研究人员已经证明，控制粒子运动的原理也适用于鸟类和人群等生物实体。该研究表明，尽管存在明显的差异，但从无序到协调运动的转变，无论是通过物理距离还是拓扑距离，在物理和生物系统中都遵循相似的模式。来源:SciTechDaily.com
物理系统和生物系统是不同的。但真的是这样吗?一项关于JSTAT的新研究发现，相似之处可能比我们想象的要大。
一项合作研究表明，生物学中的集体运动，就像鸟群一样，是由类似于粒子物理学中观察到的原理所控制的。研究结果强调了过渡动力学的潜在相似性，无论物理或拓扑距离如何。
一群人或一群鸟与物质中的原子有着不同的特征，但当涉及到集体运动时，这些差异的影响比我们想象的要小。我们可以尝试预测人类、鸟类或细胞的行为，基于我们用于粒子的相同原理。这是发表在《统计力学杂志:理论与实验》(JSTAT)上的一项新研究的发现，这项研究是由一个国际团队进行的，该团队包括波士顿麻省理工学院和法国国家科学研究中心的合作。
这项基于材料物理学的研究，模拟了导致“自推进体”(如生物体)从无序状态突然转变为协调状态的条件。
距离与拓扑关系。资料由论文作者Julien Tailleur提供
连接运动中的物理学和生物学
“在某种程度上，鸟类是飞行的原子，”来自麻省理工学院生物物理学的朱利安·泰勒(Julien Tailleur)解释说，他是这项研究的作者之一。“这听起来可能很奇怪，但确实，我们的主要发现之一是，行走的人群移动的方式，或者一群飞行的鸟，与粒子的物理系统有许多相似之处。”
正如Tailleur解释的那样，在集体运动研究领域，人们一直认为粒子(原子和分子)和生物元素(细胞，但也包括整个生物体)之间存在着质的区别。人们特别认为，从一种运动到另一种运动的转变(例如，从混沌到有序的流动，称为相变)是完全不同的。
运动动力学的异同
在这种情况下，物理学家的关键区别与距离的概念有关。与许多其他粒子一起在空间中运动的粒子主要基于它们的相互距离来相互影响。然而，对于生物元素来说，绝对距离就不那么重要了。
“就拿鸽子在鸟群中飞行来说:对它来说，重要的不是离它最近的鸽子，而是它能看到的那些鸽子。”事实上，根据文献，在它能看到的东西中，由于它的认知限制，它只能记住有限数量的东西。用物理学家的行话来说，鸽子与其他鸽子之间存在一种“拓扑关系”:两只鸟可能在相当大的物理距离上，但如果它们在同一个可见空间中，它们就会相互接触并相互影响。
距离vs拓扑关系+行带。资料由论文作者Julien Tailleur提供
揭示集体运动的普遍性
长期以来，人们一直认为这种差异导致了集体运动出现的完全不同的情况。“然而，我们的研究表明，这不是一个关键的差异，”Tailleur继续说。
“很明显，如果我们想分析一只真正的鸟的行为，还有很多其他的复杂性没有包括在我们的模型中。我们的领域遵循爱因斯坦的建议，即如果你想理解一种现象，你必须让它“尽可能简单，但不要更简单”。不是最简单的，而是消除所有与问题无关的复杂性的方法。在我们研究的具体案例中，这意味着物理距离和拓扑关系之间的差异是真实存在的，并不会改变向集体运动过渡的本质。”
磁性模型和生物学行为
Tailleur及其同事使用的模型受到铁磁材料行为的启发。这些材料——顾名思义——具有磁性。在高温或低密度下，自旋(简化:与电子相关的磁矩的方向)由于大的热波动而随机定向，因此是无序的。然而，在低温和高密度下，自旋之间的相互作用主导了波动，自旋的全局方向出现了(想象它们是许多排列整齐的小指南针)。
“我的同事Hugues chat
在20年前就意识到，如果这些自旋朝着它们指向的方向运动，它们就会有序地经历一个不连续的相变，突然出现大量自旋一起运动的现象，就像天空中的鸟群一样，”Tailleur说。
这与被动铁磁体中发生的情况非常不同，在被动铁磁体中，有序的出现是逐渐发生的。直到最近，物理学家还认为，受生物学启发的粒子与其“拓扑邻居”排列的模型也会经历一个连续的转变。在研究中使用的模型中，Tailleur及其同事表明，即使使用拓扑关系而不是距离，也会观察到不连续的过渡，并且这种情况应该适用于所有此类模型。
泰勒说:“在某些限制范围内，如何调整的细节是无关紧要的，我们的工作表明，这种类型的过渡应该是通用的。”
实际影响及未来展望
另一个发现是，在使用的模型中，分层流动在较大的群体中形成，这与我们在现实中观察到的情况类似:一群人很少向一个方向移动;相反，我们在其中看到的是有限群的运动，可区分的流动遵循略微不同的轨迹。
因此，这些基于粒子物理学的统计模型也可以帮助我们理解生物的集体运动，Tailleur总结道。“理解我们在生物学中看到的集体运动——并利用它来设计新材料——的道路仍然很长，但我们正在取得进展!”
参考文献:“波动引起的一阶过渡到集体运动”，《统计力学理论与实验杂志》，2024年8月8日。1742 - 5468 . DOI: 10.1088 / / ad6428
