原創 何真 集智俱樂部

導語

在無垠的大地之上，當蝗蟲群如烏云般遮天蔽日地遷徙時，它們的運動方式是否隱藏著不為人知的秩序？一項最新發表在《科學》雜志上的研究，為我們揭開了沙漠蝗蟲集體運動的神秘面紗！科學家們深入非洲大陸，在肯尼亞的桑布魯和伊西奧洛縣，對大規模的幼年蝗蟲群體進行了實地實驗，同時結合虛擬現實技術，讓真實的蝗蟲與虛擬的同類進行互動，多維度地探索了蝗蟲集體運動的奧秘。

研究發現，蝗蟲的集體運動并非如傳統理論所認為的那樣，通過簡單的與周圍鄰居對齊方向來實現。相反，蝗蟲依賴于一種更復雜的認知和神經決策機制——環狀吸引子網絡。這種機制允許蝗蟲在復雜的環境中動態地整合來自多個鄰居的信息，做出最優的方向選擇。這一發現不僅顛覆了我們對蝗蟲集體運動的傳統認知，更為我們理解自然界中的集體行為提供了新的視角。

關鍵詞：量子意識、電磁信息場理論、量子糾纏、量子計算、自由意志、意識模型

何真丨作者

張江丨審校

論文題目：The behavioral mechanisms governing collective motion in swarming locusts

論文地址：

http://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adq7832

在浩瀚無垠的大自然中，動物界的集體運動堪稱一場場震撼人心的視覺盛宴。無論是候鳥遷徙時那整齊劃一的隊列，還是魚群在海洋中靈動穿梭的身姿，亦或是昆蟲群體井然有序的行進，都無不彰顯著一種神秘而強大的協調性與秩序感。長久以來，科學家們用“自驅動粒子”模型來解釋這種現象，認為個體只需與周圍鄰居對齊方向，便能共同演繹出宏大而精妙的協同之舞。然而，一項針對沙漠蝗蟲群體運動的最新研究卻如同一顆石子投入湖面，泛起陣陣漣漪，挑戰了這一傳統觀念，為我們揭開了蝗蟲集體運動背后的獨特行為機制。

傳統模型的局限性

沙漠蝗蟲，這種極具破壞性的農業害蟲，其群體遷徙對糧食安全構成了嚴重威脅。以往的研究和理論模型，如維謝克模型和庫津模型，都假設個體通過與周圍鄰居對齊運動方向來實現集體運動。這些模型預測，隨著群體密度的增加，會自發出現從無序到有序的轉變。在實驗室條件下，一些實驗似乎支持了這一理論，比如在環形競技場中增加蝗蟲密度會導致運動從無序變為有序。但問題在于，密度和秩序之間雖存在正相關關系，卻很難確定因果關系。究竟是鄰里的高密度催生了個體對齊行為，還是鄰里的運動一致性（秩序）觸發了個體對齊行為？信息的數量（密度）與信息的質量（秩序），哪個才是關鍵？讓人難以輕易下定論。

實地實驗的啟示

為了探尋真相，研究團隊深入非洲大陸，在肯尼亞的桑布魯和伊西奧洛縣，對大規模的幼年蝗蟲群體進行了實地實驗。他們觀察到蝗蟲群體的行進方向主要集中在北/東北軸上，且這一方向與即時天氣條件、海拔或太陽位置并無明顯關聯，仿佛有著某種神秘的力量在指引著它們前行。為了探究蝗蟲在協調群體運動中所依賴的感覺模態，研究人員分別對蝗蟲的嗅覺（通過剪掉觸角）、偏振視覺（通過涂掉單眼和復眼的背緣區）和視覺（通過涂掉整個復眼和單眼）進行了獨立操控。結果顯示，完全致盲的蝗蟲在群體方向上隨機移動，如同失去了指南針的船只，而保留視覺的蝗蟲（包括失去嗅覺和偏振視覺的個體）則能迅速與群體保持同方向行進，仿佛被一根無形的線牽引著。這表明視覺是蝗蟲協調運動的必要且充分條件，是它們在群體中保持一致方向的關鍵所在。

虛擬現實實驗的揭秘

為了將密度和秩序這兩個因素分開研究，研究人員巧妙地利用虛擬現實技術，讓真實的蝗蟲與虛擬的同類進行互動。他們創建了一個全景的虛擬環境，使真實蝗蟲個體能夠在無約束的情況下與虛擬同類互動。這些虛擬同類是具有真實運動學數據的三維“全息”虛擬行進蝗蟲，構成了一個虛擬的蝗蟲世界。實驗中，他們獨立地組合了密度（每平方米1到64只蝗蟲）和秩序（從0到1，即從隨機運動到完全對齊）這兩個參數。結果發現，蝗蟲與虛擬群體的對齊程度強烈依賴于秩序參數，而與密度無關。即使在密度很低但秩序很高的情況下，蝗蟲也表現出強烈的對齊傾向，就像在黑暗中看到了一絲光明，便會緊緊追隨。

光流反應的考驗

長期以來，人們認為動物群體的協調運動可能由光流反應介導。光流反應是指動物在看到一致移動的點或條紋時，會傾向于朝著光學流動刺激的方向移動。然而，直接支持這一假設的證據卻很少。在這項研究中，研究人員測試了蝗蟲在能夠自由移動的情況下對光流的敏感性。他們發現，無論是群居型還是獨居型蝗蟲，都表現出相似的轉向寬視場移動點刺激的傾向，但獨居型蝗蟲的反應稍強一些。然而，當置于一致移動的虛擬群體中時，獨居型蝗蟲并不會與虛擬同類對齊方向，而群居型蝗蟲則會強烈對齊。這表明光流反應并不是調節蝗蟲群體中個體間對齊的主要機制，仿佛在告訴我們，蝗蟲的集體運動背后還有更復雜的秘密等待揭示。

“拉力”在群體中的作用

研究發現，蝗蟲的行進行為受到一種“拉力”的強烈影響。當蝗蟲看到前方有虛擬的同類在移動時，它們會傾向于跟隨這些移動的同類，即使這些虛擬同類在移動方向上與蝗蟲本身的方向不一致。這種“拉力”機制表明，蝗蟲更關注于跟隨前方的移動目標，而不是簡單地與周圍的鄰居對齊方向，就像被磁鐵吸引的鐵屑，緊緊追隨目標的軌跡。

蝗蟲集體行為的最小認知模型：

環狀吸引子網絡

綜合上述實驗結果，論文提出了蝗蟲認知機制和決策過程的假設。蝗蟲的集體運動并非通過簡單的與鄰居對齊來實現，而是依賴于一種更復雜的矢量表征機制和神經決策機制。這種機制允許蝗蟲在復雜的環境中動態地整合來自多個鄰居的信息，做出最優的方向選擇。該機制具體為：

矢量表征

蝗蟲的大腦中可能存在一種“環狀吸引子網絡”，鄰居在該網絡上會引發神經活動的隆起，其位置反映了相對于蝗蟲的方向。這種神經活動不僅編碼了方向信息，還編碼了影響的“強度”。

神經決策

環狀吸引子網絡上的內部動態過程，如局部興奮和長程抑制，有助于整合這些感官輸入，生成一個自我組織的活動隆起，代表蝗蟲后續的方向偏好。這種機制使得蝗蟲在面對多個移動目標時，能夠根據目標的位置和相對強度做出動態的決策，而不是簡單地取平均或選擇一個主導方向。

為了驗證這個認知機制，研究人員在虛擬現實環境中創建了兩個以相同方向和速度移動的虛擬蝗蟲目標，但它們與焦點蝗蟲的側向距離（L）不同。焦點蝗蟲被放置在這兩個目標之間，觀察其對這兩個目標的反應。通過改變側向距離（L），研究人員能夠測試焦點蝗蟲在不同距離下的決策行為。同時，還設置了最大距離，在此距離上由于感官信息不足，相互作用變得不可能。

研究人員發現，當兩個目標的側向距離較小時，焦點蝗蟲傾向于占據它們之間的位置。然而，當側向距離超過一定臨界值時，焦點蝗蟲的決策行為發生了明顯變化。隨著側向距離的增加，焦點蝗蟲的決策從“平均”動態轉變為“勝者全得”動態。具體表現為，焦點蝗蟲突然傾向于選擇跟隨其中一個目標，而不是在兩者之間取平均位置。這種現象在圖中得到了清晰的展示，其中熱圖顯示了焦點蝗蟲在不同側向距離下的位置分布。

研究人員進一步使用分層貝葉斯模型來分析虛擬現實實驗中蝗蟲的移動方向。通過比較不同假設下的后驗似然得分分布，驗證了矢量表征模型對蝗蟲行為的解釋力。分析結果顯示，蝗蟲的移動方向主要朝向其中一個行進帶，而不是與光流方向一致，這進一步支持了矢量表征模型的預測。

結論與展望：重塑集體行為研究

這項研究顛覆了以往關于動物集體運動的傳統認知，表明沙漠蝗蟲的群體運動并非通過簡單的與鄰居對齊來實現，而是依賴于一種更復雜的認知和神經決策機制。這一發現不僅有助于我們更深入地理解蝗蟲群體的形成和維持機制，為蝗蟲災害的防治提供新的思路，而且對整個動物集體行為的研究范式產生了重大影響。它提示我們，在研究動物集體行為時，不能僅僅停留在描述性的模型上，而應更多地考慮動物作為具有概率決策能力的個體，其決策是如何基于感官信息的表征和整合來實現的。未來的研究可以進一步探索蝗蟲大腦中負責追蹤鄰居和群體運動的神經回路，以及獨居型和群居型蝗蟲在視覺吸引和決策網絡上的差異調節或發育調控機制，從而更全面地揭示蝗蟲集體運動的奧秘。

這項研究為我們打開了一扇重新認識動物集體行為的大門，讓我們看到了蝗蟲這種看似簡單的昆蟲在群體運動中所展現出的復雜而精妙的決策機制，也為進一步探索其他動物乃至人類群體行為提供了寶貴的啟示。

參考文獻

1. Sercan Sayin et al. ,The behavioral mechanisms governing collective motion in swarming locusts.Science387,995-1000(2025).

2. T. Vicsek, A. Czirók, E. Ben-Jacob, I. Cohen, O. Shochet, Novel type of phase transition in a system of self-driven particles. Phys. Rev. Lett. 75, 1226–1229 (1995).

3. J. Buhl, G. A. Sword, S. J. Simpson, Using field data to test locust migratory band collective movement models. Interface Focus 2, 757–763 (2012).

4. C. Buhl, D. J. T. Sumpter, I. D. Couzin, J. J. Hale, E. Despland, E. R. Miller, S. J. Simpson, From disorder to order in marching locusts. Science 312, 1402–1406 (2006).

作者簡介：

本文為科普中國-創作培育計劃扶持作品

作者 | 何真

審核 | 張江（北京師范大學系統科學學院教授）

出品 | 中國科協科普部

監制 | 中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司