生物如何协调行动

金洋

在自然界中，每个人都见过某些生物以集体的方式行动，比如巢穴附近密集而忙碌的蚁堆，比如天空中黑云般掠过的椋鸟，又比如海洋里卷成银色环面的美鳊——科学家们称之为生物集群。这些生物聚在一起热闹非凡，集群内包含了巨大数目的个体成员，但是，这些成员行动起来却并非杂乱无章，成员与成员之间似乎心有灵犀，它们各司其职却又能彼此保持协调，使集群成为一个拥有复杂功能的有机整体。这不仅令人叹为观止，也体现了自然界的某种“智慧”。

很久以来，科学家们一直在试图理解集群的这种“智慧”，比如微小的个体如何形成了统一的集群，以及个体如何维持着它们的“队形”，但是一直没有找到合适的方法。直到上世纪80年代末，随着观测技术和计算机技术的进步，科学家们可以同时追踪集群中多个成员的个体行为，然后以强大的软件处理海量的统计数据。集群的秘密从此得以揭示，而这种“揭示”也将在超出生物学范畴的诸多领域给予人类丰厚的回报。

自我协调的Boid

1986年，计算机图形专家克雷格·雷诺兹第一次尝试用计算机弄清集群的真相。当时，雷诺兹正在思考能在电视和电影中制造逼真动物特效的办法，他来到公园观察空中盘旋的鸟群。鸟群飞累了会一起落在树上休息，受到惊扰之后，又会动作一致地再度起飞。这群鸟中没有领导，它们只是在密切注意着身边的同伴，然后遵循一些规则来协调彼此的行动。雷诺兹用数学算法模拟这些规则，开发出了一种模拟鸟群的计算机程序。在程序中，雷诺兹所创造的生物叫做“boid”——对于鸟（bird）的一种带有典型纽约口音的叫法。他首先用计算机制作出一只boid，并使boi d能够灵活地扇动翅膀，然后再复制出几十个boi d，直至成群。boid将会以三种简单的规则移动：每只boid都要避免挤到附近的邻居;每只boi d按照附近局部集群的平均航向飞行;每只boi d紧跟着附近邻居的平均位置。

雷诺兹的boid能够逼真地表现出鸟群飞舞时那种无法预测的运动，如果有意让一只boid向某个位置移动，比如奔向食物或者某处新的落脚地，程序也能模拟出鸟群随之一起变化的情景。按照同样的程序，boid换成蝙蝠，这便是电影《蝙蝠侠归来》中所使用的蝙蝠群。雷诺兹的简单算法所生成的集群是如此真实，以致于生物学家们断定，真实的生物集群的行为源自于一套与boid相似的简单规则——虽然每种不同生物形成集群以及协调集群的方式都不同，但基本的规则都是类似于boid的一种自我协调。

蜂群的启示

一般而言，对于集群的深刻的见解往往来自于那些类似雷诺兹的计算机和图形专家，美国俄亥俄州立大学的电气和计算机工程的教授凯文·帕西诺博士就是一个很好的例子，他与同事一起合作摄制了关于蜜蜂集群的高清晰电影。他们通过把蜂群运输到陌生的地方来做这项工作，比如把蜂群运到了美国东北沿海的阿普尔多尔岛上，那里没有合适的树木来使蜂群筑巢。在那里，他们让蜜蜂自己来集群，直到发展出一个舒适的巢箱。

帕西诺的研究小组发现，在新环境里，蜜蜂集群能够通过分工协作迅速建好蜂巢：探路蜜蜂飞行速度比其它蜜蜂更快，它们首先出发去搜寻合适的新蜂巢地址，当找到心仪的筑巢新址后，探路蜜蜂会跳出一种特别的舞蹈来表达并传播这个喜讯，其它蜜蜂看到后，就会追逐跟随它们，来到筑巢地点。然后，由工蜂用自身分泌的蜂蜡筑巢，数万只工蜂有条不紊、团结协作开展造巢工程。

美国军方长期以来致力于开发机器人的集群，但是多数机器人集群都被程序设定为集中地接收命令。为了模拟自然集群，每一个小机器人都需要独立自主地从群体里获得提示和线索，自动与周围协调，采取蜜蜂本能地寻找巢穴、筑造巢穴的算法。这样，让一群小型飞行器搜寻目标、进攻敌人，它们就能自动根据环境进行判断，随时调整自己的工作，这样的群体智慧将是令人生畏的。

细菌集群与癌症

但是当谈到集群的时候，似乎一些最小的生命形式——细菌，却是最复杂的。虽然这听起来有些奇怪，但这些微生物确实会集群，它们会组合起来形成“防卫城墙”或者形成“通行车道”。

以色列特拉维夫大学的埃谢尔·雅各布教授发现，每当细菌群体移动的时候，总有一些细菌像探险家一样冲在前面，它们负责开路探道，然后标出边界，后来的细菌大部队将会遵循这条边界向前移动。这听上去好像和蚂蚁差不多，蚂蚁用信息素来标记路线，但是细菌实际上却比蚂蚁更高级。蚂蚁的信息素无法做出改变，但是细菌留下的消息却可以变化——当前方遇到不同情况时，细菌释放的信息立刻随之变化。而且，在细菌大部队行进的路上，还会不断有细菌留守在大路两边充当哨兵，如果集群遇到了危险，它们可以向边界内的邻居发送化学信号。于是，这条细菌大道就像一条“防卫城墙”，牢牢保障了细菌集群的安全。

此外，雅各布还观察到，一个细菌的群落由多样的模块单元组成，每一个单元的通信模式或多或少都有些不同，它可以被看成是带有不同方言的人们的社区群落。在这种社区群落共同体中进行有效的通信，需要每一个个体拥有能够理解多种多样方言的能力。虽然“细菌语言”并没有高级的先进的语法，但却有着高度的可塑性，能够应对同一细菌群落的不同通信模式。

細菌集群的智慧正在令人意想不到的领域中引起科学家们的兴趣。谷歌公司邀请了雅各布教授来讨论如何把细菌的交流通信应用于社交网络，因为在社交网络中新的链接常常被语言障碍所妨碍从而陷入困难的境地。如果学习到细菌集群的通信交流能力，这个困扰将迎刃而解。

也许最令人兴奋的是细菌集群在医学上的应用。癌细胞使用与细菌相同的基本机制在人体中导航，它甚至使用与细菌同样的分子来进行通信交流。一旦你理解了细菌通信的原理，就能够采取行动对抗癌细胞。

我们人类虽然不是像蜜蜂和细菌那样完全依靠社群生活的物种，但各种大型聚会总是不时出现，如果管理不善，免不了会出现拥挤、踩踏惨剧，2014年最后一夜的上海外滩踩踏惨剧就是因为人类集群没有得到有效疏解的缘故。所以，通过学习那些更加擅长于集群行为的物种的行动，我们能够从它们的集体智慧中获益。