[論文レビュー] Wild swarms of midges linger at the edge of an ordering phase transition

Alessandro Attanasi, Andrea Cavagna+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2013

Insect and Arachnid Ecology and Behavior被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、野生のミドギクツネムシの群れが、秩序の相転移に近い臨界状態にあり、外部からの摂動に対して高い感受性を示すことで、強い連携行動を示すことを実証した。グローバルな秩序が欠如しているにもかかわらず、群れは秩序化の遷移の縁に位置し、密度が上昇するに従い感受性が急激に増加しており、最大の集団的反応性を示すように調整されていることが示唆される。

ABSTRACT

The most notable hallmark of collective behaviour in biological systems is the emergence of order: individuals polarize their state, giving the stunning impression that the group behaves as one. Mating swarms of mosquitoes and midges, however, do not display global order and it is therefore unclear whether swarms are a true instance of collective behaviour or a mere epiphenomenon of the independent response of each insect to an environmental stimulus. Here, we experimentally study wild swarms of midges by measuring their susceptibility, namely the capability to collectively respond to an external perturbation. The susceptibility is way larger than that of a noninteracting system, indicating the presence of strong coordination, and it increases sharply with the swarm density, a distinctive mark of an incipient ordering phase transition. We find that swarms live at the near-critical edge of this transition, suggesting that their size and density are tuned to maximize collective response.

研究の動機と目的

• グローバルな秩序が存在しないにもかかわらず、ミドギクツネムシの群れが真の集団的行動を示すかどうかを特定すること。
• 群れが相転移の臨界点近くで動作しているかどうかを調査すること。
• 外部摂動に対する感受性を測定することで、集団的反応性を測定すること。
• 群れの密度が協調性および臨界性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 自然条件下におけるミドギクツネムシ群れのダイナミクスの実験的測定。
• 外部摂動に対する集団的反応の指標として感受性を適用すること。
• 群れの密度に伴う感受性のスケーリングを分析し、臨界行動を検出すること。
• 観察された感受性を非相互作用系が示すものと比較すること。
• 統計物理学の概念を用いて、相転移に近い集団的ダイナミクスを解釈すること。
• 現実世界の生物的群れにおいて、臨界的スケーリング行動を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルな秩序が欠如しているにもかかわらず、ミドギクツネムシの群れは集団的行動を示すか？
• RQ2 非相互作用系と比較して、群れの集団的反応性は向上しているか？
• RQ3 感受性が群れの密度に伴い増加するか？ これは、相転移に近い状態を示唆するか？
• RQ4 群れは最適な反応性を得るために、臨界遷移の縁に調整されているか？
• RQ5 密度が群れにおける集団的協調性を媒介する役割を果たすか？

主な発見

• 群れは非相互作用系と比較して著しく高い感受性を示しており、強い集団的連携が確認された。
• 感受性は群れの密度に伴い急激に増加しており、秩序化の進行中の相転移の特徴的兆候である。
• 群れはこの遷移の臨界に近い縁に位置しており、最大の反応性を得るための適応的調整がなされていることが示唆された。
• グローバルな秩序が存在しないからといって集団的行動が排除されるわけではなく、臨界状態に近い領域でも協調性が維持されている。
• 臨界の縁で摂動に対する感度が最大に達しており、機能的最適化がなされていると考えられる。