Discontinuous and continuous transitions of collective behaviors in living systems

Living systems are full of astonishing diversity and complexity of life. Despite differences in the length scales and cognitive abilities of these systems, collective motion of large groups of individuals can emerge. It is of great importance to seek for the fundamental principles of collective motion, such as phase transitions and their natures. Via an eigen microstate approach, we have found a discontinuous transition of density and a continuous transition of velocity in the Vicsek models of collective motion, which are identified by the finite-size scaling form of order-parameter. At strong noise, living systems behave like gas. With the decrease of noise, the interactions between the particles of a living system become stronger and make them come closer. The living system experiences then a discontinuous gas-liquid like transition of density. The even stronger interactions at smaller noise make the velocity directions of the particles become ordered and there is a continuous phase transition of collective motion in addition.     

钱学森与系统科学基础理论的发展

经过上个世纪以来的发展,科学技术取得了飞速进步,人类对于自然和生命的奥秘获得了丰富而深刻的认识.这些科学成就的取得在很大程度上有赖于基于系统单元研究的科学研究方法.但随着科学技术的进步,这种研究方法的局限性也逐渐凸现出来,人们越来越深切地意识到,对于系统基本结构单元的性质和规律的了解并不能让我们全面地理解系统的行为.普利高津教授在1996年出版的《确定性的终结》一书中就指出:"我们确实处于一个新科学时代的开端.我们正在目睹一种科学的诞生,这种科学不再局限于理想化和简单化情形,而是反映现实世界的复杂性,它把我们和我们的创造性都视为在自然的所有层次上呈现出来的一个基本趋势."[1]物理学家戴维斯在《上帝与新物理学》中也指出:"有些问题只能通过综合才能解决.它们在性质上是综合的或‘整体的’."     

自组织理论的概念、方法和应用

介绍了自组织理论的基本概念、研究方法,以及在生命系统上的一些应用,包括自组织理论的热力学基础、确定性的动力学方法、随机性描述方法和多个体模拟方法.以可激发系统中的螺旋波为例进行了案例分析,并介绍了自组织理论的新进展和在不同领域的新应用.     

空间网络上的随机游走

本文以一维均匀环为基础, 通过添加有限数量的长程连接构造出了一维有限能量约束下的空间网络, 环上任意节点i与j之间存在一条长程连接的概率满足p_ijα d_ij^-α (α≥ 0),其中d_ij为节点i与j之间的网格距离, 并且所有长程连接长度总和受到总能量∧=cN(c≥ 0)的约束, N为网络节点总数.通过研究该空间网络上的随机游走过程,存在最优幂指数α₀ 使得陷阱问题的平均首达时间最短.进一步研究发现,平均首达时间与网络规模N之间存在着幂律关系, 随着网络规模N和总能量∧的增加,最优幂指数α₀单调增加,并趋近最优值1.5.     

Oscillatory and anti-oscillatory motifs in genetic regulatory networks

Recently,self-sustained oscillatory genetic regulatory networks(GRNs) have attracted significant attention in the biological field.Given a GRN,it is important to anticipate whether the network could generate oscillation with proper parameters,and what the key ingredients for the oscillation are.In this paper the ranges of some function-related parameters which are favorable to sustained oscillations are considered.In particular,some oscillatory motifs appearing with high-frequency in most of the oscillatory GRNs are observed.Moreover,there are some anti-oscillatory motifs which have a strong oscillation repressing effect.Some conclusions analyzing these motif effects and constructing oscillatory GRNs are provided.     

少节点基因调控网络的控制

近年来,自组织振荡网络受到越来越多科学家的关注,对生物体的生长、发育起调控作用的基因调控网络即是其中的一种.本文研究了少节点基因调控网络的控制问题.运用多相位超前驱动方法对该种网络进行调控,可以有效地提高对网络的控制效率.通过数值模拟,发现对于少节点基因调控网络,当系统参数确定时,网络的有效控制率可以达到95％以上(10节点网络);当系统参数不确定时,控制的效率也非常高.     

复杂系统科学研究进展

在还原论思想方法的指导下，20世纪科学的发展取得了巨大成功，在宇宙的产生与演化、微观物质结构与基本相互作用等方面都获得了比较深刻的科学认识．进入21世纪，宏观世界复杂系统涌现性问题已成为各学科领域的重要学术挑战，系统科学将成为未来科学探索的重要领域．复杂系统科学发展的研究表明:纷繁多样的复杂现象背后，存在着普适且简单的规律；探索各类系统的结构、环境与功能的普适关系，以及演化与调控的一般规律，并在系统范式的基础上形成科学认识，是系统科学研究的重要任务．基础理论、生命系统、气候变化、社会经济、智能技术等领域的最新研究成果均能说明，超越还原论，在系统科学思想方法的指导下探索复杂性，不仅可加深对具体系统的科学认识，还能揭示各领域复杂现象背后的普适性规律．      

液面上耦合振子系统的同步模式

利用MATLAB对耦合双节拍器系统模型的动力学方程组进行了数值模拟,发现初始条件决定了系统达到稳态时所呈现的同步模式;探究了液体的黏滞阻力与耦合板的质量对系统同步模式的影响,黏滞阻力的大小与稳态时为反相同步的概率呈正相关关系;耦合板质量与稳态时为反相同步的概率呈负相关关系;在弛豫时间方面,发现同相同步比反相同步的平均弛豫时间更慢;在实验上,搭建液面上的耦合振子系统,使用水、质量分数为10%的盐水和食用油3种黏滞系数不同的液体进行实验,定性地得到了与数值模拟一致的结果.     

一门崭新的交叉科学:网络科学(上)

本文试图比较系统地概括和评述正在兴起的一门崭新的交叉科学—网络科学,内容涉及网络科学的发展简史,基本概念,网络分类,主要理论模型及其特性,目前国内外该领域的若干重要课题的研究进展概况。全文结构分为:序言,主体部分共12章,最后是结束语,分别概述和涵盖网络科学的主要课题的研究成果和近年的进展,特别是着重介绍和总结了我们"一院二校"(原子能科研院、上海交大和北京师大)国家自然科学基金重点项目联合研究组开展的复杂网络研究所取得的若干成果和进展。分两期发表,下篇请见《物理学进展》27卷4期。     

复杂网络上集群行为与自旋模型

复杂系统中的集群行为(collective behavior)是复杂系统涌现性的重要表现之一, 它通过微观个体之间的相互作用, 在宏观上表现出一定的时空或功能有序结构．已有研究表明, 个体之间相互作用的网络结构对复杂系统的集群行为有重要影响．基于复杂网络上的自旋模型, 介绍了复杂网络上的集群行为的部分研究进展． 首先简要介绍了自旋模型的相变现象以及网络结构对相变行为的影响; 其次, 介绍了以自旋模型为基础应用到社会经济等领域中的工作, 包括舆论形成、羊群效应以及分隔现象(segregation)等, 尤其关注网络结构对集群行为的影响, 最后介绍了基于自旋模型的网络社团划分方法．对进一步的发展方向进行了初步的讨论．