布朗运动 图片来源:wikipedia
虽然布朗运动也属于随机游走,不过,莱维飞行和布朗运动不同。
布朗运动有个特点,那就是每步的步长集中在一个区域内,画成图就是钟形曲线——
莱维飞行就不是这样了。大家应该在中学学过幂函数吧。莱维飞行图中,每步行走的距离就符合幂定律。也就是说,运动中大多数的步子很短,但有少部分步子很长。
莱维飞行的步长是幂函数
你可能想问,哦,莱维飞行和布朗运动有差别,可这有什么用呢?
莱维飞行和布朗运动的步长的不同性质,就直接导致了莱维飞行比布朗运动更有效率。走了相同的步数或路程的情况下,莱维飞行位移比布朗运动要大得多,能探索更大的空间。
布朗运动(左)和莱维飞行(右)的效率对比。显然,莱维飞行用更少的距离和步数覆盖了更大的面积,这对于探索未知而言很有用。图片来源:(DOI)10.1038/nature04292
这一点对于需要在未知领域打野的生物来说至关重要。果不其然,发现莱维飞行的法国数学家、大佬本华·曼德博(Benoît B. Mandelbrot)的导师保罗·皮埃尔·莱维(Paul Pierre Lévy)最早发现,生命的许多随机运动都属于莱维飞行,而不是分子那样的布朗运动。
举个例子,鲨鱼等海洋掠食者在知道附近有食物的情况下,采用的是布朗运动,因为布朗运动有助于“光盘”——打开和清空一小片区域内的隐藏食物。但是当食物不足,需要开拓新地盘时,海洋掠食者就会放弃布朗运动,转而采取莱维飞行的策略。
2008年,一个来自英国和美国的研究团队在Nature上发表了一项研究,他们给大西洋和太平洋的55只不同海洋掠食者(包括丝鲨、剑鱼、蓝枪鱼、黄鳍金枪鱼、海龟和企鹅)带上了追踪器,跟踪观察它们在5700天里的运动轨迹。