蚁群规模对活动节律的调控作用：从实验证据到数学模型揭示集体行为缩放规律

《Journal of Theoretical Biology》：The role of colony size on activity rhythms of ants

本文探讨了蚁群规模如何影响其自发性活动节律的强度与节律。研究通过重新分析已发表的Temnothorax rudis蚂蚁实验数据，结合新颖的隔室模型（包含活跃、非活跃和不应期蚂蚁三类），发现活动爆发的周期与蚁群规模无关，而激活蚂蚁数量呈亚线性缩放（hypometric scaling）。模型揭示了社会失活（social deactivation）机制是调控节律振幅的关键，为理解集体行为的规模效应提供了新视角。

　　

章节精选

实验证据

作为研究的第一步，我们分析了Doering等人收集的T. rudis蚁群实验活动数据，时间跨度为870分钟。我们的分析聚焦于两个能够 encapsulate 群体活动节奏和强度的指标：振荡周期和平均爆发高度。对于每个蚁群时间序列，我们通过离散傅里叶变换提取时间序列的基波（振荡周期），并计算了平均差异。

讨论

自从三十多年前被发现以来，蚁群的活动节律引起了科学界日益增长的兴趣。一个迄今被部分忽视的方面是蚁群规模如何（以及为何）影响这些活动节律的强度和节奏。在此，我们通过结合实验观察和数学建模的双管齐下的方法，试图填补这一知识空白。具体来说，我们重新评估了。

处理实验数据

T. rudis的实验数据借用于Doering等人的研究，包含36个时间序列，对应17个不同的蚁群。每个蚁群至少被拍摄两次，每次持续870分钟。基于现有活动量化文献的支持，数据采集使用30秒的采样率——每次实验产生1,740个测量值。

为了去除高频噪声，时间序列使用简单的方法进行了预处理。

CRediT作者贡献声明

Michael Napoli: 写作-审阅和编辑，写作-初稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据管理。 Rifat Sipahi: 写作-审阅和编辑，写作-初稿，验证，监督，方法论，调查，形式分析。 Maurizio Porfiri: 写作-审阅和编辑，写作-初稿，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本报告所呈现的工作。

致谢

这项工作部分由美国国家科学基金会的资金支持。作者们要向Ioulia Bespalova博士表示感谢，感谢她指导第一作者使用了本研究中公开可用的数据集，并与他进行了关于蚂蚁行为的富有成果的讨论。他们还要感谢Simon Garnier教授。