成群的昆虫如何像液体一样活动

经许可转载自广达电脑杂志的抽象博客。

年代柏油在漩涡中飞向天空；蚂蚁多如河流。“它们伸展，四处移动，但它们以一种你所期望的流体运动的方式保持着凝聚力，”他说尼古拉斯Ouellette)他是斯坦福大学的物理学家。这就是为什么对他来说，用流体力学的语言来思考动物的集体行为，或者像工程师分析一种材料那样分析一群有机体，并不牵强。

这一方针在一个国家得到了回报纸在该研究中，Ouellette和他的同事使用了一种受材料科学启发的策略来分析飞行群体的动力学。他们确定了昆虫集体行为的特性，这些特性可能有助于一个群体在面对变化无常和破坏性的自然环境时避免分崩离析。

在某些方面，系统表现出弹性，就像弹簧，而在另一些方面，它表现出粘性液体的特性。

比如说，成百上千条鱼突然同时改变路线，看起来像是一个整体，这种集体行为是一个谜，研究人员仍在急切地试图解开这个谜解开. 为了更全面地理解这一点，专家们通常研究个体之间的相互作用，希望弄清某些简单的规则是如何导致他们所观察到的宏观紧急效应的。但这很困难。

因此，欧莱特和其他几位科学家从不同的角度解决了这个问题：忽略个体，将他们的注意力转向整个系统的特性可以揭示其行为的哪些方面，就像“你可以描述一种材料是什么样的，而不需要知道它的原子在做什么。”奥莱特说。

当工程师测试一种材料时，他们会戳它，看看它会有什么反应。大卫·胡他是佐治亚理工学院的物理学家，在他对火蚁的研究中也做了类似的事情：通过测量火蚁群在两个表面之间受到挤压并受到其他各种力时的反应，他和他的同事发现蚂蚁的行为具有一些特性类似固体和液体的。其他研究人员也研究了类似的物理性质细菌．

但对飞行中的动物这样做似乎遥不可及，因为它们在成群结队时彼此不接触，而且在实验中往往更难控制。“你不会把一群鸟放进实验室，”欧莱特说。

因此，他决定研究雄蚊。雄蚊是一种小昆虫，在交配季节聚集成云，使远处的雌蚊能看到自己。它们通常在地面上看得见的物体上方活动，可能是树根，也可能是一小滩雨水——研究小组在饲养蠓的水槽底部放了一小块黑色毛毡来复制这些东西。

当研究人员以振荡的波浪模式移动这块毡片时，蜂群也随之移动，这样他们就可以像胡先生研究蚂蚁那样研究蠓了。他们特别观察了蜂群各层对毛毡位置变化的反应。底部附近的蠓虫也跟着毛毡一起移动，和毛毡一样不停地振荡;那些蠓虫能看见下面的毛毡。但在较高层的蠓虫却落后了，它们只能看到下面的其他昆虫，跟着毛毡摆动的次数少了。滞后表明，当毛毡在蜂群中向上移动时，有关毛毡位置的信息波逐渐被抑制。

通过测量这波信息的特性，科学家们可以更精确地探测蜂群的机械特性，“与他们用来测试花生酱的语言相同，”胡说，他没有参与这项研究。他们发现，在某些方面，该系统表现出弹性，就像弹簧一样，而在其他方面，它表现出粘性液体一样，完全属于“粘弹性”材料的范畴。

最有趣的是，蜂群的粘性超过了弹性，导致了在摇蚊运动中观察到的强大阻尼效应。“昆虫相互作用的方式不仅让它们呆在一起，而且使它们对那些可能摧毁蜂群的外部干扰具有弹性，”Ouellette说。阻尼效应使群体更稳定，他认为，这可能有助于群体留在原地，以便雌性能够找到它。

如果是这样的话，Hu说，“这意味着阻尼有一些真正的生物学意义。”

这不是专家们通常认为的阻尼和集体行为。研究这些系统的科学家通常把重点放在信号放大上，这会加速信息在一群鸟或鱼群中的流动，“就像谣言一样，”他说西蒙•加尼叶他是新泽西理工学院的生物学家，没有参与这项研究。例如，因为鸟类和鱼类需要躲避捕食者，所以对所有群体或学校的成员来说，了解警告标志是有利的，即使这也意味着要处理一些错误警报。

的确，复杂性研究人员经常展示集体行为是如何在整个群体中快速传递信息的。阻尼通常被简单地认为是一种平衡放大效应的方法。“这对确保系统不爆炸是必要的，但它不是单独研究的东西，”Garnier说。

当然，集体系统需要在放大信号和抑制噪音之间取得平衡:个体容易出错，所以群体不想传播每一个小错误，但它也不想阻止信息的流动。“集体系统必须在光谱中找到正确的位置，这取决于它们在自然界中面临的挑战，”他说高伟业他是圣达菲研究所(Santa Fe Institute)的一名研究人员，为集体行为建模。

他补充道：“考虑到磁场是如何聚焦于信号被放大的，这很好，因为它们在这里展示了一种抑制噪声的优势。”。

但是Garnier警告说，Ouellette的推论——蚊群中的信息阻尼进化是有目的的——还远远没有得到证实。他说:“为了告诉你这种突现性是否对蠓的适应性有价值，你将被迫在某个时候回来研究这些个体。”

尽管如此，欧莱特还是希望“这种集体行为的一般范式能够产生各种不同的效果，这些效果可以根据适当优化的环境互动进行调整。”事实上，他补充道，“我们甚至可能还不知道它对什么都有好处。”

研究人员希望有一天能利用这些见解来调整无人机或机器人群的行为，甚至控制通过社交网络的信息传播。要做到这一点，他们首先必须把宏观的观点和传统的微观观点结合起来。

也就是说，“通过理解这些动物系统的群体状态，并为这些群体填写等同于热力学和材料科学的内容，我们可以获得很多东西，”Ouellette说。

时,胡锦涛说,“这仅仅是个开始。”

Jordana Cepelewicz是广达杂志生物学特约撰稿人。