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蚁类能量代谢的活动调节是在群体水平而不是个体水平

时间：2024-11-04 作者：凯发旗舰厅(中国) 点击量：

在社会生物世界中，从细菌菌落到人类，都会经历一种称为群体行为的现象。即在社会模仿和压力的驱动下，通过社群传播和传染，所有个体都迅速采用和表现出类似的行为模式。群体行为可能会产生灾难性的后果，例如大规模恐慌、徒劳的往复、甚至踩踏事件等。然而，并非所有生物社会系统都同样容易受到群体行为的影响。

美国纽约大学从事集体行为、复杂系统、网络科学、理论力学、城市科学研究的知名教授Maurizio Porfiri博士和普罗维登斯学院从事昆虫学研究的Jane S.Waters教授等人一起在2024年PNAS Nexus杂志发表了“Reverse social contagion as a mechanism for regulating mass behaviors in highly integrated social systems”一文，实验中作者利用几个加州须蚁群的跟踪视频记录和SSI能量代谢系统测量分析结果，以及应用常用于研究人类居住区的层次理论，假设反向社会传染在起作用。最后他们的假设得到了能量代谢测量数据的支持，通过行为活动，揭示了在群体水平而不是个体水平能量消耗的调节机制。

蚂蚁活动与能量代谢监测系统（Jane S.Waters教授实验室的昆虫能量代谢测量系统，包括高端的高通量MAVEn能量代谢模块、FOXBOX便携式能量代谢�？�，以及动物视频行为监测软件和定制呼吸室）

从下图实验数据中观察到了活跃工蚁数量分级的“克莱伯定律”（图1a）,以及根据活跃（非活跃）工蚁数量与整体代谢率的边际乘积，在图6b中使用数学方法并准确描述了观察到的代谢反应；从边际乘积对代谢率的影响来看，活跃的工蚁几乎是不活跃工蚁的三倍（图1c）；根据 Cobb-Douglas 函数和反向社会传染，实验观察结果满足了这样的预测（图1d）。

图1 a）代谢率B，与群体质量M；b）每名非活跃工蚁的代谢率B/I*与活跃工蚁与非活跃工蚁之比A*/I*的关系（活跃工蚁的数量/非活跃工蚁按工蚁总数与可见工蚁数量之比）；实线是柯布-道格拉斯函数形式为B∝（A*）^0.85（I*）^0.15，阴影区域为95%置信区间；c）活动（空心点）和非活动数量的边际乘积根据Cobb-Douglas函数的预测，工蚁（实心方块）的整体代谢率；d）理论预测与总代谢率B的实验观察。

对于蚁群来说，像无定形定居模型这样的平衡是无法维持的。代谢率B与N呈次级关系，而相互作用的数量E与N呈超级尺度。解释迁移总成本与社群利益之间关系的一种方法是将群体视为一个超有机体，而不是许多不同有机体的集合。从这个角度来看，社群利益是集体的利益，它寻求在领地保持平均连接水平：平均连接性越高，工蚁的能量消耗就越低。虽然每个个体都希望将它们的成本转化为自己的互动（图2a），昆虫可能会为了群体的利益而牺牲自己的努力（图2b）。

图2 a）由个人组成的城市定居点为自己的利益而行动：每个人都会改变自己的行动成本（以某种形式的货币衡量，取决于他们的交通方式，C/N）转化为自己的社交互动（用平均值表示连接性，〈k〉=2E/N）；b）昆虫社会群体行为的图示作为一个超级有机体：每只昆虫在响应其平均连接性，从而增加能耗B/N以应对连通性的降低。加州须蚁（图2 右）

研究结果认为，蚂蚁的行动是在蚁群而不是个体层面控制它们的能量消耗。蚂蚁的适当原子单位是它的群体而不是它本身作为一个单一的有机体，并且个体和整个群体能量代谢之间的社会互动是密不可分的。简单来说，将蚁群想象成一个大有机体，每只蚂蚁的行动都是为了蚁群的利益而协调的，而不仅仅是它们自己的利益。未来的研究将研究这些蚂蚁究竟是如何如此有效地交流和管理它们的能量的。这项研究不仅阐明了蚁群的调节机制，还为跨物种社会调节的更广泛原则提供了见解。随着研究者继续探索这些相似之处，可能会更多地了解支配自然和人为系统的基本动态。

参考文献：

Porfiri M, De Lellis P, Aung E, Meneses S, Abaid N, Waters JS, Garnier S. Reverse social contagion as a mechanism for regulating mass behaviors in highly integrated social systems. PNAS Nexus. 2024 Jun 26;3(7):pgae246. doi: 10.1093/pnasnexus/pgae246. PMID: 38962249; PMCID: PMC11220668.

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