在同步和紊乱之间: 共存模式的复杂层次结构 | 复杂性科学顶刊精选5篇

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Complexity Express 一周论文精选

以下是2021年9月20日-2021年9月26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~

目录：

1.在同步和紊乱之间: 共存模式的复杂层次结构

2.用分子树探索和绘制化学空间

3.陆地生态系统功能的三大轴

4.惯性驱动粘性活性流体的集体相变

5.互信息从变化环境中解耦相互作用

1.在同步和紊乱之间：

共存模式的复杂层次结构

论文题目：Between synchrony and turbulence: intricate hierarchies of coexistence patterns

期刊来源：Nature Communications

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25907-7

物理学中的一大问题就是，在简单的空间中，一个有序稳定的低维运动状态如何表现出高维时空中的无序状态。理解从有序到无序变化过程，对于理解混沌系统和湍流等复杂的涌现现象非常重要。来自慕尼黑工业大学物理系的 Sindre W. Haugland、Anton Tosolini 和 Katharina Krischer 对耦合振子共存模式展开了分析。这一研究发表于 2021 年 9 月 24 日出版的 Nature Communications 上。

在该论文中，三位研究者展示了一个耦合系统因为对称性破缺，从一个完全对称的系统演变为一个复杂的共存模式。这样的演变过度从一个群组分裂级联开始，逐步发展为更多的分裂。在理想的级联中，分裂所得到的最终单元就是一个单一的振子。

图1.群组分裂级联。

2.用分子树探索和绘制化学空间

论文题目：Exploring and mapping chemical space with molecular assembly trees

期刊来源：Science Advances

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2465

只要具备基本的化学知识，我们就能对所谓“复杂的化学分子”有直观感性的认知。但其中的“复杂”并不是一个容易衡量的概念。分子中包含原子的个数差异、分子间的相似性、分子合成途径都可以成为分子复杂程度的比较标准。由北京师范大学珠海校区（复杂科学国际科学中心）特聘副研究员刘宇带领的研究团队就提出了可以刻画分子复杂程度的分子树（Molecular Assembly Tree）。该研究于 2021 年 9 月 24 日发表于 Science Advances。

研究者利用一个树形的地图来描述分子间的丛从属、平行、借用等关系。这样最终可以得到化学分子之间的关系网络。研究者认为：凡是“重复的”即是在提取信息过程中可以“被压缩的”；从最终的目标客体来看，那些重复的结构也就是最富含“信息”的结构。这样的分子树可以用于化学染物识别、加快新药的研究速度等工作。

图1.通过分子树探索并绘制化学空间。

3.陆地生态系统功能的三大轴

论文题目：The three major axes of terrestrial ecosystem function

期刊来源：Nature

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03939-9

从自然资源到二氧化碳的吸收，陆地生态系统为人类社会提供了多种生态功能与服务。为了能够理解与预测陆地生态系统对气候和其他环境的影响，我们需要对陆地生态系统的功能进行确定，然而我们对陆地生态系统的关键功能轴尚未量化。由德国马克斯 · 普朗克生物地球化学研究所的 Mirco Migliavacca Migliavacca 和 Markus Reichstein 所带领的研究团队提出了陆地生态系统功能的三大轴。该研究于2021年9月22日发表于Nature。

第一条轴表示最大生态系统生产力，主要解释的是植被结构。第二条表示了生态系统的用水策略，通过植被高度和气候变化共同解释。第三条轴表示生态系统的碳利用率以及干旱的变化率，主要由植被结构的变化来解释。研究表明两个最新的陆面模型重现了第一个也是最重要的生态系统功能轴。然而，模型中功能的相关性比观测到的结果更强，这限制了它们准确预测陆地生态系统中碳、水和能量循环等环境变化的能力。

图1.陆地生态系统功能多维空间的关键维度。

4.惯性驱动粘性活性流体的集体相变

论文题目：Inertia Drives a Flocking Phase Transition in Viscous Active Fluids

期刊来源：Physical Review X

论文地址：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.031063

能够吸收能量并将其转变为运动的物质被称为是活性物质（Active Matter），这也是为了研究运动粒子集体行为而选择的理论框架。在流体中，流速缓慢的活性物质往往会受到长波干扰，无法摆脱流体的粘性，无法形成稳定的集体。而运动速度较快的物体则不会受到这样的影响。如何能让活性物质不受干扰，并形成稳定的集体规模呢？来自印度塔塔基础科学研究所和马德拉斯理工学院的 5 位研究者对这一问题给出了解答。相关研究于 2021 年 9 月 21 日发表在 Physical Review X 上。

研究者证明，对于较慢的物质而言，环境的扰动会快速增加，湍流较多。而对于中等速度的物质来说，扰动的增长速度较慢，呈现出了稳定状态。但当速度继续加快时，扰动就会消失。这些发现表明，活跃的湍流只是丰富的动力学序列的无序末端。以前观点认为这种不稳定和混乱是无法避免的，而这项研究则改变了这一看法。

图1.活性流体集体相变的相图。

5.互信息从变化环境中解耦相互作用

论文题目：Mutual information disentangles interactions from changing environments

期刊来源：Physical Review Letters

论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.228301

现实世界系统内部的多个自由度存在复杂的相互作用，而其所处的不断变化的环境则充当了额外的耦合。在这里，我们引入了一个典型的相互作用模型，该模型所处的环境是变化的，但不可观察。我们证明了系统互信息的极限性质能够将两者解耦。此外，该方法可作为从复杂变化环境中分离出复杂内部相互作用的通用方法。

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