Осень — время, когда птицы собираются в большие стаи. Иногда в результате возникает красивое явление: воздушный "танец", при котором стая движется как одно живое существо. Его называют мурмурацией, и ученые уже много десятилетий пытаются разгадать его загадку — и даже использовать в инженерии "Мурмурация" в переводе с латыни (murmuratio) дословно означает "бормотание". Такое название родилось от звука, в который сливается шелест тысяч крыльев во время полета. Мурмурации обычно можно наблюдать примерно за час до захода солнца осенью, зимой и ранней весной, когда птицы находятся рядом с местом ночевки. Бывает, что они длятся около часа. Чаще всего мурмурации устраивают скворцы.
Одна из загадок — зачем птицы это делают. Ведь для обычного полета нужно много энергии, а птицы расходуют ее крайне эффективно. Но в случае мурмурации кажется, что никакого практического смысла нет. Птицы просто расходятся и собираются вместе — словно танцующие пары людей или толпа на стадионе. Но, в отличие от болельщиков, эти движения не отрепетированы — все происходит спонтанно. Стая распадается на части и снова сливается воедино. Получаются фигуры, напоминающие то каплю, то восьмерку, а иногда и одну гигантскую птицу. При этом — и это еще одна загадка — птицы летят довольно быстро (до 50 км/ч), но не сталкиваются и не сбиваются с курса. Мурмурации не имеют лидера, а все движения регулируются отдельными особями.
Телепатия или дисциплина?
В 1930-х годах знаменитый орнитолог Эдмунд Селус предположил, что птицы, которые образуют мурмурации, используют своего рода телепатию для передачи своих намерений по всей стае. "Они должны думать коллективно, все и в одно и то же время… это похоже на одновременную вспышку во множестве мозгов", — писал он в своей книге "Передача мыслей (или что-то другое?) у птиц". Однако со временем стало понятно, что это не совсем так. В 1950-х годах специалисты, изучающие коллективное поведение насекомых, рыб и других животных, установили, что групповое скоординированное движение — это скорее поразительно быстрая реакция на изменения действий других в стае.
"Есть два способа, которыми управляется поведение большой группы, — объясняет Марио Пезендорфер, научный сотрудник Смитсоновского центра перелетных птиц (США). — Есть воздействие сверху вниз, когда лидер задает движение всего коллектива. Как во время концерта, когда человек на сцене начинает хлопать, а толпа подхватывает. Мурмурации работают по принципу "снизу вверх": отдельные птицы влияют на соседей, и движение передается всей стае".
Но очевидно, что в стае из 1 200 особей одна птица не может уследить за всеми. Каким же образом достигается такая степень координации? В 2013 году итальянские физики изучили более 400 фотографий из нескольких видеороликов, определив положение и скорость птиц в стае. Исходя из этого, они высчитали оптимальное количество соседей, которых отслеживает каждая птица. Оказывается, их семь. В свою очередь, изменения в одной группе быстро передаются другим, и вся стая начинает перестраиваться.
Миллион вокруг и три в уме
Чтобы узнать, что происходит внутри мурмураций, некоторые исследователи снимают их на несколько камер одновременно. Затем они используют компьютерные программы для отслеживания перемещений отдельных скворцов и создания 3D-моделей стаи. Оказывается, птицы внутри стаи сгруппированы не так плотно, как может показаться с земли, — есть место для маневра. Расположены они тоже не хаотично. Например, они летят ближе к своим боковым соседям, чем к тем, что находится спереди и сзади. Те птицы, что расположены с краю, часто "ныряют" вглубь стаи. Постепенно ученые выяснили, что отдельная особь при перемещении ориентируется на три зоны:
- "зона притяжения" — участок до ближайшей птицы спереди;
- "зона отталкивания" — участок, где возможно столкновение с соседями, летящими по своим "полосам";
- "зона углового выравнивания" — группа из семи соседних птиц, которые служат ориентиром для направления полета.
Секрет того, как стая добивается такой плавности движений, — в высокой временной разрешающей способности птичьего глаза. Светочувствительным клеткам сетчатки нужно время, чтобы возбудиться — среагировать на световой стимул. Из-за этого наш мозг может обработать только ограниченное число стимулов в единицу времени. Это и есть разрешающая способность. У птиц она значительно выше, чем у людей.
Именно поэтому, например, птицу так трудно поймать: краем глаза она видит гораздо больше движений, чем мы, и реагирует гораздо быстрее. Интересно, что эта модель работает не только для птиц. Другие значения параметров, заложенные в модель, могут дать результаты, похожие на движение косяков рыб или роя пчел. Впрочем, у них могут быть другие поводы делать это.
Лучшая защита — в стае
Почему мурмурации в принципе случаются? Ведь птицы не упражняются так только для того, чтобы порадовать нас и наших подписчиков в соцсетях. Но в голову им тоже не залезешь и интервью не возьмешь. Здесь на помощь приходит уже любительская наука. С 2014 по 2016 год ученые из Королевского биологического общества собрали беспрецедентный объем данных от любителей — бердвотчеров — со всего мира. Добровольцы представили отчеты из 23 стран, охватывающие более 3 тыс. мурмураций. На их основе специалисты составили полное описание условий, при которых возникает такое поведение.
Ученые пришли к выводу, что в первую очередь мурмурации выполняют функцию защиты от хищников. Птицы собираются вместе для поисков пищи или отдыха перед перелетом. Огромные скопления естественным образом привлекают хищников, таких как ястребы. Как и многие стайные существа, птицы в своей защите опираются на численное превосходство. Это называется "эффектом разбавления": в стае вероятность того, что отдельная птица станет добычей, значительно снижается.
Столкнувшись с потенциальным хищником, скворцы опускают свои V-образные крылья и резко меняют направление — подобно тому как косяк мелких рыбешек сворачивает вбок при столкновении с акулой или другой крупной рыбой. Таким образом стая остается цельной, но при этом не дает хищнику зафиксировать ни одну конкретную мишень. Чем больше группа, тем быстрее она реагирует на приближение хищника.
От скворцов к роботам
Еще в 1986 году Крейг Рейнольдс, ученый-компьютерщик из Массачусетского технологического института, создал программу, подсчитывающую движение стаи птиц и рыб по принципу мурмурации. Эта программа послужила основой для реалистичной анимации — например, уже в фильме Тима Бертона 1992 года "Бэтмен возвращается" так создавалась стая летучих мышей.
Более любопытные примеры касаются слаженной работы роботов и другой автоматики. Способность скворцов уклоняться от врага крайне востребована в военных операциях. Например, технология LOCUST, разработанная для ВМС США, представляет собой рой беспилотников, которые могут блокировать связь противника и истощать ресурсы ПВО, отвлекая на себя их огонь.
Хотя беспилотники не имитируют напрямую поведение скворцов во время мурмурации, они полагаются на другие механизмы роевого поведения. А цель та же — за счет кучности и обмена информацией защититься от угрозы. Существующие системы ПВО не способны противостоять группам из нескольких сотен дронов. За счет этого дроны могут прорваться к цели и передать информацию о ней оператору.
Еще одна сфера — взаимодействие беспилотных автомобилей на дорогах. Изучение механики роевого поведения птиц может позволить машинам двигаться в потоке более эффективно — а значит, экономить топливо и время, а также избегать аварий. Например, инженер Сантош Девасиа из Центра перспективных исследований Boeing предложил модель сетевого поведения, в которой каждый участник использует текущую и прошлую информацию от соседей, чтобы сделать вывод об общей цели, и подстраивает алгоритм собственного поведения — совсем как птицы. У этой модели, по мнению Девасиа, может быть множество приложений — от работы роботов-погрузчиков на промышленных складах до почтовых дронов и спутников, используемых при зондировании.
