散文網(wǎng) » 科技 »學(xué)習(xí) » 神奇的動物集群行為(1)：蝗蟲和磷蝦

神奇的動物集群行為(1)：蝗蟲和磷蝦

2022-08-01 10:40 作者:西湖大學(xué)空中機(jī)器人 0人讀過 | 我要投稿

自然界中有許多動物群集的現(xiàn)象，從螞蟻搬家，蜜蜂采蜜，到狼群狩獵，象群遷徙等。好奇的你不禁要問：這些動物們?yōu)槭裁聪矚g待在一起呢？集群是否更有利于他們的個體生存？

今天我們就帶大家來了解一下神奇的動物集群行為。特別地，我們以大家熟悉的蝗蟲和大家不怎么熟悉的南極磷蝦為例，一起來觀察并且研究他們?nèi)杭囊饬x。

▌蝗蟲

蝗蟲屬于蝗科，俗稱蚱蜢或螞蚱。它們的后腿非常發(fā)達(dá)，用后腿起跳可以跳躍數(shù)十倍于身體長度的距離。蝗蟲屬于不完全變態(tài)昆蟲，也就是說幼蟲和成蟲長得非常相似，唯一的區(qū)別就是有沒有翅膀?；认x主要吃植物葉片，但是有部分種類的蝗蟲屬于雜食性，也吃昆蟲尸體。在極度饑餓的狀態(tài)下，也會吃同伴尸體。

蝗蟲的生活模式一般有兩種，獨居和群居。當(dāng)種群密度較低的時候，蝗蟲處于獨居的狀態(tài)；當(dāng)種群密度達(dá)到一定閾值的時候，會產(chǎn)生所謂的“相變”而進(jìn)入到群居模式。這個時候，蝗蟲從生理上和行為方式上均會發(fā)生改變。生理上，一般會從草綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，體內(nèi)血清素含量急劇升高；行為上，血清素會加速蝗蟲的大量繁殖，一年中可以繁衍的代數(shù)遠(yuǎn)超獨居模式，并且進(jìn)一步加劇群集行為和游牧行為。為了獲得足夠的食物，他們會侵略農(nóng)作物使其受到毀滅性打擊，所過之處，存草不生。一個典型的蝗蟲群的密度可以達(dá)到每平方千米 1.5 億只，每天可以飛行150公里。一只沙漠蝗蟲每天可以吃掉相當(dāng)于自己體重的糧食，大約兩克左右。每平方公里的蝗蟲群一天就可以吃掉大約三萬五千人份的食物。而一旦食物耗盡，在蝗蟲群內(nèi)部也會發(fā)生同類相殘的情況。

生物學(xué)家 Jerome Buhl 曾對蝗蟲的從獨居到群居的這個神奇的相變過程做了些有趣研究。他們著重研究了相變過程中的蝗蟲的運動規(guī)律。首先，他們在一個環(huán)形盤內(nèi)上放上幾只蝗蟲，觀察發(fā)現(xiàn)蝗蟲在盤中的行為是隨機(jī)跳躍運動的，沒有什么規(guī)律，如下圖：

然后他們在盤中放入更多的蝗蟲，有意思的現(xiàn)象出現(xiàn)了。隨著數(shù)目的增多，蝗蟲的運動方式變得越來越有規(guī)律：它們開始朝著一個方向繞圈。雖然邊緣處也有幾只處于隨機(jī)運動，但是總體來看他們的運動方式變得越來越有集體性：

由上圖可見，蝗蟲的運動規(guī)律和種群密度有很強(qiáng)的關(guān)系，即低密度下呈現(xiàn)隨機(jī)運動，高密度下呈現(xiàn)同向性運動。那么有沒有什么數(shù)學(xué)模型可以來描述這種現(xiàn)象么？很多科學(xué)家提出過相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，其中最近的一篇在 2015 年由 Dyson L 團(tuán)隊提出 [1]。他們演示了這種集群行為可以由一個簡單的基于個體的模型通過互動而生成，并且和群體的規(guī)模有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。數(shù)學(xué)上，基于個體的模型需要引入一個三階微分項從而可誘導(dǎo)出群體的同向性運動。

好奇的你不禁又會問，高密度的集群為什么會表現(xiàn)出同向性呢，也就是說蝗蟲的頭都朝一個方向？Jerome Buhl 團(tuán)隊對此作了更深入的研究。他們的研究表明，同向性是為了避免被同類相食。

他們的實驗過程如下。首先，他們?nèi)コ艘徊糠只认x的腹部神經(jīng)，去除了腹部神經(jīng)的蝗蟲活動能力減弱，移速變慢。這個是時候容易暴露它們的弱點，也就是側(cè)腹部。然后他們?nèi)コ烁共可窠?jīng)的和正常的蝗蟲群放在一起，實驗發(fā)現(xiàn)，那些側(cè)腹部對著蝗蟲群的個體，相比頭或尾對著蝗蟲群的更容易被同伴吃掉。所以，隨著種群密度的增大，如果個體不和其他大多數(shù)同伴保持同朝向，就容易暴露側(cè)翼從而被同伴吃掉。最后導(dǎo)致了集群的同向性。相關(guān)文獻(xiàn)可以查閱 [2]。

▌南極磷蝦

南極磷蝦是生活在南極洲的一種磷蝦，成年磷蝦體長約6厘米左右，重約2克，平均壽命約為6年。一般以群集方式生活，密度可以高達(dá)每立方米1萬到3萬只。主要食物是浮游生物，是南極生態(tài)系統(tǒng)非常重要的一個物種。南極磷蝦群規(guī)模非常宏大，甚至可以從太空中看到。當(dāng)他們游在淺水層時候，呈現(xiàn)一種淡粉色。

南極磷蝦是形態(tài)類似蝦的微型甲殼綱生物，但不屬于蝦的一種。磷蝦和蝦的主要區(qū)別在：磷蝦身體分為3個部分，頭部，胸部和腹部；而蝦的身體分為兩個部分，頭胸部和腹部。磷蝦一般是透明的，而蝦則不是；蝦的體型通常大于磷蝦。

為了研究磷蝦集群的規(guī)律，生物學(xué)家 Burns A.L. 對磷蝦群進(jìn)行了三維攝影，并研究每一個個體和周圍同伴的運動關(guān)系。磷蝦群的集群規(guī)律和普通魚類非常不同。磷蝦的游泳速度會根據(jù)它前方個體的速度進(jìn)行調(diào)整，就像司機(jī)開車一樣會根據(jù)前車速度進(jìn)行調(diào)速。但是前進(jìn)方向是根據(jù)垂直維度的其他伙伴來調(diào)整。它們的速度方向呈現(xiàn)出向前下方個體靠攏，而遠(yuǎn)離前后方的規(guī)律。這個是和普通魚類集群的最大區(qū)別，即普通魚類一般較少依據(jù)垂直維度的感知信息。更具體的參考文獻(xiàn)見 [3]。

造成磷蝦更多使用垂直維度信息的原因主要是磷蝦的眼睛長在頭頂上，只能朝上看，不能朝下看。這就造成了下面和水平面的部分視覺盲區(qū)。其次，磷蝦在受到驚嚇時，其腹部會發(fā)光，這種信息可以傳遞給同伴。這兩個主要原因造成了磷蝦的視覺焦點主要在垂直維度上。

基于磷蝦視覺盲區(qū)的特點，座頭鯨演化出了它們的捕食策略。它們會在夜間先下潛到到幾百米深處，隨后上浮吐出氣泡將蝦群驅(qū)趕到到水面，最后張開大口吞食：

本文以蝗蟲群和南極磷蝦為例，給大家著重介紹了它們的群集行為的特點?；认x群會隨著種群密度的提高而發(fā)生相變，伴隨著體內(nèi)血清素的提高而進(jìn)行大量繁殖并且從獨居模式進(jìn)入到群居模式。群集行為的同向性的原因在于避免暴露自己的側(cè)腹部弱點從而避免被同類相食。磷蝦不同于魚類，特殊的生理構(gòu)造導(dǎo)致它們在群集時更多地根據(jù)垂直維度的同伴的運動信息來調(diào)整自己的運動方向。它們的捕食者座頭鯨發(fā)現(xiàn)了磷蝦的視覺盲區(qū)從而進(jìn)化出了自己的捕食策略。

參考文獻(xiàn)

[1] Dyson L, Yates C A, Buhl J, et al. Onset of collective motion in locusts is captured by a minimal model[J]. Physical Review E, 2015, 92(5): 052708.

[2] Hansen M J, Buhl J, Bazazi S, et al. Cannibalism in the lifeboat—collective movement in Australian plague locusts[J]. Behavioral Ecology and Sociobiology, 2011, 65(9): 1715-1720.

[3] Burns A L, Schaerf T M, Lizier J, et al. Self-organization and information transfer in Antarctic krill swarms[J]. Proceedings of the Royal Society B, 2022, 289(1969): 20212361.