Individueel is een Europese spreeuw onopvallend. Het is een korte, dikke vogel met een donker verenkleed en een scherpe, puntige snavel. Je hebt ze gezien. Ze zijn praktisch overal. Alleen al in Noord-Amerika zijn er meer dan 200 miljoen. Ze tjilpen hun kleine liedjes en irriteren zowel achtertuinbewoners als fulltimeboeren.
Maar collectief transformeren ze.
Tijdens de vlucht, in kuddes die in de honderdduizenden kunnen lopen, worden ze iets heel anders. Een gemompel is een adembenemend wonder. Het is een pulserend, zwevend, levend geheel. Het lijkt de natuurwetten te trotseren terwijl ze deze definiëren.
Als je er naar kijkt, ervaar je uit de eerste hand de kracht en het mysterie van de natuurlijke wereld.
“Ik denk dat het kerngevoel een gevoel van ontzag is”, zegt Mario Pesendorfer, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan het Instituut voor Bosecologie van de Universiteit voor Natuurlijke Hulpbronnen en Levenswetenschappen in Wenen. “De ruimtelijke schaal van iets dat heel snel beweegt – wat we totaal niet kunnen doen – en de visuele patronen die optreden wanneer veel individuen hetzelfde doen … fascineert ons echt.”
Voor wetenschappers als Pesendorfer doen gemopper meer dan alleen maar inspireren. Ze wekken nieuwsgierigheid. En ze zetten wetenschappers ertoe aan om uit te zoeken hoe zwermende dieren – zoals vogels, bijen en vissen – ons eigen leven kunnen verbeteren.
De geheimen achter murmuraties
In de jaren dertig suggereerde de beroemde ornitholoog Edmund Selous dat vogels die zich ruisend voortbewegen een soort telepathie gebruikten om hun vliegintenties over te brengen. “Ze moeten collectief denken, allemaal tegelijkertijd… een flits uit zoveel hersens”, schreef hij in zijn boek Thought-Transference (or What?) in Birds.
Naarmate de jaren verstreken, kwamen we erachter dat dit niet helemaal het geval was. In de jaren vijftig stelden wetenschappers die insecten, vissen en ander collectief diergedrag bestudeerden dat groepsbeweging eerder een verbazingwekkend snelle reactie is op anderen in de kudde. Of de school. Of de zwerm. Het is niet een aangeboren vermogen om gedachten te lezen. Het is ook geen bevel van een groepsleider.
Het is ‘de snelle overdracht van lokale gedragsreacties op buren’, zoals de auteurs van een artikel uit 2015, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, schreven.
“Er zijn twee manieren waarop je groot groepsgedrag kunt uitlokken”, zegt Pesendorfer. “Je kunt top-down controle hebben, waarbij je een soort leiderschap hebt, of een soort top-down-mechanisme. Denk aan een rockshow. Je hebt de rockster vooraan en hij begint in zijn handen te klappen, en het hele stadion begint te klappen.”
‘Maar deze geruchten zijn eigenlijk zelfgeorganiseerd’, zegt hij. “Dit betekent dat het de kleine gedragsregels van het individu zijn die ervoor zorgen dat het opschaalt naar de grote groep. Om dit gedrag te begrijpen, moeten we van de lokale schaal gaan – wat doet het individu, wat zijn de regels die het individu volgt? – naar de mondiale schaal; wat is de uitkomst?”
In 2013 werkten een werktuigbouwkundige en ruimtevaartingenieur en haar team uit Princeton samen met natuurkundigen in Italië om geruis te bestuderen. “In een kudde met 1.200 vogels is het duidelijk dat niet elke vogel de andere 1.199 vogels zal kunnen volgen”, zei Naomi Leonard, de ingenieur uit Princeton, destijds. “Een belangrijke vraag is dus: ‘Wie houdt wie bij?'”
De Italiaanse natuurkundigen gebruikten meer dan 400 foto’s uit verschillende video’s om daarachter te komen. Ze brachten de positie en snelheid van de vogels in kaart terwijl ze stroomden. Op basis daarvan bouwden ze een wiskundig model dat voor elke vogel het optimale aantal koppelgenoten identificeerde om te volgen.
Het magische getal blijkt zeven te zijn: elke vogel houdt zijn zeven naaste buren in de gaten en negeert al het andere. Als je bedenkt dat al deze kleine groepen van zeven andere individuen en groepen van zeven raken, verspreiden de wendingen zich snel. En daaruit komt een heel gemompel voort. De bevindingen van de wetenschappers werden in januari 2013 gepubliceerd in het tijdschrift PLOS Computational Biology.
De drie dingen die de controle hebben
Hoewel het er op grote schaal gecoördineerd uitziet, houden de individuele vogels zich slechts bezig met drie aspecten van hun vlucht en de vlucht van de mensen om hen heen. Deze factoren zijn op verschillende manieren beschreven, maar ze lijken allemaal erg op elkaar. Ze zijn, van Pesendorfer:
-
Een aantrekkingszone : “Wat betekent dat je in dit gebied op weg gaat naar de volgende persoon.”
-
Een afstotingszone : “Dat betekent dat je niet in zijn baan vliegt, anders vallen jullie allebei.”
-
Hoekuitlijning : “Dus je moet zijn richting [de buurman van een vogel] volgen.”
“Afhankelijk van hoe je die drie parameters verandert”, zegt Pesendorfer, “kun je alles krijgen, van die tonachtige honkballen die je bij oceaanvissen tegenkomt, tot los uitziende insectenzwermen, tot zeer goed georganiseerde viszwermen en gemompel. Alles in die drie kleine parameters.”
Wetenschappers geloven dat deze vogels in de eerste plaats samenkomen om roofdieren te verwarren en te ontmoedigen. Ze doen dit door hun enorme aantal, het geluid dat zo’n kudde maakt en de beweging ervan. Er kan ook enige communicatie tussen vogels plaatsvinden tijdens het mompelen. Zeg maar, wijs op goede voedselbronnen. Terwijl sommige onderzoekers geloven dat simpelweg warm blijven een andere reden voor het gemompel kan zijn.
Wat voor gewone stervelingen misschien wel het meest verbijsterend is, is dat deze vogels zo snel reageren. En doe dat in zo’n synchronisatie. Als het niet onmiddellijk is, binnen een paar flappen van de vleugel van een vogel. Ze bewegen bijna als één geheel, in een soort lock-step. Of, zoals het ware, een lock-flap.
Hoe?
“Vogels hebben een veel hogere temporele resolutie dan wij”, zegt Pesendorfer. Dit betekent dat vogels bepaalde informatie om zich heen opnemen en veel sneller verwerken dan mensen. “Zij zien veel sneller dan wij.”
Beyond the Sky: hoe spreeuwzwermen de technologie hervormen
Het model uit 1986, bekend als “Boids”, veranderde de manier waarop we beweging zien. Craig Reynolds, een door het MIT opgeleide computerwetenschapper, creëerde een programma dat de trekvogels en het scholen van vissen nabootste. Het was niet alleen code. Het was een blauwdruk voor het leven.
Die code ging rechtstreeks naar Hollywood. Je zag het in Batman Returns (1992). Tim Burton gebruikte de algoritmen van Reynolds voor de vleermuiszwermen. De animatie zag er echt uit omdat deze aan eenvoudige regels voldeed. Elke “vogel” reageerde op zijn buren. Geen centraal commando. Gewoon reactie.
Maar de lucht heeft ons nog meer te leren. Met name het gemompel.
George Young, hoofdauteur van onderzoek uit Leonards groep in Princeton, zag in 2013 het potentieel. Hij vertelde de universiteit dat biologie de sleutel is tot betere robotica. We moeten begrijpen welke metingen van de prestaties van dierengroepen werken. Vervolgens passen we die maatregelen toe op responsief robotgedrag.
De resultaten zijn al zichtbaar in de lucht boven ons.
Het Las Cumbres Observatorium exploiteert 22 robottelescopen. Ze bevinden zich op zeven locaties wereldwijd. Ze coördineren als één enkel organisme. Dit systeem wordt tijddomeinastronomie genoemd. Het betekent dat we de ruimte bekijken terwijl deze verandert. Niet in stilstaande beelden. In beweging.
“Als we het grote geheel te zien krijgen terwijl het zich ontvouwt, kunnen we meer leren, het sneller leren en ons begrip van de krachten die het universum aandrijven dramatisch vergroten.”
Dit weerspiegelt de spreeuw. De kudde ziet het roofdier. De kudde ontwijkt. Het netwerk overleeft.
Van Central Park naar Code
De ironie is historisch. De gehele Noord-Amerikaanse spreeuwenpopulatie komt voort uit ongeveer 100 vogels die begin jaren 1890 in Central Park werden vrijgelaten. Shakespeare-fans hebben het gedaan. Ze wilden dat Amerika elke door de bard genoemde vogel zou krijgen.
Henry IV, Deel I inspireerde de invasie. Het personage zegt dat hij een spreeuw zal leren alleen ‘Mortimer’ te spreken. Om zijn woede in beweging te houden.
Tegenwoordig is die woede bewegingloos. De vogel leeft. En zijn gedrag wordt gecodeerd.
Het Wyss Institute van Harvard wijst op zwermrobotica. Dit veld maakt gebruik van spreeuwgegevens. De applicaties zijn rommelig maar essentieel. Zoeken en redden. Bouw. Milieusanering. Medische toepassingen. Stel je voor dat kleine drones het lichaam binnendringen. Ze zwermen rond een tumor. Ze fungeren als één eenheid.
Militair gebruik ligt voor de hand. Micro-drones vrijgegeven uit gevechtsvliegtuigen. Een zwerm kan de verdediging overweldigen of terrein sneller in kaart brengen dan een enkele sonde.
Dan is er de weg. Zelfrijdende auto’s werken samen. Niet alleen elkaar ontwijken. Anticiperen op elkaar. Verkeersopstoppingen verminderen door als een vloeistof te werken. Een geruis van metaal en glas.
Pesendorfer merkt de verbroken verbinding op. Mensen hebben ingewikkelde besluitvormingsprocessen. Wij denken te veel na. Spreeuwen niet. Ze schalen eenvoudige regels op tot complex gedrag.
“Deze modellen helpen ons dit soort patronen te begrijpen”, zegt Pesendorfer.
We zijn niet gewend om te kijken naar eenvoudige besluitvormingsprocessen die schaalbaar zijn. We gaan ervan uit dat complexiteit een complex brein vereist. Wij hebben het mis.
De praktische aspecten van stroomden
Als u deze efficiëntie wilt repliceren, moet u weten waar u moet zoeken. En wanneer.
Wat is murmureren precies?
Het is het gecoördineerde stroomgedrag van spreeuwen. We hebben het over groepen van honderden. Of duizenden. Of miljoenen. De beweging lijkt op één enkele, veranderende vorm. Het is vloeibaar. Het is chaotisch voor het oog, maar geordend op basis van gegevens.
Wanneer kan ik een geruis van spreeuwen zien?
Timing is alles. Het seizoen is winter. Concreet tussen oktober en maart. De piek vindt plaats in december en januari. De vogels verzamelen zich om warm te blijven. Ze verzamelen zich ook om roofdieren te verwarren. Maar voor de technoloog is het een datagoudmijn.
Wat is het doel van murmureren?
Veiligheid. Dat is de voornaamste drijfveer. Roofdieren slaan hard toe. Een enkele vogel is gemakkelijk te vangen. Een wervelende wolk is dat niet. De enorme aantallen verwarren de aanvalsvector. Het is een defensieve strategie. Maar het is ook thermoregulatie. Knuffelen genereert warmte.
We kijken naar hen om te leren hoe ze betere systemen kunnen bouwen. Niet alleen telescopen. Niet alleen auto’s. Maar systemen die zich aanpassen. Dat reageren. Die overleven zonder commandant.
De spreeuw geeft niets om jouw algoritme. Het gaat hem alleen om de vogel ernaast. En in die eenvoud vinden we onze toekomst.
