本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點。
細菌學是一個涉及廣泛領域的學科。撰寫關於細菌的部落格意味著我可以探索許多不同的科學領域;從生物化學和合成生物學的高度分子世界,到病理學家和免疫學家更宏大和以人為中心的領域。
我涉足不多的一個領域是流行病學;研究疾病如何在人群中傳播。這是一個重要的研究領域,可以帶來關於免疫接種和人口負荷的重要發現。透過模擬疾病在人群中的傳播方式,你可以找到阻止它們的潛在方法。
檢視實際疾病的這類資料通常令人沮喪,所以我決定模擬一個完全不存在的問題——狼人問題。為了幫助我進行這項工作(因為流行病學建模不是我的專業領域!),我將使用下面引用的論文,該論文研究了殭屍爆發的流行病學。
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現在,每個不同的故事都有其自身的狼人規則,因此我們將從一些基本規則開始。首先:狼人透過咬人將人變成狼人,僅在滿月時發生。因此,狼人每月傳染一次。狼人不是不朽的,但比人類壽命長得多,並且不太可能感染疾病或受傷。
首先,我們需要組織我們的人口。根據殭屍論文,我將將其分為三個。
W = 狼人
S = 易感者(即可能變成狼人的人)
D = 死亡者(無論是人還是狼人,因任何原因死亡)
現在我們需要引數來描述人口之間如何變化。這是與殭屍論文不同的地方(也更容易!)。因為一旦狼或人死亡,他們就消失了。就目前情況而言,這意味著人口將趨於死亡,但與殭屍甚至吸血鬼不同,人類和狼人都能夠繁殖,從而補充人口。
因此,引數
a = 人變成狼人的速率
b = 狼人死亡的速率
c = 人死亡的速率
d = 人繁殖的速率
e = 狼人繁殖的速率
這可以用下圖說明
那些瞭解流行病學建模的人可能會注意到與 SIR 模型的相似之處,而這是 SDW 模型 :p 另請注意,引數也取決於人口數量。因此,人類變成狼人的速率是 aSW - 因為它取決於狼人和人的數量。
這個模型可以寫成三個方程
S = d - aSW - cS
W = e + aSW - bW
D = bW + cS
在殭屍論文的這一點上,數學開始發揮作用,但我認為我只想用這些方程來闡述關於狼人疫情和大眾媒體中狼人形象的幾個觀點。如果有人想繼續研究這些數字,請隨意!
那麼,我們能從上面的方程中看出什麼呢?有幾件事是顯而易見的。首先,除非出生率非常高,或者狼人非常剋制,否則人類的數量將會下降,並且隨著狼人數量的增加而越來越快。即使人類拿起乾草叉並徹底擊潰狼人 population,他們仍然會殺死前人類,除非他們殺死所有狼人(這無疑會使數學更容易得多),否則他們的人數仍將減少。僅靠民眾的生育能力來增加他們的人數,人類很快就會趨於死亡。
另一方面,狼人僅受人類的存在和他們每月一次的時間表的限制。即使允許幼狼在變得危險之前存在延遲因素,也不會改變太多,因為新狼人的主要來源是人類。由於狼人需要很長時間才能死亡,因此死亡的主要原因將是與人類的遭遇失敗。除非人類非常擅長擊退狼群,否則狼人的數量將比下降的速度快得多,這對人類人口不利。
這與公眾描繪狼人的方式是否一致?這當然解釋了為什麼很少有描述顯示在整本書/電影的過程中狼人數量會大幅增加。在較早的故事中,狼人幾乎從未被描繪成有家庭(因此狼人的主要來源是 aSW 因素),而在一些更現代的描述中,家庭(引數 e)是新狼人的主要來源。狼人、吸血鬼和各種怪物如今都生活在我們中間。不是作為捕食者,而是作為複雜的煩惱,但仍然必須容忍。
他們曾經是致命的。他們曾經是殺手;沉默寡言、不可戰勝,並且在我們中間,隨時準備出擊。但那是在過去的日子裡,人們會做一些老式的事情,比如大量死亡。如今,疾病不是停止生活的理由,而是一種需要與之共存的事物。狼人獨處,吸血鬼失去獠牙,惡魔去了銳舞俱樂部。
不過,殭屍仍然很危險。
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參考文獻 1 = Philip Munz , Ioan Hudea, Joe Imad, Robert J. Smith (2009)。當殭屍攻擊時!:殭屍感染爆發的數學建模。《傳染病建模研究進展》其他:978-1-60741-347-9