[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究表明，野生蠓群在接近临界相变点时表现出集体行为，通过对外部扰动的高敏感性展现出强烈的协调性。尽管缺乏全局有序性，群集仍处于有序相变的边缘，其敏感性随密度急剧增加，表明其已调谐至最大集体响应能力。

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.

研究动机与目标

• 确定蠓群在缺乏全局有序性的情况下是否表现出真正的集体行为。
• 研究群集是否在相变的临界点附近运行。
• 通过对外部扰动的敏感性测量集体响应能力。
• 评估群集密度如何影响协调性与临界性。

提出的方法

• 在自然条件下实验测量蠓群动力学。
• 应用敏感性作为衡量群集对外部扰动集体响应的指标。
• 分析敏感性随群集密度的变化，以检测临界行为。
• 将观测到的敏感性与非相互作用系统预期的敏感性进行比较。
• 运用统计物理概念解释相变附近的集体动力学。
• 在真实生物群集中识别出类似临界的标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管缺乏全局有序性，蠓群是否仍表现出集体行为？
• RQ2 与非相互作用系统相比，群集的集体响应能力是否得到增强？
• RQ3 敏感性是否随群集密度增加，表明其接近相变点？
• RQ4 群集是否被调谐至临界相变边缘以实现最优响应性？
• RQ5 密度在调节群集集体协调性中起什么作用？

主要发现

• 群集的敏感性显著高于非相互作用系统，表明存在强烈的集体协调。
• 敏感性随群集密度急剧增加，这是即将发生的有序相变的典型特征。
• 群集在该相变的近临界边缘运行，表明其为实现最大响应能力而进行了适应性调谐。
• 缺乏全局有序性并不排除集体行为，因为协调性在临界点附近依然存在。
• 系统在临界边缘对扰动的敏感性达到最大，暗示其功能上的优化。