PRE 速递：水母的群体相干机制

集智俱乐部 · 公众号 · · 2025-01-07 18:24

正文

关键词： 群体行为，群体动力学，主动布朗粒子模型，临界相变

论文题目：Swarm coherence mechanism for jellyfish

论文地址：https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.110.064406

期刊名称： Physical Review E

水母有着独特的生物学特性和悠久的演化历史，近年来，水母大规模聚集现象（又称“水母暴发”）引起了科学界的广泛关注，然而水母是如何从初始稀疏分布发生转变，直到产生高密度的“水母暴发”背后的机制尚不明确。近日，一篇发表在 Physical Review E 上的论文深入探讨了水母聚集背后的科学机制，提出了一种基于主动布朗粒子模型（Active Brownian Particles, ABP）的全新理论框架。

研究者将水母建模为主动布朗粒子，模拟了它们在受限环境（如实验水箱）和开放环境（如海洋表层）中的动态行为，以下是对模型核心机制的描述：1、 自发信号诱导 ：水母通过运动产生化学信号，例如性信息素或猎物气味分子，这些信号在周围水体中扩散，形成化学梯度，引导其他水母聚集；2、 行为决策机制 ：水母的行为决策由多重环境因素驱动，包括水流方向、涡流强度和自发信号浓度，共同影响水母的游动方向和速度；3、 体积排斥与边界效应 ：水母在靠近彼此或环境边界时，会通过排斥力调整方向，避免碰撞，同时保持一定的群体结构。研究者结合以上机制设计了一种二维仿真模型。

文章通过数值模拟，揭示了水母聚集的关键规律：初始状态下，稀疏分布的水母通过化学信号吸引其他个体，从而逐渐形成 局部高密度区域 ，这一过程的触发点是信号浓度超过特定阈值时的“感知反应”；随着水母数量的增加，群体表现出从无序分布到高密度聚集的相变。这种 相变由行为决策的反馈机制驱动 ，而不是完全依赖外部环境。在开放水域中， 水母的聚集受到水流和涡流的显著影响 。例如，在逆流方向，水母倾向于形成“汇聚区”；而在涡流中心，水母倾向于停留，形成稳定的聚集点。论文还指出，实验水箱中水母行为可能因边界效应而失真，需谨慎解读，也反映了真实环境的观察在理解真实聚集行为中的重要性。

这项研究不仅为水母聚集机制提供了量化的物理模型，还揭示了环境和行为交互对群体动力学的重要影响。论文提出未来可以考虑水母的三维垂直运动，并且将海洋中的复杂水动力学（如大尺度涡流）纳入模型；在生物信号方面，精确测量和研究水母分泌的化学信号的种类及扩散特性，以及在行为决策中的作用。进一步，可以深入探讨水母聚集对生态系统和生物进化的长期影响。