Dynamical behavior of a colony migration system: Do colony size and quorum threshold affect collective-decision?
社会性昆虫是地球上生态学和进化上最成功的生物，它们可以通过群体成员之间的局部相互作用实现强大的集体行为。群体迁移被认为是社会性昆虫集体决策的主要例子。本文提出了一个具有补充切换的分段群体迁移系统，探讨了群体规模和群体数量对集体决策结果的协同作用及其机制.对非光滑系统进行了完整的动力学分析（包括子系统、开关曲面和全系统的动力学分析），给出了平衡点稳定性与群体大小显著相关的充分条件。理论结果表明，大的菌落更有可能迁移到一个新的地点。更有趣的发现包括但不限于：（a）当蚁群规模低于临界水平时，系统可能会表现出振荡;（b）系统也可能表现出一种振荡状态，蚁群根据其最初的招募规模迁移到新的地点或旧的巢穴。分岔分析表明，群体大小和群体密度阈值的变化对系统动力学有较大影响。结果表明，在建模中区分两个招聘人员群体是很重要的。这项工作可能会提供重要的见解如何简单和本地的相互作用实现社会昆虫的集体迁移活动。
2022-06-14 math.DS q-bio.PE
Individual crop loads provide local control for collective food intake in ant colonies
蚂蚁的营养调节来自一个分布式过程：食物由一小部分工蚁收集，储存在个体的作物中，并通过局部蚂蚁之间的相互作用传播。这种集体调控的确切的个体水平基础仍然不清楚，主要是由于难以测量蚂蚁作物中的食物。在这里，我们在单独标记的Camponotus sanctus蚂蚁中成像荧光液体食物，并跟踪从觅食者到逐渐满足的殖民地的实时食物流。我们展示了殖民地饱足水平和食物流入之间的反馈是如何介导的个别作物负载，具体而言，作物负载的受体蚂蚁控制食物流量，而那些觅食调节觅食的频率。有趣的是，这些影响并不是由作物能力的纯粹物理限制引起的。我们的研究结果表明，食物摄入〈动物〉<动物>调节的出现并不要求个体觅食者评估群体的整体状态。
2021-07-23 physics.bio-ph q-bio.PE
An epidemiological model of viral infections in a Varroa-infested bee colony: the case of a bee-dependent mite population size
近年来，狄斯瓦螨的传播已成为世界养蜂业最严重的威胁。在这里提出的模型中，我们扩展了蜜蜂种群动力学与螨病毒流行病学研究在早期的文件，允许蜜蜂依赖螨人口规模。分析结果与现场观察结果吻合良好，并清楚地解释了瓦螨属如何影响某些自然发生的蜜蜂病毒的流行病学，对蜂群造成相当大的损害。该模型只允许四种可能的稳定平衡，使用已知的字段参数。第一个只包含茁壮成长的健康蜜蜂。在这里，疾病被根除，螨虫也被消灭。或者，我们发现平衡仍然没有螨人口，但与地方病之间的蓬勃发展的蜜蜂种群。第三，在瓦螨属入侵的情况下，受感染的蜜蜂与螨共存;在这种情况下，疾病入侵蜂巢，使健康的蜜蜂灭绝，从而影响所有的蜜蜂。共存也是可能的，蜜蜂和螨的种群都在蓬勃发展，而这种疾病在地方上影响着这两个物种。该分析与自然蜂群中的实地观察一致。也就是说，这些疾病是地方性的，如果螨群存在，必然会发生病毒感染。此外，与瓦螨属的存在增加病毒传播的事实一致，当疾病媒介存在于蜂箱中时，整个蜜蜂种群可能被感染。此外，蜜蜂中病毒的低水平传播率将有助于保护蜂群免受瓦螨属感染和病毒流行。
2016-09-14 math.DS q-bio.PE
A Quantitative Test of Population Genetics Using Spatio-Genetic Patterns in Bacterial Colonies
群体遗传学理论是进化分析的基石，这一点已被广泛接受。然而，由于空间、扩散和进化之间的复杂关系，对该理论的实证检验是具有挑战性的。关键是，我们缺乏对群体遗传学空间模型的定量验证。在这里，我们结合分析，晶格上和晶格外的模拟，以及细菌实验来进行理论的定量测试。我们研究了两种细菌，肠道微生物大肠杆菌和条件致病菌铜绿假单胞菌，并表明，这两个物种的菌落生物膜的空间遗传模式准确地描述了一维的垫脚石模型的扩展。我们使用一个经验性的措施，遗传多样性〈动〉性<动>在殖民地周边，参数化我们的模型，并表明，我们可以准确地预测另一个关键变量：沿边缘的短程细胞迁移的程度。此外，该模型允许我们估计其他关键参数，包括有效种群大小（密度）在扩展边界。虽然我们的实验系统是一个简化的自然微生物群落，我们认为这是一个原则的证明，空间模型的群体遗传学可以定量捕捉生物进化。
2011-10-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Invasion with size-dependent dispersion range
Fondazione Bruno Kessler（布鲁诺·克莱斯勒基金会）；University of Trento（特伦托大学）
通过扩展合并菌落模型，研究入侵种群大小依赖的扩散范围对生长动力学的影响，发现不同μ值导致线性扩张、幂律增长、指数增长和有限时间爆炸等不同相态，并揭示了理论与模拟在形态和卫星种群上的差异。
2026-07-01 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Do active nematic self-mixing dynamics help growing bacterial colonies to maintain local genetic diversity?
最近的研究表明，包装的细胞，无论是真核细胞组织和生长或群集的细菌菌落，往往可以被理解为积极的体液。体积守恒的主动混沌模型系统的一个关键性质是混沌自混合，其特征在于运动的拓扑缺陷。然而，对于由生长而不是运动驱动的活性向列相，关于混合和缺陷运动的了解较少。混合可以通过抵消空间分离成单克隆扇区的趋势来影响细菌菌落的进化结果，这降低了局部遗传多样性并将亚群之间的竞争限制在相邻扇区之间的边界。为了研究生长驱动的活性微生物物理学是否会影响这种遗传分层过程，我们进行了基于代理的模拟生长，分裂和空间排斥各种纵横比的杆状细菌，我们分析菌落形态使用的工具从软物质物理学和种群遗传学。我们发现，尽管可测量的缺陷自推进生长驱动的主动向列相，径向膨胀流防止混沌混合。即便如此，在生物学相关的细胞纵横比，自混合是更有效的生长活性向列细胞的杆状细胞相比，各向同性的圆形细胞集落的增长。这表明了与活跃的生物动力学相关的潜在进化后果。
2022-05-10 cond-mat.soft q-bio.PE
A Model-Based Approach to Predicting Predator-Prey & Friend-Foe Relationships in Ant Colonies
College of Computing, Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院计算学院）
了解昆虫之间的捕食-被捕食关系是昆虫群体研究领域的一项具有挑战性的任务。这是由于涉及到几个因素，如确定一个特定的行为是否是捕食者-猎物相互作用的结果，朋友-敌人相互作用或另一种相互作用。在本文中，我们分析了一系列的捕食者-猎物和朋友-敌人的相互作用在两个殖民地的木蚁，以更好地理解和预测这样的行为。利用收集到的数据，我们还提出了一个初步模型，用于预测在实验进行的特定条件下的这种行为。在本文中，我们提出了我们的数据分析的结果，以及所涉及的过程的概述。
2009-12-14 cs.AI cs.CV q-bio.PE
Inheritance Entropy: A Model-Independent Method to Probe the Hereditary Structure of Cell Lineage Trees
Sapienza Università di Roma（罗马第一大学）；Italian Institute of Technology（意大利理工学院）；Consiglio Nazionale delle Ricerche（国家研究委员会）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare（国家核物理研究所）；Fondazione IRCCS San Gerardo dei Tintori（圣杰拉尔多代蒂尼奥里IRCCS基金会）
针对骨髓基质细胞集落异质性，提出继承熵度量谱系树中失活细胞分布的分支遗传性，证明非遗传继承在细胞周期退出中起关键作用。
2026-06-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Decentralized physiology and the molecular basis of social life in eusocial insects
生理和功能基因组研究的传统重点是在单个体内发挥作用的分子过程。相反，当社会互动发生时，相互作用的个体中的分子和行为反应可能导致分布在多个个体中的生理过程。在真社会性昆虫群体中，这种多体过程是紧密结合的，涉及调节群体成员生理的社会交流机制。因此，保守的生理机制，例如与信息素检测和神经信号通路，部署在新的情况下，并在进化起源和社会复杂性的阐述过程中调节新兴的群体特征。在这里，我们回顾了生物和殖民地生理学的概念框架，并强调功能基因组，生理和行为研究探索如何从巢友之间的物理和化学相互作用的殖民地水平的特征。我们强调机械的工作，探索如何从物理和化学的相互作用产生的生理专门的巢友的各个发展阶段的殖民地特征。我们考虑生物体和殖民地生理学之间的相似性和差异，并根据殖民地特征的功能和进化的分散观点做出具体的预测。群体生理功能的综合模型将有助于解决与自然系统中集体行为的进化和生态学相关的基本问题。
2019-11-04 q-bio.PE q-bio.TO
Impacts of seasonality and parasitism on honey bee population dynamics
本研究构建非自治非线性微分方程模型，分析季节性与寄生对蜜蜂种群动态的交互影响，发现季节性周期和产卵率峰值时间决定蜂群存亡，为蜂群健康维护提供理论依据。
2023-06-23 math.DS q-bio.PE
Hive geometry shapes the recruitment rate of honeybee colonies
蜜蜂以数百到数千只的群体做出觅食和巢址选择的决定。为了有效地做出这些决定，蜜蜂需要在一个空间分布的群体中进行交流。然而，蜜蜂通信的时空动态在集体决策模型中大多被忽视，主要集中在意见动态的平均场模型上。我们分析了巢或蜂巢的空间属性，以及具有不同信仰状态（未承诺或承诺）的个体的运动如何影响信息传输的速率，使用空间扩展的模型在一个蜂巢内的集体决策。蜜蜂摇摆舞招募同种的强度是一个阈值的摇摆浓度的非线性函数。我们的模型范围从处理蜂巢作为一个连续的线（长窄蜂巢）的离散补丁链。人口阈值的招聘和划分的人口的组合产生的快速信息传播与强大的人口扩散和招聘失败之间的权衡，导致过度的人口扩散，也创造了一个有效的殖民地水平的信号检测机制，从而招聘到低质量的目标被阻止。
2020-11-30 math.DS q-bio.PE
How to model honeybee population dynamics: stage structure and seasonality
西方蜜蜂（Apis Mellifera）在我们的生态系统和经济中发挥着极其重要的作用，因为它们每年在世界各地为2150亿美元授粉。不幸的是，蜜蜂的数量和它们的殖民地已经急剧下降。本文的目的是探讨如何建立具有年龄结构的蜜蜂种群模型，并利用经验数据对模型进行验证，以确定影响蜂群生存和健康的不同因素。我们的理论研究结合模拟和数据验证表明，适当的年龄结构纳入模型和季节性是重要的建模蜜蜂种群。具体来说，我们的工作意味着模型假设（1）成年蜜蜂从{卵种群}而不是育雏种群中存活下来;（2）蜂王产卵率的季节性，比其他蜜蜂模型更适合。对最佳拟合模型的相关理论和数值分析表明：（a）蜂群的生存除了需要适当的初始条件外，还需要较大的蜂王产卵率和较小的其它生活史〈动〉<动>参数值：（b）随着蜂王产卵率的增大和其它参数值的减小，蜂种和成蜂的种群数量都在增加;和（c）季节性可促进/抑制蜂群的存活。
2020-03-22 math.DS q-bio.PE
Individual behavioral rules sustain the cell allocation pattern in the combs of honey bee colonies (Apis mellifera)
在蜜蜂的蜂蜡蜂巢中，育雏、花粉和蜂蜜的细胞具有一致的空间模式，这种模式在蜂群的整个生命周期中都是持续的。这种空间模式被认为是从简单的行为规则中产生的，这些规则规定了蜂王如何移动，觅食者在哪里存放蜂蜜/花粉以及蜂蜜/花粉如何从细胞中消耗。先前的工作已经表明，一组这样的规则可以解释的分配模式的形成从一个空的comb. We表明，这些规则不能维持的模式，一旦育雏开始腾出他们的细胞，我们提出了新的，生物现实的规则，更好地维持所观察到的分配模式。我们通过在许多妊娠期和广泛的参数值范围内执行数百次模拟运行来分析三个模型。我们开发了新的模式评估指标，并采用它们在分析模式保持在每个模拟运行。应用于我们的模拟结果，这些指标表明，根据本地信息改变蜂蜜/花粉消费的可接受模型可以随着时间的推移稳定细胞分配模式。我们还表明，添加全球信息，通过偏置女王的运动对中心的梳子，扩大了参数制度，模式保持发生。
2013-07-22 q-bio.PE q-bio.QM
Mathematical modeling of filamentous microorganisms
丝状生物（如放线菌和真菌）产生的生长模式涉及不同长度尺度的时空动态。在过去的三十年中，已经提出了几个数学模型来解决这些特定的动态。现象学宏观模型能够再现菌落相关量（例如菌落生长速率）的时间动态，但不能解释菌丝形态的发展，也不能解释单个菌丝的生长。反应扩散模型是宏观世界和微观世界之间的桥梁，因为它们产生单细胞行为的平均场近似。微观模型描述细胞内的事件，如分支，分隔和易位。最后，完全离散的模型，细胞自动机，模拟细胞之间的微观相互作用，再现大群体的紧急合作行为。在这篇评论中，我们回顾了这些长度尺度的选择模型，强调它们的优点和缺点。
2004-02-03 q-bio.CB q-bio.PE
The fixation time of a strongly beneficial allele in a structured population
对于进入大的非结构化群体并最终固定的有益等位基因，已知对于大的选择系数$α$，固定时间约为$2\log(α)/α$。对于一个人口分布在许多殖民地，与这些殖民地之间的迁移，我们检测到各种制度的迁移率$μ$的固定时间有不同的渐近为$α\to \infty$。如果$μ$是$α$阶，则等位基因在时间上固定（如在空间非结构化的情况下）为$\sim 2\log(α)/α$。如果$μ$为$α^γ, 0\leq γ\leq 1$级，则固定时间为$\sim (2 + (1-γ)Δ) \log(α)/α$，其中$Δ$是从出现有益等位基因的集落开始到达所有其他集落所需的迁移步骤数。如果是$μ= 1/\log(α)$，则注视时间是$\sim (2+S)\log(α)/α$，其中$S$是简单流行病模型中的随机时间。我们的分析的主要思想是结合一个新的时刻双为条件的固定与时间反转平衡的空间版本的Neuhauser和克朗的祖先选择图的过程。
2016-08-31 math.PR q-bio.PE
Disease dynamics of Honeybees with Varroa destructor as parasite and virus vector
我们提出了一个蜜蜂-螨-病毒模型，该模型包括（1）蜜蜂与瓦螨之间的寄生相互作用，（2）病毒在瓦螨不同发育阶段的传播条件：从蜜蜂到蜜蜂，从成年蜜蜂到泳螨，从蜜蜂卵到繁殖螨，从繁殖螨到蜜蜂卵，从蜜蜂到泳螨;（3）蜜蜂群体内部组织如分工所产生的Allee效应。我们为整个系统及其子系统提供完整的局部和全局分析。我们的分析和数值计算结果使我们有一个更好的理解寄生和病毒感染对蜜蜂种群动态和持久性的协同效应。有趣的发现，从我们的工作包括：（a）由于Allee效应所经历的蜜蜂种群，初始条件是必不可少的殖民地的生存。(b)低成年蜜蜂育雏比对系统有不稳定的影响，产生波动的动态，并可能导致\emph{catastrophic event}，蜜蜂和螨突然灭绝。这一灾难性事件可能与蜂群崩溃障碍（CCD）有关。(c)病毒感染可能对系统具有稳定作用，并且在寄生螨存在的情况下可能使疾病更持久。我们的模型说明了寄生螨和病毒感染之间的协同作用如何产生丰富的动态，包括多个吸引子，其中所有物种可以共存或灭绝，这取决于初始条件。我们的研究结果可能为蜜蜂疾病和寄生虫以及如何最好地控制它们提供重要的见解。
2015-11-13 math.DS q-bio.PE
