@ 2019.03.08 , 08:00

鱼群像橡皮筋一样有弹性

物理学家们很早就注意到,动物种群的行为与原子和分子的运动有着惊人的相似之处。现在,一位物理学家设计了一种测量鱼群的弹性和“温度”的方法,他们将动物群体作为一个整体的“活性物质”物体。

在物理学家眼中,动物集群与非生命的物理系统有着相似之处。例如,鲭鱼在群体中倾向于沿着同样的方向游动,使他们身体的方向与他们相邻的同类保持一致,就像铁原子相互对齐使金属变得更有磁性一样。类似地,一大群欧掠鸟在天空中盘旋,就像流体一样,它们流动、伸展,因某种力量(也许是风)摆动。

这种集体行为的产生并不是因为某种宏大的设计,而是因为每个个体对它身边的同类作出反应。伊利诺伊大学(University of Illinois)的奈杰尔・戈德菲说:“因为每个个体都在追踪他们相邻的个体,便形成了集群。”“但个体根本不关心整个群体。”

然而,将动物集群描述为物质系统并不容易,因为集群中个体间的互动并不总是遵循物质规律,也含有社会性质的运动。宾夕法尼亚盖茨堡学院(Gettysburg College)的一名学生詹姆斯·普克特( James Puckett)和他的学生阿瓦兹·波克尔(Aawaz Pokhrel)等已经找到了一种方法来测量一种脂鲤集群的活动。红吻半线脂鲤,是一种淡水热带鱼,约3.5厘米米长,原产于南美洲。它们集合在一起,但没有社会等级,躲避光线。这使他们成为理想的实验对象。

为了测量鱼群的伸展性或弹性,波克尔在一个只有几厘米深的水箱里放了50条脂鲤,这样鱼就只能在水平方向游。他从上面照了一盏灯,使鱼聚集在水箱中央一个只有25厘米宽的方形阴影下。使用计算机控制将阴影分开。鱼群会伸展开来,直到阴影突然恢复原状,鱼群冲向中央阴影。波克尔用鱼群看不见的红外光进行观察。

如果鱼群和弹簧的运动一样,鱼向中心加速的速度将随着它们与中心的距离的增加而增加。通过对个别鱼的追踪发现,结果确实如此。从数据中,他提取了加速度随距离增加的速率,即弹簧常数,并发现这是一群弹力超强的脂鲤:把它拉伸到一定的程度,它就会以一根橡皮筋的万分之一左右的力拉回来。

同样,和波克尔一起工作的纽约大学的研究生朱莉娅(Julia Giannini),报告了一种测量脂鲤鱼群有效“温度”的方法。在普通材料中,温度是衡量原子或分子的平均能量的一种方法。

在一个水箱中,她将50或100条脂鲤限制在半径约为30厘米的圆形阴影中,然后以不同的速度缩小阴影面积,使鱼群聚集在一起。利用红外跟踪,她计算出阴影中鱼的密度。她用每个个体的速度计算出一种类似于压力的量。就像气体一样,压力随着密度的增加而增加。茱莉娅在会上说,圆圈缩小的速度决定了一个比例常数,该常数与温度有关。例如,一个快速收缩的圆圈会导致鱼群“更热”。因此,脂鲤鱼群就像一种气体,具有恒定的、明确的温度。

这项工作的目的是使用动物集群的宏观“物质”属性,而不是通过跟踪个别动物,来描述鱼群或鸟群的动态,普克特说。他承认,目前还不清楚你能在多大程度上推动生物种群与物理材料的类比。例如,在热力学中,当两种不同温度的气体混合在一起时,它们就形成一个共同的中间温度。目前还不清楚这种情况是否会发生在鱼群身上,甚至不清楚如何做这个实验。茱莉娅说。
本文译自 sciencemag,由译者 Mork 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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