導(dǎo)語

鳥群、蝗蟲群、魚群，在這些看似混亂的生物群體中，秩序奇跡般地涌現(xiàn)。不同物種的群體行為在細(xì)節(jié)上有所差異，但它們大致遵循物理學(xué)家們幾個(gè)世紀(jì)以來總結(jié)出的集群運(yùn)動(dòng)規(guī)律?，F(xiàn)在借助最新的技術(shù)，研究人員能夠比以往更仔細(xì)地研究這些動(dòng)物的行為模式。這篇文章是進(jìn)化生態(tài)學(xué)家 Iain Couzin（艾恩·庫津）與應(yīng)用數(shù)學(xué)家 Steven Strogatz（斯蒂文·斯托加茨）的對(duì)話，他們討論了動(dòng)物群體行為以及背后的原因，集群作為一種生物計(jì)算形式，能夠通過相互作用調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)處于兼具靈活性與穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)。此外，動(dòng)物的群體行為也可能啟發(fā)我們理解大腦智能：大腦如何處理各種感官信息，簡(jiǎn)化復(fù)雜性，并做出決策。

研究領(lǐng)域：群體行為，群體智能，臨界性，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，大腦空間決策

Steven Strogatz, Iain Couzin| 作者

何安夏| 譯者

王朝會(huì)| 審校

文章題目：How Is Flocking Like Computing? 文章鏈接：https://www.quantamagazine.org/how-is-flocking-like-computing-20240328/

Steven Strogatz：在整個(gè)動(dòng)物王國(guó)中，從小小的飛蟲到魚、鳥、瞪羚，甚至像我們這樣的靈長(zhǎng)類動(dòng)物，生物群體往往會(huì)形成大規(guī)模移動(dòng)的模式 （pattern） ，去追求一個(gè)看似自發(fā)的集體目標(biāo)。通常，在這些生物群體中沒有哪個(gè)個(gè)體看起來像領(lǐng)導(dǎo)者在指揮這場(chǎng)大規(guī)模運(yùn)動(dòng)。相反，這些動(dòng)物只是無縫地排隊(duì)行進(jìn)。

盡管感覺這樣的系統(tǒng)會(huì)陷入混沌或不穩(wěn)定，這些群體卻能夠以極其協(xié)調(diào)和目標(biāo)明確的方式移動(dòng)，任何看過鳥群飛行 （a murmuration of starlings） 或魚群游動(dòng)的人都可以證實(shí)。那么，驅(qū)動(dòng)這種行為的力量是什么呢？在這期節(jié)目中，我們將深入探討動(dòng)物為何會(huì)產(chǎn)生集群行為。最新的人工智能和3D攝像機(jī)等技術(shù)，如何提供新的見解？研究動(dòng)物群體行為又能告訴我們關(guān)于自身的哪些信息，無論是作為個(gè)體還是集體？

我們請(qǐng)到了進(jìn)化生態(tài)學(xué)家 Iain Couzin 來揭示這些謎團(tuán)。Iain 是馬普所動(dòng)物行為研究所集群行為系主任，康斯坦茨大學(xué)全職教授。他獲得過許多榮譽(yù)，包括國(guó)家地理新銳探險(xiǎn)家獎(jiǎng)、復(fù)雜科學(xué)領(lǐng)域最高榮譽(yù)拉格朗日獎(jiǎng)以及德國(guó)最高研究榮譽(yù)萊布尼茨獎(jiǎng)。

魚群、鳥群、昆蟲群，

動(dòng)物群體行為是否存在共同特征？

Strogatz：我想我們應(yīng)該先聊聊，你的研究對(duì)象是誰？你所研究的動(dòng)物以及它們?cè)谀阊芯窟^的系統(tǒng)中表現(xiàn)出的各種集群行為有哪些？

Couzin：這正是研究集群行為最神奇的地方之一。集群行為對(duì)地球上許多生命過程至關(guān)重要，因此我們研究的生物范圍非常廣泛，從地球上最簡(jiǎn)單的動(dòng)物——扁盤動(dòng)物門 （placozoa） ，它是一個(gè)基礎(chǔ)門類，可能是地球上最簡(jiǎn)單的多細(xì)胞動(dòng)物，由數(shù)千個(gè)細(xì)胞構(gòu)成，并且能像鳥群或魚群那樣移動(dòng)——再到無脊椎動(dòng)物，如具有驚人協(xié)調(diào)行為的螞蟻，或者形成最大、最具破壞性的蝗蟲群體。再到脊椎動(dòng)物，如魚群、鳥群、有蹄哺乳動(dòng)物群體，以及靈長(zhǎng)類動(dòng)物，包括我們?nèi)祟愖约骸?/p>

Strogatz：所以，看起來確實(shí)涵蓋了所有范圍，從——我必須承認(rèn)我之前從未聽說過這個(gè)，扁盤動(dòng)物門，對(duì)嗎？

Couzin：是的，扁盤動(dòng)物門。這種小生物是在熱帶水族館的玻璃上爬行時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。用肉眼看，它大約有一毫米長(zhǎng)，如果很大的話，能達(dá)到一毫米半。直到最近科學(xué)家們才開始關(guān)注這種特別的生物。因?yàn)檫@種奇特的小型細(xì)胞群實(shí)際上具有通常會(huì)認(rèn)為屬于更復(fù)雜生物的遺傳復(fù)雜性。例如，盡管沒有神經(jīng)元，它卻具有大量的神經(jīng)遞質(zhì)。

它具有Hox基因。在發(fā)育生物學(xué)中，Hox基因與復(fù)雜的身體結(jié)構(gòu)有關(guān)，但扁盤動(dòng)物門卻沒有復(fù)雜的身體構(gòu)造。所以你可能會(huì)想，這種生物可能曾經(jīng)進(jìn)化到更復(fù)雜的形態(tài)，然后再次進(jìn)化簡(jiǎn)化了自己，從而保留了這些復(fù)雜特征。

但是，遺傳學(xué)研究人員在《自然》雜志上發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文，證明了實(shí)際上這是一群最原始的細(xì)胞。而且，細(xì)胞聚集形成一個(gè)生命體這種集群行為是最美妙的例子之一。這就是我們研究它的一個(gè)原因，試圖理解集群行為在地球復(fù)雜生命起源中的核心作用。

Strogatz：這對(duì)我來說太有趣、新奇了，我驚呆了。它們具有與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的特性卻沒有神經(jīng)系統(tǒng)？它們有發(fā)育生物學(xué)基因，這個(gè)基因能幫助進(jìn)化出一個(gè)像果蠅那樣的復(fù)雜身體結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上，它們并沒有那樣的身體結(jié)構(gòu)？

Couzin：完全正確，就是這樣。因此，它們確實(shí)可以為我們提供關(guān)于智能起源的線索。我們2023年在PNAS上發(fā)表的研究[1]表明，它們所擁有的身體構(gòu)造在行為上確實(shí)非常像鳥群或魚群，細(xì)胞之間進(jìn)行局部相互作用，并傾向于對(duì)齊它們的移動(dòng)方向。它們之間彼此吸引，就像一張彈性布一樣連接在一起，但也會(huì)移動(dòng)。它們的底部有小纖毛，從而能夠在環(huán)境中流動(dòng)。通過對(duì)鄰居施加力來對(duì)齊細(xì)胞的移動(dòng)方向。

所以，如果我們?cè)陲@微鏡下追蹤這些細(xì)胞，觀察它們的對(duì)齊和個(gè)體間吸引力，我們使用的技術(shù)、模型和思維方式與研究鳥群或魚群等其他類型集群行為時(shí)非常相似，只是將它們應(yīng)用到這些動(dòng)物身上。我認(rèn)為集群行為中最令人驚奇的一點(diǎn)就是，無論是細(xì)胞還是鳥類，盡管系統(tǒng)屬性非常不同，但當(dāng)你觀察集群行為、集群屬性時(shí)，底層的數(shù)學(xué)原理非常相似。因此，我們可以找到普遍規(guī)律來連接這些看似截然不同的系統(tǒng)。

[1] Davidescu, Mircea R., et al. "Growth produces coordination trade-offs in Trichoplax adhaerens, an animal lacking a central nervous system." Proceedings of the National Academy of Sciences 120.11 (2023): e2206163120.https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2206163120

Strogatz：這也是讓我對(duì)集群行為研究著迷的原因，那些似乎適用于從細(xì)胞到我們?nèi)祟愖陨聿煌叨鹊钠毡閿?shù)學(xué)原理。你提到“flocks” （鳥群） 和“schools” （魚群） ，有時(shí)我們也聽到人們談?wù)摗皊warms”，比如昆蟲。為什么對(duì)于同一種事物我們會(huì)有三個(gè)不同的詞匯來描述呢？當(dāng)我們談?wù)摷盒袨闀r(shí)，它們真的不是同一種現(xiàn)象嗎？是否有理由讓我們不應(yīng)該說成“schooling birds”或“swarming fish”？

Couzin：不，我認(rèn)為我們創(chuàng)造了這些詞匯，而且不同的語言有不同的詞匯表達(dá)。德語是一種擁有大量詞匯的語言，但實(shí)際上相關(guān)的詞匯相對(duì)較少。而在英語中，我們有許多不同的詞匯來形容集群行為，例如烏鴉群也被稱為“a murder of crows”。你剛剛也用了一個(gè)很棒的詞，“a 'murmuration' of starlings” （椋鳥群） 。我認(rèn)為正是這種令人著迷的集群行為的美，才催生了可以和特定例子相關(guān)聯(lián)的優(yōu)美詞匯 （“flocking”、“schooling”或“swarming”等） 。

因此，我認(rèn)為這非常有用。因?yàn)閯倓偽覐?qiáng)調(diào)了數(shù)學(xué)上的共性，但也存在差異。細(xì)胞群和鳥群之間確實(shí)有區(qū)別。為了理解這些系統(tǒng)，我們既要考慮它們的共性原則，也要考慮系統(tǒng)之間的差異。從某種程 度上說，語言在人類自然地將其劃分為不同類別時(shí)捕捉了這些差異。

Strogatz：有趣。你提到了“細(xì)胞群”和“昆蟲群”，我猜你是這么說的，盡管我們使用同樣的詞匯，但它們之間可能存在一些差異。那么，在這些例子中，我們應(yīng)該區(qū)分哪些東西呢？

Couzin：是的，我認(rèn)為真正令人興奮的是為什么存在共性，因?yàn)椴町愂侨绱松羁獭?dòng)物有大腦，它們接受復(fù)雜的感覺信息，并試圖根據(jù)環(huán)境做出決策。總體來說，動(dòng)物能夠表現(xiàn)出比細(xì)胞復(fù)雜得多的行為。但細(xì)胞本身也有復(fù)雜的內(nèi)部過程。它們的相互作用在很大程度上受到物理力量的支配，受到它們作用的尺度和在細(xì)胞群中形成的物理張力的影響。而對(duì)于動(dòng)物、鳥群，群體中的互動(dòng)是無形的，沒有物理實(shí)體。所以人們一開始會(huì)認(rèn)為，這只是一個(gè)類比。實(shí)際上，在大約五到十年前，我也認(rèn)為這只是一個(gè)類比。我認(rèn)為這些差異一定非常重要。但我們開始明白的是，它們共享的共同特征是計(jì)算。

這些元素聚集在一起，以它們單獨(dú)無法實(shí)現(xiàn)的方式對(duì)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)個(gè)體，即使你有一個(gè)非常復(fù)雜的人腦，你生活在世界中，除非你與他人有社交互動(dòng)，或者更進(jìn)一步，在我們出生進(jìn)入生活時(shí)積累并建立了文化復(fù)雜性后才可能實(shí)現(xiàn)，否則我們的能力將受到很大限制。因此，這里有一些深刻且引人入勝的問題，我們才剛剛開始探討關(guān)于計(jì)算和復(fù)雜生命涌現(xiàn)的問題。

Strogatz：這是一個(gè)非常有趣的觀點(diǎn)。當(dāng)你說它們都有某些共同之處時(shí)，我并不知道你會(huì)說出什么詞。我猜不出來，但是我喜歡它：計(jì)算。這讓我想起了一個(gè)著名的場(chǎng)景，大家可能在YouTube或電視上看過相關(guān)的影片。那就是一群鳥——也許是椋鳥——突然有只獵鷹或者隼向它們飛速?zèng)_來。你能否為我們描繪一下接下來會(huì)發(fā)生什么，并解釋為什么這個(gè)例子和計(jì)算有關(guān)？

Couzin：好的。就我來看，如果你觀察這些群體，當(dāng)有捕食者出現(xiàn)并攻擊它們時(shí)，無論是鳥群還是魚群，你會(huì)看到群體表現(xiàn)得像一種起伏的流體。你會(huì)看到光線或漣漪穿過它們。這表明個(gè)體實(shí)際上可以通過社會(huì)互動(dòng)非?？焖俚貍鞑リP(guān)于捕食者位置的信息。例如，起初只有少數(shù)幾只看到了捕食者，但通過轉(zhuǎn)向，這種行為被其他個(gè)體模仿，密度和轉(zhuǎn)向的變化極其迅速地在群體中傳播開。

如果我們使用先進(jìn)的成像工具來量化、測(cè)量這些轉(zhuǎn)向波，它們的傳播速度大約是捕食者最大速度的十倍。所以個(gè)體甚至可以對(duì)它們看不到的捕食者做出反應(yīng)。這有點(diǎn)像神經(jīng)元通過電信號(hào)傳輸信息。在這種情況下，它不是電信號(hào)，真正起作用的是密度和個(gè)體的轉(zhuǎn)向變化，這些信息會(huì)在群體中逐漸擴(kuò)散開，但這給了遠(yuǎn)處的個(gè)體關(guān)于威脅來源的位置信息，使它們能夠迅速開始遠(yuǎn)離威脅。

Strogatz：我認(rèn)為這是一個(gè)非常生動(dòng)的例子，展示了在這種情境下計(jì)算意味著什么。我們可以看到恐慌或避讓的波動(dòng)如何在鳥群中流動(dòng)。這非常有趣，因?yàn)樗葌€(gè)體單獨(dú)行動(dòng)要快得多，并且我猜測(cè)，也比捕食者自身能夠達(dá)到的速度要快。

Couzin：我們認(rèn)為這很可能是因?yàn)楸M管自然選擇作用于個(gè)體，關(guān)鍵是它們各自的適應(yīng)性，但如果群體以某種方式行動(dòng)起來，整個(gè)群體都會(huì)從中受益。

這與我們從物理系統(tǒng)中學(xué)到的知識(shí)有關(guān)，尤其是接近相變的物理系統(tǒng)。所以，一個(gè)接近于不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，比如固態(tài)和液態(tài)之間，如果你正在冰凍水，它突然轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，在這個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近，系統(tǒng)的集群行為非常顯著。這種分岔現(xiàn)象正是你的研究領(lǐng)域?，F(xiàn)在我們明確知道，并且有很強(qiáng)的證據(jù)表明自然選擇會(huì)推動(dòng)系統(tǒng)接近這些分岔點(diǎn)，因?yàn)樵谶@些分岔點(diǎn)上展示出了顯著的集群特征。當(dāng)我們首次測(cè)量這些特性時(shí)，個(gè)體的行為似乎違背了物理定律，它的信息傳播速度如此之快。

在20世紀(jì)初，埃德蒙·塞洛斯 （Edmund Selous） 作為一位堅(jiān)定的達(dá)爾文主義者，但他同時(shí)也被維多利亞時(shí)代對(duì)心靈感應(yīng)的迷戀所吸引。他推測(cè)，在鳥群中，必定存在某種思想傳遞或者心靈感應(yīng)，使得它們能如此快速地進(jìn)行交流。當(dāng)然，人們會(huì)認(rèn)為，“這太荒謬了，怎么可能存在心靈感應(yīng)?！钡珜?shí)際上，盡管可能存在爭(zhēng)議，我認(rèn)為我們?nèi)匀粵]有很好地理解感官模式以及這種信息在系統(tǒng)中如此迅速傳播的方式。

我當(dāng)然不是在暗示存在心靈感應(yīng)。我想表達(dá)的是，通過調(diào)節(jié)群體系統(tǒng)使其接近臨界點(diǎn)，或分岔點(diǎn)，可能會(huì)產(chǎn)生一些顯著的集群特征。對(duì)于觀察者來說，這看起來非常奇妙。在這些領(lǐng)域中的物理現(xiàn)象如此離奇、神秘和驚人，盡管科學(xué)可以對(duì)此進(jìn)行解釋。

相關(guān)閱讀： Books by Selous, Edmund (sorted by popularity)：http://www.gutenberg.org/ebooks/author/45735

群體為何處在臨界點(diǎn)？

Strogatz：所以我在想，就集群行為來說，如果自然界將一群動(dòng)物調(diào)整到接近某種不穩(wěn)定或臨界狀態(tài)，你認(rèn)為這就是群體如此有效的原因之一嗎？

Couzin：是的。例如在我們2021年發(fā)表的一篇論文[2]中，我們探討了如何在各種情況下獲得最佳效果。一般情況下，你希望保持穩(wěn)定、魯棒，但有時(shí)候，你需要系統(tǒng)變得高度敏感。在自然選擇中，生物系統(tǒng)必須平衡這種看似矛盾的狀態(tài)，既穩(wěn)健又敏感。那么是如何做到的呢？我們認(rèn)為，將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到接近臨界點(diǎn)，實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因?yàn)槿绻到y(tǒng)偏離，它實(shí)際上會(huì)自我穩(wěn)定。但當(dāng)它被推向那個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，它變得非常靈活，對(duì)輸入極其敏感，例如捕食者就是一種輸入信息。

如果一個(gè)魚群遠(yuǎn)離那個(gè)臨界點(diǎn)——例如，如果它們彼此非常緊密地對(duì)齊——當(dāng)它們檢測(cè)到捕食者時(shí)，實(shí)際上需要很大的努力才能讓所有個(gè)體轉(zhuǎn)向。它們彼此間如此強(qiáng)烈地相互影響，以至于外部輸入很難改變它們的行為模式。另一方面，如果它們非?；靵y，每個(gè)魚都朝向不同的方向移動(dòng)，那么一條魚改變方向幾乎不會(huì)被其他個(gè)體察覺。因此這種變化不會(huì)在系統(tǒng)中傳播。因此，在這種中間狀態(tài)，它們實(shí)際上可以優(yōu)化作為一個(gè)群體行動(dòng)的能力，既靈活又能傳遞信息。這是一個(gè)來自物理學(xué)的理論，但真正使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來追蹤動(dòng)物群體在遇到危險(xiǎn)時(shí)如何改變互相作用方式，是最近幾年的事情。

作為生物學(xué)家，我們通常認(rèn)為，“如果世界變得危險(xiǎn)和不穩(wěn)定，我會(huì)對(duì)輸入信息變得更加敏感。我會(huì)變得神經(jīng)過敏，更容易發(fā)出誤報(bào)?！边@種情況，對(duì)于單獨(dú)行動(dòng)的動(dòng)物或人類都是如此。但當(dāng)我們?cè)谌后w中測(cè)試這個(gè)理論時(shí)，因?yàn)檫@些群體是在集群環(huán)境中進(jìn)化形成的，我們發(fā)現(xiàn)這對(duì)它們來說不適用。群體所做的是改變網(wǎng)絡(luò)，改變信息在系統(tǒng)中流動(dòng)的連接網(wǎng)絡(luò)。它們調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，來平衡靈活性和魯棒性，也就是將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到我們所預(yù)測(cè)的臨界狀態(tài)。

相關(guān)閱讀 [2] Sridhar, Vivek H., et al. "The geometry of decision-making in individuals and collectives." Proceedings of the National Academy of Sciences 118.50 (2021): e2102157118. https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2102157118

Strogatz：這些研究是在哪種動(dòng)物上進(jìn)行的呢？

Couzin：我們的研究主要是在小型群棲魚類上進(jìn)行的，因?yàn)樗鼈冃枰鉀Q同樣類型的問題——避開捕食者，尋找合適的棲息地。而且這些魚類在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中易于操作。實(shí)際上，魚有一種叫做“恐怖信號(hào)” （schreckstoff） 的化學(xué)物質(zhì)，在德語中直譯就是“恐怖的東西”。當(dāng)捕食者攻擊一條魚時(shí)，這種化學(xué)物質(zhì)會(huì)自然釋放出來。所以我們可以在水中加入驚嚇?biāo)兀@樣即使沒有捕食者的位置信息，但是個(gè)體對(duì)環(huán)境的判斷會(huì)改變，世界變得更加危險(xiǎn)。

那么你會(huì)怎么做呢？你會(huì)改變大腦中的活動(dòng)嗎？還是改變與環(huán)境的互動(dòng)方式？或者，像我們通常認(rèn)為動(dòng)物會(huì)做的那樣，變得更加恐懼呢？或者，你可以想象一下，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或集群系統(tǒng)中，你會(huì)改變社交網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)嗎？改變你與他人的溝通方式？因?yàn)檫@也會(huì)影響對(duì)威脅的反應(yīng)能力，就像我們之前討論過的轉(zhuǎn)向波。

我們發(fā)現(xiàn)，個(gè)體并沒有改變。真正發(fā)生變化的是網(wǎng)絡(luò)。個(gè)體通過移動(dòng)來改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，這種改變使得群體突然變得更加敏感和靈活。人們過去認(rèn)為彼此靠近的個(gè)體相互作用更強(qiáng)。但你可以想到在日常生活中，你可能會(huì)坐在公交車中的陌生人旁邊，實(shí)際上你們之間沒有形成強(qiáng)烈的社交關(guān)系。因此，個(gè)體的社交網(wǎng)絡(luò)和易于測(cè)量得到的網(wǎng)絡(luò)可能非常不同。

所以我們所做的，其實(shí)相當(dāng)復(fù)雜，我們可以做到從它們的視角重構(gòu)世界。我們使用了一種來自電子游戲和計(jì)算圖形學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)，叫作光線投射技術(shù)，通過將光線投射到個(gè)體的視網(wǎng)膜上，這樣就能通過計(jì)算機(jī)看到它們?cè)诿恳粋€(gè)時(shí)間點(diǎn)看到了什么。但問題在于，我們不知道它們究竟如何處理這些信息。

因此，我們可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，因?yàn)槊恳粋€(gè)大腦都是為了同樣的目的而進(jìn)化。它接受復(fù)雜的感官信息——就像今天聽我們講話的人一樣。這是一種復(fù)雜的聲音信息，但他們可能正在開車或做飯，所以同時(shí)他們還要處理復(fù)雜的視覺或嗅覺信息。但他們的大腦必須將所有這些復(fù)雜信息簡(jiǎn)化降維用于決策，或者決定“我接下來要做什么？”。我們對(duì)于真實(shí)動(dòng)物如何完成這個(gè)過程知之甚少。但我們可以重建它們的視野，然后我們可以使用相同類型的技術(shù)來降維，理解大腦如何將這些復(fù)雜性簡(jiǎn)化為運(yùn)動(dòng)決策。

我們研究的魚類，它們的大腦后部只有少量神經(jīng)元控制所有的運(yùn)動(dòng)。因此，大腦必須接受所有這些復(fù)雜信息，并將其簡(jiǎn)化，然后做出決策。我認(rèn)為這是生物學(xué)中一個(gè)非常有趣的問題：大腦是如何完成這一過程的？

Strogatz：首先，我可以明確地說，我需要更頻繁地閱讀你的論文。你提到了通過在魚的視網(wǎng)膜上投射光線來觀察它們看到了什么，或者讓我們有一種感覺知道它們正在看什么？我的理解對(duì)嗎？

Couzin：實(shí)際上，并不是真的在投射光線，而是全部通過數(shù)字化完成的。想象一下，你在某一個(gè)時(shí)刻，拍攝了一張魚群的快照。我們的軟件可以追蹤每條魚的位置和姿勢(shì)。然后我們可以創(chuàng)建這個(gè)場(chǎng)景的三維計(jì)算機(jī)版本，就像在電子游戲中一樣。接著，我們可以問，每只魚看到了什么？因此我們可以在每只魚眼睛中放置虛擬的攝像機(jī)。

所以，光線投射有點(diǎn)像計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的光線追蹤，也就是描繪光線落在視網(wǎng)膜上的路徑。我們?nèi)客ㄟ^數(shù)字化方式完成，因此我們可以創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)的數(shù)字模擬。我們可以看到，在虛擬場(chǎng)景中，光線是怎樣落到視網(wǎng)膜上的，一種類似照片級(jí)別的真實(shí)觀察效果。這給了我們第一層信息：個(gè)體接受到的信息是什么？

當(dāng)然，我們想要提出的重要問題是：大腦如何處理這些信息？大腦如何將這種復(fù)雜性簡(jiǎn)化，并做出決策？例如魚群和鳥群能夠如此輕松優(yōu)美地移動(dòng)，幾乎沒有碰撞，而公路上的汽車卻難以實(shí)現(xiàn)集群運(yùn)動(dòng)呢？我們是否能夠從數(shù)千年的自然選擇中學(xué)到一些東西，并將其應(yīng)用到車輛和機(jī)器人上呢？因此，試圖理解這一點(diǎn)還有其應(yīng)用價(jià)值。我主要是因?yàn)橛X得它很吸引人而想去理解，但同時(shí)，在某些情況下，這確實(shí)可以轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

蝗蟲的群體行為

Strogatz：我想回到你在介紹中提到的，從細(xì)胞到靈長(zhǎng)類動(dòng)物等不同尺度的內(nèi)容。大家可能對(duì)蝗蟲的例子并不是很熟悉，我想知道我們是否可以談?wù)劶盒袨樵诂F(xiàn)實(shí)世界甚至經(jīng)濟(jì)方面的影響，因?yàn)榛认x對(duì)世界有著重大影響，比我想象的要大得多。我看到一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在蝗災(zāi)年中，蝗蟲入侵了全球超過五分之一的陸地。它們影響了地球上十分之一人口的生計(jì)。那么，你能否向我們介紹一下這方面的研究，以及它如何與全球糧食安全問題相關(guān)聯(lián)呢？

Couzin：是的，你說得完全正確。我也覺得非常驚訝。正如你剛才所說，它們通過造成糧食短缺和糧食安全問題，影響了地球上十分之一的人口。而且這種情況往往發(fā)生在諸如也門和索馬里等國(guó)家，這些國(guó)家本身存在著重大問題、重大沖突、內(nèi)戰(zhàn)等。由于氣候變化，蝗蟲的活動(dòng)范圍正在擴(kuò)大。因此，目前阿富汗的糧食產(chǎn)區(qū)正面臨重大危機(jī)。幾年前馬達(dá)加斯加遭受了這樣的災(zāi)難。在那之前一兩年，肯尼亞經(jīng)歷了70年來最大規(guī)模的蝗蟲入侵。

所以，為什么在我們擁有所有現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)的情況下，蝗災(zāi)會(huì)變得更加猛烈和嚴(yán)重呢？其中一個(gè)原因就是氣候變化?；葹?zāi)是這樣形成的——可能聽眾會(huì)對(duì)此感到驚訝，但實(shí)際上蝗蟲并不喜歡互相靠近。它們是害羞、隱秘的綠色蚱蜢，喜歡獨(dú)處。所以如果食物充足時(shí)，它們就彼此分開，避免接觸。只有當(dāng)它們被迫聚集在一起時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。所以它們通常被稱為“獨(dú)居型”，這是因?yàn)樗鼈兊莫?dú)居生活方式。但如果它們被迫聚集在一起，它們就會(huì)進(jìn)化出快速轉(zhuǎn)變的能力，會(huì)在一小時(shí)內(nèi)行為上迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槿壕有停_始相互跟隨，向彼此靠近。

另一件大家可能不知道的事情是，蝗蟲在出生后的幾個(gè)月內(nèi)實(shí)際上并沒有翅膀。所以當(dāng)蝗蟲剛出生時(shí)，它們是不能飛行的。這些無法飛行的幼體只有在成年后才會(huì)長(zhǎng)出翅膀。所以，當(dāng)雨水降臨非洲、印度或其他地區(qū)時(shí)，就會(huì)有茂盛的植被，小規(guī)模的蝗蟲群可以作為隱蔽的螞蚱繁衍生息，種群規(guī)模迅速增長(zhǎng)。隨著種群的增長(zhǎng)，它們吃得越來越多，往往還會(huì)伴隨著干旱。

如果種群密度很高，突然間食物消失了，那么蝗蟲就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿壕有?，開始一起前進(jìn)，一起移動(dòng)。這些蝗蟲群可以有數(shù)十億只，所見之處全是統(tǒng)一行動(dòng)的蝗蟲，仿佛有共同的目標(biāo)。一旦它們長(zhǎng)出翅膀，就可以飛行。因?yàn)樗鼈兛梢岳觅Q(mào)易風(fēng)或其他環(huán)境條件進(jìn)行長(zhǎng)距離遷徙，在幾百甚至上千公里范圍內(nèi)形成大規(guī)模的群體，情況會(huì)變得更糟。這是我們地球上最大和最具破壞性的集群行為之一。

Strogatz：我不能說對(duì)蝗蟲行進(jìn)這個(gè)過程非常熟悉。我們習(xí)慣于把它們想象成空中飛舞的云團(tuán)。但是，請(qǐng)你多分享一些關(guān)于蝗蟲行進(jìn)的過程，我模糊記得你有一項(xiàng)關(guān)于蝗蟲驚人的研究 [3]，包括它們之間的自相殘殺。這個(gè)詞用的對(duì)嗎？

[3] Collective Motion and Cannibalism in Locust Migratory Bands：https://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2008.04.035

Couzin：是的，那項(xiàng)研究是在 2008 年進(jìn)行的。我們對(duì)這些能夠長(zhǎng)距離遷移的大群蝗蟲，無論你稱它們?yōu)槿夯蛟?，知之甚少，因?yàn)槲覀儾]有足夠先進(jìn)的技術(shù)去研究它們。事實(shí)上，到現(xiàn)在我們?nèi)匀蝗狈ο鄳?yīng)技術(shù)。所以，并非這個(gè)問題不重要，而是它其實(shí)極其重要。但我們也知道，這些飛行的蝗蟲群出現(xiàn)之前——飛行的蝗蟲群有點(diǎn)像已經(jīng)失控的野火，一旦它們開始肆虐，就難以控制了。但如果能在它們長(zhǎng)翅膀之前進(jìn)行防治，在它們還在沙漠或其他環(huán)境中形成群體時(shí)進(jìn)行防治，那么將會(huì)有很大可能性成功。

所以，出于實(shí)際考慮，我們將研究重點(diǎn)放在了這些無翅的蝗蟲群上。事實(shí)上，你說得對(duì)，在2000年代中期我開始研究這個(gè)問題，現(xiàn)在我又重新回到對(duì)蝗蟲的研究中。我們?cè)诮衲暝缧r(shí)候，創(chuàng)造了世界上第一個(gè)真正意義上的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的蝗蟲群體。我們?cè)诳邓固勾膶ｉT為此搭建了一個(gè) 15m×15m×8m 的成像環(huán)境，并在其中追蹤了10000只蝗蟲。所以你提到這個(gè)話題很有趣，因?yàn)槲业难芯楷F(xiàn)在又回到了這個(gè)系統(tǒng)。

但是，正如你所說的，我們發(fā)現(xiàn)的問題是，這些昆蟲為什么要一起行進(jìn)？我們最初認(rèn)為它們必定像魚群和鳥群那樣。這肯定與信息有關(guān)，一定涉及到集群智能。然而，我們錯(cuò)了。這種認(rèn)知存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。如果你看到一群螞蟻在移動(dòng)，形成一個(gè)圈，像是在旋轉(zhuǎn)；你看到一群魚在轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)環(huán)或類似甜甜圈的圖案；或者你看到一場(chǎng)旋風(fēng)，這些模式看起來都一樣，但它們可能由非常不同的現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)。我認(rèn)為我被誤導(dǎo)了，以為看到集群運(yùn)動(dòng)時(shí)，必定是相似的過程在起作用。但在蝗蟲群中，并非如此，不是信息傳遞在起作用。實(shí)際上，在這些沙漠環(huán)境中，當(dāng)食物突然短缺時(shí)，你會(huì)急需基本營(yíng)養(yǎng)，特別是在沙漠中，包括蛋白質(zhì)、鹽和水。

在這種惡劣的環(huán)境中，還有什么比另一個(gè)個(gè)體更適合你呢？因?yàn)樗鼈儞碛型昝榔胶獾臓I(yíng)養(yǎng)成分。所以這些蝗蟲會(huì)被彼此吸引，并傾向于相互捕食。它們進(jìn)化出了追隨那些正在離開的蝗蟲的行為，并試圖咬它們的腹部后端，這很難防御。頭部有重甲保護(hù)，但腹部后端是一個(gè)弱點(diǎn)，顯然因?yàn)槟抢锔走M(jìn)攻。因此，它們會(huì)攻擊這個(gè)弱點(diǎn)，同時(shí)也避免自己成為別人的目標(biāo)。追隨逃離你的人，并躲避接近你的人，這種行為導(dǎo)致整個(gè)蝗蟲群開始一起穿越沙漠環(huán)境行進(jìn)。

它們還通過一起離開營(yíng)養(yǎng)匱乏的地區(qū)來獲益。因?yàn)槿绻惆岩粋€(gè)人放在沙漠中，人會(huì)很容易于迷失方向，四處游蕩。同樣的情況也適用于蝗蟲。但如果它們?cè)谌后w中，個(gè)體之間的集體對(duì)齊和同步，數(shù)億個(gè)體相互對(duì)齊，它們可以非常有方向性地離開這些營(yíng)養(yǎng)貧乏的地區(qū)。它們也可以壓倒捕食者。捕食者在這里幾乎無從下手。

Strogatz：在我們討論這些例子時(shí)，你是怎么對(duì)這些研究產(chǎn)生興趣的，早期是怎么開始的？你提到那是在2008年？你在那之前就已經(jīng)開始研究這個(gè)了，對(duì)嗎？

Couzin：是的，我在九十年代末做了關(guān)于螞蟻的博士研究。我對(duì)螞蟻的行為非常著迷。老實(shí)說，這開始于我對(duì)于自然的熱愛和對(duì)博物學(xué)的癡迷，我希望觀察周圍的一切。我小時(shí)候認(rèn)為，一定有專家能解釋為什么會(huì)形成蝗蟲群、魚群、鳥群等。我認(rèn)為這是每一個(gè)人都在研究的東西。我小時(shí)候是個(gè)藝術(shù)家，對(duì)創(chuàng)意寫作、詩歌和藝術(shù)非常感興趣。因此，我最初是被這些東西的純粹所吸引，被它們的美麗所迷住。

在高中時(shí)，我在科學(xué)方面并不是一個(gè)好學(xué)生。我在做陶藝和繪畫。當(dāng)我上大學(xué)時(shí)，我記得我父親對(duì)我說：“兒子，你應(yīng)該做你擅長(zhǎng)的事情。學(xué)英語或藝術(shù)吧。你不是科學(xué)家，但確實(shí)是一個(gè)自然觀察者?！彼f的很對(duì)。后來當(dāng)我攻讀生物學(xué)學(xué)位時(shí)，我在第一堂生物課上就知道這是適合我的事情，我深信不疑。我進(jìn)入了統(tǒng)計(jì)物理的世界。那段時(shí)間出版的論文讓我的思維徹底打開，因?yàn)樽髡邆兛吹搅素灤└鞣N系統(tǒng)的深?yuàn)W數(shù)學(xué)原理。

我的博士導(dǎo)師告訴我，為了找到工作，你應(yīng)該成為某一種螞蟻的世界專家，這樣你才有價(jià)值。但是我讀到一些科學(xué)家的研究恰好相反。他們研究的范圍廣泛，從物理系統(tǒng)到生物系統(tǒng)，并看到了其中的原理。而且，他們發(fā)現(xiàn)的模式、結(jié)構(gòu)和結(jié)果都自然而美妙無比。所以我想這一定是做科學(xué)研究的正確方式。所以那時(shí)候開始，我被吸引進(jìn)了物理學(xué)的世界。

Strogatz：后來你有沒有機(jī)會(huì)和你父親談?wù)撨^你研究方向的改變？

Couzin：我從未想過我的父親還記得這件事。然后，當(dāng)我在普林斯頓大學(xué)由助理教授升為正教授時(shí)，系主任打電話來對(duì)我說，“恭喜你，Couzin 教授。”你知道，那一刻我完全震驚到了。所以我立馬打電話給我的父親和母親，告訴他們這個(gè)好消息。結(jié)果是我的父親接的電話，然后他說：“想到我曾經(jīng)把你叫作自然觀察者。”那是幾十年后唯一的一次。我從不知道他還記得這次談話。

群體行為幫助理解大腦空間決策

Strogatz：這真是個(gè)好故事，非常棒的故事。在這個(gè)節(jié)目中，我們喜歡討論一些尚未解答的大問題。那么，在你看來，關(guān)于鳥群、魚群以及集群行為方面最大且尚未解答的問題有哪些呢？

Couzin：當(dāng)然有。這讓我談到現(xiàn)在非常興奮的話題。早些年在我的職業(yè)生涯中，我曾經(jīng)認(rèn)為，大腦是一種非常美妙的集群計(jì)算實(shí)體——最好的例子之一。那么，大腦是如何做出決策呢？它由神經(jīng)元組成，并且我們可以看到蟻群、蝗蟲群、鳥群或者魚群等各種不同個(gè)體相互作用形成了系統(tǒng)。那么，在這些不同系統(tǒng)間是否存在某種深層次聯(lián)系？目前令我著迷的就是群體決策問題，特別是空間中的群體決策。

那么，大腦是如何表征空間和時(shí)間的呢？這在決策中有何重要性？這與動(dòng)物的集群行為有什么關(guān)系呢？大約五年前，我意識(shí)到，我認(rèn)為存在一種深層次的數(shù)學(xué)相似性，也存在關(guān)于大腦如何表征空間和時(shí)間的深層幾何原理。而其中最讓人興奮的一點(diǎn)就是再次使用數(shù)學(xué)。你知道，我在16歲時(shí)放棄了數(shù)學(xué)，但我剛剛在劍橋大學(xué)艾薩克·牛頓數(shù)學(xué)科學(xué)研究所作為杰出研究員度過了一個(gè)學(xué)術(shù)假期。然而，我不會(huì)解方程，你知道嗎？

我喜歡和優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家們一起工作。通過和物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家以及生物學(xué)家合作，并在虛擬現(xiàn)實(shí)中對(duì)動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——我們已經(jīng)建立了一套技術(shù)體系。我們沒辦法給不到一厘米長(zhǎng)的魚戴上像Meta Quest 3那樣的頭盔，但我們可以創(chuàng)造出虛擬、沉浸式的全息環(huán)境，因此我們可以完全控制輸入信息。也就是說，我們能夠完全控制因果關(guān)系。

如果你知道，我在影響你，而你也在影響我，然后還有第三個(gè)人參與進(jìn)來，他們是直接影響我還是通過你來間接地對(duì)我產(chǎn)生作用？或者兩種方式都有？又或者當(dāng)涉及到第四個(gè)、第五個(gè)人時(shí)呢？在我們的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，我們可以將這些個(gè)體放入像電影《黑客帝國(guó)》的世界中，每個(gè)個(gè)體都在自己的全息世界中與其他個(gè)體的全息影像實(shí)時(shí)互動(dòng)。但在這個(gè)世界里，我們可以隨意調(diào)整物理規(guī)則。我們甚至可以改變空間和時(shí)間的規(guī)則以更好地理解大腦是如何整合這些信息的。

所以，這真的讓我大開眼界，因?yàn)槲覀兛梢宰C明大腦不是以歐幾里得方式來表示空間。它采用的是一種非歐幾里得坐標(biāo)系統(tǒng)來表示空間。然后我們可以通過數(shù)學(xué)方法解釋為什么這樣做如此重要，因?yàn)楫?dāng)你開始處理三個(gè)或更多選項(xiàng)時(shí)，實(shí)際上扭曲時(shí)空，使得空間變成非歐幾里得形式能夠顯著降低世界的復(fù)雜性，并將其轉(zhuǎn)化為一系列分岔點(diǎn)。在每個(gè)分岔點(diǎn)附近，它會(huì)放大剩余選項(xiàng)之間的差異。所以這里有一個(gè)美妙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

因此，我們認(rèn)為我們找到了一個(gè)關(guān)于大腦如何做出空間決策的普遍理論，如果不研究像魚、蝗蟲和蒼蠅這樣的生物在這些類型的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，我們永遠(yuǎn)無法得到這個(gè)理論，這就是我非常興奮的原因。

學(xué)者簡(jiǎn)介

Iain Couzin ，德國(guó)馬普所動(dòng)物行為研究所集群行為系主任，康斯坦茨大學(xué)全職教授。他的研究旨在揭示進(jìn)化的集群行為的基本原理，研究涵蓋從昆蟲群體到魚群、靈長(zhǎng)類動(dòng)物群體的各種生物系統(tǒng)。為了表彰他的研究成就，他曾獲得2019年拉格朗日獎(jiǎng)（復(fù)雜科學(xué)領(lǐng)域首個(gè)也是最重要的國(guó)際認(rèn)可獎(jiǎng)項(xiàng)），2022年萊布尼茨獎(jiǎng)（德國(guó)最高研究榮譽(yù)獎(jiǎng)）。

個(gè)人主頁：https://www.ab.mpg.de/person/98158/2736。

播客主持人：Steven Strogatz，Susan and Barton Winokur杰出教授，Stephen H. Weiss 總統(tǒng)學(xué)者，康奈爾大學(xué)數(shù)學(xué)系教授。研究重點(diǎn)是將動(dòng)力系統(tǒng)研究應(yīng)用于物理學(xué)、生物學(xué)和社會(huì)科學(xué)。出版書籍包括《非線性動(dòng)力學(xué)與混沌》（Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering）《微積分的力量》（Infinite Powers: How Calculus Reveals the Secrets of the Universe）《同步》（Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order）等。

個(gè)人主頁：https://math.cornell.edu/steven-Strogatz。

群體智能讀書會(huì)

如果你對(duì)這些反直覺但極有用的現(xiàn)象感興趣——從蟻群搭橋、魚群同步、到無人機(jī)集群表演、集群機(jī)器人協(xié)作、群智優(yōu)化與多智能體系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)輿論建模研究等——?dú)g迎加入「群體智能」讀書會(huì)：我們用動(dòng)物—人類—機(jī)器三條線，希望把群體智能的涌現(xiàn)這件事講清楚、講透徹；用物理學(xué)、數(shù)理邏輯、多主體建模、計(jì)算傳播等多學(xué)科視角，去追問同一個(gè)核心：集群何以比個(gè)體更聰明？群體智能又在何時(shí)涌現(xiàn)？

集智俱樂部聯(lián)合北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院韓戰(zhàn)鋼教授、暨南大學(xué)計(jì)算傳播研究中心趙甜芳副教授、新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院玉素甫·艾比布拉副教授等來自11所高校的學(xué)者，共同發(fā)起本次，嘗試用一條普適的線索，把自然界的鳥群蟻群、人類社會(huì)的集群行為、以及人工智能時(shí)代的多智能體與群智優(yōu)化，放在同一張地圖上重新理解。讀書會(huì)自2026年1月17日開始，安排在每周六下午 14:00–16:00，歡迎所有對(duì)群體智能如何涌現(xiàn)、如何被理解、以及如何被設(shè)計(jì)，感興趣的朋友一起加入：帶著問題來，帶著更有趣的問題去。

詳情請(qǐng)見：

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