物理系统和生物系统是不同的。但是它们真的如此不同吗？JSTAT上的一项新研究表明，两者之间的相似性可能比我们认为的更大。

一项合作研究表明，生物学中的集体运动，如鸟群，遵循着与粒子物理学相似的原理。这些发现揭示了过渡动力学的潜在相似性，无论其物理或拓扑距离如何。

一群人或一群鸟的特性与物质中原子的特性不同，但当我们谈到集体运动时，这些差异的重要性比我们想象的要小。我们可以尝试根据我们用于粒子的相同原则来预测人类、鸟类或细胞的行为。这是发表在《统计力学杂志：理论与实验》上的一项新研究的发现，该研究的国际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。

该研究基于材料物理学，模拟了在“自驱动体”（如生物体）中，导致无序状态突然转变为协调状态的条件。

在运动中将物理与生物相结合

“从某种程度上说，鸟类是飞翔的原子，”麻省理工学院生物物理学研究人员、该研究的作者之一朱利安·泰莱尔解释道。“这听起来可能很奇怪，但我们的主要发现之一确实是，行走的人群或飞行中的鸟群的运动方式与粒子物理系统有许多相似之处。”

正如塔列尔解释的那样，在集体运动研究领域，一直认为粒子（原子和分子）和生物元素（细胞，以及成群的整个生物体）之间存在质的差异。人们尤其认为，不同类型运动之间的转换（例如，从混乱到有序流动，称为相变）是完全不同的。

运动动力学的差异与相似性

在这种情况下，对物理学家来说，至关重要的差异与距离的概念有关。在充满其他粒子的空间中移动的粒子主要基于它们之间的距离相互影响。然而，对于生物元素来说，绝对距离并不重要。

“一只鸽子在飞行中，它最关注的并非它附近的所有鸽子，而是那些它能看见的鸽子。”事实上，根据文献记载，由于认知能力的限制，在它能看见的鸽子中，它只能关注有限数量的鸽子。在物理学家的术语中，鸽子与其他鸽子之间处于“拓扑关系”：两只鸟在物理距离上可能相隔甚远，但如果它们处于同一个可见空间内，它们就会相互接触和影响。

揭示集体运动的普遍性

人们长期以来认为，这种差异导致集体运动的出现呈现出完全不同的情景。“然而，我们的研究表明，这并不是一个至关重要的差异，”泰莱尔继续说道。

“显然，如果我们想分析真实鸟类的行为，那么我们的模型中还有很多没有包含的其他复杂性。我们的领域遵循爱因斯坦的一条建议，即如果你想理解一个现象，你必须让它“尽可能简单，但不能更简单”。不是尽可能简单，而是去除所有与问题不相关的复杂性。在我们研究的具体情况下，这意味着物理距离和拓扑关系之间真实存在的差异，并不会改变集体运动过渡的本质。”

磁性模型与生物行为

Tailleur 及其同事所使用的模型受到铁磁材料行为的启发。顾名思义，这些材料具有磁性特性。在高温或低密度下，由于热涨落很大，自旋（简化来说：与电子相关的磁矩的方向）的方向是随机的，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涨落，并出现了自旋的全局方向（想象成许多排列整齐的小指南针针）。

泰莱尔说：“我的同事雨果·夏特二十年前意识到，如果自旋按照它们所指的方向移动，它们将通过不连续的相变进行排序，大量自旋会突然一起移动，就像天空中的鸟群一样。”

这与被动铁磁体中的情况截然不同，在被动铁磁体中，有序性的出现是逐渐发生的。直到最近，物理学家还认为，粒子与其“拓扑邻居”对齐的受生物学启发的模型也会经历连续转变。在研究中使用的模型中，泰勒尔及其同事表明，即使使用拓扑关系而不是距离，也可以观察到不连续的转变，并且这种情况应该适用于所有此类模型。

“在一定的范围内，你如何排列的细节是无关紧要的，”泰莱尔说，“我们的工作表明，这种类型的转变应该是普遍的。”

实践意义与未来展望

另一项发现是在所使用的模型中，在大群体内部会形成分层流，这类似于我们在现实中观察到的情况：一群人很难同时向一个方向移动；相反，我们观察到的是有限群体的运动，这些运动是略有不同的轨迹的可区分的流。

Tailleur总结道，这些基于粒子物理学的统计模型也能帮助我们理解生物群集运动。“了解我们在生物学中所见的集体运动并借此设计新材料的道路依然漫长，但我们正在取得进展！”

参考：“波动引起的集体运动一阶跃迁”，作者：David Martin、Gianmarco Spera、Hugues Chaté、Charlie Duclut、Cesare Nardini、Julien Tailleur 和 Frédéric van Wijland，发布日期：2024 年 8 月 8 日，期刊：Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment。DOI：10.1088/1742-5468/ad6428。