@ 2014.08.06 , 17:03

学渣无语了:水母会用模拟退火算法来找食物

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据英国一项针对水母的最新研究,巨型桶水母(barrel jellyfish)不仅是英国海域里最大的水母,还是动物王国里最有谋略的搜寻者之一。为了在海洋中寻找最好的猎物,巨型水母Rhizostoma octopus会利用和世界上最快的超级电脑相关的策略——模拟退火算法(注:模拟退火算法是通过赋予搜索过程一种时变且最终趋于零的概率突跳性,从而可有效避免陷入局部极小并最终趋于全局最优的串行结构的优化算法,其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性)相类似的办法搜寻猎物最多的地方。

对数学家来说,快速的模拟退火算法是应用在超级计算机里的能够在较短时间内获得复杂问题的最佳解决方案的算法。但对水母来说,它是从一系列接近猎物的路线中选择出最快接近大量浮游生物的最优猎物搜索策略。

研究报告主要作者、英国洛桑研究所科学家Andy Reynolds说:“此前从未在自然界中观察到哪种生物利用这种复杂的搜索战略。但是别的有关运动的数学模式倒是发现不少,最常见的是“莱维行走(之所以取名莱维行走是为了纪念概率论杰出数学家Paul Pierre Lévy)”,相对于这巨型桶水母的做法来说是个不太复杂的做法。莱维行走是一种随机游走,就是在一段小碎步行走中突然出现一个大步行走(在整个行走过程中出现次数很少),这种大跨步几乎不可能会规律地穿插在小碎步中。莱维行走的步伐听起来会很像找某个东西的复杂版本,其实这类似于你在沙发找丢失的车钥匙没找到,然后径直走到衣柜里检查外套口袋里有没有。

Reynolds说:“这种分层嵌套模式在用在搜寻身上效率很高,因为它是把某个地方仔仔细细搜清楚然后再转移搜寻点开始新的密集搜索。”科学家已经发现使用莱维行走搜捕猎物的物种有鲨鱼、企鹅、密封、蚂蚁、乌龟甚至包括人类的狩猎和采集。

像水母一样移动

水母的更优的搜索行为之一是“反弹”,一般发生在它们处在水的某一深度,想要往更深或者更浅的水面去的时候。如果在那个深度没有找到食物它们会再次弹回原来的位置。一些科学家认为,水母在水中弹跳可能会妨碍它们寻找食物的能力,但是据Reynolds介绍,这些不一般的动物总是能找到对它们最好的方式。他说:“水母有时一天在水里像这样上下弹跳几十次,利用这个办法慢慢深入到浮游生物最多的窝里去。”这种行为使得巨型桶水母捕食的效率反而比其他用莱维行走搜寻食物的海洋生物高。

弹跳捕食是不是更好?

如果巨型桶水母用的弹跳型捕食方式是最好的办法,那为什么别的海洋物种不学它们采用相同策略呢?

答案是它们的饮食不一样。Reynolds说:“巨型桶水母能花很长时间来寻找猎物密集分布的地方的优势就在于,它们得吃很多很多的浮游生物才能饱。这和鲨鱼、企鹅它们只需要吃偶然遇见的鱼就能存活不一样。莱维行走的搜索方式对于寻找下一顿来说是个搞笑的办法,而模拟退火算法的突跳式搜索办法则需要经过缜密地寻找来尽可能获得最多、最好的一顿大餐。这就是水母特殊的地方,它们非常挑剔,不像硬骨鱼类任何食物都会吃。”

水母利用的高分辨力与数学家和工程师在超级计算机上用的快速模拟退火算法类似。基于数学和电脑模型,Reynolds的研究发现像巨型桶水母一样,数学界也倾向于利用这样的战略来寻找最好的解决问题的方法,而不是尽可能多的各种可行的解决方案。

本文译自 Livescience,由译者 小笨 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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