導(dǎo)語

2021年諾貝爾獎頒發(fā)給喬治·帕里西 (Giorgio Parisi) 以表彰他對復(fù)雜系統(tǒng)理論的開創(chuàng)性貢獻，特別是“發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無序和波動的相互作用”。除了原子和宇宙，帕里西還專門研究過鳥群的波動。故事源于有一天他在羅馬的火車站上空看到了成千上萬只鳥兒成群結(jié)隊地飛翔，鳥群沒有統(tǒng)一的指揮卻能如同一個整體自由變換形狀，這一現(xiàn)象讓他著迷。帕里西于是派出了一組物理學(xué)家，他們拍攝記錄了大量的鳥群飛行數(shù)據(jù)。基于此，他們統(tǒng)計物理方法計算分析了數(shù)十萬只鳥如何形成一個整體。

上海市非線性科學(xué)研究會 | 來源

大型鳥類遷徙時總是選擇有秩序的飛行編隊，而小型鳥類的飛行編隊卻非常無序。節(jié)能假說和視覺交流假說為大型鳥類飛行編隊的形成機制提供了解釋。然而，實驗數(shù)據(jù)與節(jié)能假設(shè)的理論結(jié)果存在較大差異，視覺交流假說缺乏足夠的支持證據(jù)。此外，這兩種假說都不能解釋大型鳥類和小型鳥類飛行編隊的差異。本文從個體間排斥力的權(quán)重這一新的角度研究了鳥群選擇編隊的機制，并解釋了大型鳥類和小型鳥類飛行編隊的差異。我們認為，與小型鳥類相比，大型鳥類之間的排斥力的權(quán)重較大，從而能夠更好地防范個體之間的碰撞。結(jié)果表明，隨著個體間排斥力的權(quán)重逐漸增大，鳥群的飛行編隊由群聚形態(tài)(對應(yīng)于小型鳥類的飛行編隊)轉(zhuǎn)變?yōu)閱闻啪庩?對應(yīng)于大型鳥類的飛行編隊)。單排飛行編隊的遷移速度大于集群編隊的遷移速度。此外，我們還研究了個體數(shù)量和密度對飛行編隊的影響:當個體數(shù)量或密度足夠大時，整個鳥群可能失去遷徙能力。

對一個鳥群而言，最智能的狀態(tài)應(yīng)該是某種“團結(jié)緊張”的狀態(tài)。這種狀態(tài)恰好處在“有序”與“無序”之間，類似于相變的臨界點處，此時，一個群體既能保持其穩(wěn)定性，又能保證個體的信息在群體中有效地傳遞。

喬治·帕里西解釋了鳥群的這種“臨界狀態(tài)“，而我們的工作揭示了鳥群飛行編隊在有序與無序之間轉(zhuǎn)變的機制。

圖片為什么大型鳥類，如大雁，野鴨等，遷徙時的編隊非常有序，而小型鳥類，如燕子、歐椋鳥、非洲奎利亞雀等，遷徙的編隊卻非常“凌亂”。

大型鳥類的遷徙編隊：

小型鳥類的遷徙編隊：

我們認為應(yīng)該有一種機制“掌控”著候鳥的遷徙編隊，隨著鳥類體積或質(zhì)量的增加，集體遷徙所選擇的編隊會從無序過渡到有序。

大多數(shù)鳥類的飛行速度在32~48千米/小時，鳥類的飛行速度總是趨向于保持能量效率最優(yōu)，特別是在遠處飛行時，只有在緊急情況下才以極限速度飛行。 然而大小型鳥類之間的質(zhì)量差異卻非常大。一只成齡大雁體重可達4～5千克，重者可達8～10千克，而一只歐椋鳥的質(zhì)量在91～140克。因此大小型鳥類在飛行時的動能就會有非常大的差異。

因此，在編隊飛行時，大型鳥類因個體間相撞而受到的傷害會更大，因此個體間斥力的權(quán)重會較大。我們基于此假設(shè)，對鳥群編隊選擇進行建模。結(jié)果完美地驗證了我們的假設(shè)。

總之，大型鳥類只是更加注重個體間的排斥作用而已，自組織成有序的飛行編隊。

以下是我們的主要研究內(nèi)容：

我們的模型：

結(jié)果：

圖：隨著斥力權(quán)重的增加導(dǎo)致編隊的變化。

圖：群極化Q?的變化過程與權(quán)重參數(shù)w3的關(guān)系。

圖：遷移速度V?的變化過程與權(quán)重參數(shù)w3的關(guān)系。

原標題：《遷徙鳥群如何選擇飛行編隊？——鳥群有序與無序之間的轉(zhuǎn)化機制》

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