研究成果：Geng Li,  Di Huan, Bertrand Roehner, Yijuan Xu, Ling Zeng, Zengru Di, Zhangang Han*, Symmetry Breaking on Density in Escaping Ants: Experiment and Alarm Pheromone Model. PLOS one, Published: December 31, 2014DOI: 10.1371/journal.pone.0114517

原文链接：http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0114517

        当用“不对称性”代替“对称破缺”时，我已下定决心：这次供稿的目的不是要吹嘘我们的工作多么牛，而是客客观观给大家深入浅出地呈现这项研究：我们为什么做这件事情？我们得到了什么结论？这样的结论在这个领域中的意义如何？

       领域背景：集群运动。动物的群体行为之所以有趣，是因为它的宏观样子很有趣，有时甚至令人惊奇。于是人们想问，什么样的个体行为机制演绎出了这样那样的群体特征？这是集群行为研究的核心问题。可以把集群运动看成一类特殊的集群行为。

       问题背景：有实验研究（Altshuler, 2005）表明，一群蚂蚁的逃跑行为并不是完全随机的：一群蚂蚁从一个有着两个对称出口的“房间”中逃出时，使用其中一个出口逃出的蚂蚁数目要比另一个出口多（图1）：这样就产生了对称性的破缺。（Helbing等早在2000年针对人群，而非蚁群，在理论上模拟了这种现象。）这是一种有趣的集群运动的宏观现象。该研究进一步研究了密度如何影响不对称性。首先是理论结果：他们借用了认可度比较高的Vicsek model（该模型的核心机制是：每一个个体的运动方向将采用上一时刻一定范围内邻居的平均方向，也就是所谓的“对齐规则”）。模型结果表明对称破缺将随总数的增加而增加。然后是实验结果：他们的实验样本较小，误差较大，因此没有给出显著的结果。

       问题1的提出：设想固定房间的空间形状不变，而增加蚂蚁的数目，那么蚂蚁个体之间的交流似乎会变得更加频繁。如果上述的不对称性是由于蚂蚁个体间的交互引起的（这是一个很自然的假设），那么增加蚂蚁数目可能会增强不对称性。所以我们做了比较精细的实验企图验证这一假设。

       问题1的探索：我们的实验表明，当蚂蚁总数较小时（房间大小为一直径8cm的圆，蚂蚁体长不到3mm，蚂蚁总数数只到40多只），不对称性相当显著，而当总数进一步增加（从约50只一直到200多只），对称破缺居然逐渐减低，当总数在150-200只左右时，就几乎已经失去了对称破缺。

       问题2的提出：实验结果和Vicsek model的模拟结果在定性上完全不符。因此有理由认为对齐规则并不是产生蚁群逃跑对称破缺现象的原因。那么，什么样的个体行为机制能够产生我们的实验结果呢？到底是怎么样的个体行为机制演绎出了群体的对称破缺呢？

       问题2的探索：经过大量的实验观察中，直觉告诉我，似乎是信息素在里面起了关键作用：一方面，蚂蚁跑得多的地方，积累有更多的信息素，进而吸引更多蚂蚁；另一方面，信息素积累的过多，会超出蚂蚁的感觉阈限，不能分辨到底哪边更多，于是重新退化为随机行为。因此，数量较少的时候，第一种因素起主导作用，能够产生较强的不对称性；数量越多，第二种作用越强，个体行为越趋于随机，整体上就弱化了对称破缺。随后建立的模型的确呈现出了这一特征。

       结论：1）在蚂蚁群体恐慌行为中，密度是如此这般来影响对称破缺的；2）更有可能是信息素的机制而不是对齐机制产生了这种对称破缺。如果你相信了实验过程及数据分析过程的科学性，那么你是信服这个结果的。那么，即便这个结论没有错误，又给我们带来了什么新的知识？有什么启发？

       意义：先说不好的一面：首先，“信息素机制导致对称破缺”这件事情在本研究中并没有得到“确证”。再次，众所周知，人们本来就相信，蚂蚁是由信息素来决定大部分行为的，所以我们得出这样的结果似乎并不怎么样。几乎也正因为此，研究成果才没能被所谓SCI一区期刊接受。再说好的一面：在这个研究的文献调研和具体研究过程中可以看到，信息素如何定量地影响蚂蚁行为？答案几乎是空白的。仅仅定性地知道什么样的信息素催生什么样的行为，远远不足以带领人们理解蚂蚁的群体智慧。因此，我们需要一条精确实验-理论模型-精确实验的科学之路，定量地研究蚂蚁行为。另外，vicsek model是很好用，也解释一些集群运动现象，但是当有些人不假思索地去套用这些东西时，我们永远都要去“看一看”这个真实的世界，它未必如此，而真正的普适律也许藏在更深远的地方。

       后续：我曾沿着上述思路，做了一点后续实验，包括信息素机制的“验证”。有兴趣的同学可以一起讨论，甚至一起探索。

        笔者联系方式：李耕，bat365中文官方网站2012级博士研究生，moralmarket@126.com。

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