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以下是2021年12月20日-12月26日來自Complexity Express的複雜性科學論文精選。如果Complexity Express列表中有你感興趣的論文，歡迎點讚推薦，我們會優先組織解讀~論文題目：The rise and fall of rationality in language論文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2107848118後真相時代出乎許多人的意料。該研究使用大量的語言分析來證明，不關注事實論證的興起，也許可以被理解為更深層次變化的一部分。谷歌 nGram 數據收錄的1850年以後的圖書數據中和感情有關的詞語使用系統性地減少了，而與理性論證相關的詞語使用穩步上升。20世紀80年代，這一趨勢發生了逆轉，2007年左右，這種變化加速了。跨語言分析也發現，與事實相關的詞彙出現頻率下降，而與情感有關的詞彙出現頻率上升，這種趨勢與語言從集體主義向個人主義的轉變並行。圖1. 谷歌 nGram 數據中英語和西班牙語情感相關、直覺相關、理性相關詞彙的動力學演變。
論文題目：Evolutionary Game Model of Group Choice Dilemmas on Hypergraphs期刊來源：Physical Review Letters論文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.268301選擇困境（Choice Dilemmas）描述了決策者在兩種可能性之間面臨的最普遍情況：一種是高回報並伴隨着高風險，一種是風險更低但回報也一般。個體與集體對選擇冒進策略還是選擇保險策略的偏好如何？諸多理論都在探索這個問題，包括博弈理論、社會心理學、群體觀點動力學、網絡科學等多個領域都在長期探索該問題。但現有的理論模型都有一些固有缺點，首先，沒有理論能夠同時重現這兩種異常情況。其次，現有模型只考慮孤立的、社交規模固定的群體，忽略群體結構異質性和真實社會系統的嵌套結構。並且，現有模型主要側重在上述兩種選擇中的一個，或側重於信息傳播與偏好聚集。而超圖/超網絡、高階網絡等方法，在社會傳染和演化博弈問題上近年來有所突破，可能是解決上述爭議問題的途徑。12月20日Physical Review Letters 在線發表了一項新研究，研究者在超圖上引入了演化博弈，模擬不同規模社會群體中進行冒進策略與保險策略之間的抉擇。該模型自然地再現了經驗觀察到的決策的轉變特點，即個人決策者的偏好與群體共識選擇之間的差異。圖1. 在超圖上長期行為的擬合動力學。在特定取值範圍內觀察到相變現象。
論文題目：Ostrich eggshell beads reveal 50,000-year-old social network in Africa論文地址：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01417-7也許我們早已熟知人類祖先「走出非洲」的故事，但並不是非洲的全部智人都是我們的祖先。在公元前35萬～7萬年之前的時期，在遺傳譜繫上，非洲東部和南部的智人出現了分支。不過我們並不清楚這樣的分支是如何出現的。在該研究中，德國馬克斯·普朗克人類歷史研究所的 Jennifer Miller 和 Yiming Wang 分析了過往5萬年裡，非洲東部和南部的鴕鳥蛋殼串珠的式樣變化。研究者發現，這種串珠的製作工藝可能源於非洲東部，通過區域網絡，在大約5萬～3.3萬年前向南傳播了超過3000千米。然而，根據串珠樣式的相似性發現，這個區域網絡消失了，人群之間出現了隔離。這樣的隔離一直持續到公元前2000年畜牧養殖進入非洲南部。研究表示，這樣的區域性聯繫的中斷可能與氣候相關。因為在區域網絡消失的同一時期，赤道附近的熱帶輻合區低氣壓帶出現了南移。研究者認為，這一文化證據補充了缺失的遺傳譜系版圖，也為我們理解古代人類互動提供了新的角度。論文題目：Competitive dynamics underlie cognitive improvements during sleep論文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2109339118我們提供的證據表明，人類睡眠是一個競技場，認知領域在這個競技場中爭奪有限的資源。通過藥理學和有效的連通性分析，我們證明了長時記憶和工作記憶由兩種互不相容的離線神經機制產生。具體來說，我們給予唑吡坦（zolpidem）以增加中樞活性，並發現了予唑吡坦對自主迷走神經活性的靶向抑制。通過有效的連通性，我們確定相對於自主活性，中樞活性對睡眠有更大的因果影響，而其在睡眠中的影響程度產生了離線長期記憶和工作記憶處理之間的行為權衡。這些發現揭示了依賴中樞的長期記憶處理和依賴自主迷走神經的工作記憶處理間的睡眠切換機制。圖1. 睡眠切換模型，展示了該研究涉及的大腦區域（主要為神經調質）以及長時記憶狀態和工作記憶狀態涉及的睡眠機制。
論文題目：Cultural diffusion occurs in chimpanzees論文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2116042118MacDonald 等人提出，中更新世時期火的使用，標誌着文化擴散的開始。這是「人類進化中出現文化擴散的首個明確證據」，同時也是「智人文化行為的一個顯著特徵」。他們將這種傳播歸因於「寬容的群際接觸」（tolerant intergroup encounters），該模式能夠促進文化擴散。但靈長類動物學家對人類現存近親黑猩猩的進一步研究發現，上述三種說法都是可疑的。靈長類動物學家對文化擴散的興趣由來已久。20年前，Whiten 等人提出了現存野生黑猩猩文化擴散的四種模型，並從非洲的8個研究地點（從塞內加爾到坦桑尼亞）為模型提供了證據。他們發現了39種文化變異，這些變異顯示了跨人口的差異。作者認為群際接觸是文化擴散所必需的。然而，儘管發生了激烈的群際競爭，黑猩猩仍表現出文化擴散。它們的文化擴散似乎是通過後青春期的雌性黑猩猩從出生群體移居到鄰近群體而發生的。有時，這種遷移導致移居的黑猩猩從原生黑猩猩那裡獲得新的文化變體，而在其它情況下，是原生黑猩猩從移居黑猩猩那裡獲得新的文化變體 。作者將文化擴散的標準假定為「存在標記且地理上廣泛分布的模式」，以及「在每個地區有多個中心並重複出現」。幾個可獲得的黑猩猩文化特徵滿足了這些要求，例如黑猩猩覓食白蟻的技術從在撒哈拉以南地區廣泛存在，但在不同地點採取不同的形式。論文標題：Epidemic tracking and forecasting: Lessons learned from a tumultuous year論文地址：https://www.pnas.org/content/118/51/e2111456118該文章回顧了過去十年美國在流行病預測方面的主要工作，通過對四篇經典文章的簡介強調了「數字監控」對於公共衛生事業的重要性和有效性。文中詳細闡述了新冠疫情爆發以來獲得的經驗教訓，包括：看似簡單的數據背後往往蘊含着真實含義和複雜性，了解數據生成過程對於後續應用至關重要，緊急情況下的強制性報告可能會很冗雜且缺乏靈活性，人類行為及其對流行病發展的影響很難衡量與建模。有效且可靠的長期預測仍然是人們不變的希望，文章最後對未來流行病預測研究提出了展望與建議。論文題目：Experimental verification of the work fluctuation-dissipation relation for information-to-work conversion期刊來源：Physical Review Letters論文地址：https://journals.aps.org/prl/accepted/1907cYfeW631197eb139982539acb758c253905e5西拉德引擎從信息中提取功，這裡我們研究西拉德引擎的功漲落，實驗中信息被編碼為半導體量子點中的電子能級空位。我們發現，隨着從每一比特信息中提取的功向蘭道爾極限 kBTln2 的方向增加，功的漲落減小，這與功的漲落-耗散關係一致。我們將結果與沒有測量和反饋的情況進行比較，並表明當沒有使用信息時，輸出的功和漲落同時減少，這與信息-能量轉換的情況相反，在這種情況下，功增加時，漲落減少。我們的工作強調了信息到功轉換過程設計中漲落的重要性。論文題目：The energetics of uniquely human subsistence strategies論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf0130大腦擴容、生育率提高、發育期和壽命增加等一系列的發展，給人類帶來了相對其它類人猿異常高的能量消耗。人類的生存策略如何適應其增加的能耗預算？我們發現，與其它類人猿相比，人類狩獵-採集者和自給自足的農民在生存上花費的能量多而時間少，但每小時獲得的能量更多，因此與類人猿的能量效率類似。這些研究結果修正了我們對人類能耗演化的理解，表明人類主要通過提高能量獲取率，而不是通過採用耗能低的兩足行走或使用複雜工具等節能或提高效率的措施，來應對更多的能耗預算。我們認為，該生存策略節省下來的時間，為中心地區的社會互動和社會學習提供了更多的時間，這對文化的累積進化至關重要。圖1. 人類生存中能量的主要轉變。（A）從類人猿的覓食轉變為狩獵和採集，以及新石器革命時期的自給農業。轉變涉及行為和技術，以獲得新的食物資源。（B）通過這些轉變，人類應對了更高的能量成本，以在更短的時間內獲得更多的卡路里。人類生存使時間成本最小化，而不是使能量成本最小化，在提高回報率的同時獲得與其它類人猿類似的效率。
論文題目：Degree-preserving network growth論文地址：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01417-7現實世界的網絡隨着時間的推移，通過增加或刪除節點和邊而演變。在當前大多數網絡演化模型中，當有新節點加入現有網絡時，新節點所連節點的度數也會增加（如 Barabási-Albert網絡）。但有些網絡中的節點不會添加新的連邊，因為其連邊已經飽和甚至固定，例如分子中原子化合健的數目就是固定的。在這裡，我們介紹了一系列保持節點度的網絡增長過程，其網絡結構與先前研究的大不相同。我們證明，儘管它通常是一個 NP（非確定性多項式時間可解）難題，但大多數現實世界網絡的確切結構可以從保度增長（ degree-preserving growth ）中生成。研究表明，這個過程可以創建具有任意指數的無標度網絡，但它並不是優先連接的。最後，我們展示了通過網絡免疫控制流行病、病毒營銷、知識傳播和具有所需特性的分子異構體設計的具體應用。圖1. 保度網絡生長流程。基本的保度增長機制是，每一步節點w移除已有網絡G中的k條連邊，之後增加2k條新的連邊（新加入的連邊相互獨立，否則可能形成環狀結構），由此保持平均度數不變。（a）在最簡單的情況下，新頂點 w 通過移除一條邊 (u, v) 來加入網絡， 隨後連接所移除邊的節點 。（b）另外兩個保度增長情況，當有更高度數的節點加入網絡時，移除邊的可能方式，隨着節點度數增加而改變。比如，若新增節點度數為4，移除邊的可能方式有兩種（圖中藍線或綠線），若新增的節點度數為6，移除邊的可能方式只有一種（圖中紅線）。
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