По отдельности европейский скворец не примечателен. Это небольшая, плотная птица с тёмным оперением и острым, заострённым клювом. Вы видели их. Они практически повсюду. Только в Северной Америке их насчитывается более 200 миллионов. Они щебечут свои маленькие песенки и досаждают как садоводам-любителям на задних дворах, так и фермерам, занимающимся сельским хозяйством полный рабочий день.
Однако в коллективе они преображаются.
В полёте, в стаях, численность которых может достигать сотен тысяч, они становятся совершенно иным существом. Скопление звонких птиц — это захватывающее дух чудо. Это пульсирующее, планирующее, живое целое. Оно кажется нарушающим законы природы, одновременно определяя их.
Наблюдать за таким скоплением — значит firsthand (на собственном опыте) ощутить мощь и тайну природного мира.
«Я думаю, что основная эмоция — это чувство благоговения», — говорит Марио Пезендорфер, постдокторант-исследователь Института лесной экологии Университета естественных ресурсов и прикладных наук в Вене. «Пространственный масштаб чего-то, что движется очень быстро, — а мы совершенно не способны на это, — и визуальное паттернирование, которое возникает, когда много особей делают одно и то же, … действительно завораживает нас».
Для таких учёных, как Пезендорфер, скопления звонких птиц не просто вдохновляют. Они пробуждают любопытство. И они побуждают учёных разобраться в том, как животные, действующие группами, — такие как птицы, пчёлы и рыбы, — могут улучшить нашу собственную жизнь.
Секреты, стоящие за скоплениями звонких птиц
В 1930-х годах известный орнитолог Эдмунд Селус предположил, что птицы, движущиеся скоплениями, используют своего рода телепатию для передачи своих намерений относительно полёта. «Они должны думать коллективно, одновременно… вспышка из множества мозгов», — написал он в своей книге Thought-Transference (or What?) in Birds («Передача мыслей (или что?) у птиц»).
По мере того как годы шли, мы выяснили, что это не совсем так. В 1950-х годах учёные, изучавшие насекомых, рыб и другое коллективное поведение животных, предположили, что групповое движение — это скорее ошеломляюще быстрая реакция на других особей в стае, косяке или рою. Это не какая-то врождённая способность читать мысли. И это не команда от лидера группы.
Это «быстрая передача локальной поведенческой реакции соседям», как написали авторы статьи 2015 года, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (Труды Национальной академии наук США).
«Есть два способа вызвать поведение большой группы», — говорит Пезендорфер. «Вы можете иметь контроль сверху вниз, где есть своего рода лидерство или какой-то механизм сверху вниз. Подумайте о рок-концерте. У вас есть рок-звезда впереди, и она начинает хлопать в ладоши, и весь стадион начинает хлопать в ладоши».
«Но эти скопления звонких птиц на самом деле самоорганизуются», — говорит он. «Это означает, что именно маленькие поведенческие правила отдельных особей масштабируются до большой группы. Чтобы понять это поведение, мы должны перейти от локального масштаба — что делает индивидуум, какие правила он соблюдает? — к глобальному масштабу; каков результат?»
В 2013 году инженер-механик и специалист по аэрокосмической технике из Принстона и её команда сотрудничали с итальянскими физиками для изучения скоплений звонких птиц. «В стае из 1200 птиц ясно, что не каждая птица сможет отслеживать остальных 1199 птиц», — сказала тогда Наоми Леонард, инженер из Принстона. «Таким образом, важный вопрос: „Кто за кем следит?“»
Итальянские физики использовали более 400 фотографий из нескольких видеозаписей, чтобы выяснить это. Они нанесли на график положение и скорость птиц во время их скопления. На основе этого они построили математическую модель, которая определила оптимальное количество сородичей для отслеживания каждой птицей.
Оказалось, что магическое число равно семи: каждая птица следит за своими семью ближайшими соседями и игнорирует всех остальных. Учитывая, что все эти маленькие группы из семи соприкасаются с другими особями и группами из семи, изгибы и повороты быстро распространяются. И из этого возникает движение всего скопления. Результаты учёных были опубликованы в журнале PLOS Computational Biology в январе 2013 года.
Три вещи, находящиеся под контролем
Хотя на большом масштабе это выглядит скоординированным, отдельные птицы заботятся только о трёх аспектах своего полёта и полёта окружающих их особей. Эти факторы описывались по-разному, но все они очень похожи. По словам Пезендорфера, это:
- Зона притяжения : «Это означает, что в этой области вы будете двигаться в сторону следующей особи».
- Зона отталкивания : «Это означает, что вы не влетаете на его полосу, иначе вы оба упадёте».
- Угловое выравнивание : «Так что вам нужно как бы следовать за направлением [соседа-птицы]».
«В зависимости от того, как вы изменяете эти три параметра», — говорит Пезендорфер, «вы можете получить всё: от похожих на бочонки бейсбольных мячей, которые вы видите у океанических рыб, до кажущихся松散 (рыхлыми) роев насекомых до высоко, высоко организованных роев рыб и скоплений звонких птиц. Всё в этих трёх маленьких параметрах».
Учёные считают, что эти птицы собираются в стаи в первую очередь для того, чтобы сбить с толку и отпугнуть хищников. Они делают это благодаря своей многочисленности, шуму, который издаёт такая стая, и её движению. В скоплениях звонких птиц может происходить и некоторая коммуникация между птицами. Например, указание на хорошие источники пищи. Хотя некоторые исследователи полагают, что просто сохранение тепла может быть ещё одной причиной образования скоплений.
Что может быть самым ошеломляющим для простых смертных, так это то, что эти птицы реагируют так быстро. И делают это в такой синхронизации. Если не мгновенно, то в течение нескольких взмахов крыла птицы. Они движутся почти как одно целое, в своеобразном шаге в ногу. Или, так сказать, взмахе в ногу.
Как?
«У птиц гораздо более высокое временное разрешение, чем у нас», — говорит Пезендорфер. Это означает, что птицы воспринимают определённую информацию вокруг себя и обрабатывают её гораздо быстрее, чем люди. «Они видят гораздо быстрее, чем мы».
За пределами неба: как скопления скворцов переосмысливают технологии
Модель 1986 года под названием «Boids» изменила наше представление о движении. Крейг Рейнольдс, компьютерный специалист, обучавшийся в Массачусетском технологическом институте (MIT), создал программу, имитирующую стайное поведение птиц и schooling рыб. Это был не просто код. Это был чертеж жизни.
Этот код напрямую попал в Голливуд. Вы могли видеть его в фильме «Бэтмен возвращается» (1992). Тим Бёртон использовал алгоритмы Рейнольдса для создания роев летучих мышей. Анимация выглядела реалистично, потому что следовала простым правилам. Каждая «птица» реагировала на своих соседей. Никакого центрального управления. Только реакция.
Но небо имеет чему нас научить. В частности, муарации.
Джордж Янг, ведущий автор исследования из группы Леонарда в Принстонском университете, увидел потенциал в 2013 году. Он сообщил университету, что биология содержит ключ к созданию более совершенной робототехники. Нам нужно понять, какие показатели эффективности группового поведения животных работают лучше всего. Затем мы применяем эти показатели к отзывчивому поведению роботов.
Результаты уже видны на небе над нами.
Обсерватория Las Cumbres управляет 22 роботизированными телескопами. Они расположены на семи площадках по всему миру. Они координируют свои действия как единый организм. Эта система называется астрономией временных рядов (time domain astronomy). Это означает, что мы наблюдаем за космосом в процессе его изменения. Не в виде статичных изображений. В движении.
«Когда мы видим общую картину в процессе её разворачивания, мы можем узнать больше, сделать это быстрее и кардинально повысить наше понимание сил, управляющих вселенной».
Это перекликается со скворцами. Стая замечает хищника. Стая уклоняется. Сеть выживает.
От Центрального парка к коду
Ирония историческая. Вся популяция американских скворцов происходит примерно от 100 птиц, выпущенных в Центральном парке в начале 1890-х годов. Это сделали поклонники Шекспира. Они хотели, чтобы в Америке была каждая птица, упомянутая Бардом.
«Генрих IV, часть 1» вдохновила это вторжение. Персонаж говорит, что научит скворца говорить только «Мортимер». Чтобы держать свой гнев в движении.
Сегодня этот гнев неподвижен. Птица жива. И её поведение кодируется.
Институт Уисса при Гарварде указывает на роевую робототехнику. Эта область использует данные о скворцах. Приложения сложны, но жизненно важны. Поиск и спасение. Строительство. Экологическая реабилитация. Медицинские применения. Представьте себе крошечные дроны, входящие в тело. Они роятся вокруг опухоли. Они действуют как единое целое.
Военное применение очевидно. Микро-дроны, выпускаемые из истребителей. Рой может подавить оборону или составить карту местности быстрее, чем один зонд.
Затем есть дорога. Беспилотные автомобили, работающие вместе. Не просто избегая друг друга. Предвосхищая действия друг друга. Снижая заторы, действуя как жидкость. Муарация из металла и стекла.
Пезендорфер отмечает разрыв. У людей сложные процессы принятия решений. Мы слишком много думаем. Скворцы не делают этого. Они масштабируют простые правила до сложного поведения.
«Эти модели помогают нам понять такие типы паттернов», — говорит Пезендорфер.
Мы не привыкли смотреть на простые процессы принятия решений, которые масштабируются. Мы предполагаем, что сложность требует сложного мозга. Мы ошибаемся.
Практические аспекты стайного поведения
Если вы хотите воспроизвести эту эффективность, вам нужно знать, куда смотреть. И когда.
Что именно такое муарация?
Это скоординированное стайное поведение скворцов. Речь идет о группах из сотен. Или тысяч. Или миллионов. Движение выглядит как единая, меняющая форму масса. Это текуче. Это хаотично для глаза, но упорядочено данными.
Когда я могу увидеть муарацию скворцов?
Время решает всё. Сезон — зима. В частности, между октябрем и мартом. Пик приходится на декабрь и январь. Птицы собираются, чтобы согреться. Они также собираются, чтобы запутать хищников. Но для технолога это золотая жила данных.
Какова цель муарации?
Безопасность. Это основной драйвер. Хищники наносят сильные удары. Одну птицу легко поймать. Вихрящееся облако — нет. Огромное количество чисел запутывает вектор атаки. Это защитная стратегия. Но это также терморегуляция. Сгруппировавшись, они генерируют тепло.
Мы наблюдаем за ними, чтобы научиться строить лучшие системы. Не только телескопы. Не только автомобили. Но и системы, которые адаптируются. Которые реагируют. Которые выживают без командира.
Скворцу нет дела до вашего алгоритма. Его заботит только птица рядом с ним. И в этой простоте мы находим наше будущее.
