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Complexity Express 一周论文精选
以下是2021年1月11日-17日来自Complexity Express的复杂性科学论文精选。如果Complexity Express列表中有你感兴趣的论文，欢迎点赞推荐，我们会优先组织解读~ 期刊来源： PNAS 论文题目：True scale-free networks hidden by finite size effects [2021-01-12] 论文地址：https://www.pnas.org/content/118/2/e2013825118 近两年无标度性在真实网络上的普遍性受到了质疑。例如，在2019年发表在 Nature Communications 上的《Scale-free networks are rare》一文中，作者使用幂律模型拟合各种真实网络，指出无标度网络是罕见的。上周发表在PNAS 上的一篇文章使用有限尺度缩放 （finite size scaling，FSS） 方法探究了约200个真实网络的无标度性是否与其有限的网络规模有关，以验证真实网络上无标度性是否普遍存在。 网络中潜在的幂律行为被样本大小模糊的示例。左图为节点数为N的完整网络，中图为网络规模为N/10的子网络，右图为网络规模为N/100的子网络。随着网络规模的减小，幂律行为愈发不明显。
研究发现大量网络在不同网络规模下表现出了相同的幂律行为，如蛋白质相互作用网络与超链接网络。而在其他情况下，尤其在交通运输及社交等网络中，有限的网络规模会使幂律行为产生明显的偏差。因此得出结论：许多自然发生的网络的无标度性是客观存在的，但常常因有限的网络规模而难以直接被观察到。 论文来源：Nature Communications 论文题目：Inferring high-resolution human mixing patterns for disease modeling[2021-01-12] 论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20544-y 越来越多的数学和计算建模方法正在被应用于分析和预测传染病的传播。然而，在解决复杂的公共卫生问题时，我们十分需要一个人口接触模式的精确模型。上周发表在 Nature Communications 上的一篇文章使用高度详细的宏观人口统计数据 （人口普查） 与微观人口统计数据 （问卷调查） 生成了有效的人口级接触矩阵。 建模人口接触模型和流行病传播动力学的工作流程示意图 该文章为35个国家/地区制作了按年龄划分的联系表，覆盖了约35亿人口，反映了重点国家的高度文化多样性与社会多样性。并重点关注了家庭、学校、工作场所和普通社区四种与流行病传播高度相关的社会环境，表明了人口接触模型中的次国家异质性对流行病传播具有显著影响。 论文来源：Nature Communications 论文题目：Optimizing respiratory virus surveillance networks using uncertainty propagation[2021-01-11] 论文地址：https://pattern.swarma.org/paper?id=fedd8b78-5460-11eb-a47a-0242ac17000a 呼吸道病毒在全球范围给人类的健康带来了巨大影响。实践证明，病毒的监测与实时预测是支持决策的重要工具，对病原体的预防与控制产生了十分积极的影响。但很多地区缺乏足够的资源来维持高质量的、连续的病毒监测。1月11日发表在 Nature Communications 的一项研究表明，通过集中使用来自多个站点的数据，在没有全局监视的情况下准确估计和预测呼吸系统疾病是可行的。 网络预测模型示意图。使用来自三个位置的（黑色箭头）数据来调整五个节点组成的动力学。并将调整后的模型向前发展来到下一个观测时间点，并最终发展到未来以实现对病毒传播的预测。
该研究设计了一种使用多个其他位置数据流，来对缺少监视条件的地区进行病毒预测的模型。该模型使用最新观察到的发病率来更新呼吸道病毒传播网络。从一个位置进行的观测结果可用于估算其他位置 （包括没有监视的位置） 的发病率，然后将优化后的模型不断演化以完成预测。此外，这种网络化的模型还为在资源有限的情况下设计具有成本效益的监测和预报系统提供了框架。 论文来源： Physical Review Letters 论文题目：Hidden Topological Structure of Flow Network Functionality[2021-01-13] 论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.028102 许多生物流体传输网络可以根据系统的需求重定向流量。例如，通过动态收缩和扩张血管，脑血管系统可以主动控制血流以支持局部神经元活动。更一般地，动植物以及真菌、粘液霉菌通过调节局部网络连通性等方式实现了控制水、氧气等物质的空间分布。 (A)(B)为执行相同功能的一对二维流体运输网络的比较，其调整前后的结构均不相同。
然而上周发表在 Physical Review Letters 上的一篇文章指出，这些网络的结构和功能之间存在着根本的脱节：具有不同局部结构的网络都可以完成相同的功能。本文回答了微观层面的结构变化如何在整个网络规模上涌现出特定功能，利用持久同源性分析了经调整后可以执行复杂的多功能任务的网络，并发现此类网络的响应编码了一个由多个均匀压力的部分组成的隐藏拓扑结构。最终得出结论：生物流体传输网络的结构与功能的定量关系来源于这些相似规模的部分的连通性，而不是各个节点间的连通性。 期刊来源： N a ture Communications 论文题目： Spite is contagious in dynamic networks 论文地址： https://www.nature.com/articles/s41467-020-20436-1
尽管伤害他人的代价高昂，这种行为为我们提出了一个进化难题：鉴于加害者与受助者的处境都更糟，伤害他人的行为为何会出现并持续在社会中存在？目前我们已知，动态演化的交互网络为代价高昂的伤害的演化提供了一种新的解释。以往的研究表明，群体行为策略之间的反相关交互作用 （如负分类或负相关） 会导致代价高昂的伤害的演化。1月11日 Nature Communications 发表的一篇论文，利用多主体建模方法，重现了恶意在动态网络中的传播过程。 在建模中，“恶意”的成分瞄准“社会”成分，命中成员自身会得到高回报，而非大家共同获益。同时，网络结构会放大“恶意”成员回报的中位数。
该研究结果对社会科学中的开放性问题和社会行为的演化也有重要的启示。人类 （和人类祖先） 群体显然是这种进化机制运作的候选者。人类往往根据过去的经验选择自己的交往伙伴，模仿他人的社交行为。人类也适应于他们行为策略的成功，并能相应地更新他们的行为。 期刊来源： N ature Communications 论文题目： Alternating quarantine for sustainable epidemic mitigation 论文地址： https://www.nature.com/articles/s41467-020-20324-8
面对流行病的暴发，面对仍然没有特效药物的现状，封锁和流动限制仍然是我们的主要应对措施。为了缓解这类手段潜在的破坏性社会经济后果， 1月11日一篇Nature Communications论文提出一种交替的隔离策略 ： 一半人口仍处于封锁状态，另一半人口仍处于活动状态——保持活动与隔离之间每周定期轮换。 交替隔离的一个关键优势是它对违规者带来的影响具有鲁棒性，在某些情况下可以承受高达20%的违规者。在实践中，不同的社会以及不同的经济部门将需要具体的调整。例如，虽然交替隔离与某些行业有着天然的兼容性——在这些行业中，工人可以被任意划分为不同的班次，但在专业工作场所，交替隔离变得更具挑战性：因为在专业工作场所，关键人员可能是不可替代的。因此，必须针对不同的经济体和部门制定具体的解决办法。鉴于交替隔离具有明确的缓解疫情方面的优势，我们认为到目前为止，这是值得努力的。 期刊来源：P hysical Review Letters 论文题目： Spatial Clustering of Depinning Avalanches in Presence of Long-Range Interactions 论文地址： http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.025702
无序的弹性界面在条件转变时显示雪崩动力学。对于短程相互作用，雪崩效应可以很好地描述界面的紧凑重组。对于远距离弹性，雪崩是空间上不连续的簇的集合。 论文作者研究了簇的缩放性质，并将它们与界面的粗糙度指数相关联。分析得到的结论验证了 Bienaymé-Galton-Watson 过程——该过程描述了簇数的统计数据。该项工作对于实验应用具有特定的重要性，在这些应用中，群集统计数据是雪崩动力学的关键探测参数。 期刊来源：Science 论文题目： Behavioral convergence in humans and animals 论文地址： http://science.sciencemag.org/content/371/6526/235 在20世纪中，社会科学领域的研究者并没有意识到所谓人性其实也是演化的产物。也正因如此，在20世纪70年代，行为生物学家就对这一问题提出了新的主张：理解人类的行为并不能脱离生命的一般行为。人类的认知与情感也是通过自然选择演化而来。塑造出这些行为的机制应当符合生物学的基本原理。不过并非所有的社会学家都认同这样的观点。其中，对于文化生物学家而言，他们认为人类社会的内外部差异主要是由不同的文化、信仰造就的。 于2021年1月15日发表在 Science 上的研究中，研究者分析了采集自狩猎-采集社会的339个样本，根据他们的分析，在这些社会部落中，大约有15个人类的行为特征与所在地的鸟类和哺乳类动物类似。从子女养育到社会的阶级在同一地区的人类社会与动物社会都表现出了相似之处。 期刊来源：Science 论文题目： Local convergence of behavior across species 论文地址： https://science.sciencemag.org/content/371/6526/292 作为人类，我们常常自诩为万物灵长，人类社会的诸多行为似乎与其他动物有着本质的差异。但随着科学的深入研究，我们发现并非是行为本身存在有无的差异，而是行为表现的程度存在差异。 于2021年1月15日发表在 Science 上的研究中，来自亚利桑那州立大学的人类学研究者比较了300余个人类社群与对应地区的鸟类哺乳类动物种群后，发现这三类群体在觅食、社交和繁殖方面的行为存在趋同的现象。 期刊来源：Physical Review Letters 论文题目： Desynchronization Transitions in Adaptive Networks 论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.028301 自适应网络能根据其动态的状态来调整其连通性。在以往的研究中，静态网络的同步问题已经得到了广泛的研究。但是对于自适应网络而言，这个问题却更具挑战性。在于 2021 年 1 月 15 日发表在 Physical Review Letters 上的一项研究中，研究者开发出了一个能适用于大多数自适应网络的主稳定函数。 该方法通过解耦拓扑和动力学特性，降低了自适应网络的同步问题的维度。并对自适应性和网络结构如何导致了稳定岛的出现给出了分析。
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