[观点] 群体密度如何影响蚂蚁群体逃跑的不对称性

来源:作者:李耕 发布时间:2015-01-29 浏览次数:552

研究成果:Geng Li,  Di Huan, Bertrand Roehner, Yijuan Xu, Ling Zeng, Zengru Di, Zhangang Han*, Symmetry Breaking on Density in Escaping Ants: Experiment and Alarm Pheromone Model. PLOS one, Published: December 31, 2014DOI: 10.1371/journal.pone.0114517

原文链接:http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0114517

 

        当用“不对称性”代替“对称破缺”时,我已下定决心:这次供稿的目的不是要吹嘘我们的工作多么牛,而是客客观观给大家深入浅出地呈现这项研究:我们为什么做这件事情?我们得到了什么结论?这样的结论在这个领域中的意义如何?

       领域背景:集群运动。动物的群体行为之所以有趣,是因为它的宏观样子很有趣,有时甚至令人惊奇。于是人们想问,什么样的个体行为机制演绎出了这样那样的群体特征?这是集群行为研究的核心问题。可以把集群运动看成一类特殊的集群行为。

       问题背景:有实验研究(Altshuler, 2005)表明,一群蚂蚁的逃跑行为并不是完全随机的:一群蚂蚁从一个有着两个对称出口的“房间”中逃出时,使用其中一个出口逃出的蚂蚁数目要比另一个出口多(图1):这样就产生了对称性的破缺。(Helbing等早在2000年针对人群,而非蚁群,在理论上模拟了这种现象。)这是一种有趣的集群运动的宏观现象。该研究进一步研究了密度如何影响不对称性。首先是理论结果:他们借用了认可度比较高的Vicsek model(该模型的核心机制是:每一个个体的运动方向将采用上一时刻一定范围内邻居的平均方向,也就是所谓的“对齐规则”)。模型结果表明对称破缺将随总数的增加而增加。然后是实验结果:他们的实验样本较小,误差较大,因此没有给出显著的结果。

       问题1的提出:设想固定房间的空间形状不变,而增加蚂蚁的数目,那么蚂蚁个体之间的交流似乎会变得更加频繁。如果上述的不对称性是由于蚂蚁个体间的交互引起的(这是一个很自然的假设),那么增加蚂蚁数目可能会增强不对称性。所以我们做了比较精细的实验企图验证这一假设。

       问题1的探索:我们的实验表明,当蚂蚁总数较小时(房间大小为一直径8cm的圆,蚂蚁体长不到3mm,蚂蚁总数数只到40多只),不对称性相当显著,而当总数进一步增加(从约50只一直到200多只),对称破缺居然逐渐减低,当总数在150-200只左右时,就几乎已经失去了对称破缺。

       问题2的提出:实验结果和Vicsek model的模拟结果在定性上完全不符。因此有理由认为对齐规则并不是产生蚁群逃跑对称破缺现象的原因。那么,什么样的个体行为机制能够产生我们的实验结果呢?到底是怎么样的个体行为机制演绎出了群体的对称破缺呢?

       问题2的探索:经过大量的实验观察中,直觉告诉我,似乎是信息素在里面起了关键作用:一方面,蚂蚁跑得多的地方,积累有更多的信息素,进而吸引更多蚂蚁;另一方面,信息素积累的过多,会超出蚂蚁的感觉阈限,不能分辨到底哪边更多,于是重新退化为随机行为。因此,数量较少的时候,第一种因素起主导作用,能够产生较强的不对称性;数量越多,第二种作用越强,个体行为越趋于随机,整体上就弱化了对称破缺。随后建立的模型的确呈现出了这一特征。

       结论:1)在蚂蚁群体恐慌行为中,密度是如此这般来影响对称破缺的;2)更有可能是信息素的机制而不是对齐机制产生了这种对称破缺。如果你相信了实验过程及数据分析过程的科学性,那么你是信服这个结果的。那么,即便这个结论没有错误,又给我们带来了什么新的知识?有什么启发?

       意义:先说不好的一面:首先,“信息素机制导致对称破缺”这件事情在本研究中并没有得到“确证”。再次,众所周知,人们本来就相信,蚂蚁是由信息素来决定大部分行为的,所以我们得出这样的结果似乎并不怎么样。几乎也正因为此,研究成果才没能被所谓SCI一区期刊接受。再说好的一面:在这个研究的文献调研和具体研究过程中可以看到,信息素如何定量地影响蚂蚁行为?答案几乎是空白的。仅仅定性地知道什么样的信息素催生什么样的行为,远远不足以带领人们理解蚂蚁的群体智慧。因此,我们需要一条精确实验-理论模型-精确实验的科学之路,定量地研究蚂蚁行为。另外,vicsek model是很好用,也解释一些集群运动现象,但是当有些人不假思索地去套用这些东西时,我们永远都要去“看一看”这个真实的世界,它未必如此,而真正的普适律也许藏在更深远的地方。

       后续:我曾沿着上述思路,做了一点后续实验,包括信息素机制的“验证”。有兴趣的同学可以一起讨论,甚至一起探索。

        笔者联系方式:李耕,北京师范大学系统科学学院2012级博士研究生,moralmarket@126.com

(系统科学学院)