生物如何協調行動

金洋

在自然界中，每個人都見過某些生物以集體的方式行動，比如巢穴附近密集而忙碌的蟻堆，比如天空中黑云般掠過的椋鳥，又比如海洋里卷成銀色環面的美鳊——科學家們稱之為生物集群。這些生物聚在一起熱鬧非凡，集群內包含了巨大數目的個體成員，但是，這些成員行動起來卻并非雜亂無章，成員與成員之間似乎心有靈犀，它們各司其職卻又能彼此保持協調，使集群成為一個擁有復雜功能的有機整體。這不僅令人嘆為觀止，也體現了自然界的某種“智慧”。

很久以來，科學家們一直在試圖理解集群的這種“智慧”，比如微小的個體如何形成了統一的集群，以及個體如何維持著它們的“隊形”，但是一直沒有找到合適的方法。直到上世紀80年代末，隨著觀測技術和計算機技術的進步，科學家們可以同時追蹤集群中多個成員的個體行為，然后以強大的軟件處理海量的統計數據。集群的秘密從此得以揭示，而這種“揭示”也將在超出生物學范疇的諸多領域給予人類豐厚的回報。

自我協調的Boid

1986年，計算機圖形專家克雷格·雷諾茲第一次嘗試用計算機弄清集群的真相。當時，雷諾茲正在思考能在電視和電影中制造逼真動物特效的辦法，他來到公園觀察空中盤旋的鳥群。鳥群飛累了會一起落在樹上休息，受到驚擾之后，又會動作一致地再度起飛。這群鳥中沒有領導，它們只是在密切注意著身邊的同伴，然后遵循一些規則來協調彼此的行動。雷諾茲用數學算法模擬這些規則，開發出了一種模擬鳥群的計算機程序。在程序中，雷諾茲所創造的生物叫做“boid”——對于鳥（bird）的一種帶有典型紐約口音的叫法。他首先用計算機制作出一只boid，并使boi d能夠靈活地扇動翅膀，然后再復制出幾十個boi d，直至成群。boid將會以三種簡單的規則移動：每只boid都要避免擠到附近的鄰居;每只boi d按照附近局部集群的平均航向飛行;每只boi d緊跟著附近鄰居的平均位置。

雷諾茲的boid能夠逼真地表現出鳥群飛舞時那種無法預測的運動，如果有意讓一只boid向某個位置移動，比如奔向食物或者某處新的落腳地，程序也能模擬出鳥群隨之一起變化的情景。按照同樣的程序，boid換成蝙蝠，這便是電影《蝙蝠俠歸來》中所使用的蝙蝠群。雷諾茲的簡單算法所生成的集群是如此真實，以致于生物學家們斷定，真實的生物集群的行為源自于一套與boid相似的簡單規則——雖然每種不同生物形成集群以及協調集群的方式都不同，但基本的規則都是類似于boid的一種自我協調。

蜂群的啟示

一般而言，對于集群的深刻的見解往往來自于那些類似雷諾茲的計算機和圖形專家，美國俄亥俄州立大學的電氣和計算機工程的教授凱文·帕西諾博士就是一個很好的例子，他與同事一起合作攝制了關于蜜蜂集群的高清晰電影。他們通過把蜂群運輸到陌生的地方來做這項工作，比如把蜂群運到了美國東北沿海的阿普爾多爾島上，那里沒有合適的樹木來使蜂群筑巢。在那里，他們讓蜜蜂自己來集群，直到發展出一個舒適的巢箱。

帕西諾的研究小組發現，在新環境里，蜜蜂集群能夠通過分工協作迅速建好蜂巢：探路蜜蜂飛行速度比其它蜜蜂更快，它們首先出發去搜尋合適的新蜂巢地址，當找到心儀的筑巢新址后，探路蜜蜂會跳出一種特別的舞蹈來表達并傳播這個喜訊，其它蜜蜂看到后，就會追逐跟隨它們，來到筑巢地點。然后，由工蜂用自身分泌的蜂蠟筑巢，數萬只工蜂有條不紊、團結協作開展造巢工程。

美國軍方長期以來致力于開發機器人的集群，但是多數機器人集群都被程序設定為集中地接收命令。為了模擬自然集群，每一個小機器人都需要獨立自主地從群體里獲得提示和線索，自動與周圍協調，采取蜜蜂本能地尋找巢穴、筑造巢穴的算法。這樣，讓一群小型飛行器搜尋目標、進攻敵人，它們就能自動根據環境進行判斷，隨時調整自己的工作，這樣的群體智慧將是令人生畏的。

細菌集群與癌癥

但是當談到集群的時候，似乎一些最小的生命形式——細菌，卻是最復雜的。雖然這聽起來有些奇怪，但這些微生物確實會集群，它們會組合起來形成“防衛城墻”或者形成“通行車道”。

以色列特拉維夫大學的埃謝爾·雅各布教授發現，每當細菌群體移動的時候，總有一些細菌像探險家一樣沖在前面，它們負責開路探道，然后標出邊界，后來的細菌大部隊將會遵循這條邊界向前移動。這聽上去好像和螞蟻差不多，螞蟻用信息素來標記路線，但是細菌實際上卻比螞蟻更高級。螞蟻的信息素無法做出改變，但是細菌留下的消息卻可以變化——當前方遇到不同情況時，細菌釋放的信息立刻隨之變化。而且，在細菌大部隊行進的路上，還會不斷有細菌留守在大路兩邊充當哨兵，如果集群遇到了危險，它們可以向邊界內的鄰居發送化學信號。于是，這條細菌大道就像一條“防衛城墻”，牢牢保障了細菌集群的安全。

此外，雅各布還觀察到，一個細菌的群落由多樣的模塊單元組成，每一個單元的通信模式或多或少都有些不同，它可以被看成是帶有不同方言的人們的社區群落。在這種社區群落共同體中進行有效的通信，需要每一個個體擁有能夠理解多種多樣方言的能力。雖然“細菌語言”并沒有高級的先進的語法，但卻有著高度的可塑性，能夠應對同一細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領域中引起科學家們的興趣。谷歌公司邀請了雅各布教授來討論如何把細菌的交流通信應用于社交網絡，因為在社交網絡中新的鏈接常常被語言障礙所妨礙從而陷入困難的境地。如果學習到細菌集群的通信交流能力，這個困擾將迎刃而解。

也許最令人興奮的是細菌集群在醫學上的應用。癌細胞使用與細菌相同的基本機制在人體中導航，它甚至使用與細菌同樣的分子來進行通信交流。一旦你理解了細菌通信的原理，就能夠采取行動對抗癌細胞。

我們人類雖然不是像蜜蜂和細菌那樣完全依靠社群生活的物種，但各種大型聚會總是不時出現，如果管理不善，免不了會出現擁擠、踩踏慘劇，2014年最后一夜的上海外灘踩踏慘劇就是因為人類集群沒有得到有效疏解的緣故。所以，通過學習那些更加擅長于集群行為的物種的行動，我們能夠從它們的集體智慧中獲益。