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帶你看隱藏在蝗災等動物團體行為背后的極簡規則
2016-04-14 來源: 作者:王建紅
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  出品:科普中國 

  制作:中國科學院昆明動物研究所 王建紅 

  監制:中國科學院計算機網絡信息中心 

    

  沒有領袖的團體--就近原則 

  我們生活在團體社會,尤其中國人,從幼兒園、小學開始,“集體主義精神”就貫穿在玩耍、讀書、做操、甚至吃飯之中。 

  集體主義并不只在人類社會中存在,很多動物都有極強的集體主義精神。陸地上的螞蟻、蜜蜂、非洲大草原遷徙的角馬,天空中的大雁、椋鳥,海洋中的鯨魚和每年在海水和淡水之間洄游的大馬哈魚……它們都是團體行為的動物楷模。 

   

  1羅馬上空的歐洲椋鳥(王建紅拍攝于意大利羅馬) 

   

  2 羅馬上空的歐洲椋鳥(王建紅拍攝于意大利羅馬) 

   

  3 英國格雷特納小鎮上空,每年冬季,傍晚,歐洲椋鳥在小鎮上空盤旋

http://www.52qixiang.com/news/201411/14714.html 

   

  4 英國格雷特納小鎮上空,每年冬季,傍晚,歐洲椋鳥在小鎮上空盤旋

http://www.52qixiang.com/news/201411/14714.html 

   

  5 哥倫比亞河內陸河流盡頭的大馬哈魚,疲憊而安寧,它們產下卵之后,便在這里終息。(王建紅拍攝于美國波特蘭) 

  

  6海洋中的群魚(http://www.wiworld.com.cn/Item/21413.aspx     

   這些動物的集體主義精神絕不遜于我們的國慶閱兵方陣,最神奇的是它們的群體沒有領袖,“人人”平等,卻高度統一。而我們人類的群體倘若沒有領袖,將是一團散亂的烏合之眾。為什么動物的群體能夠如此協調,仿佛是一只動物在行動,而不是成千上萬只動物在行動?  

  意大利科學家站在羅馬博物館樓頂,對入冬之后,每天傍晚在羅馬上空肆意狂舞的歐洲椋鳥(European starlings, Sturnus vulgaris)進行錄像分析,重現3D模型,最終得以揭秘。謎底可能令你大吃一驚,群鳥們履行著一條非常簡單的原則:彼此只看周圍大約6只同伴的行為,只要和它們保持一致就行。于是,我們看到,羅馬上空的歐洲椋鳥,像巨大的禮花爆炸,在空中綻放,卻彼此牢固地粘在一起。隨即又像一朵游動的云,飄到其他地方,繼續綻放…… 

  仔細想一下,這個規律和斯坦利·米爾格蘭姆(Stanley Milgram的“六度分隔理論”有雷同之處。1967年,米爾格蘭姆通過一個有趣的實驗證明,世界上所有互不認識的人,最多只要通過6個中間人,就可以互相知曉。到了2000年后,依然有學者通過互聯網證實地球上兩個完全陌生的人,建立社交網絡的最短路徑平均只需要6個人。Jon Kleinberg在數學模型上也證明了這個理論,稱之為“小世界現象”。 

  當我們把自己看作是一只一只鳥兒,最多通過另外6只鳥,便可以任意和其他人構建聯系,這樣的網絡使我們不禁感嘆“世界真小”!這個小世界也存在于我們大腦神經元的微觀網絡中。     

  魔鬼的瞬間變身--逃避原則 

  電視上報道的蝗災很可怕,模樣丑陋的飛蝗組成浩浩蕩蕩的大軍,所向披靡,它們停留之處,一片狼藉……這是我們所說的“自然災害”。然而,蝗蟲并非總是露猙獰,它們平時是草叢里可愛而害羞的螞蚱,頗受小朋友的喜愛。是什么原因使它們搖身變成蝗蟲“敢死隊”呢? 

   好奇的科學家對會遷飛的蝗蟲(Locusta migratoria)進行了研究,這種蝗蟲獨處時是綠油油的大家閨秀,遷飛時是土黃色的敢死隊。早先它們被認為是兩個物種,直到1921年,才被俄國科學家證明是一個物種,但是有兩個形態。 

   揭示蝗蟲魔鬼變身的實驗很有趣:在一個有限的場地中,當蝗蟲數量是20只時,蝗蟲各自往不同的方向自由走動或跳躍,此為無序狀態。當蝗蟲數量增加,達到60只時,有序的群體行為出現,蝗蟲開始朝著一個方向移動,在場地里打圈。實驗中,一位博士后意外發現錄像結束時,少了一只蝗蟲。他十分驚訝,在蝗蟲群變時,究竟發生了什么?他把錄像帶倒回去放,結果發現,蝗蟲在互相碰撞中,情緒變得惡劣,繼而相互撕咬,從素食者一下變成了兇猛的肉食者,最后一只同類斃命,被吃掉了。 

   如果是碰撞促使蝗蟲發怒,那么,它們身體哪一部分負責感受擁擠,從而誘發憤怒呢?用畫筆或鋸齒刷輕輕刮刷蝗蟲身體的各個部位,一分鐘刷一次,持續四個小時。最后人們發現,當刷子持續刷蝗蟲的后腿,它們變得異常焦躁。而刷其他部位時,它們一般會后退,躲到一邊。說明,蝗蟲的后腿是它們魔鬼變身的開關之一。 

  后來,科學家又發現5-羥色胺這種在牛奶中含量很高,可以安神,與人類焦慮、抑郁相關的神經遞質,調控著蝗蟲的魔鬼驟變。最后,人們恍然大悟,原來蝗災的發生很可能是因為蝗蟲彼此害怕被吃掉,所以拼命向前飛。當后面的蝗蟲追趕前面的蝗蟲,前面蝗蟲的后腿受到劇烈“刮刷”,它們便情緒高昂地向前狂奔。于是乎,浩浩蕩蕩的蝗蟲大軍形成。此時,它們的體色從柔美的綠色變成日本軍服的土黃色,殺氣騰騰,急不可耐。而罪魁禍首就是——因為恐懼。 

   大雨過后,植物萌動,大批蝗蟲同時達到成年期,此時,過分的擁擠造成彼此咬食現象,為了逃生,大批蝗蟲開始烏云般結集,起飛,你追我趕,像瘋了一樣??梢?,蝗災并不是蝗蟲有意為之,而是為了生存的不得已之舉。 

   這可謂團體擁擠的陰暗面。就像人群,密度稀疏時,大家彼此離得很遠,像氣流一樣閑散,每個人都很可愛。但是一旦異常擁擠,密度加大,氣流變成水流,繼而變成固體,流動阻滯,踩踏事件發生。每個人都可能迫不得已變成可怕的兇手,其唯一的動機是逃離恐懼。 

  

  7 蝗蟲的體色,左側是單獨喂養的蝗蟲,體為綠色,性情溫順。右側是在擁擠狀況下飼養的蝗蟲,體色發生了變化,性情開始暴躁(引自文獻圖片)。 

   

  用畫筆刷蝗蟲的后腿,將使獨居而溫順的蝗蟲性情變得暴躁。綠色、黃綠、黃色、紅色依次表示畫筆刷該部位導致暴躁的程度,從弱到強,刷綠色部位不導致暴躁(引自文獻圖片)。(Stephen J. Simpson and Gregory A. Sword. Locusts, Current Biology, 2008,Vol 18 No 9, R364-366.     

  螞蟻的最佳路徑--節省原則 

  不知你是否注意到螞蟻行走的路線,它們從巢穴外出覓食,總是走一條捷徑,而不是四面八方到處尋食。它們怎么知道哪一條路最短最有效?它們看得見遠方嗎?——顯然不可能,丁點大的螞蟻即便站起來,也只能看到前方一點點距離。那么,你會說,它們是靠信息素來導航。的確,信息素是重要的標記,就像小狗走到路邊要翹起后腳,撒尿標記一樣。但是,這么多螞蟻,它們如何準確辨別信息素呢?原理也很簡單! 

   

  9從左至右,依次是A,B,C路線,可見中間的B路線最短,信息素涂抹得最濃,最終,螞蟻只選擇B路徑(王建紅修改自網絡圖片)     

  起初,螞蟻外出時,并無明確目標,所以,它們分兵出發,我們假設它們有三個小分隊,A隊走了不歸之路——那條路上什么也沒有。幾小時之內,回來的螞蟻很少;B隊走了不久就發現一塊餅干,可能是小朋友吃餅干時不小心掉了一塊。B隊螞蟻5分鐘到達餅干處,迅速把餅干渣搬運回來,撂在巢內,馬上又出發,2小時內可以往返12次,也就是說,信息素在這條路上來回涂抹24次;C隊繞了幾個彎,最后也發現了餅干,但速度比B隊慢一些,單程需要15分鐘,2小時來回4次,信息素涂抹8次。一段時間之后,螞蟻邊走邊留下的信息素在三個隊伍中明顯不同,仿佛一只蠟筆,在三條路線中反復涂抹,B路線因為螞蟻高效,蠟筆來回涂抹得最粗,也就是說,這一條路線的信息素最濃。 

  接下來,擁有小小腦袋的螞蟻,開始往中間B路線集中,原因非常簡單:被濃厚的信息素所吸引。于是,B大道信息素更濃,更多的螞蟻奔赴B大道,螞蟻大軍逐漸集中,最后就只有一條隊伍了。 

  這也是我們在爬山的時候,經常會看見橫空出現的一條捷徑,“因為走的人多了,便成了一條路”。和螞蟻的信息素類似,不過我們人類是靠眼睛,小螞蟻靠的是辨別化學物質——信息素的濃度。 

  人類的物資運輸,快遞發放,以及汽車導航等其實也是履行這個簡單原則,首選近距離。這也是最為節省能量的辦法。     

  可見,動物氣勢磅礴的團體行為,雖然參與者眾多,卻井然有序,只要履行一些簡單的原則就能做到。種種發生在動物的團體行為,在人類社會中均能覓見蹤跡。了解動物的行為,便能洞察我們人類行為的進化軌跡。 

    

   

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