Большинство людей наблюдали за большими стаями птиц. Они завораживают и долгое время интересовали ученых. Как именно такому количеству птиц удается сохранять сплоченность в стае? Очевидно, что это динамичный процесс, но каковы его механизмы?
Когда я был маленьким, меня учили, что у каждой стаи есть вожак, и другие птицы в конечном счете просто следуют за этим вожаком. Когда две небольшие стаи объединяются в большую, один из этих вожаков становится доминирующим и берет на себя управление объединенной стаей. Но это объяснение во многом неверно. На самом деле это во многом зависит от вида птиц и типа стаи.
Метод “следования за лидером” – это, по сути, то, что происходит с V-образными образованиями. Очевидно, что они сильно отличаются от бормотания маленьких птиц, которые превращаются в гигантскую летающую амебу. Некоторые виды, например голуби, используют комбинированную стратегию, следуя за лидером, но в большей степени за иерархией лидеров, которая может меняться с течением времени.
Исследователи обнаружили, что в более динамичных стаях, таких как скворцы, нет лидера или иерархии. Каждая птица просто следует за своей стаей. Это отличный пример зарождающегося явления в природе. Это похоже на работу муравьев в колонии или пчелином улье – каждая отдельная пчела или муравей на самом деле не знает, что делает вся колония, и нет лидера или бригадира, который бы командовал или направлял движение. Каждая особь просто следует простому алгоритму, и из этого вытекает коллективная сложность.
Каков же тогда алгоритм, который птицы используют для формирования поведения стаи? Возвращаясь к до– и раннераучной эпохе, натуралисты предположили, что эти большие птичьи стаи использовали какую-то форму прямого общения, что даже предполагало возможность птичьей телепатии. Но, похоже, птицы не общаются друг с другом, и никакой телепатии, ни птичьей, ни какой-либо другой, не существует. К 1980-м годам, используя компьютерное моделирование и наблюдения с помощью высокоскоростных камер, ученые начали формулировать правила поведения больших стай. Похоже, что поведение стаи можно объяснить тремя простыми способами поведения птиц.
Во-первых, каждая птица старается избегать столкновений со всеми своими соседями. Во-вторых, каждую птицу будут привлекать другие птицы того же вида. И, в-третьих, каждая птица будет лететь в том же направлении, что и остальная часть стаи. Ученые обнаружили другие правила для особых ситуаций. Например, когда нападает хищник, отдельные птицы пытаются улететь в середину группы для защиты.
Хотя эти правила дают разумное представление о больших птичьих стаях, было также ясно, что это не полный ответ. Здесь есть еще один уровень, отличный от простых алгоритмов поведения птиц. Этот уровень – физика полета и аэродинамика. Недавнее исследование, посвященное динамике движения стаи, позволяет получить дополнительное представление о поведении стаи. Они использовали механических птиц в воде, чтобы проверить влияние потока жидкости на полет каждой птицы и то, как это влияет на других птиц в стае.
В небольших группах динамика потока будет стремиться загнать птиц в оптимальный аэродинамический карман. Это похоже на рисование, и мы уже знали, что птицы так делают. Эти V-образные формы направлены на оптимизацию эффекта, чтобы сделать полет более эффективным. В случае более динамичных стай динамика потока действует как маленькие пружинки, удерживая каждую птицу в нужном месте и избегая столкновений. Если птица собьется с пути, поток воздуха будет стремиться вернуть ее на место.
Это еще больше упрощает алгоритм поведения – вам не нужно одновременно следовать за стаей, избегая столкновений. Вам просто нужно следовать по пути наименьшего сопротивления, и если вы собьетесь с пути, вас вернут на место.
Однако исследователи также обнаружили, что, когда стаи становятся все больше и больше, динамика потока меняется, создавая больше завихрений и турбулентности. Это усиливает эффект каскадирования от передней части стаи к задней и в конечном итоге приводит к тому, что птицы сталкиваются друг с другом. Не похоже, что исследователи полностью решили эту проблему, но они показали одно возможное решение. Если вы привнесете немного вариативности в поведение каждой птицы (чтобы они не находились в идеальном положении), то это приведет к нарушению усиления турбулентного потока, что позволит создавать более крупные стаи без столкновений.
Возможно, именно так эволюционировало поведение птиц в стаях. Сначала поведенческие алгоритмы позволяли создавать небольшие стаи для взаимной защиты и предупреждения от хищников. А затем эволюционные изменения в алгоритмах поведения птиц позволили создавать все более крупные стаи с течением времени. И, конечно, это произошло только у некоторых видов. У других птиц развилось другое поведение – стайное или не стайное, в зависимости от того, где они находились в динамике “хищник-жертва”.
Тем не менее, кажется, что еще многое предстоит узнать о больших птичьих стаях, которые на данный момент представляют собой динамическое взаимодействие между поведением и физикой. Это одновременно и сложнее, и элегантнее, чем причудливые представления прошлого.
