Мурмурации — завораживающие воздушные представления, когда тысячи птиц движутся в небе как единое целое, создавая плотные вихревые формации. Долгое время ученых озадачивали две особенности этого явления: птицы остаются на внешних краях стаи дольше, чем можно было бы ожидать, а сама граница выглядит настолько четкой, как будто стая ее поддерживает специально.
Возможно, математик раскрыл тайну красивейших птичьих мурмураций
Математик из Ротамстедского исследовательского института Энди Рейнольдс, возможно, разгадал тайну мурмураций — удивительного явлениями природы, при котором птицы, чаще всего скворцы, образуют в небе устойчивые фигуры. Оказалось, что эти фигуры возникают естественным образом и не являются ни осознанной стратегией птичьей стаи, ни следствием эволюционного развития.
Мурмурация скворцов недалеко от израильского города Рахат, в пустыне Негев. https://www.theatlantic.com/
Мурмурации птиц — это очень красиво. Но интерес к ним не только эстетический. Ученые давно исследуют роевое поведение, поскольку оно дает важную информацию о том, как могут вести себя различные виды вредителей, которые атакуют сельскохозяйственные культуры. Математическое моделирование того, что держит рой вместе, позволяет разрабатывать стратегии для прогнозирования, отслеживания и контроля движения насекомых-вредителей.
Публикация Энди Рейнольдса, математика из Ротамстедского исследовательского института в журнале Journal of The Royal Society Interface, основана на анализе стай галок. Ученый показал, что четкие границы мурмураций и стремление определенных птиц оставаться на краях можно объяснить простыми математическими правилами взаимодействия особей с соседями.
Простая топология сложнейшего явления
Мурмурация скворцов образует фигуру птицы над озером Лаф Эннелл, Ирландия.
Ранее считалось, что такое поведение могло развиться как адаптивная черта: возможно, четкая фигура стаи позволяет птицам быстрее реагировать на угрозы хищников. Но новое исследование с использованием стохастических моделей движения птиц показало, что эти паттерны возникают естественно, когда птицы следуют топологическому правилу.
Рейнольдс показал, что птицы координируют свое движение с фиксированным количеством ближайших соседей, независимо от фактического расстояния до них. Такие поразительные краевые модели не возникали, когда птицы взаимодействовали, используя не топологию, а метрику, то есть координировали движение не с фиксированным числом соседей независимо от расстояния, а только с теми кто физически находится ближе.
Мурмурация скворцов парит над Понтеведрой, Испания.
Результаты исследования подтверждаются существующими данными GPS-отслеживания стай галок, которые выявили паттерны, соответствующие топологической модели.
Рейнольдс говорит: «Эти высокоструктурированные, кажущиеся целенаправленными образования на самом деле могут быть результатом очень простых правил взаимодействия. Четкость границ и постоянство, с которым птицы удерживаются на краях, — это не обязательно целенаправленная стратегия. Это просто то, что происходит, когда система работает по топологическим правилам».
Исследование добавляет доказательств к растущему массиву данных о том, что сложное групповое поведение — от косяков рыб до роев насекомых — может возникать из удивительно минималистичных правил. Это поднимает вопросы о том, какая часть группового поведения животных формируется эволюцией, а какая просто вытекает из физики и геометрии.