Swar Skowronków: Fizjologiczny Przejście od Samotnych do Grupujących

Z samotnika do herdowania, przy krytycznej gęstości

Szwacz skowronek (Schistocerca gregaria) istnieje w dwóch drastycznie różniących się formach zachowania, zjawisko nazywane fazowym wielokształtństwem. Na niskiej gęstości populacyjnej są samotne: krypticznie farbowane, wzajemnie unikające, błądzą indywidualnie. Powyżej krytycznej lokalnej gęstości podlegają transformacji — w ciągu kilku godzin, bez przejścia przez pokolenie — do faz herdowanych: jasno farbowane, wzajemnie przyciągające się, i marszczą się w koherentnych, zgodnie ułożonych masach, które mogą łączyć się w skwiry składające się z miliardów szwałów able do niszczenia siewów na całych regionach.

Model alignowania typu Vickea

Fizycy Buhl, Sumpter, Couzin i inni (2006) pokazali, że przejście od oddzielnego do zbiorowego marszu w młodych locystach jest dobrze opisane przez model Vickea: każdy osobnik porusza się z constantną prędkością i na każdym kroku czasu przyjmuje kierunek bliski średnim kierunkom sąsiadów w obrębie ustalonego lokalnego promienia, plus niezaznaczona odchylenie kątowe. Poniżej krytycznej gęstości, noise dominuje i kierunki pozostają rozmyte; powyżej tej wartości, lokalne alignowanie rozwija się do wieloskalowego poruszania się zgodnie z jednolitym kierunkiem — rzeczywiste przejście order-disorder w sensie mechaniki statystycznej, a nie tylko metafora.

θ_i(t+1) = ⟨θ_j(t)⟩_{j w promieniu r} + η · noise duża gęstość (wiele j w promieniu r) → silne alignowanie → jednolity marsz mała gęstość (wcześniejsza j w promieniu r) → słabe alignowanie → bezładny obrót parametr porządku Φ = |współrzędna średniego wektora| / N Φ ≈ 0 rozmyte kierunki Φ ≈ 1 pełny alignowany marsz laboratorium Buhla z pomiarami rzeczywistego marszu młodych locystów w dziedzinie kołowej okazało, że dokładnie ta sygnatura: skok zbiorowego alignowania poprzedzony przez przejście gęstości lokalnej około 25 locystów na metr kwadratowy, zgodny jest z rzeczywistym krytycznym przejściem a nie tylko wolnym trendem i pasuje do symulacji z użyciem reguły Vickea tak dobrze, że może być traktowany jako prawidłowe minimalne model.

θ_i(t+1) = ⟨θ_j(t)⟩_{j within radius r}  +  η · noise

low density  (few j within radius r) → alignment weak → disordered milling
high density (many j within radius r) → alignment strong → coherent marching

order parameter Φ = |mean direction vector| / N
  Φ ≈ 0  disordered      Φ ≈ 1  fully aligned marching band

Serotonin steruje fazowym przekształceniem

Przyczyną transformacji jednostkowego locucha jest powtarzane kontakt taktowy — dotyk innych locuchów na tylnych nogach, co występuje automatycznie, gdy gęstość lokalna wzrosnie. Michael Anstey i kolejni (2009) pokazali, że ta stimulacja taktowa prowadzi do szybkiego podwyższenia serotoniny w systemie nerwowym piersiowym locucha, a serotonina jest zarówno konieczna, jak i wystarczająca do przekształcenia zachowania solitarystycznego na gregarnicznego w okresie około dwóch do czterech godzin — wprowadzenie agonistów serotoniny do izolowanego locucha solitarystycznego sprawi, że zachowuje się gregarnicznie bez żadnego zgrupowania, a blokada odbiorców serotoniny uniemożliwia locuchom w grupie przekształcenie. To dało fizjologiczne wyjaśnienie fazowej wielokrotności zachowań, która była dawno znana z punktu widzenia zachowania.

Od orkiestr marszujących do latających szarad

Gregarne nymphy (które nadal nie mogą lecieć) tworzą spójne orkiestry na ziemi; po osiągnięciu pełnoletności i zdolności do lotu, ta gregarna atrakcja i aligment rozszerza się na latające szarady, które mogą obejmować ogromne obszary, częściowo przewożone przez wiatr, a częściowo samonaprzekształcającą się aligment między insektemi. Duża szara nadpogodowa może zawierać dziesiątki bilionów osobników, zużywać codziennie swoje własny wagę roślinności na locusta i zagrożać bezpieczeństwem żywnościowym znaczącej części ludzkiej populacji w obszarze wybuchu — co jest przyczyną tego, że fizyka fazowego przejścia ma znaczenie well beyond modelowej organizmy: progę gęstości, pod jaką lokalny wybuch zasypia się w samonaprzekształcającą się gregarną szaradę, jest autentycznym celem ostrzegawczym dla agencji rolniczych.

Ogólny wniosek dotyczące zachowania zbiorowego

Przejście locystów jest jednym z najczystszych przykładów w rzeczywistości, gdzie dokumentowany przejście fizjologiczne (serotonin), pomiar próg zachowania (gęstość lokalna) oraz minimalny model fizyczny (aligment Vickeza) wskazują na tę samą historię. To jest jednym z powodów, dla których stało się ono kluczowym przypadkiem studiowego dla szerokiej dziedziny zachowania zwierząt zbiorowych — ten sam zestaw narzędzi statystyczno-mechanicznych użyty dla locystów został od tamtej pory zastosowany do ryb w szkolach, ptaków w stadach i dynamicznych tłumów ludzkich.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Locust Swarm Phase Transition i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.