作者露西·迪基，冲绳科技学院 两个以相似行为开始的蠕虫很可能会在短时间内继续以相似的方式行动
学分:博士
托西夫·阿哈迈德/ OIST
这个数字出现在《自然物理学》的出版物上
OIST冲绳科学技术研究所研究生院生物物理理论组的一项新研究称，生物的行为可能遵循与天气和行星运动等物理现象相同的数学规律
物理学有成功预测和模拟从分子到碰撞黑洞等不同尺度运动的历史
但是当涉及到生物的行为时，这个概念还是很新的
最近的OIST博士
D
研究生，博士
托西夫·阿哈迈德是这个领域的先驱科学家之一
他的研究发表在《自然物理学》杂志上，使用一种叫做秀丽隐杆线虫的微小蠕虫，提出了一个捕捉运动动物数学结构的框架
“神经科学倾向于关注大脑内部发生的事情，”博士说
阿哈迈德说
“但这往往是通过动物的运动和行为来表达的
因此，理解他们的行为给了我们一个进入他们大脑的窗口
最近，能够以高分辨率记录动物行为的技术激增
" 领导OIST小组的格雷戈·斯蒂芬斯教授补充道，“显著的技术进步使得对所有尺度的生命系统进行新的精确测量成为可能，从脱氧核糖核酸分子到脑细胞，再到整个生物体
但是我们目前缺乏一个基本的框架来理解这些系统的动态和随时间变化的测量序列
我们在这里报道的工作将有助于改变这种情况
" C
秀丽隐杆线虫是生物学和神经科学中许多开创性项目的重要物种，但正是它们的简单性使它们成为这项研究的理想物种
作为博士
阿哈迈德解释说，从数学上讲，二维平板上蠕虫的形状只是一条曲线，相对容易描述
研究小组，其中包括博士
阿姆斯特丹自由大学的安东尼奥·科斯塔使用了蠕虫的高清视频记录，并将每一帧中的形状转换成一组数字
为此，他们将蠕虫分成100个点，并测量这些点的切角
研究人员此前发现，蠕虫的姿势只能用四种定型的形状来表示，他们称之为“特征蠕虫”
本质上，通过以不同的数量混合这些特征蠕虫，任何人都可以画出蠕虫在给定时刻的样子
但是在这项研究中，研究人员看得更深
他们不是在一瞬间画出蠕虫，而是试图“画出”其行为的动态，本质上是在一系列蠕虫形状中找到结构
研究人员绘制了蠕虫形成形状的所有点
学分:博士
托西夫·阿哈迈德/ OIST 钟摆类比 向某人展示钟摆摆动的瞬时点，他们将能够想象在那个时刻钟摆是什么样子，但是这并没有告诉他们钟摆在做什么
但是向某人展示当前点和以前某个时间的附加点，他们就会知道钟摆现在和将来都在做什么
研究小组在研究动物时采取了类似的方法，但这比钟摆要复杂得多
起初，研究人员不得不开发一种新的可预测性指标
这衡量的是一个系统的未来可以被更好地预测的持续时间，而不仅仅是随机猜测
然后，他们收集形状序列，并用它们来定义蠕虫的当前状态
研究人员发现了七种定型的形状序列，所有这些都非常容易解释
然而，与钟摆不同，研究人员不能无限期地预测蠕虫的行为
“就像天气一样，”博士说
阿哈迈德说
“我们现在可以高度确定地预测今天和明天的天气，但之后天气就变得非常随机了
如果我知道一只虫子现在在做什么，那么我可以非常自信地告诉你它下一秒钟会做什么
但是一旦我们到了两三秒后，就变得更加困难了
" 医生
阿哈迈德想探索为什么运动如此不可预测
对他们数据的进一步分析表明，混沌动力学可能起了作用
混沌动力学指的是测量中的小不确定性可能导致长期预测不可能的系统
即使系统不受随机波动的影响，这种情况也会发生
C
优雅只是一条曲线，相对容易用数学来描述
学分:博士
托西夫·阿哈迈德/ OIST 这方面的一个经典例子是双摆
即使多个双摆从大致相同的位置开始，摆也会在短时间后做出非常不同的运动
研究小组用蠕虫探索了这些想法
他们发现，如果两条蠕虫以相似的行为开始，它们会在行为偏离之前的短时间内(大约一秒钟)继续以相似的方式行动
值得注意的是，这种发散发生所需的时间是由一个数学量决定的，这是衡量混沌系统可预测性的一个基本指标
他们还通过一个更基于几何的镜头观察运动，通过映射一个蠕虫形成一个形状的所有点
令人惊讶的是，他们的结果表明蠕虫行为背后的数学结构与控制节能现象的结构密切相关
这是意想不到的，因为蠕虫像所有生物系统一样，通过环境摩擦和肌肉使用来损失能量
“我们从未期望找到这种行为背后的结构，”博士解释说
艾哈迈德
“这绝对是这项研究中最令人惊讶的部分
" 虽然这项研究专门针对C
优雅地说，开发的框架应该可以在整个生物世界中使用
“人们通常不认为活的生物体可以用数学方法建模，”博士说
艾哈迈德
“但是任何动物都可以做有限数量的运动，而且它们做出某些运动的概率是可以测量的
我们现在处于可以找到数学框架的阶段
接下来，我们将开发方程和模型来解释这些框架
"
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