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蜜蜂与人类社交生活之间出乎意料的相似性

蜜蜂和人类几乎可以想象到不同的生物。尽管存在许多差异,但在过去几年中,人们已经开始认识到它们在社交方面的惊人相似之处。现在,伊利诺伊大学香槟分校的一组研究人员在早期研究的基础上,通过实验测量了蜜蜂的社交网络及其随着时间的发展。他们发现与人类的社交网络存在详细的相似性,并且这些相似性通过新的理论模型得以完全解释,该理论模型使统计物理学的工具适用于生物学。实验证实了这一理论,暗示蜜蜂之间存在个体差异,就像人与人之间也存在个体差异一样。

这项研究衡量的程度个体差异在蜜蜂网络的第一次,是由第一作者物理学博士进行 学生Sang Hyun Choi,博士后Vikyath D. Rao,Adam R. Hamilton和Tim Gernat,Swanlund物理学主席Nigel Goldenfeld和Swanlund昆虫学基因E. Robinson(GNDP)主席。Goldenfeld和Robinson也是伊利诺伊州Carr R. Woese基因组生物学研究所的教授,Robinson是该研究所的所长。这项合作包括汉密尔顿,杰纳特和罗宾逊对蜜蜂社交行为的实验测量,拉奥的数据分析以及崔和金菲尔德的理论建模和解释。他们的发现发表在该杂志最近的一篇文章中美国国家科学院学报。

Goldenfeld说:“最初,我们希望将蜜蜂作为一种方便的社交昆虫,以帮助我们找到衡量和思考复杂社会的方式。” “几年前,Gene,Tim,Vikyath和我合作进行了一个大型项目,该项目将“条形码”放在蜜蜂身上,以便我们可以自动监视它们进入蜂巢的任何地方,它们指向的每个方向以及每个交互伙伴通过这种方式,我们可以及时建立一个社交网络,称为时间网络。”

该研究是在几年前完成的,涉及对条码适配的蜜蜂进行高分辨率成像,其算法通过在图像中绘制蜜蜂的位置和方向来检测相互作用事件。在这些研究中,研究人员在测量蜜蜂之间的社交互动时,将注意力集中在对口运动(口对口液体食物转移的行为)上。Trophallaxis不仅用于喂养,而且用于交流,使之成为研究社会互动的模型系统。

崔说:“我们之所以选择对流轴运动,是因为它是我们可以准确追踪的蜜蜂社交互动的类型。” 他说:“由于蜜蜂在间通过长鼻接触而彼此物理连接,因此我们可以确定它们是否确实在进行相互作用。此外,每只蜜蜂都经过了标记,因此我们可以识别参与每一个相互作用事件的每个人。 ”

戈登费尔德说:“在我们的早期工作中,我们询问蜜蜂在遇到其他蜜蜂的事件之间花费了多长时间,并且表明它们以不均匀的方式相互作用。” “ Sang Hyun和我采用了相同的数据集,但现在提出了不同的问题:交互事件的持续时间如何,而不是交互之间的时间呢?”

在观察个体交互时,所花费的时间从短交互到长交互不等。根据这些观察,崔提出了一种理论,在这种理论中,蜜蜂表现出一种可以与人类互动相提并论的吸引力特征。例如,人类可能更喜欢与朋友或家人互动而不是陌生人。

Goldenfeld说:“我们基于一个非常简单的想法为此开发了一种理论:如果一只蜜蜂与另一只蜜蜂相互作用,则可以认为这是它们之间的一种“虚拟春天”。“春天的力量是衡量它们彼此吸引力的量度,因此,如果春天较弱,蜜蜂将迅速折断春天并消失,也许会找到另一只可以与之互动的蜜蜂。我们将这种理论描述称为最小模型,因为它可以定量捕获感兴趣的现象,而无需过多和不必要的微观现实主义,因此,非物理学家常常惊讶地发现可以做出详细的理解和预测最少的描述性输入。”

戈登费尔德解释说,他们理论的数学框架源自物理学的一个分支,称为统计力学,最初是用来描述容器中的气体原子的,后来扩展到涵盖了包括生命系统在内的所有物质状态。Choi和Goldenfeld的理论对先前收集的实验性蜜蜂数据集做出了正确的预测。

出于好奇,该理论随后应用于人类数据集,揭示了与蜜蜂数据集相似的模式。然后Choi和Goldenfeld用一种经济手段来衡量人类的财富和收入差距(称为基尼系数),以表明蜜蜂在社交活动中的吸引力方面表现出差距,尽管与人类的差距不大。这些结果表明,在蜜蜂和人类中,社交互动模式具有令人惊讶的普遍性。

崔说:“很明显,人类个体是不同的,但是对于蜜蜂来说,并不那么明显。” “因此,我们以一种与我们的理论无关的方式研究了蜜蜂活动水平的不平等现象,以验证蜜蜂工人的确存在差异。我们小组先前所做的工作已使用基尼系数来量化蜜蜂活动中的不平等现象。蜜蜂的觅食活动,因此我们认为该方法也可以用来检验对偶轴突活动的不平等性。”

罗宾逊说:“在蜜蜂与人类之间发现如此惊人的相似之处,激发了人们对发现生物学普遍原理及其基础机制的兴趣。”

研究人员的发现表明,复杂的社会可能具有出乎意料的简单而普遍的规律性,这有可能揭示出复原力强壮的社区从截然不同的社会角色和互动中出现的方式。研究人员预测,它们的最小理论可以应用到其他的完全社会性昆虫,因为理论不涉及蜂蜜的蜜蜂特有的功能。

Choi和Goldenfeld表示,在未来的研究中,可以使用统计力学中的相同技术通过特征明确的配对相互作用来理解社区的凝聚力。

崔说:“这是我加入奈杰尔小组后的第一个项目,我花了很长时间才找到解决问题的正确方法。” “从事这样一个跨学科项目很有趣,而且充满挑战。作为一名研究生物系统的物理学学生,我从没想到自己会使用经济学的概念。”

戈登费尔德说:“看到简单的物理观念能够解释这种看似复杂而广泛的社会现象,并给出一些有机的见解,真是令人兴奋。” “我为Sang Hyun的毅力和洞察力能够解决这一问题感到非常自豪。像所有跨学科科学一样,这是一个很难解决的问题,但是当所有问题融合在一起时,却令人着迷。这就是这种进步的出现。来自同一实验室中不同科学家的同一地点(在本例中为Carl R. Woese基因组生物学研究所)。”

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