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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，光控制下的微游动粒子可以组织成不同的集体状态，比如成群和漩涡。通过研究粒子的状态波动，他们找到了临界行为证据，并为集体复杂行为背后的物理原理提供了支持。研究结果发表在《自然通讯》杂志中。
动物群体表现出看似矛盾的特性：既健壮又灵活——数百条排列整齐的鱼能瞬间扭转成龙卷风般的漩涡以躲避攻击。如果动物群体能够在面对漩涡或狂风等“噪音”时保持稳定，还能对捕食者靠近等突发事件做出反应，便能从中获益。
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健壮和灵活提供了必要的平衡。论文通讯作者Clemens Bechinger说：“稳定性和高反应性的结合正是临界点的特征。因此，测试这是否能解释我们在集体行为中发现的部分模式是有意义的。”
此前，研究人员主要通过数值模拟方式研究集体状态悬停在临界点附近的假设。而在本研究中，Bechinger与同事们为这个数学预测提供了罕见的实验支持。Bechinger说：“通过证实集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集体状态的普遍理解，而且也表明物理概念可能适用于生命系统。”
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，比如个体如何移动以及它能看到多少附近的个体。这些微游动的粒子让研究人员避开了在生物系统中工作所面临的挑战，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，然后在实验中观察互动游戏的结果。”
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居的移动方向：粒子被设定为直接游向主群体中的其它粒子，或偏离它们。根据这种运动角度，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混乱（仍有凝聚力）的群体之间的快速转换。
Bechinger说：“我们观察到，这个系统可以从一种状态突然过渡到另一种状态，展示了对外界干扰（如捕食者）做出反应所需的灵活性，并为一种临界行为提供了明确的证据。”
集体行为高级研究中心、马克斯普朗克动物行为研究所集体行为系主任Iain Couzin教授说：“这一结果是理解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应中获益，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环境变得更加敏感。本研究证实，这可以通过自发涌现的物理特性实现。”
除证明生命系统中集体性和临界行为之间存在联系，这项研究还暗示了集体智力与物理系统的关系。该发现可用于设计具有车载控制单元的自主微型机器人设备。
Bechinger说：“与生命体一样，这些微型介质应该能够自发地适应不断变化的条件，甚至能够应付在接近临界点时可能出现的不可预见的情况。”
科界原创
编译：灯丝
审稿：alone
责编：雷鑫宇
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/uok-hpe061020.php
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