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从步态研究到数学生物学的诞生

来源:颗粒在线 211 2019-11-13

19世纪70年代,为了识别骏马“四蹄腾飞”,埃德华·迈布里奇沿着赛马道旁,布置了一系列照相机,在马奔跑时依次按动快门,拍下了马的步态。

他还发明了一种旋转画筒式的机械装置, 把动物的步态显示成电影,成为动物步态艺术的开创者,由此也形成了一门新学科——动物步态研究,并从对动物步态的研究开创了数学生物学。

仔细观察就会发现,不仅单只动物的行走具有节奏和步态,就是多只动物在一起,群体的行为也往往具有“节奏”和“步态”。

20世纪30年代,萤火虫的“群体步态”特征引起了生物学家的注意。

为什么萤火虫会同步闪光呢?

美国生物学家查尔斯·佩斯金撰文发表了他的看法,认为这是一种类似振荡器的脉冲耦合振荡机制,无论最初萤火虫的闪光有多么无秩序,在所用能量最小的条件下,最后总能逐步从混乱状态近入“同步”。

他认为,这是由进化衍生出来的一种本能。

近年来,为了确认佩斯金的判断,美国波士顿学院的数学助理教授雷纳多·米洛罗和美国康奈尔大学应用数学家史蒂文·施特盖茨又利用计算机模拟给予了证明。

1990年11月13日,他们将这一结果发表了出来。

计算结果证明,无论初始条件是什么,经过了短暂的混乱运行以后,最后所有“振荡器”都以完全相同的方式同步振荡起来,最终从数学上成功模拟萤火虫闪光的“群体步态”。

在各式各样的步态中,数学起着决定性的作用。利用对于动物步态规律的挖掘,逐渐产生了数学生物学、数学行为发生学等领域。


本文转载于《科学历2018历史上的今天》,由科学π工作室编著,清华大学出版社出版。


萤火虫的“群体步态”特征,即指萤火虫群体同步闪光的现象

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