问题。科学家已经收集了有关鸡群和蜂群的大量数据,现在正试图向后研究以找出基本规则。但是,即使您有规则,也并不意味着您了解动物的行为。“你可以说,如果我制定了这些建模规则,它看起来就像一群鸟,”Ouellette解释。“但是,这种说法与“鸟类的行为方式”之间存在很大的分歧。”

他的解决方案?宏观的,宏观的方法从热力学和材料科学中汲取的资源与从粒子建模和统计力学中获取的资源一样多。“我是从定型物理学家的方法开始的:如果您将其拆开并以正确的方式进行投射,那么所有的东西在潜在的方面可能都是相同的东西,”欧莱特说。但是,Ouellette并没有转向计算建模,而是使用实际的mid虫,将群像一块材料一样对待-通过对其进行处理并查看其反应来对其进行探测。正如他指出的那样:“您不会通过观察来测试材料。您对材料进行处理并测量其响应。”

这是部分共享的方法 胡大伟,是美国佐治亚理工学院的物理学家,其实验室以大量火蚁的实验而闻名。群可以包含100个或更多的个体,具有固态和液态特性。通过将它们的身体链接在一起,蚂蚁形成了浮筏,塔楼和其他类似固体的结构,但是它们的共同流动也像流体一样。胡锦涛实验室的一部YouTube视频甚至显示了蚂蚁将自己从茶壶中倒入茶杯中。实验室使用标准材料工具(例如流变仪)向蚂蚁群施加各种力,以了解它们如何共同做出反应(大自然。 15 54)。

ge大师

在他的实验室中,Ouellette与一群不咬人的mid虫一起工作 河豚,从物理学家的角度来看,这是一个理想的选择,因为它们非常简单。由于缺少消化系统,成年mid不吃东西,而是为成群结队的交往仪式节省了全部精力。而且,这些特殊的these虫不会传播疾病,一旦逃脱,它们会在几天内死亡。

它们还在提供客户支持的实验室中进行商业繁殖,如果您是像Ouellette这样的物理学家,以前从未处理过活体标本,那么这是一个令人惊讶的有用功能。

“最初的几次尝试,我打电话给他们,说:“好吧,一切又死了,这次我们做错了什么?”” he recalls. “他们会说:“好吧,你给水充氧了吗?”因为诸如此类的小事很重要。”最终,Ouellette掌握了mid的繁殖技术,并开始认真进行实验。由于群体是由光触发的,因此他固定了一个灯,该灯每天两次自动开启一个小时。每次灯光闪烁时,一团25–30的蚊子会蜂拥一整个小时,直到再次熄灭。“这是一个非常强大的系统” says Ouellette. “一天两次,我们蜂拥而至。”黑布块模拟了像蚊子一样丛生的陆地特征,例如树桩,树根或小水池。

实验通常涉及操纵条件以查看群体的反应,例如爆炸那些雄性或雌性蚊子的记录–模仿物质施加振荡磁场而产生的体积变化。另一个实验包括将两块黑布放在一起以绘制成群,然后慢慢将它们拉开-所述成群分裂成两个不同的成群,表现出类似于材料的弹性或机械强度的特性。在每种情况下,Ouellette都使用以每秒100帧的速度运行的高速相机来确定每种昆虫的位置,速度和加速度,并使用粒子跟踪计算机程序来重新创建各个轨迹。然后,以提取大规模群体特征的方式来分析数据就成为问题。

Trajectories of 30 midges tracked over 20 seconds

Ouellette’s most recent analysis of the data from his lab-based swarms yielded a result strongly analogous to a liquid 汽-phase coexistence ( 欧元。物理J.专题 224 3271)。群的核心始终处于凝结相(例如液态的水分子),并且稀释度更高“vapour”边缘周围的相(像气态的水分子)。但是,单个蚊可以在两个阶段之间来回徘徊。这样的发现很有趣,但没有达到针对群体的通用规则的最终目标。

克雷格·托维与佐治亚理工学院的Hu一起工作的人,研究了火蚁,蜜蜂和其他系统中的蜂群行为,他观察到了两个常见的原理,这些原理在多种情况下都表现出来。首先,他发现这些模型不依赖于过去的历史对未来进行预测,而仅取决于当前条件。这不仅使分析此类系统时生活变得更轻松,而且在生物学上也有意义,因为蚂蚁,蜜蜂,鱼,mid和其他成群的生物没有长久的记忆。他们自然会对附近的线索做出反应,以决定下一步行动。

其次,托维还注意到随机性在许多群体模型中起着平衡作用。例如,使用火蚁,每只昆虫都沿随机方向行进,但最终该群体形成了大致圆形的筏。“您将获得大致相同的数字,这些数字将沿不同的方向形成这些圆形形状-无需任何蚂蚁知道它或其他人在做什么,”他说。这种随机性说明了蚂蚁如何建造复杂的结构,而又没有任何人对塔楼或木筏的整体结构或他们要建造的任何其他结构有任何了解。

托维还建议,数据规模扩展的证据可以为是否存在一套适用于管理群体的通用规则这一问题提供重要线索。确实, 安德里亚·卡瓦尼亚(Andrea Cavagna) 艾琳·贾迪娜(Irene Giardina) –意大利罗马复杂系统研究所的物理学家–在他们对蚊群的研究中已经发现了这种规模扩展的证据( 自然物理学。 13 914)。与Ouellette不同的是,他们在野外研究where,那里的种群更大(最多有1000只个体mid),提供了一种补充方法。通过使用高速相机追踪3D中的the,Cavagna和Giardina发现,随着单个mid聚集在一起并变得更大,更密集,它们之间的相互作用也越来越多,相关性随密度急剧增加。当足够的蚊虫聚集在足够近的地方时,就会形成一群。该观察结果表明,群体行为是“emergent”属性,因此可以通过缩放定律来描述。

例如,如果群中昆虫的数量密度随着群的增长而保持恒定(这对于Ouellette研究的群是大致正确的),那么单个蚊虫的数量与群数量之间将存在比例关系。这种关系非常有用,因为它可以让您预测由不同数量的个体形成的群的数量,例如,您可以用来设计容纳特定大小的群的围栏。

“如果我们要找到一个缩放定律,那将是解释数据的有力工具,因为它可以使我们对例如不同大小的群体的行为做出预测,即使我们没有测量它,”Ouellette说。但是,他对此类法律是否确实存在持谨慎态度。“我认为蜂拥而至的证据还很微不足道,” he admits. “A lot more work needs to be done before I would trust scaling 在 集体行为 too much.”

卡瓦尼亚(Cavagna)和贾尔迪纳(Giardina)并没有因此而退缩,他们说,他们的实验发现,一年中不同天记录的三种不同物种的不同群体的结垢情况各不相同-每种物种的大小和密度不同。但是,他们的分析并不能算是真正的通用行为,因为现有模型并未描述成群的mid的特定动态行为。在微观层面上,无论如何规范每个个体如何运动以及如何与群体中的其他人互动,都是隐藏的。“我们发现这些系统服从这些非常平凡的定律,这意味着我们可以希望以简单的模型以与物理学中相同的方式来处理[swarms],” says Giardina. “我们还了解到,建模中还没有捕获到一些东西。那是下一步。”

至于Ouellette,他认为他的方法可以通过将正在进行的群研究的各个方面联系起来而取得更大的进步。尽管他承认某些方面可能会持怀疑态度,但他认为自己可以赢得人们的认可:“如果您足够大声,人们最终会注意到。”实际上有点像嗡嗡声。

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