伊利诺伊大学香槟分校 从系统中获得的图像，显示了观察蜂房内有条形码的蜜蜂
轮廓反映条形码是否可以成功解码(绿色)、无法解码(红色)或未被检测到(无轮廓)
蜂巢的入口在右下角，插图显示了两只蜜蜂，它们被自动检测到执行营养轴
学分:伊利诺伊大学蒂姆·格纳特 蜜蜂和人类是可以想象的最不同的生物
然而，尽管他们有许多不同之处，但他们在社交方式上惊人的相似性在过去几年里已经开始得到认可
现在，伊利诺伊大学香槟分校的一组研究人员，在他们早期研究的基础上，实验性地测量了蜜蜂的社交网络以及它们是如何随着时间发展的
他们发现与人类的社会网络有详细的相似之处，这些相似之处完全可以用新的理论模型来解释，该模型将统计物理工具应用于生物学
该理论在实验中得到证实，暗示蜜蜂之间存在个体差异，就像人类之间存在个体差异一样
这项首次测量蜜蜂网络中个体差异程度的研究是由第一作者物理学博士进行的
D
学生桑·崔炫，博士后维克亚特
饶，亚当
汉密尔顿和蒂姆·格尔纳特，斯旺伦德物理学主席奈杰尔·戈登菲尔德和斯旺伦德昆虫学主席吉恩·E
罗宾逊(GNDP)
戈登菲尔德和罗宾逊也是卡尔·雷的教员
伊利诺伊州沃尔斯基因组生物学研究所，罗宾逊是该研究所的主任
这项合作包括由汉密尔顿、格纳特和罗宾逊进行的蜜蜂社会行为的实验测量，由饶进行数据分析，由蔡和高登菲尔德进行理论建模和解释
他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》最近的一篇文章中
“最初，我们想把蜜蜂作为一种方便的群居昆虫来帮助我们找到衡量和思考复杂社会的方法，”戈登菲尔德说
“几年前，吉恩、蒂姆、维克亚特和我合作了一个大型项目，给蜜蜂贴上“条形码”，这样我们就可以自动监控它们进入蜂巢的每一个地方、它们指向的每一个方向以及每一个互动伙伴
通过这种方式，我们可以及时建立一个社交网络，一个被称为时间网络的东西
" 这项研究是几年前完成的，涉及到条形码蜜蜂的高分辨率成像，算法通过绘制图像中蜜蜂的位置和方向来检测交互事件
在这些研究中，研究人员在测量蜜蜂之间的社会互动时，重点关注营养轴——口对口液体食物转移的行为
营养轴不仅用于喂养，还用于交流，使其成为研究社会互动的模型系统
“我们选择观察营养轴，因为这是我们能够准确追踪的蜜蜂社会互动类型，”崔说
“由于蜜蜂在营养轴上通过喙的接触而相互联系，我们可以判断它们是否真的在进行互动
此外，每个蜜蜂都有标签，这样我们就可以识别每个参与互动活动的个体
" “在我们早期的工作中，我们询问蜜蜂在与其他蜜蜂相遇的事件之间度过多长时间，我们发现它们以不一致的方式相互作用，”戈登菲尔德说
“我和桑铉取了相同的数据集，但现在问了不同的问题:交互事件的持续时间怎么样，而不是交互之间的时间？” 在观察单个交互时，花费的时间从短交互到长交互不等
基于这些观察，崔发展了一个理论，蜜蜂表现出一种个人的吸引力，这种吸引力可以比作人类的互动
例如，人类可能更喜欢与朋友或家人互动，而不是陌生人
“我们基于一个非常简单的想法为此发展了一个理论:如果一只蜜蜂正在与另一只蜜蜂互动，你可以认为这是它们之间的一种“虚拟的春天”，戈登菲尔德说
“春天的强度是衡量它们相互吸引程度的一个标准，所以如果春天很弱，蜜蜂会很快打破春天，离开，也许会找到另一只蜜蜂与之互动
如果春天很强，它们可能会持续互动更长时间
我们称这种理论描述为最小模型，因为它可以定量地捕捉感兴趣的现象，而不需要过多和不必要的微观实在性
非物理学家常常惊讶地发现，只需最少的描述性输入，就可以做出详细的理解和预测
" 戈登菲尔德解释说，他们理论的数学框架起源于一个叫做统计力学的物理学分支，最初是为了描述容器中的气体原子而发展起来的，后来扩展到包括所有物质状态，包括生命系统
蔡和高登菲尔德的理论对之前收集的实验蜜蜂数据集做出了正确的预测
出于好奇，该理论随后被应用于人类数据集，揭示了与蜜蜂数据集相似的模式
Choi和Goldenfeld随后应用了一种衡量人类财富和收入差距的经济指标——基尼系数——来表明蜜蜂在社会交往中表现出的吸引力存在差异，尽管没有人类那么大
这些结果表明，蜜蜂和人类的社会互动模式具有惊人的普遍性
崔说:“很明显，人类个体是不同的，但对蜜蜂来说就不那么明显了。”
“因此，我们以一种独立于我们理论的方式来检验蜜蜂活动水平的不平等，以此来验证蜜蜂工人确实是不同的
我们小组以前的工作使用基尼系数来量化蜜蜂觅食活动中的不平等，因此我们认为这种方法也可以用来检验营养轴活动中的不平等
" 罗宾逊说:“在蜜蜂和人类之间找到如此惊人的相似之处，激发了人们对发现生物学普遍原理及其背后机制的兴趣。”
研究人员的发现表明，复杂的社会可能有惊人的简单和普遍的规律，这可能会揭示弹性和强大的社区是如何从非常不同的社会角色和互动中出现的
研究人员预测，他们的最小理论可以应用于其他群居昆虫，因为该理论不涉及蜜蜂特有的特征
蔡和高登菲尔德说，在未来的研究中，来自统计力学的相同技术可以通过特征明确的配对互动来理解社区的凝聚力
“这是我加入奈杰尔小组后的第一个项目，我花了很长时间才找到解决问题的正确方法，”崔说
“从事这样一个跨学科的项目既有趣又富有挑战性
作为一名研究生物系统的物理系学生，我从未想到自己会使用经济学中的概念
" “看到简单的物理概念如何解释如此复杂而普遍的社会现象，并给出一些有机体的见解，这是非常令人兴奋的，”戈登菲尔德说
“我为桑铉的坚持和洞察力感到骄傲
像所有跨学科的科学一样，这确实是一个很难解决的问题，但当所有这些结合在一起时，却令人难以置信地着迷
这种进步是由不同的科学家在同一个实验室里同处一地而产生的——在这个例子中是卡尔·R
沃斯基因组生物学研究所
"
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