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简单规则如何孕育复杂行为

时间:2013-09-16 11:00:30  来源:  作者:

 

一大群红翅黑鹂变换着阵型飞过加州的萨克拉门托山谷。
摄影:Lukas Felzmann

步入这所用来饲养蝗虫的牛津大学实验室,首先冲击伊恩·卡岑(Iain Couzin)的便是气味,类似于堆满陈草的破败谷仓的气味。其次就是蝗虫,无处不在的蝗虫。这种昆虫经常会从笼子里逃窜出来,扑到科学家和实验室技术人员的脸上。房间既闷热又潮湿,20000只蝗虫的持续骚动产生了一种浓厚的昆虫体臭。为了避免严重过敏,很多工作人员都被迫戴上了呼吸器。“在这里做研究着实不轻松,”卡岑说。

在本世纪头十年的中期,这所实验室还是世界上唯一一处进行此类科学研究的场所。事实上,卡岑关注的并不是蝗虫,而是集群行为(collective behavior)。蜂群、鸟群、鱼群或菌落……这些都是个体行为转化为群体行为的典型例证。生物学家们已经详细分析了蝗虫的解剖学,并对其从绿色无翅初生若虫到黑黄色飞行成虫的转变过程进行了描述,但即便你挨个解剖它们,也搞不清楚它们为什么会形成遮天蔽日的蝗灾。自上世纪60年代以来,就很少有人曾亲眼目睹过蝗虫如何集结成群——坦白地讲,要目击这一过程太困难了。一小群无序的愚蠢昆虫如何摇身一变,组合成数目为百万之巨且团结一心的大群体?对于这样的问题,没有人能说清楚。

卡岑会将120多只幼虫放入一个他称之为蝗虫加速器的墨西哥帽形“竞技场”,让它们每天沿着边缘兜圈兜八个小时,同时利用一架摄影机拍下它们的运动,再通过软件标注出它们的位置和运动方向。这些实验最终让卡岑发现了自己想要找寻的规律:当形成一定密度时,昆虫会转为聚集且均衡的集群。到达第二个临界点以后,集群会变成一支单向行进的蝗虫军队。原先无序兜圈的个体成为了循规蹈矩的“普通成员”——这是它们转变为黑黄色成虫的前奏。

上述情形在自然界中可谓是司空见惯,但从来没有人在实验室中诱导出这种转变——至少从未对动物进行过此类研究。1995年,一位名叫塔马斯·维泽克(Tamás Vicsek)的匈牙利物理学家及其同事设计出了一种模型来解释群体行为,模型的基础前提为:所有个体以恒定速度运动,每个个体的运动方向与特定半径范围内的邻近个体的运动方向相同。当这个假设的集合变大时,它会从一种无序的群体转换为有组织的集群,就如同卡岑的蝗虫实验一样。这是一种类似水转化为冰的相变过程。个体并不存在事先规划,它们不遵从任何指令。但在正确的“如果则”(if-then)规则的操纵下,秩序随即出现。

卡岑想知道“如果则”规则是否也会使生物体产生类似的行为。“我们原以为通过彼此靠近,它们也许能够传递信息,”卡岑说。但实际上它们并没有以某种可辨识的方式来相互交流。因此,一些其他的动力学机制肯定在发挥作用。

最终得到的答案相当令人恐惧。每天清晨,卡岑都会数一下加速器中蝗虫的数量;到了晚上,他的同事杰罗姆·布尔(Jerome Buhl)会将蝗虫拿出来,同时再数一遍。但布尔发现,自己计算的蝗虫数量竟然比早上卡岑的计数要少。“我都快疯了,”卡岑说。“如果连蝗虫的准确数量都计算不出来,那实验还有什么可信度而言。”

当重放录像片段并进行放大之后,他发现如果蝗虫彼此靠得太近,它们会相互撕咬。有些不走运的个体甚至被分食精光。这就是问题的关键所在。调整集群的力量源自同类相食,而非相互合作。卡岑想出了一种可以证实上述理论的巧妙方案:“我们可以切断蝗虫腹部让它们感知后方撕咬的神经,这样就能完全消除它们集群的能力,”他说。
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