世界

从雪花的分形模式到细胞生命形态,我们的宇宙充满了复杂的现象 - 但这种复杂性是如何产生的

“出现”描述了大型系统的各个组成部分协同工作以产生戏剧性和多样化行为的能力布朗大学的Enkeleida Lushi及其同事最近的研究表明,一滴水中的细菌如何自发地形成双向涡旋,随着细菌中心附近的细菌以与边缘附近相反的方向循环由于细菌不会有意识地决定创造双向漩涡,这种行为被称为“紧急”不同于来自管弦乐队的音乐导体,紧急行为是由于组成部分彼此之间(通常是简单的)相互作用以及周围环境而自发产生的

这里,没有“领导者”决定系统的行为复杂的紧急现象往往不是通过理解来预测的他们的组成部分的行为换句话说,紧急系统被认为是大于诺贝尔奖获得者菲利普安德森说:“更多是不同的!”有时通过简化模型的开发来理解紧急行为,例如细胞自动机

这些模型包括系统元素之间的相互作用及其对系统的影响

环境对于水滴中细菌的情况,高度有序的双向涡旋的出现源于细菌之间的简单相互作用及其推进对流体性质的影响许多生物系统通常表现出紧急行为

成群鸟类,蚂蚁群体,蜜蜂群和鱼群从各自系统的组成部分的相互作用中出现

考虑一个蚁群在没有集中决策的情况下,蚁群表现出复杂的问题解决行为

行为来自个体蚂蚁对简单化学刺激的反应 - 来自lar vae,其他蚂蚁,入侵者,食物和废物反过来,每只蚂蚁产生化学信号,提供其他蚂蚁响应的刺激

从导致自组织的简单相互作用,蚂蚁殖民地已经证明了集体解决几何问题的能力,如优化他们进出食物资源的觅食途径然而,出现的想法并不局限于生物系统它遍及科学的所有领域,是我们日常生活中其他复杂的相互作用系统的体现,例如股票市场,连通性互联网和交通流量事实上有人可以说,我们周围世界的丰富性来自许多相互作用的组成部分的复杂行为正如德国科学家和工程师Jochen Fromm所描述的那样:一个水分子不是流动的一个金原子不是金属的一个神经元是没有意识的一个氨基酸是不活的在物理学中,日常材料的磁性从自发对齐中出现数十亿电子的磁矩同样地,在接近绝对零度(-273C)的温度下,电子和原子的协同流动分别产生超导和超流动等现象

在更大的范围内,宇宙的结构出现了来自恒星的引力在化学中,许多原子结合形成大分子,其结构从原子的次级相互作用中产生,这决定了它们在分子生物学中的作用反过来,细胞从许多这些大分子的相互作用中产生 - 导致细胞生物学尽管新兴行为无处不在,但仍然没有对出现的深刻理解在每个复杂程度,新法律,属性和现象都会出现,并且在这里存在问题

描述复杂系统的一个层次的属性不一定能解释另一个层次,尽管如何本质上连接两者可能是理解结构的出现分子的数量并不一定能够预测细胞生物学的出现虽然Enkeleida Lushi及其同事等受控实验可能有助于确定新兴行为的基本要素,但新的思维方式超越了传统的特定模型

系统是必需的 这些将使我们能够确定新兴行为的统一原则 - 弥合各种复杂程度因此,理解和利用出现的基本组织原则仍然是科学的重大挑战之一