用物理学原明白释生命群体的有序和无序?

为了形成涡流,一个活动粒子(红色)必须在它的视野内感知到周围物体的位置和方向,并随之移动。德国康斯坦茨大学“群体行为高级研究中心”的物理学家们发现,光控制下的微游
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在实验中研究人员将一面涂有碳帽的玻璃珠放入粘性液体中。当被光线照射时它们会像细菌一样游动但有一个重要的区别:粒子之间相互作用的每个方面都可以被控制好比个体如何移动以及它能看到几多四周的个体。这些微游动的粒子让研究人员避开了在生物系统中事情所面临的挑战因为在生物系统中个体间的相互作用的不容易控制。Bechinger说:“我们在电脑中设计规则然后在实验中视察互动游戏的效果。”

Bechinger说:“与生命体一样这些微型介质应该能够自发地适应不停变化的条件甚至能够应付在靠近临界点时可能泛起的不行预见的情况。”

近年来研究人员提出了一种可能的解释:临界性(criticality)。研究人员认为临界性为生物系统的结实和灵活提供了须要的平衡。论文通讯作者Clemens Bechinger说:“稳定性和高反映性的联合正是临界点的特征。因此测试这是否能解释我们在团体行为中发现的部门模式是有意义的。”

德国康斯坦茨大学“群体行为高级研究中心”的物理学家们发现光控制下的微游动粒子可以组织成差别的团体状态好比成群和漩涡。通过研究粒子的状态颠簸他们找到了临界行为证据并为团体庞大行为背后的物理原理提供了支持。研究效果揭晓在《自然通讯》杂志中。

团体行为高级研究中心、马克斯普朗克动物行为研究所团体行为系主任Iain Couzin教授说:“这一效果是明白动物群体进化问题的关键。我们知道群体中的个体会从较敏感的反映中获益但生物学中最大的挑战是检测临界性是否使个体自发地对情况变得越发敏感。本研究证实这可以通过自发涌现的物理特性实现。”

Bechinger说:“我们视察到这个系统可以从一种状态突然过渡到另一种状态展示了对外界滋扰(如捕食者)做出反映所需的灵活性并为一种临界行为提供了明确的证据。”

为了确保物理系统与生命系统具有相似性研究人员设计了反映动物行为的相互作用。例如它们控制个体相对于其邻人的移动偏向:粒子被设定为直接游向主群体中的其它粒子或偏离它们。凭据这种运动角度粒子会形成漩涡或无序的团簇。逐渐地调整这个值会导致其在漩涡和杂乱(仍有凝聚力)的群体之间的快速转换。

为了形成涡流一个运动粒子(红色)必须在它的视野内感知到周围物体的位置和偏向并随之移动。

此前研究人员主要通过数值模拟方式研究团体状态悬停在临界点四周的假设。而在本研究中Bechinger与同事们为这个数学预测提供了稀有的实验支持。Bechinger说:“通过证实团体性和临界行为之间的密切联系我们的发现不仅增进了对团体状态的普遍明白而且也讲明物理观点可能适用于生命系统。”

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