Мурмурация
Мурмура́ция (от лат. murmuratio — «бормотание, жужжание, карканье»), англ. Flocking — явление скоординированного полёта огромных стай птиц (скворцов, галок, ворон и т. д.), образующих динамические объёмные фигуры переменной плотности.
Так, скворцы, сбиваясь в грандиозные стаи, исполняют «танец скворцов», создавая зрелищные сжимающиеся и разжимающиеся облака с чётко очерченными контурами, движущиеся непредсказуемым образом. Облака эти могут разделяться на части и соединяться; одни облака из птиц пролетают сквозь другие на большой скорости (до 40 км/ч), при этом птицы не сталкиваются.
При мурмурации каждая птица постоянно имеет видимость во все стороны; это результат того, что поведение птиц в полёте нацелено на получение максимума информации о соседях по стае и окружающем пространстве[1].
Аналогичное поведение демонстрируют большие косяки рыб, стада овец и козы, стаи рыб и насекомых, а также скопления бактерий[2].
Мурмурация считается эмерджентным поведением, возникающим на основе простых правил, которым следуют отдельные участники стаи или роя. Такое поведение не требует какой-либо центральной координации.
Первые исследования и моделированиеПравить
Параллели между стайным поведением птиц и рыб, стайным поведением насекомых и стадным поведением наземных животных были замечены давно, но механизмы этого процесса не были до конца ясны. В зимние месяцы скворцы, как известно, собираются в огромные стаи, насчитывающие от сотен до тысяч особей, мурмурации, которые, когда они всецело улетают, создают в небе над наблюдателями большие интригующие кружащиеся узоры.
Поведение стайи птиц было, кажется, впервые смоделировано на компьютере в 1987 году Крейгом Рейнольдсом с помощью его программы моделирования Boids.[3] Эта программа имитирует простых агентов (боидов), которым разрешено передвигаться в соответствии с набором основных правил. Результат моделирования оказался весьма похож на движение стаи птиц, косяка рыб или роя насекомых[4].
Съёмки и измеренияПравить
Съёмки процесса движения стай птиц проводились с помощью высокоскоростных камер[5]. Также был проведен компьютерный анализ для проверки простых правил мурмурации, упомянутых ниже. Установлено, что они в целом справедливы в случае стайи птиц, причём правило дальнего притяжения (сплоченности) применимо к ближайшим 5–10 соседям стайной птицы и не зависит от расстояния этих соседей от птицы. Кроме того, существует анизотропия в отношении этой тенденции к сплочению: большая сплоченность проявляется по отношению к соседям по бокам птицы, а не спереди или сзади. Вероятно, это связано с тем, что поле зрения летящей птицы направлено в стороны, а не прямо вперед или назад.
Другое недавнее исследование основано на анализе записей движения птичьих стай над Римом, сделанных высокоскоростной камерой и использует компьютерную модель, предполагающую минимальные правила поведения[6][7][8][9].
Алгоритм движенияПравить
ПравилаПравить
Базовые модели стайного поведения может быть описано тремя простыми правилами:
- Разделение: Избегайте скопления соседей (отталкивание на близком расстоянии)
- Выравнивание: Держитесь в сторону среднего направления соседей
- Сплоченность: Держитесь ближе к среднему положению соседей (притяжение на большие расстояния)
Моделируемая стая, в которой её участники следуют этим трём простым правилам, движется чрезвычайно реалистично, создавая сложные движения и взаимодействия, которые иначе было бы чрезвычайно сложно создать.
Варианты правилПравить
Базовая модель расширялась несколькими способами с тех пор, как ее предложил Рейнольдс. Например, Дельгадо-Мата и др.[10] расширили базовую модель, включив в нее эффекты страха. Обоняние, в их варианте модели, использовалось для передачи эмоций между животными посредством феромонов, смоделированных как частицы в свободно расширяющемся газе.
Хартман и Бенеш[11] ввели дополнительную силу в расстановку сил, которую они называют сменой руководства. Этот поворот определяет шанс птицы стать лидером и попытаться убежать вперёд, вырвавшись из сплочённого порядка стаи.
Хемельрейк и Хильденбрандт[12] использовали перечисленные выше три правила и расширили их, добавив к ним ряд черт настоящих скворцов:
- птицы летят в соответствии с принципами аэродинамики неподвижного крыла, при этом они перекатываются при повороте, теряя при этом подъемную силу;
- они координируют свои действия с ограниченным числом взаимодействующих соседей - 7 (как настоящие скворцы);
- они стараются держаться над местом ночлега (как это делают скворцы на рассвете), а когда им случается выйти из места ночлега, то возвращаются к нему, повернувшись;
- они движутся с относительно постоянной скоростью.
Авторы показали, что специфика летного поведения, а также большой размер стаи и малое количество партнеров по взаимодействию имеют решающее значение для создания изменчивой формы стаи скворцов.
См. такжеПравить
ПримечанияПравить
- ↑ "Загадка мурмурации птиц". econet.ru. Архивировано 2 октября 2019. Дата обращения: 24 мая 2019.
- ↑ O'Loan, OJ; Evans, MR (1999). "Alternating steady state in one-dimensional flocking". Journal of Physics A: Mathematical and General. 32 (8). IOP Publishing: L99. arXiv:cond-mat/9811336. Bibcode:1999JPhA...32L..99O. doi:10.1088/0305-4470/32/8/002. S2CID 7642063.
- ↑ Reynolds, Craig W. (1987). "Flocks, herds and schools: A distributed behavioural model.". ACM SIGGRAPH Computer Graphics. Vol. 21. pp. 25–34.
- ↑ Fladerer, Johannes-Paul. The wisdom of the many: how to create self-organisation and how to use collective intelligence in companies and in society: from management to managemANT / Johannes-Paul Fladerer, Ernst Kurzmann. — Norderstedt : BoD - Books on Demand, 2019. — ISBN 978-3-7504-2242-1.
- ↑ Feder, Toni (October 2007). "Statistical physics is for the birds". Physics Today. 60 (10): 28–30. Bibcode:2007PhT....60j..28F. doi:10.1063/1.2800090.
- ↑ Hildenbrandt, H; Carere, C; Hemelrijk, CK (2010). "Self-organized aerial displays of thousands of starlings: a model". Behavioral Ecology. 21 (6): 1349–1359. arXiv:0908.2677. doi:10.1093/beheco/arq149.
- ↑ Hemelrijk, CK; Hildenbrandt, H (2011). "Some causes of the variable shape of flocks of birds". PLOS ONE. 6 (8): e22479. Bibcode:2011PLoSO...622479H. doi:10.1371/journal.pone.0022479. PMC 3150374. PMID 21829627.
- ↑ Project Starflag
- ↑ Swarm behaviour model by University of Groningen
- ↑ Delgado-Mata C, Ibanez J, Bee S, et al. (2007). "On the use of Virtual Animals with Artificial Fear in Virtual Environments". New Generation Computing. 25 (2): 145–169. doi:10.1007/s00354-007-0009-5. S2CID 26078361.
- ↑ Hartman C, Benes B (2006). "Autonomous boids". Computer Animation and Virtual Worlds. 17 (3–4): 199–206. doi:10.1002/cav.123. S2CID 15720643.
- ↑ Hemelrijk, C. K.; Hildenbrandt, H. (2011). "Some Causes of the Variable Shape of Flocks of Birds". PLOS ONE. 6 (8): e22479. Bibcode:2011PLoSO...622479H. doi:10.1371/journal.pone.0022479. PMC 3150374. PMID 21829627.