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Complexity Express 一周论文精选

以下是2021年12月20日-12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. 语言理性的兴衰

2. 超图上群体选择困境的进化博弈模型

3. 鸵鸟蛋壳珠揭示了非洲50000年的社交网络

4. 睡眠过程中认知提升的竞争动力学

5. 黑猩猩身上的文化扩散现象

6. 流行病追踪与检测，从动荡的一年中吸取教训

7. 信息到功转换中功涨落-耗散关系的实验验证

8. 人类独特生存策略的能耗演化

9. 保度网络增长

1.语言理性的兴衰

论文题目：The rise and fall of rationality in language

期刊来源：PNAS

论文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2107848118

后真相时代出乎许多人的意料。该研究使用大量的语言分析来证明，不关注事实论证的兴起，也许可以被理解为更深层次变化的一部分。谷歌 nGram 数据收录的1850年以后的图书数据中和感情有关的词语使用系统性地减少了，而与理性论证相关的词语使用稳步上升。20世纪80年代，这一趋势发生了逆转，2007年左右，这种变化加速了。跨语言分析也发现，与事实相关的词汇出现频率下降，而与情感有关的词汇出现频率上升，这种趋势与语言从集体主义向个人主义的转变并行。

图1. 谷歌 nGram 数据中英语和西班牙语情感相关、直觉相关、理性相关词汇的动力学演变。

2.超图上群体选择困境的

进化博弈模型

论文题目：Evolutionary Game Model of Group Choice Dilemmas on Hypergraphs

期刊来源：Physical Review Letters

论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.268301

选择困境（Choice Dilemmas）描述了决策者在两种可能性之间面临的最普遍情况：一种是高回报并伴随着高风险，一种是风险更低但回报也一般。个体与集体对选择冒进策略还是选择保险策略的偏好如何？诸多理论都在探索这个问题，包括博弈理论、社会心理学、群体观点动力学、网络科学等多个领域都在长期探索该问题。

但现有的理论模型都有一些固有缺点，首先，没有理论能够同时重现这两种异常情况。其次，现有模型只考虑孤立的、社交规模固定的群体，忽略群体结构异质性和真实社会系统的嵌套结构。并且，现有模型主要侧重在上述两种选择中的一个，或侧重于信息传播与偏好聚集。而超图/超网络、高阶网络等方法，在社会传染和演化博弈问题上近年来有所突破，可能是解决上述争议问题的途径。12月20日Physical Review Letters 在线发表了一项新研究，研究者在超图上引入了演化博弈，模拟不同规模社会群体中进行冒进策略与保险策略之间的抉择。该模型自然地再现了经验观察到的决策的转变特点，即个人决策者的偏好与群体共识选择之间的差异。

图1. 在超图上长期行为的拟合动力学。在特定取值范围内观察到相变现象。

3.鸵鸟蛋壳珠揭示了

非洲50000年的社交网络

论文题目：Ostrich eggshell beads reveal 50,000-year-old social network in Africa

期刊来源：Nature

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01417-7

也许我们早已熟知人类祖先“走出非洲”的故事，但并不是非洲的全部智人都是我们的祖先。在公元前35万～7万年之前的时期，在遗传谱系上，非洲东部和南部的智人出现了分支。不过我们并不清楚这样的分支是如何出现的。在该研究中，德国马克斯·普朗克人类历史研究所的 Jennifer Miller 和 Yiming Wang 分析了过往5万年里，非洲东部和南部的鸵鸟蛋壳串珠的式样变化。研究者发现，这种串珠的制作工艺可能源于非洲东部，通过区域网络，在大约5万～3.3万年前向南传播了超过3000千米。然而，根据串珠样式的相似性发现，这个区域网络消失了，人群之间出现了隔离。这样的隔离一直持续到公元前2000年畜牧养殖进入非洲南部。研究表示，这样的区域性联系的中断可能与气候相关。因为在区域网络消失的同一时期，赤道附近的热带辐合区低气压带出现了南移。研究者认为，这一文化证据补充了缺失的遗传谱系版图，也为我们理解古代人类互动提供了新的角度。

图1. 本研究包含的遗址位置和古气候记录

4.睡眠过程中

认知提升的竞争动力学

论文题目：Competitive dynamics underlie cognitive improvements during sleep

期刊来源：PNAS

论文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2109339118

我们提供的证据表明，人类睡眠是一个竞技场，认知领域在这个竞技场中争夺有限的资源。通过药理学和有效的连通性分析，我们证明了长时记忆和工作记忆由两种互不相容的离线神经机制产生。具体来说，我们给予唑吡坦（zolpidem）以增加中枢活性，并发现了予唑吡坦对自主迷走神经活性的靶向抑制。通过有效的连通性，我们确定相对于自主活性，中枢活性对睡眠有更大的因果影响，而其在睡眠中的影响程度产生了离线长期记忆和工作记忆处理之间的行为权衡。这些发现揭示了依赖中枢的长期记忆处理和依赖自主迷走神经的工作记忆处理间的睡眠切换机制。

图1. 睡眠切换模型，展示了该研究涉及的大脑区域（主要为神经调质）以及长时记忆状态和工作记忆状态涉及的睡眠机制。

5.黑猩猩身上的文化扩散现象

论文题目：Cultural diffusion occurs in chimpanzees

期刊来源：PNAS

论文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2116042118

MacDonald 等人提出，中更新世时期火的使用，标志着文化扩散的开始。这是“人类进化中出现文化扩散的首个明确证据”，同时也是“智人文化行为的一个显著特征”。他们将这种传播归因于“宽容的群际接触”（tolerant intergroup encounters），该模式能够促进文化扩散。但灵长类动物学家对人类现存近亲黑猩猩的进一步研究发现，上述三种说法都是可疑的。

灵长类动物学家对文化扩散的兴趣由来已久。20年前，Whiten 等人提出了现存野生黑猩猩文化扩散的四种模型，并从非洲的8个研究地点（从塞内加尔到坦桑尼亚）为模型提供了证据。他们发现了39种文化变异，这些变异显示了跨人口的差异。

图1. 文化扩散的四种模型示意图

作者认为群际接触是文化扩散所必需的。然而，尽管发生了激烈的群际竞争，黑猩猩仍表现出文化扩散。它们的文化扩散似乎是通过后青春期的雌性黑猩猩从出生群体移居到邻近群体而发生的。有时，这种迁移导致移居的黑猩猩从原生黑猩猩那里获得新的文化变体，而在其它情况下，是原生黑猩猩从移居黑猩猩那里获得新的文化变体 。

作者将文化扩散的标准假定为“存在标记且地理上广泛分布的模式”，以及“在每个地区有多个中心并重复出现”。几个可获得的黑猩猩文化特征满足了这些要求，例如黑猩猩觅食白蚁的技术从在撒哈拉以南地区广泛存在，但在不同地点采取不同的形式。

6.流行病追踪与检测，

从动荡的一年中吸取教训

论文标题：Epidemic tracking and forecasting: Lessons learned from a tumultuous year

期刊来源：PNAS

论文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2111456118

该文章回顾了过去十年美国在流行病预测方面的主要工作，通过对四篇经典文章的简介强调了“数字监控”对于公共卫生事业的重要性和有效性。文中详细阐述了新冠疫情爆发以来获得的经验教训，包括：看似简单的数据背后往往蕴含着真实含义和复杂性，了解数据生成过程对于后续应用至关重要，紧急情况下的强制性报告可能会很冗杂且缺乏灵活性，人类行为及其对流行病发展的影响很难衡量与建模。有效且可靠的长期预测仍然是人们不变的希望，文章最后对未来流行病预测研究提出了展望与建议。

7.信息到功转换中

功涨落-耗散关系的实验验证

论文题目：Experimental verification of the work fluctuation-dissipation relation for information-to-work conversion

期刊来源：Physical Review Letters

论文地址：https://journals.aps.org/prl/accepted/1907cYfeW631197eb139982539acb758c253905e5

西拉德引擎从信息中提取功，这里我们研究西拉德引擎的功涨落，实验中信息被编码为半导体量子点中的电子能级空位。我们发现，随着从每一比特信息中提取的功向兰道尔极限 k_BTln2 的方向增加，功的涨落减小，这与功的涨落-耗散关系一致。我们将结果与没有测量和反馈的情况进行比较，并表明当没有使用信息时，输出的功和涨落同时减少，这与信息-能量转换的情况相反，在这种情况下，功增加时，涨落减少。我们的工作强调了信息到功转换过程设计中涨落的重要性。

8.人类独特生存策略的能耗演化

论文题目：The energetics of uniquely human subsistence strategies

期刊来源：Science

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf0130

大脑扩容、生育率提高、发育期和寿命增加等一系列的发展，给人类带来了相对其它类人猿异常高的能量消耗。人类的生存策略如何适应其增加的能耗预算？我们发现，与其它类人猿相比，人类狩猎-采集者和自给自足的农民在生存上花费的能量多而时间少，但每小时获得的能量更多，因此与类人猿的能量效率类似。这些研究结果修正了我们对人类能耗演化的理解，表明人类主要通过提高能量获取率，而不是通过采用耗能低的两足行走或使用复杂工具等节能或提高效率的措施，来应对更多的能耗预算。我们认为，该生存策略节省下来的时间，为中心地区的社会互动和社会学习提供了更多的时间，这对文化的累积进化至关重要。

图1. 人类生存中能量的主要转变。（A）从类人猿的觅食转变为狩猎和采集，以及新石器革命时期的自给农业。转变涉及行为和技术，以获得新的食物资源。（B）通过这些转变，人类应对了更高的能量成本，以在更短的时间内获得更多的卡路里。人类生存使时间成本最小化，而不是使能量成本最小化，在提高回报率的同时获得与其它类人猿类似的效率。

9.保度网络增长

论文题目：Degree-preserving network growth

期刊来源：Nature Physics

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01417-7

现实世界的网络随着时间的推移，通过增加或删除节点和边而演变。在当前大多数网络演化模型中，当有新节点加入现有网络时，新节点所连节点的度数也会增加（如 Barabási-Albert网络）。但有些网络中的节点不会添加新的连边，因为其连边已经饱和甚至固定，例如分子中原子化合健的数目就是固定的。在这里，我们介绍了一系列保持节点度的网络增长过程，其网络结构与先前研究的大不相同。我们证明，尽管它通常是一个 NP（非确定性多项式时间可解）难题，但大多数现实世界网络的确切结构可以从保度增长（ degree-preserving growth ）中生成。研究表明，这个过程可以创建具有任意指数的无标度网络，但它并不是优先连接的。最后，我们展示了通过网络免疫控制流行病、病毒营销、知识传播和具有所需特性的分子异构体设计的具体应用。

图1. 保度网络生长流程。基本的保度增长机制是，每一步节点w移除已有网络G中的k条连边，之后增加2k条新的连边（新加入的连边相互独立，否则可能形成环状结构），由此保持平均度数不变。（a）在最简单的情况下，新顶点 w 通过移除一条边 (u, v) 来加入网络， 随后连接所移除边的节点 。（b）另外两个保度增长情况，当有更高度数的节点加入网络时，移除边的可能方式，随着节点度数增加而改变。比如，若新增节点度数为4，移除边的可能方式有两种（图中蓝线或绿线），若新增的节点度数为6，移除边的可能方式只有一种（图中红线）。

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