Jednotlivě není špaček evropský pozoruhodný. Je to malý, hustý pták s tmavým opeřením a ostrým špičatým zobákem. Viděl jsi je. Jsou prakticky všude. Jen v Severní Americe je jich více než 200 milionů. Cvrlikají své malé písničky a jsou na obtíž jak amatérským zahradníkům, tak farmářům na plný úvazek.
Jako tým se však transformují.
V letu, v hejnech, jejichž počty mohou dosahovat statisíců, se z nich stává úplně jiný tvor. Shromáždění kroužkujících ptáků je dechberoucím zázrakem. Je to pulzující, plánovací, žijící celek. Zdá se, že porušuje přírodní zákony a zároveň je definuje.
Pozorovat takový shluk znamená na vlastní kůži zažít sílu a tajemství přírodního světa.
„Myslím, že hlavní emocí je pocit úžasu,“ říká Mario Pesendorfer, postdoktorand z Institutu lesní ekologie na Univerzitě přírodních zdrojů a aplikovaných věd ve Vídni. “Prostorové měřítko něčeho, co se pohybuje velmi rychle – což my úplně nejsme schopni udělat – a vizuální vzorování, ke kterému dochází, když mnoho jednotlivců dělá totéž… nás opravdu fascinuje.”
Pro vědce, jako je Pesendorfer, jsou shluky volajících ptáků více než jen inspirativní. Vzbuzují zvědavost. A povzbuzují vědce, aby pochopili, jak zvířata, která jednají ve skupinách – jako ptáci, včely a ryby – mohou zlepšit náš vlastní život.
Tajemství za hejny volajících ptáků
Ve 30. letech 20. století proslulý ornitolog Edmund Selous navrhl, aby ptáci pohybující se v hejnech využívali ke sdělení svých letových záměrů určitý druh telepatie. “Musí myslet kolektivně, současně… záblesk mnoha mozků,” napsal ve své knize Thought-Transference (or What?) in Birds.
S přibývajícími roky jsme zjišťovali, že to není tak úplně pravda. V padesátých letech minulého století vědci studující hmyz, ryby a další kolektivní chování zvířat naznačovali, že skupinový pohyb byl spíše úžasně rychlou reakcí na ostatní jedince ve škole, škole nebo roji. To není nějaká vrozená schopnost číst myšlenky. A to není příkaz od vedoucího skupiny.
Jde o „rychlý přenos místních behaviorálních reakcí na sousedy“, jak napsali autoři článku z roku 2015 publikovaném v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Existují dva způsoby, jak vyvolat chování velké skupiny,” říká Pesendorfer. “Můžete mít kontrolu shora dolů, kde je nějaký druh vedení nebo nějaký mechanismus shora dolů. Představte si rockový koncert. Vepředu máte rockovou hvězdu a ona začne tleskat a celý stadion začne tleskat.”
“Ale tato hejna volajících ptáků se ve skutečnosti organizují samy,” říká. “To znamená, že jsou to malá pravidla chování jednotlivců, která se škálují do velké skupiny. Abychom tomuto chování porozuměli, musíme přejít z místního měřítka – co jedinec dělá, jaká pravidla dodržuje? – do globálního měřítka; jaký je výsledek?”
V roce 2013 mechanická a letecká inženýrka z Princetonu a její tým spolupracovali s italskými fyziky na studiu sestav volajících ptáků. “V hejnu 1200 ptáků je jasné, že ne každý pták bude schopen sledovat ostatních 1199 ptáků,” řekla tehdy Naomi Leonardová, inženýrka z Princetonu. “Takže důležitá otázka zní: Kdo koho sleduje?”
Italští fyzici k tomu použili více než 400 fotografií z několika videí. Zakreslili polohu a rychlost ptáků, když se rojili. Na základě toho sestavili matematický model, který určil optimální počet shodných druhů pro každého ptáka ke sledování.
Ukázalo se, že magické číslo je sedm: každý pták sleduje svých sedm nejbližších sousedů a ignoruje všechny ostatní. Se všemi těmito malými sedmičlennými skupinkami, které se dotýkaly jiných jednotlivců a skupinkami po sedmi, se zvraty rychle rozšířily. A z toho vzniká pohyb celého shluku. Výsledky vědců byly publikovány v časopise PLOS Computational Biology v lednu 2013.
Tři věci pod kontrolou
Ačkoli se zdá, že jsou ve velkém měřítku koordinovaní, jednotliví ptáci se starají pouze o tři aspekty svého letu a letu ostatních kolem nich. Tyto faktory byly popsány různými způsoby, ale všechny jsou velmi podobné. Podle Pesendorfera jsou to:
- Zóna přitažlivosti : „To znamená, že v této oblasti se budete pohybovat směrem k dalšímu jedinci.“
- Push-off zóna : “To znamená, že nevletíš do jeho pruhu, jinak oba spadneš.”
- Úhlové zarovnání : “Takže musíte tak trochu následovat směr [ptačího souseda].”
“Podle toho, jak tyto tři parametry změníte,” říká Pesendorfer, “můžete získat vše od sudovitých baseballových míčků, které vidíte u mořských ryb, přes zdánlivě 松散 (volné) hejna hmyzu až po vysoce, vysoce organizovaná hejna ryb a shluky hlasitých ptáků. To vše je v těchto třech malých parametrech.”
Vědci se domnívají, že tito ptáci se shromažďují v hejnech především proto, aby zmátli a zastrašili predátory. Dělají to kvůli jejich velkému počtu, hluku, který takové hejno vydává, a jeho pohybu. V koncentracích volajících ptáků může také dojít k určité komunikaci mezi ptáky. Například poukazování na dobré zdroje potravin. I když někteří vědci se domnívají, že dalším důvodem pro vznik shluků by mohlo být pouhé zachování tepla.
Pro pouhé smrtelníky může být nejvíce ohromující, že tito ptáci reagují tak rychle. A dělají to v takové synchronizaci. Pokud ne okamžitě, pak během několika mávnutí ptačího křídla. Pohybují se téměř jako jeden, v jakémsi kroku za krokem. Nebo takříkajíc houpání v noze.
Jak?
“Ptáci mají mnohem vyšší časové rozlišení než my,” říká Pesendorfer. To znamená, že ptáci vnímají určité informace kolem sebe a zpracovávají je mnohem rychleji než lidé. “Vidí mnohem rychleji než my.”
Za oblohou: jak hejna špačků přehodnocují technologii
Model „Boids“ z roku 1986 změnil způsob, jakým přemýšlíme o pohybu. Craig Reynolds, počítačový vědec, který studoval na Massachusettském technologickém institutu (MIT), vytvořil program, který simuluje chování ptáků ve školce a chov ryb. Nebyl to jen kód. Byla to kresba života.
Tento kód šel přímo do Hollywoodu. Mohli jste ho vidět ve filmu Batman se vrací (1992). Tim Burton použil Reynoldsovy algoritmy k vytvoření rojů netopýrů. Animace vypadala realisticky, protože se řídila jednoduchými pravidly. Každý „pták“ reagoval na své sousedy. Bez centrálního ovládání. Pouze reakce.
Ale nebe nás má něco naučit. Zejména moirace.
George Young, hlavní autor studie z Leonardovy skupiny na Princetonské univerzitě, viděl potenciál v roce 2013. Univerzitě řekl, že klíčem k vytvoření lepší robotiky je biologie. Musíme pochopit, která měřítka chování skupiny zvířat fungují nejlépe. Tyto metriky pak aplikujeme na responzivní chování robotů.
Výsledky jsou již vidět na obloze nad námi.
Observatoř Las Cumbres provozuje 22 robotických dalekohledů. Jsou umístěny na sedmi místech po celém světě. Koordinují své akce jako jeden organismus. Tento systém se nazývá astronomie časových řad. To znamená, že pozorujeme vesmír, jak se mění. Ne ve formě statických obrázků. V pohybu.
“Když vidíme celkový obraz, jak se odvíjí, můžeme se naučit více, dělat to rychleji a dramaticky zvýšit naše chápání sil, které řídí vesmír.”
To ozývá špačky. Hejno si všimne dravce. Smečka uhýbá. Síť přežije.
Od Central Parku ke Kódu
Ironie je historická. Celá populace špačků amerických pochází z asi 100 ptáků vypuštěných v Central Parku na počátku 90. let 19. století. Fanoušci Shakespeara to dokázali. Chtěli, aby Amerika měla každého ptáka, o kterém se Bard zmínil.
“Henry IV, část 1” inspiroval tuto invazi. Postava říká, že naučí špačka říkat jen “Mortimer”. Aby tvůj hněv zůstal v pohybu.
Dnes je tento hněv nehybný. Pták je živý. A její chování je zakódováno.
Wyss Institute na Harvardu poukazuje na rojovou robotiku. Tato oblast využívá údaje o špačcích. Aplikace jsou složité, ale životně důležité. Hledání a záchrana. Konstrukce. Ekologická rehabilitace. Lékařské aplikace. Představte si maličké drony vstupující do těla. Rojí se kolem nádoru. Jednají jako jeden.
Vojenské aplikace jsou zřejmé. Mikrodrony startovaly ze stíhaček. Roj může přemoci obranu nebo zmapovat oblast rychleji než jedna sonda.
Pak je tu cesta. Samořídící auta spolupracující. Nejen vyhýbat se jeden druhému. Předvídání jednání toho druhého. Snížení přetížení tím, že se chová jako tekutina. Moirace z kovu a skla.
Pesendorfer si všímá mezery. Lidé mají složité rozhodovací procesy. Příliš přemýšlíme. Špačci tohle nedělají. Škálují jednoduchá pravidla až po složité chování.
“Tyto modely nám pomáhají porozumět těmto typům vzorců,” říká Pesendorfer.
Nejsme zvyklí dívat se na jednoduché rozhodovací procesy, které se škálují. Předpokládáme, že složitost vyžaduje komplexní mozek. mýlíme se.
Praktické aspekty chování smečky
Pokud chcete replikovat tuto účinnost, musíte vědět, kde hledat. A kdy.
Co přesně je moirace?
Jedná se o koordinované skupinové chování špačků. Mluvíme o skupinách po stovkách. Nebo tisíce. Nebo miliony. Pohyb se jeví jako jediná hmota měnící tvar. Je to tekuté. Je to na pohled chaotické, ale uspořádané podle dat.
Kdy uvidím špačky moirovat?
Načasování je všechno. Sezóna: zima. Zejména mezi říjnem a březnem. Vrchol nastává v prosinci a lednu. Ptáci se shromažďují, aby se zahřáli. Shromažďují se také, aby zmátli dravce. Ale pro technologa je to zlatý důl dat.
Jaký je účel moirace?
Bezpečnost. Toto je hlavní hnací síla. Predátoři tvrdě útočí. Jednoho ptáka je snadné chytit. Vířící mrak není. Obrovské množství čísel mate útočný vektor. Jedná se o obrannou strategii. Ale je to také termoregulace. Když jsou seskupeny, vytvářejí teplo.
Sledujeme je, abychom se naučili budovat lepší systémy. Nejen dalekohledy. Nejen auta. Ale také systémy, které se přizpůsobí. Které reagují. Které přežijí bez velitele.
Starling se nestará o váš algoritmus. Stará se jen o ptáka vedle něj. A v této jednoduchosti nacházíme naši budoucnost.
