相分离理论在生物空间自组织系统中的普遍性

　　众所周知，大自然中很多生物和生态系统呈现惊人且富有韵律的空间斑图结构，比如斑马身体上黑白相间的条纹、蝴蝶翅膀上的花纹、协同游动的鱼群、以及海岸边聚集成群的贻贝。若我们有机会徜徉在潮滩地区，那么贻贝空间斑图随处可见，许多贻贝聚集在一起时，其排列方式看起来极富规律。这种看似随机但同时非常具有规则感的空间图案引起了许多学者的兴趣。
　　面对这些现象，你是否曾想过鱼群的形成和贻贝的聚集拥有类似的驱动机制？在相当长的一段时间内，此类生态系统空间自组织斑图认识主要是基于图灵 (1912-1954)提出的尺度依赖“活化子-抑制子”理论（被称为图灵理论），图灵理论很好地描述了生态系统中种群出生、死亡、迁移等生态过程；并且用布朗运动近似描述了生物个体的运动行为特征。然而与简单布朗扩散相比，在生态系统中，动物个体运动显著地受生境因素等非均匀空间分布的影响，即个体的运动并不会总符合布朗运动的规律，而空间斑图的形成与个体的运动高度相关。这种被称为“非布朗运动”的反常现象引起了生态、物理、数学等学界的高度关注，但系统地阐述这种规律的普适性、以及此规律与经典图灵理论的异同依然没有文献报道。
　　在近期的研究成果基础上，我们提出了生态中空间组织斑图形成的一类新型普适性机制，其本质是生物体运动速度与局部生物体密度存在一个非线性依赖关系。根据这种关系建立的数学模型推导表明，这种机制与物理学中著名的“相分离”理论在数学上等价，这是首次发现生命系统遵循“相分离”理论，而此前这个理论通常被认为仅存在于非生命的化学、材料科学中（比如“水油分离”）。这种空间斑图形成机制完全由生物运动驱使，因而遵循系统种群数量守恒特征，这与经典的图灵理论完全不同，从而为研究人员提供了新的视角与工具去审视以往发现的不同生物群体所展示出的空间自组织行为，比如蚂蚁、粘液菌、细菌、精子、蚜虫、鱼群、羊群行为等等。可以预见的是，“相分离”原理在很多生态系统中必有深刻的影响以及广泛的应用前景，因此大量有趣且重要的基础工作亟待完成，探索不同生态系统中密度依赖的运动导致的“相分离”原理对我们理解生态系统的涌现属性具有极其重要的意义。
 
　　相关成果在Physics of Life Reviews上发表，全文见：