魚群像橡皮筋一樣有彈性

物理學(xué)家們很早就注意到，動(dòng)物種群的行為與原子和分子的運(yùn)動(dòng)有著驚人的相似之處?，F(xiàn)在，一位物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一種測量魚群的彈性和“溫度”的方法，他們將動(dòng)物群體作為一個(gè)整體的“活性物質(zhì)”物體。

在物理學(xué)家眼中，動(dòng)物集群與非生命的物理系統(tǒng)有著相似之處。例如，鯖魚在群體中傾向于沿著同樣的方向游動(dòng)，使他們身體的方向與他們相鄰的同類保持一致，就像鐵原子相互對齊使金屬變得更有磁性一樣。類似地，一大群歐掠鳥在天空中盤旋，就像流體一樣，它們流動(dòng)、伸展，因某種力量(也許是風(fēng))擺動(dòng)。

這種集體行為的產(chǎn)生并不是因?yàn)槟撤N宏大的設(shè)計(jì)，而是因?yàn)槊總€(gè)個(gè)體對它身邊的同類作出反應(yīng)。伊利諾伊大學(xué)(University of Illinois)的奈杰爾?戈德菲說：“因?yàn)槊總€(gè)個(gè)體都在追蹤他們相鄰的個(gè)體，便形成了集群。”“但個(gè)體根本不關(guān)心整個(gè)群體。”

然而，將動(dòng)物集群描述為物質(zhì)系統(tǒng)并不容易，因?yàn)榧褐袀€(gè)體間的互動(dòng)并不總是遵循物質(zhì)規(guī)律，也含有社會(huì)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。賓夕法尼亞蓋茨堡學(xué)院(Gettysburg College)的一名學(xué)生詹姆斯·普克特( James Puckett)和他的學(xué)生阿瓦茲·波克爾(Aawaz Pokhrel)等已經(jīng)找到了一種方法來測量一種脂鯉集群的活動(dòng)。紅吻半線脂鯉，是一種淡水熱帶魚，約3.5厘米米長，原產(chǎn)于南美洲。它們集合在一起，但沒有社會(huì)等級(jí)，躲避光線。這使他們成為理想的實(shí)驗(yàn)對象。

為了測量魚群的伸展性或彈性，波克爾在一個(gè)只有幾厘米深的水箱里放了50條脂鯉，這樣魚就只能在水平方向游。他從上面照了一盞燈，使魚聚集在水箱中央一個(gè)只有25厘米寬的方形陰影下。使用計(jì)算機(jī)控制將陰影分開。魚群會(huì)伸展開來，直到陰影突然恢復(fù)原狀，魚群沖向中央陰影。波克爾用魚群看不見的紅外光進(jìn)行觀察。

如果魚群和彈簧的運(yùn)動(dòng)一樣，魚向中心加速的速度將隨著它們與中心的距離的增加而增加。通過對個(gè)別魚的追蹤發(fā)現(xiàn)，結(jié)果確實(shí)如此。從數(shù)據(jù)中，他提取了加速度隨距離增加的速率，即彈簧常數(shù)，并發(fā)現(xiàn)這是一群彈力超強(qiáng)的脂鯉：把它拉伸到一定的程度，它就會(huì)以一根橡皮筋的萬分之一左右的力拉回來。

同樣，和波克爾一起工作的紐約大學(xué)的研究生朱莉婭(Julia Giannini)，報(bào)告了一種測量脂鯉魚群有效“溫度”的方法。在普通材料中，溫度是衡量原子或分子的平均能量的一種方法。

在一個(gè)水箱中，她將50或100條脂鯉限制在半徑約為30厘米的圓形陰影中，然后以不同的速度縮小陰影面積，使魚群聚集在一起。利用紅外跟蹤，她計(jì)算出陰影中魚的密度。她用每個(gè)個(gè)體的速度計(jì)算出一種類似于壓力的量。就像氣體一樣，壓力隨著密度的增加而增加。茱莉婭在會(huì)上說，圓圈縮小的速度決定了一個(gè)比例常數(shù)，該常數(shù)與溫度有關(guān)。例如，一個(gè)快速收縮的圓圈會(huì)導(dǎo)致魚群“更熱”。因此，脂鯉魚群就像一種氣體，具有恒定的、明確的溫度。

這項(xiàng)工作的目的是使用動(dòng)物集群的宏觀“物質(zhì)”屬性，而不是通過跟蹤個(gè)別動(dòng)物，來描述魚群或鳥群的動(dòng)態(tài)，普克特說。他承認(rèn)，目前還不清楚你能在多大程度上推動(dòng)生物種群與物理材料的類比。例如，在熱力學(xué)中，當(dāng)兩種不同溫度的氣體混合在一起時(shí)，它們就形成一個(gè)共同的中間溫度。目前還不清楚這種情況是否會(huì)發(fā)生在魚群身上，甚至不清楚如何做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。茱莉婭說。

本文譯自 sciencemag，由譯者 Mork 基于創(chuàng)作共用協(xié)議(BY-NC)發(fā)布。