随机搜索联网到动物中可能有助于它们狩猎

这篇论文引起了一定程度的争议，至今仍令维斯瓦纳坦感到惊讶。一些对动物行为感兴趣的生态学家和物理学家接受了这些数学观点，但其他人断然拒绝了它们。“回想起来，”他说，“我感觉这种思维方式…。这对一些研究人员来说太令人震惊了。“。

这一领域很快就获得了脾气暴躁、被激烈的争论撕裂的名声。莱维漫步的有用性得到了理论工作的进一步支持，比如一项研究表明，当目标罕见且移动速度比搜索者慢时，雷维漫步是最好的盲目搜索策略-这种情况与捕食者寻找猎物、传粉者寻找花朵和交配生物寻找伴侣有关。但许多物种的运动符合这一理论框架的经验证明来得很慢：动物学家需要对野生动物的运动进行更全面、更详细的观察，数学家需要更精细的方法来分析这些数据。

一位受到莱维行走想法启发而采取行动的生态学家是西姆斯。当时，他正试图绘制鱼类的运动地图，以帮助海洋保护。他想，“我真的很想在晒鲨身上测试这一点”--这是一种在多年被猎杀以获取油、肉和鳍后濒临灭绝的物种。

晒太阳的鲨鱼在广阔的海洋中游荡，寻找成片的浮游生物--就像翅膀上的信天翁一样，寻找成群的鱼群。如果鲨鱼的路径上有明显的莱维行走，这可能意味着这种动物正在探索，而不是在吃浮游生物。西姆斯认为这种洞察力可能会帮助他更好地理解鲨鱼的运动，并研究出如何保护动物免受渔业的伤害。

他面临的问题是获得足够的数据。为了检测雷维行走，研究人员需要在相当长的时间内跟踪动物的每一个动作。今天，GPS系统可以精确地跟踪无线电启用的物体的运动，比如我们的手机。但在20世纪90年代末，西姆斯在一艘船上观察晒鲨鱼扰乱海面时，通过观察它们来监控它们，这意味着他只能看到生物运动的一小部分。他能看到的鲨鱼几乎肯定是在一片浮游生物中觅食，而不是在雷维小道上漫步。

因此，西姆斯求助于给鲨鱼贴上标签。当鲨鱼在水柱中上下移动时，附着在鱼翅上的标签上的压力传感器每隔一秒记录动物的游泳深度。在设定的时间，标签从鲨鱼身上分离出来，浮出水面，并将其数据记录传递给卫星。

这些垂直运动的模式是典型的截断Lévy行走。(截断，也就是说，在纯粹的数学意义上：在完美的雷维行走中，鲨鱼偶尔迈出相当于游向火星的一步的可能性不为零。)。西姆斯印象深刻，他也查看了他对蓝鲨和海洋太阳鱼的跟踪数据，然后写信给同事，获得了描述棱皮龟、企鹅和金枪鱼的可比数据。所有这些照片都或多或少地显示出雷维走路的样子。

西姆斯和他的同事们假设，许多动物在进化过程中，当它们既不能感觉也不记得食物在哪里时，就会使用这种搜索模式。西姆斯实验室的计算生物学家、博士后研究员尼克·汉弗莱斯(Nick Humphries)说：“当动物真的毫无头绪时，雷维运动就会出现。”

这一描述适用于海洋中央的鲨鱼。“大西洋几乎是一片沙漠，”汉弗莱斯说。“有食物补丁，但很稀疏。上一块食物和下一块食物之间的距离远远超出了感官范围。“。这也是一个不断变化的环境，在那里记忆是无用的。这正是基于Lévy Walk的搜索最有可能发展的环境类型。

西姆斯、汉弗莱斯和他们的同事在2008年的“自然”杂志上总结了他们的发现，他们发现，鲨鱼和其他海洋捕食者的运动方式是不同的，取决于它们是在寻找食物(当它们在Lévy散步时)，还是在食物带中(当布朗随机性占上风时)。他们的工作支持了西姆斯最初的预感，即定义运动类型可能会揭示鱼是在进食还是在寻找食物。

具有讽刺意味的是，他们的论文是在维斯瓦纳坦、达卢兹和拉波索共同撰写的一项研究显示维斯瓦纳坦最初的信天翁研究中存在灾难性错误的几个月后发表的。他们依赖的干/湿传感器不仅在鸟儿飞翔时是干的，当信天翁坐在它们的巢上时也是干的。数据集中一些最长的“飞行”实际上可能是对鸟巢的长时间访问。这项研究还批评了某些分析技术，并声称信天翁根本不会走Lévy路，目前还不清楚是否有很多物种会这样做。

西姆斯承认，相互矛盾的文件“让人们感到不安”。但他的研究使用了更多最新的数学方法，证明了整个海洋捕食者群体都会走列维步道。回想起来，西姆斯的论文是该领域的一个转折点。根据Raposo的说法，这“唤起了在该领域工作的许多科学家的注意，使用更强大和更现代的统计技术来对动物运动进行经验数据分析。”这些改进的方法打消了人们对动物是否会走列维步道的疑虑。“数据量是压倒性的，”达卢兹说。

西姆斯和汉弗莱斯甚至在2012年的一项后续研究中重新研究了信天翁。通过使用更复杂的GPS跟踪设备，他们发现信天翁在浅水上空寻找食物时不会进行莱维行走，在那里它们可能有更多的视觉或嗅觉信息来引导它们。但当它们飞到更深的水域时，这些鸟实际上确实采用了雷维搜索。

Lévy散步现在被认为是神经系统在缺乏有用的感觉或记忆信息的情况下可以产生的一种运动模式，而这是动物最有利的搜索策略。当然，许多动物可能永远不会使用莱维行走：如果北极熊能闻到海豹的气味，或者猎豹能看到瞪羚，这些动物就不太可能采取随机的搜索策略。维斯瓦纳坦说：“我们预计，雷维步道的改编只会出现在它们具有实际优势的地方。”

对于伯尼、西姆斯和汉弗莱斯来说，情况就不那么确定了：虽然雷维步道还没有在许多物种中被记录在案，但科学家们认为，被适当观察到的物种太少，无法证明关于它们可能有多常见的说法是合理的。

西姆斯和伯尼正在与转基因果蝇幼虫进行合作，这是在席卷该领域的下一场辩论中出现的，这场辩论关注的是莱维行走是否是适应性的内在特征。Lévy散步是不是一种行为策略，因为它让动物更容易找到它们需要的东西？还是因为世界上的资源和信息遵循这种分布，所以当一只动物去寻找时，莱维行走才会出现？

例如，某些猴子在探险时会走Lévy路，但它们似乎是在用感官和记忆在以这种方式分布的食物资源之间穿行。因此，猴子既不会产生雷维行走，也不会使用它们进行盲目搜索。

英国Rothamsted Research的理论物理学家安迪·雷诺兹(Andy Reynolds)指出，在各种生物和物理现象中都发现了Lévy分布，包括免疫T细胞在大脑中的旅行，细胞内分子的操作，以及种子和孢子的空气传播。雷诺兹说：“几乎可以肯定的是，情况是多元的，因为没有一种机制可以解释所有的观察结果。”

例如，雷诺兹认为，信天翁的莱维行走“似乎是鸟类跟随它们的嗅觉导航的意外副产品。”他怀疑空气中的气味运动才是莱维分布的真正来源。(西姆斯说，许多观察结果与这一假设不相容，尤其是信天翁在浅水和深水上空进行不同搜索的区别。)。雷诺兹说，解决问题的方法是暂时干扰一些鸟类的嗅觉，看看雷维图案是否会消失。简而言之，实验科学需要超越主导该领域的观测科学。

这正是西姆斯和伯尼开始在果蝇身上做的事情。通过关闭它的大脑和任何感觉通道，他们可以确定在缺乏关于世界的信息的情况下，幼虫中的一种机制是否会产生Lévy行走。

西姆斯说，当他开始思考如何解决莱维行走的机械基础时，他很幸运地读到了伯尼2012年的论文，其中描述了果蝇幼虫的大脑如何因基因失活而无法阻止它们探索环境：神经索上的一小簇神经元沿着幼虫的背部延伸，仍然可以有效地控制动物的肌肉，而不需要大脑的指导。这篇论文描述了果蝇幼虫的大脑是如何遗传失活的，并没有阻止它们探索环境：在没有大脑指导的情况下，神经索上的一小簇神经元仍然可以有效地控制动物的肌肉。“我意识到她的方法正是我们开始测试内在与外在的想法所需要的，”西姆斯说。

碰巧的是，伯尼也开始对觅食和雷维散步感兴趣，并热衷于与该领域的某人合作。2013年，西姆斯前往剑桥大学，伯尼当时在那里工作。“我们聚在一起吃了一顿非常棒的午餐，”他回忆道。他们一拍即合，同意一起工作。

伯尼培育了新的果蝇，并建造了更大的琼脂竞技场，以进行更长时间的跟踪实验。她早期对幼虫运动的研究类似于西姆斯在船上观察鲨鱼的方法；现在她需要跟踪这些动物，因为它们在更远的距离上漫步。

当西姆斯和汉弗莱斯在2015年分析伯尼的结果时，他们发现，正常的幼虫被放在一大片没有食物的琼脂上，偶尔会以一种近似雷维行走的方式移动。但是，即使当动物的大脑和感官被关闭时，仍然可以检测到雷维行走。他们的结论是，神经中枢本质上产生了这种模式。“哇--我们都被打动了！”西姆斯说。

这篇论文于去年11月发表在“电子生活”杂志上，受到评论家的热烈欢迎。普林斯顿大学的神经学家亚当·卡尔霍恩(Adam Calhoun)就是其中之一，他对这项研究赞不绝口。他说，直到过去十年，觅食的生物学才开始成为神经科学家的严重担忧。他的观点是“没有感官信息，他们正在产生一个幂律--这真的很酷。”它们产生了作为基态的莱维行走。“。

维斯瓦纳坦形容这项工作令人惊叹。“现在的问题不再是动物是否会利用雷维行走，而是动物何时利用雷维行走。而且，内在的世代只能有一个进化的起源。“。

不过，雷诺兹还不确定。“到目前为止，这些结果提供了最有力的证据，证明雷维状运动模式是内在产生的，”他说，但他警告说，“雷维氏行走行为是否是这种动物的进化特征，还有待观察。”

伯尼现在正试图证明这一点。“我们正在研究是什么电路在直线和转弯之间产生这些交替，”她说。为了做到这一点，她分离出幼虫的神经系统，并将它们放在显微镜下。因为它们的转基因神经元在激活时会发光，她可以观察到神经元放电的闪烁模式。“它们在没有任何感觉输入的情况下自发地产生节律，”她说，“我们可以看到这些运动神经元行为的节律相当于行为输出。”

伯尼和她的团队还在研究是什么导致了步行长度的莱维分布。他们与计算神经学家Julijana Gjorgjieva和法兰克福Max Planck脑研究所的数学家Marina Wosniack合作，正在建立神经网络的计算机模型。他们希望这样的模型能够让他们探索外部感觉信号或来自大脑的指令如何改变支配幼虫基线行为的内在活动模式。

伯尼的实验室还在进行进一步的行为实验，让幼虫穿过点缀着不同食物排列的琼脂平板。当有成片的食物时，有趣的行为转变就会发生：就像鲨鱼在海洋浮游生物云层内或之外移动一样，幼虫在雷维路上来回移动。

神经科学家还可以监测其他实验室动物的Lévy走路行为。有证据表明，线虫和某些泥螺使用这种搜索策略。西姆斯和伯尼想知道如何在老鼠和斑马鱼等脊椎动物身上探索这些想法。汉弗莱斯思考，是否简单地让一些本科生去寻找隐藏在海滩上的东西，是否会揭示出特有的模式。

对不同物种之间的雷维行走行为的比较可能会被证明是令人着迷的。伯尼想知道是不是不同的动物以不同的方式实现了这种行为，“或者是不同的动物实际上产生了相同类型的特征的神经放电、神经活动或神经元连接的某些原理？”最优盲目搜索策略的数学原理可能嵌入到神经系统的结构中，这种想法感觉像是一个需要回答的问题。

不过，就目前而言，西姆斯和汉弗莱斯大多离开了这一现象的基础科学，重新专注于保护工作：他们将使用雷维行走(Lévy Walks)和其他工具来对鲨鱼的行为进行分类。但伯尼希望其他神经科学家能受到启发，在大脑所做的一切事情之下寻找这些运动模式的生成器。

“这个领域发现了一些他们真正可以研究的东西，”她在谈到神经科学家时说。“然后他们会留下来探索一段时间，然后再继续寻找其他东西。”她笑着补充说，“有点像莱维式的方式。”