3D-фигуры из скворцов

Зачем они это делают?

С причинами, на первый взгляд, все довольно просто, но гипотез на этот счет существует несколько. Есть мнение, что с помощью «роения» большая стая оберегает своих маленьких участников от внешних опасностей. Точнее, существенно повышает шансы каждого уцелеть при нападении хищника, например, сокола или ястреба. Для результативного броска охотнику необходимо нацелиться на конкретный объект, а подвижная стая не позволяет ему сосредоточиться. К тому же большое количество глаз и ушей помогает быстрее сигнализировать о возможной опасности и реагировать на изменения окружающей среды.

Во-вторых, «танцующая» в воздухе 3D-инсталляция – заметный ориентир для всех представителей вида, обитающих в округе, и приглашение собраться вместе накануне приближающейся холодной ночи. Спать рядом теплее и безопаснее.

Но как же птицам удается организовать шоу? С ответом на этот вопрос – сложнее. Если их коллективным поведением кто-то или что-то управляет, то по каким каналам информация так быстро передается внутри стаи? Идея о том, что все дело в телепатии, всерьез рассматривалась в 1930-х годах. Такую гипотезу выдвинул британский орнитолог и писатель Эдмунд Селус. Итогом его многочисленных наблюдений за мурмурациями стала книга с говорящим названием «Передача мыслей (или что-то другое?) у птиц», в которой он написал: «Они все должны в одно и то же время думать коллективно… это похоже на одновременную вспышку во множестве мозгов».

Спустя два десятилетия, к середине 1950-х, когда гипотеза о телепатии не получила подтверждения, ученые нащупали новую. Речь о синхронии – каскадных изменениях в поведении стаи, возникающих вследствие быстрой передачи локальных поведенческих реакций соседям. К экспериментам в этом направлении одним из первых подошел советский ихтиолог Дмитрий Радаков.

Кадр за кадром он анализировал кинопленки, запечатлевшие стаи рыб, и вручную фиксировал траекторию движения каждой особи. Результатом этой огромной работы в 1970 году стала защита докторской диссертации, а в 1972 году – выход монографии «Стайность рыб как экологическое явление». В них он показал, что движение каждой из рыб в стае зависит от усредненного направления движения ее соседей. При этом, если несколько особей заметили препятствие или хищника и резко изменили направление движения, сигнал об этом распространяется по стае намного быстрее, чем максимальная скорость плавания отдельных особей. В результате возникает достаточно сложное поведение стаи как единого целого. Книга стала настольной для нескольких поколений ихтиологов, но собранные в ней мысли заинтересовали не только их.

В 1986 году на помощь биологам пришли информационные технологии. Американский программист Крейг Рейнольдс, разработчик ПО для изучения сложных природных явлений, создал цифровую модель поведения птиц или рыб в стае. В основу своей разработки он положил трехмерную вычислительную систему для компьютерной анимации, а стайных «существ» для удобства обобщенно назвал боидами (boids).

Модель гармонично летящей или плывущей стаи в итоге потребовала, чтобы каждый боид соблюдал всего три простых правила:

И все же один вопрос остался без ответа – какую новую 3D-фигуру мурмурация нарисует в толще воды или в воздухе? Кто решает, куда продолжится движение? Ответ на этот вопрос в 2015 году дала группа американских и немецких ученых под руководством Сары Брин Розенталь и Колина Р. Туоми. После множества экспериментов с golden shiners – стаей американского леща (Notemigonus chrysoleucas) – физики и биологи опубликовали статью об особенностях взаимодействий в подвижных группах животных.

Оказалось, что поводом к изменению траектории движения стаи рыб или птиц служит… испуг. Особи, замечающие препятствие, хищника или что-то подозрительное, реагируют на раздражитель: для огибания препятствия достаточно небольшого изменения траектории, а для уклонения от хищника нужен резкий бросок в сторону.

Все члены стаи постоянно начеку и с одинаковым энтузиазмом реагируют как на сам «пугающий фактор», так и на испуг ближайших соседей. В опасном неопределенном мире такая реакция на опасность – залог выживания, но значительную долю составляют и ложные тревоги – неизбежное следствие выработки коллективного защитного механизма. Тот, кто испугался, «заражает» тревогой своих ближайших соседей, а те моментально передают реакцию дальше, к другому краю стаи. Что именно напугало птиц или рыб – неважно, но траектория движения внезапно меняется, и наблюдатель получает новую завораживающую картину.

Объясняем на пальцах на скворцах

Мурмурация плотно вошла в сферу интересов как точных, так и гуманитарных дисциплин. Ей посвятил свою книгу «В полете скворцов: чудеса сложных систем» лауреат Нобелевской премии по физике 2021 года Джорджио Паризи. Шоу скворцов вызывало у него особое восхищение, а суть исследования механизмов мурмурации казалась чрезвычайно близкой.

По мнению нобелевского лауреата, исследование взаимодействий внутри птичьих стай в долгосрочной перспективе поможет понять экономические и социальные явления, а также то, как поведение каждого из нас влияет на человечество в целом.