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英国皇家学会:野马后宫结构中的涌现智慧

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导语

动物行为学研究长期面临一个困境:我们看得见动物在做什么,却难以精确测量它们如何影响彼此。当一匹种马驱赶它的“后宫”时,信息究竟如何流动?谁真正决定了群体的走向?2025年8月发表于The Royal Society的一项研究,借助信息论工具“转移熵”,将野马群体的牧群行为分解为可量化的数据流,并揭示了一个反直觉的结论:这种看似由种马主导的行为,实则是群体中涌现的分布式协同。

关键词:涌现现象(emergent behaviour),转移熵(transfer entropy),牧群行为,因果推断,群体协同

王璇丨作者

赵思怡丨审校


论文题目:Herding as an emergent behaviour in harem groups of feral Garrano ponies 论文链接:https://doi.org/10.1098/rsif.2025.0187 发表时间:2025年8月22日 论文来源:The Royal Society

无人机飞越荒野,“读取”马的社交密码

在葡萄牙北部的Serra D'Arga山区,生活着一群野生的加兰诺马。它们以“后宫群体”为单位生存:由一匹雄性种马统领几匹母马及其幼驹。如果有机会观察它们,可能会注意到这样一个场景:原本散开吃草的群体,突然因为种马的某种“指令”开始向同一个方向移动。种马压低脑袋、耳朵向后抿起,从后面“驱赶”着他的“妻妾”们。

这种行为,动物行为学家称之为牧群行为(herding)。它在关于马的文献中被反复提及,被视为维持群体凝聚力、防止外来雄马“偷家”的关键机制。但奇怪的是,我们对它的理解一直停留在宏观描述上:种马在驱赶,母马在服从。这一过程究竟如何发生?信息是如何在群体中流动的?谁先响应,谁后跟随?一次“驱赶”的影响能持续多久?这些问题,始终缺乏精细的、定量的答案。

这篇文章用一种源自信息论的工具:转移熵(transfer entropy),揭开了这个谜题的一角。研究者们通过无人机航拍和因果推断技术,将牧群行为分解为可量化的信息流,并得出一个反直觉的结论:牧群行为并非简单的自上而下命令,而是一种“涌现现象”。

用转移熵测量,谁真正影响了谁

在复杂系统中,我们常常观察两个相关的变量,比如种马的速度和某匹母马的速度。如果它们同时变化,我们能说种马导致了母马的运动吗?不一定。它们可能都在响应同一个外部因素,或者只是纯粹的巧合。传统的相关性分析无法区分因果关系。而转移熵提供了一种更犀利的视角。它的核心思想源自维纳的因果定义:如果一个信号(X)的过去信息能够减少我们对另一个信号(Y)未来状态的不确定性,那么X对Y就存在因果影响。

通俗地说,如果知道了种马过去一秒的运动轨迹,能比仅知道母马自己的历史轨迹,更准确地预测母马下一秒会往哪儿跑,那么种马就对母马存在“信息转移”。这个“不确定性”的减少量,就是用比特(bit)衡量的转移熵值。


图1 放牧(绿色)与牧群行为(蓝色)期间对应的局部转移熵均值对比

为了更精细地捕捉动态变化,研究者还使用了局部转移熵(local transfer entropy)。与计算整个时间序列平均值的全局转移熵不同,局部转移熵可以给出每一时刻、每一次交互的信息流动大小,甚至可以是负值,它意味着在这一刻,源信号实际上“误导”了对目标信号的预测,这在生物学中同样有意义。

持续11秒的“驱赶”,背后是1.44秒的响应延迟

研究人员通过无人机(DJI Phantom 3 Advanced 和 Mavic Pro)在2016年和2017年的繁殖季节,累计拍摄了59小时的视频,从中捕捉到了12次由种马发起的清晰牧群行为。他们将所有马匹的轨迹数字化,计算速度,然后应用转移熵进行分析。结果呈现出一幅前所未有的微观动力学图景:

1. 滞后时间:从“领导者”动作到“追随者”响应的平均延迟为1.44秒。这个数字非常有趣。它远长于 zebrafish(斑马鱼)或蝙蝠那种亚秒级的反应,但又短于人类驾驶汽车时约45秒的跟随间隔。这表明,马的群体协调发生在近乎神经肌肉极限的时间尺度上。研究还发现,处于领导角色的马(主要是种马)的平均滞后时间(1.48秒)略长于追随者(母马,1.29秒),因为领导者通常需要先观察、判断,再做出调整。

2. 持续时间:一次领导者-追随者关系的平均持续时间仅为1.72秒。这远比整个牧群事件(平均11.08秒)要短。这意味着什么?信息流是爆发式的,而非持续性的。种马可能只是在关键时刻给出一个脉冲式的方向信号,然后依靠马群自身的惯性,即物理上的动量和社会上的“从众心理”来维持整体的运动方向。

通过对所有成对马匹进行转移熵计算,研究者绘制出了牧群过程中的“领导-追随”网络热力图。


图2 个体命名马匹每对组合在不同行为模式下的“领导-追随”网络热力图

结果再次颠覆了传统认知:牧群影响往往通过中间母马间接传播,而后信息如同涟漪般在群体中扩散开来。这表明马群的运动决策是分布式的,种马更像是整个系统的“初始扰动”,而非全时段、全向度的“指挥官”。在非牧群的放牧期间,这种显著的信息流几乎不存在,证明了转移熵捕捉到的正是行为切换的瞬间。

为了验证转移熵方法的有效性,研究者将基于局部转移熵的牧群检测方法,与四种经典的无监督学习异常检测算法(Isolation Forest、Local Outlier Factor、DBSCAN、K-Means with Coresets)以及时间序列分析中的经典方法:互相关函数(Cross-Correlation Function, CCF)进行对比。结果转移熵方法全面胜出,在准确率(0.80)和F1分数(0.76)上均大幅领先。这有力地证明了,对于涉及方向性、因果性和微弱信号的行为检测,传统基于距离或同步性的方法存在先天缺陷,而信息论方法具有独特的优势。

涌现的领导力与未来的展望

这项研究首次将转移熵系统性地应用于量化马群的牧群行为,不仅给出了精确的时间参数,更揭示了其“涌现”的本质:领导力往往通过短暂的、爆发式的信息爆发间接传播,最终形成整体的协同运动。这种分布式决策机制,可能并非马群独有,而是广泛存在于鸟类、鱼类乃至人类社会和组织中。当我们下次再看到一群马在荒野中奔腾时,或许可以想象那个肉眼不可见的世界:在短短1.44秒内,一连串比特级的信息流如同闪电般在群体中跳跃、爆发、消散,最终将个体的意愿汇聚成集体的洪流。这不仅是马的社交,更是复杂系统最迷人的诗篇。

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