自然界最伟大的显示背后的科学

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Menno Schaefer / shutterstock

随着鸟儿的俯冲,观看椋鸟的潺潺声,在天空中潜水和转动是一个昏暗的冬天傍晚的巨大乐趣之一。 从那不勒斯到纽卡斯尔,这些敏捷的鸟群都在做同样令人难以置信的杂技表演,完美同步。 但他们是如何做到的呢? 他们为什么不崩溃? 那有什么意义呢?

回到1930s,一位领先的科学家建议鸟类必须拥有 精神力量 在羊群中一起操作。 幸运的是,现代科学开始找到更好的答案。

为了解椋鸟们正在做什么,我们从1987开始,当时开创性的计算机科学家Craig Reynolds创造了一个 模拟一群鸟。 这些“boids”,正如雷诺兹称他的计算机生成的动物,仅遵循三个简单的规则来创造他们不同的运动模式:附近的鸟类将进一步分开,鸟类会调整它们的方向和速度,更远的鸟类会靠近。

其中一些模式随后被用于在电影中创建逼真的动物群体,从1992中的蝙蝠侠归来开始 成群的蝙蝠和企鹅的“军队”。 至关重要的是,这种模式不需要任何远程指导或超自然力量 - 只需要本地互动。 雷诺兹的模型证明了一个复杂的群体确实可以通过遵循基本规则的个体来实现,并且由此产生的群体肯定“看起来”像自然界中的那些群体。

从这个起点出发,整个动物运动建模领域出现了。 意大利的一个小组在2008中将这些模型与现实相匹配,他们能够在罗马火车站周围拍摄椋鸟杂音,重建他们在3D中的位置,并展示 规则 正在使用的。 他们发现的是,椋鸟试图匹配最近的七个邻居的方向和速度,而不是响应周围所有附近鸟类的运动。

当我们看到波浪中的低沉脉动并旋转成阵列形状时,它常常看起来好像有鸟儿放慢的地方,并且变得浓密,或者它们加速并扩散到更远的地方。 事实上,这主要归功于3D群体投射到我们的2D世界观中而产生的视觉错觉,以及科学 模型 建议鸟类以稳定的速度飞行。

由于计算机科学家,理论物理学家和行为生物学家的努力,我们现在知道这些杂音是如何产生的。 接下来的问题是为什么它们会发生 - 是什么导致椋鸟进化这种行为?

一个简单的解释是在冬天需要温暖的夜晚:鸟类需要在温暖的地方聚集在一起并靠近栖息,以便保持活力。 椋鸟可以将自己打包成一个栖息地 - 芦苇床,密集的树篱,人体结构如脚手架 - 超过 每立方米500只鸡有时成群鸟类数百万只。 如此高浓度的鸟类将成为捕食者的诱人目标。 没有一只鸟想要成为捕食者选择的那只鸟,因此数字的安全性是游戏的名称,旋转的群众会产生混乱效果,阻止单个人成为目标。

自然界最伟大的显示背后的科学
椋鸟不是通灵者 - 他们擅长遵守规则。
摄影:Adri / shutterstock

然而,椋鸟经常从几十公里以外的地方通勤栖息,并且它们在这些航班上燃烧的能量比在稍微温暖的地方栖息所节省的能量要多。 因此,这些巨大栖息地的动机必须不仅仅是温度。

数字安全可以推动这种模式,但一个有趣的想法表明,鸡群可能形成,以便个人可以分享有关觅食的信息。 这个,“信息中心假设“,表明当食物不完整且很难找到最佳的长期解决方案时,需要在大量个体之间相互共享信息。 就像蜜蜂分享花斑的位置一样,有一天能够找到食物并在一夜之间分享信息的鸟类将在另一天受益于类似的信息。 虽然更多的鸟类加入了栖息地 当食物最稀缺的时候这似乎为这个想法提供了一些有限的支持,到目前为止,它已经证明非常难以正确地检验整体假设。

在过去的几十年里,我们对移动动物群体的理解已经大大扩展。 接下来的挑战是了解产生这种行为的进化和适应性压力,以及随着压力的变化,它对保护可能意味着什么。 可能我们可以调整我们的理解并使用它来改进机器人系统的自主控制。 也许未来的自动驾驶汽车的高峰时段行为将基于椋鸟和他们的嘀咕声。谈话

作者简介

A. Jamie Wood,生物学和数学系高级讲师, 约克大学 和生态学高级讲师Colin Beale, 约克大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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