自然界最偉大的顯示背後的科學

自然界最偉大的顯示背後的科學
Menno Schaefer / shutterstock

隨著鳥兒的俯衝,觀看椋鳥的潺潺聲,在天空中潛水和轉動是一個昏暗的冬天傍晚的巨大樂趣之一。 從那不勒斯到紐卡斯爾,這些敏捷的鳥群都在做同樣令人難以置信的雜技表演,完美同步。 但他們是如何做到的呢? 他們為什麼不崩潰? 那有什麼意義呢?

回到1930s,一位領先的科學家建議鳥類必須擁有 精神力量 在羊群中一起操作。 幸運的是,現代科學開始找到更好的答案。

為了解椋鳥們正在做什麼,我們從1987開始,當時開創性的計算機科學家Craig Reynolds創造了一個 模擬一群鳥。 這些“boids”,正如雷諾茲稱他的計算機生成的動物,僅遵循三個簡單的規則來創造他們不同的運動模式:附近的鳥類將進一步分開,鳥類會調整它們的方向和速度,更遠的鳥類會靠近。

其中一些模式隨後被用於在電影中創建逼真的動物群體,從1992中的蝙蝠俠歸來開始 成群的蝙蝠和企鵝的“軍隊”。 至關重要的是,這種模式不需要任何遠程指導或超自然力量 - 只需要本地互動。 雷諾茲的模型證明了一個複雜的群體確實可以通過遵循基本規則的個體來實現,並且由此產生的群體肯定“看起來”像自然界中的那些群體。

從這個起點出發,整個動物運動建模領域出現了。 意大利的一個小組在2008中將這些模型與現實相匹配,他們能夠在羅馬火車站周圍拍攝椋鳥雜音,重建他們在3D中的位置,並展示 規則 正在使用的。 他們發現的是,椋鳥試圖匹配最近的七個鄰居的方向和速度,而不是響應周圍所有附近鳥類的運動。

當我們看到波浪中的低沉脈動並旋轉成陣列形狀時,它常常看起來好像有鳥兒放慢的地方,並且變得濃密,或者它們加速並擴散到更遠的地方。 事實上,這主要歸功於3D群體投射到我們的2D世界觀中而產生的視覺錯覺,以及科學 模型 建議鳥類以穩定的速度飛行。

由於計算機科學家,理論物理學家和行為生物學家的努力,我們現在知道這些雜音是如何產生的。 接下來的問題是為什麼它們會發生 - 是什麼導致椋鳥進化這種行為?

一個簡單的解釋是在冬天需要溫暖的夜晚:鳥類需要在溫暖的地方聚集在一起並靠近棲息,以便保持活力。 椋鳥可以將自己打包成一個棲息地 - 蘆葦床,密集的樹籬,人體結構如腳手架 - 超過 每立方米500隻雞有時成群鳥類數百萬隻。 如此高濃度的鳥類將成為捕食者的誘人目標。 沒有一隻鳥想要成為捕食者選擇的那隻鳥,因此數字的安全性是遊戲的名稱,旋轉的群眾會產生混亂效果,阻止單個人成為目標。

自然界最偉大的顯示背後的科學
椋鳥不是通靈者 - 他們擅長遵守規則。
攝影:Adri / shutterstock

然而,椋鳥經常從幾十公里以外的地方通勤棲息,並且它們在這些航班上燃燒的能量比在稍微溫暖的地方棲息所節省的能量要多。 因此,這些巨大棲息地的動機必須不僅僅是溫度。

數字安全可以推動這種模式,但一個有趣的想法表明,雞群可能形成,以便個人可以分享有關覓食的信息。 這個,“信息中心假設“,表明當食物不完整且很難找到最佳的長期解決方案時,需要在大量個體之間相互共享信息。 就像蜜蜂分享花斑的位置一樣,有一天能夠找到食物並在一夜之間分享信息的鳥類將在另一天受益於類似的信息。 雖然更多的鳥類加入了棲息地 當食物最稀缺的時候這似乎為這個想法提供了一些有限的支持,到目前為止,它已經證明非常難以正確地檢驗整體假設。

在過去的幾十年裡,我們對移動動物群體的理解已經大大擴展。 接下來的挑戰是了解產生這種行為的進化和適應性壓力,以及隨著壓力的變化,它對保護可能意味著什麼。 可能我們可以調整我們的理解並使用它來改進機器人系統的自主控制。 也許未來的自動駕駛汽車的高峰時段行為將基於椋鳥和他們的嘀咕聲。談話

關於作者

A. Jamie Wood,生物學和數學系高級講師, 約克大學 和生態學高級講師Colin Beale, 約克大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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