Окремо європейський шпак не примітний. Це невеликий, щільний птах з темним оперенням і гострим, гострим дзьобом. Ви їх бачили. Вони практично всюди. Лише у Північній Америці їх налічується понад 200 мільйонів. Вони щебечуть свої маленькі пісеньки і докучають як садівникам-аматорам на задніх дворах, так і фермерам, які займаються сільським господарством повний робочий день.
Однак у колективі вони змінюються.
У польоті, в зграях, чисельність яких може досягати сотень тисяч, вони стають зовсім іншою істотою. Скупчення дзвінких птахів – це диво, що захоплює дух. Це пульсуюче, плануюче, живе ціле. Воно здається порушуючим закони природи, водночас визначаючи їх.
Спостерігати за таким скупченням означає firsthand (на власному досвіді) відчути міць і таємницю природного світу.
“Я думаю, що основна емоція – це почуття благоговіння”, – говорить Маріо Пезендорфер, постдокторант-дослідник Інституту лісової екології Університету природних ресурсів та прикладних наук у Відні. «Просторовий масштаб чогось, що рухається дуже швидко, — а ми зовсім не здатні на це, — і візуальне патернування, яке виникає, коли багато особин роблять одне й те саме… справді заворожує нас».
Для таких вчених, як Пезендорфер, скупчення дзвінких птахів не просто надихають. Вони пробуджують цікавість. І вони спонукають вчених розібратися в тому, як тварини, що діють групами, такі як птахи, бджоли та риби, можуть покращити наше власне життя.
Секрети, що стоять за скупченнями дзвінких птахів
У 1930-х роках відомий орнітолог Едмунд Селус припустив, що птахи, що рухаються скупченнями, використовують своєрідну телепатію для передачі своїх намірів щодо польоту. “Вони повинні думати колективно, одночасно… спалах з безлічі мізків”, – написав він у своїй книзі Thought-Transference (or What?) in Birds (Передача думок (чи що?) у птахів).
У міру того, як роки йшли, ми з’ясували, що це не зовсім так. У 1950-х роках вчені, які вивчали комах, риб та іншу колективну поведінку тварин, припустили, що груповий рух – це швидше приголомшливо швидка реакція на інших особин у зграї, одвірку або рою. Це не якась уроджена здатність читати думки. І це не команда від лідера гурту.
Це «швидка передача локальної поведінкової реакції сусідам», як написали автори статті 2015 року, опублікованій у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences (Праці Національної академії наук США).
“Є два способи викликати поведінку великої групи”, – говорить Пезендорфер. «Ви можете мати контроль згори донизу, де є свого роду лідерство чи якийсь механізм згори донизу. Подумайте про рок-концерт. У вас є рок-зірка попереду, і вона починає плескати в долоні, і весь стадіон починає ляскати в долоні».
“Але ці скупчення дзвінких птахів насправді самоорганізуються”, – говорить він. Це означає, що саме маленькі поведінкові правила окремих особин масштабуються до великої групи. Щоб зрозуміти цю поведінку, ми повинні перейти від локального масштабу — що робить індивід, яких правил він дотримується? – До глобального масштабу; який результат?»
У 2013 році інженер-механік та спеціаліст з аерокосмічної техніки з Прінстона та її команда співпрацювали з італійськими фізиками для вивчення скупчень дзвінких птахів. “У зграї з 1200 птахів ясно, що не кожен птах зможе відстежувати решту 1199 птахів”, – сказала тоді Наомі Леонард, інженер з Прінстона. «Отже, важливе питання: „Хто за ким стежить?“»
Італійські фізики використовували понад 400 фотографій із кількох відеозаписів, щоб з’ясувати це. Вони нанесли на графік положення та швидкість птахів під час їхнього скупчення. На основі цього вони побудували математичну модель, яка визначила оптимальну кількість родичів для відстеження кожним птахом.
Виявилося, що магічна кількість дорівнює семи: кожен птах стежить за своїми сімома найближчими сусідами і ігнорує всіх інших. Враховуючи, що всі ці маленькі групи із семи стикаються з іншими особинами та групами із семи, вигини та повороти швидко поширюються. І з цього виникає рух всього скупчення. Результати вчених були опубліковані в журналі PLOS Computational Biology у січні 2013 року.
Три речі, що знаходяться під контролем
Хоча на великому масштабі це виглядає скоординованим, окремі птахи піклуються тільки про три аспекти свого польоту і польоту особин, що їх оточують. Ці чинники описувалися по-різному, але вони дуже схожі. За словами Пезендорфера, це:
- Зона тяжіння : «Це означає, що в цій галузі ви рухатиметеся у бік наступної особини».
- Зона відштовхування : «Це означає, що ви не влітаєте на його смугу, інакше ви обоє впадете».
- Кутове вирівнювання : «Так що вам потрібно як би слідувати за напрямом [сусіда-птиці]».
«Залежно від того, як ви змінюєте ці три параметри», — каже Пезендорфер, «ви можете отримати все: від схожих на барильця бейсбольних м’ячів, які ви бачите у океанічних риб, до уявлених рата комах до високо, високо організованих роїв риб і скупчень дзвінких птахів. Все у цих трьох маленьких параметрах».
Вчені вважають, що ці птахи збираються в зграї в першу чергу для того, щоб спантеличити і відлякати хижаків. Вони роблять це завдяки своїй численності, шуму, який видає така зграя, та її руху. У скупченнях дзвінких птахів може й деяка комунікація між птахами. Наприклад, вказівка на добрі джерела їжі. Хоча деякі дослідники вважають, що просто збереження тепла може бути ще однією причиною утворення скупчень.
Що може бути найбільш приголомшливим для простих смертних, так це те, що ці птахи реагують так швидко. І роблять це у такій синхронізації. Якщо миттєво, протягом кількох помахів крила птиці. Вони рухаються майже як одне ціле, у своєрідному кроці в ногу. Або, так би мовити, помахом у ногу.
Як?
“У птахів набагато вищий тимчасовий дозвіл, ніж у нас”, – говорить Пезендорфер. Це означає, що птахи сприймають певну інформацію навколо себе та обробляють її набагато швидше, ніж люди. «Вони бачать набагато швидше, ніж ми».
За межами неба: як скупчення шпаків переосмислюють технології
Модель 1986 року під назвою Boids змінила наше уявлення про рух. Крейг Рейнольдс, комп’ютерний фахівець, який навчався в Массачусетському технологічному інституті (MIT), створив програму, що імітує зграйну поведінку птахів та schooling риб. То був не просто код. Це було креслення життя.
Цей код прямо потрапив до Голлівуду. Ви могли бачити його у фільмі “Бетмен повертається” (1992). Тім Бертон використовував алгоритми Рейнольдса для створення роїв кажанів. Анімація виглядала реалістично, тому що слідувала простим правилам. Кожна «птах» реагувала на своїх сусідів. Жодного центрального управління. Лише реакція.
Але небо має чому нас навчити. Зокрема муарації.
Джордж Янг, провідний автор дослідження з групи Леонарда у Прінстонському університеті, побачив потенціал у 2013 році. Він повідомив університету, що біологія містить ключ до створення досконалішої робототехніки. Нам потрібно зрозуміти, які показники ефективності групової поведінки тварин працюють найкраще. Потім ми застосовуємо ці показники до чуйної поведінки роботів.
Результати вже помітні на небі над нами.
Обсерваторія Las Cumbres керує 22 роботизованими телескопами. Вони розташовані на семи майданчиках по всьому світу. Вони координують свої дії як єдиний організм. Ця система називається астрономією тимчасових рядів (time domain astronomy). Це означає, що ми спостерігаємо за космосом у його зміни. Не у вигляді статичних зображень. У русі.
«Коли бачимо загальну картину у її розгортання, ми можемо дізнатися більше, зробити це швидше і кардинально підвищити наше розуміння сил, управляючих всесвіту».
Це перегукується зі шпаками. Зграя помічає хижака. Зграя ухиляється. Мережа виживає.
Від Центрального парку до коду
Іронія історична. Вся населення американських шпаків відбувається приблизно від 100 птахів, випущених у Центральному парку на початку 1890-х років. Це зробили шанувальники Шекспіра. Вони хотіли, щоб в Америці був кожен птах, згаданий Бардом.
“Генріх IV, частина 1” надихнула це вторгнення. Персонаж каже, що навчить шпака говорити лише «Мортимер». Щоб тримати свій гнів у русі.
Сьогодні цей гнів нерухомий. Птах живий. І її поведінка кодується.
Інститут Вісса при Гарварді вказує на роєву робототехніку. Ця область використовує дані про шпаків. Програми складні, але життєво важливі. Пошук та порятунок. Будівництво. Екологічна реабілітація. Медичні застосування. Уявіть собі крихітні дрони, що входять до тіла. Вони рояться навколо пухлини. Вони діють як єдине ціле.
Військове застосування очевидне. Мікро-дрони, що випускаються із винищувачів. Рой може придушити оборону або скласти карту місцевості швидше за один зонд.
Потім є дорога. Безпілотні автомобілі, що працюють разом. Не просто уникаючи одне одного. Передбачаючи дії один одного. Знижуючи затори, діючи як рідину. Муарація з металу та скла.
Пезендорфер зазначає розрив. Люди складні процеси прийняття рішень. Ми надто багато думаємо. Шпаки не роблять цього. Вони масштабують прості правила до складної поведінки.
“Ці моделі допомагають нам зрозуміти такі типи патернів”, – говорить Пезендорфер.
Ми не звикли дивитися на прості процеси ухвалення рішень, які масштабуються. Ми припускаємо, що складність потребує складного мозку. Ми помиляємось.
Практичні аспекти зграйної поведінки
Якщо ви хочете відтворити цю ефективність, потрібно знати, куди дивитися. І коли.
Що саме таке муарація?
Це скоординована зграйна поведінка шпаків. Йдеться про групи із сотень. Або тисяч. Або мільйонів. Рух виглядає як єдина маса, що змінює форму. Це текуче. Це хаотично для ока, але впорядковане даними.
Коли я можу побачити муарацію шпаків?
Час вирішує все. Сезон – зима. Зокрема, між жовтнем та березнем. Пік припадає на грудень та січень. Птахи збираються, щоб зігрітися. Вони також збираються заплутати хижаків. Але для технолога це золота жила даних.
Яка мета муарації?
Безпека. Це основний драйвер. Хижаки завдають сильних ударів. Одного птаха легко спіймати. Хмара, що вихряється, — ні. Безліч чисел заплутує вектор атаки. Це захисна стратегія. Але це також терморегуляція. Згрупувавшись, вони генерують тепло.
Ми спостерігаємо за ними, щоб навчитися будувати найкращі системи. Не лише телескопи. Не лише автомобілі. Але й системи, що адаптуються. Які реагують. Які виживають без командира.
Шпаку немає справи до вашого алгоритму. Його турбує лише птах поруч із ним. І у цій простоті ми знаходимо наше майбутнє.
