Исследование, недавно опубликованное в журнале Science, показало, что классические модели коллективного поведения не могут объяснить механизмы, управляющие роями саранчи в пустыне — экологическим явлением, которое влияет на миллионы жизней по всему миру. Это исследование предлагает новый взгляд на когнитивные и сенсорные механизмы, лежащие в основе коллективного движения, и бросает вызов устоявшимся представлениям в области поведения животных.

Саранча, печально известный библейский вредитель, образует одни из самых крупных групп насекомых в природе и, по оценкам, угрожает средствам к существованию каждого десятого человека из-за своего влияния на продовольственную безопасность. Рои образуются, когда нелетающие молодые особи собираются вместе и начинают двигаться в унисон. Понимание того, как эти насекомые-вредители координируют свои движения, имеет решающее значение для разработки научно обоснованных методов борьбы с ними, таких как прогнозирование перемещений роев. Кроме того, выявление характера взаимодействия между особями является ключом к пониманию того, как коллективные движения возникают у социальных видов животных в целом.

На протяжении десятилетий для моделирования коллективных движений животных использовался принцип, заимствованный из теоретической физики, — рассматривать отдельных особей как "самодвижущиеся частицы". Подобно частицам в физических системах, таких как магниты, эта гипотеза предполагает, что животные активно выстраиваются друг за другом. Однако, в отличие от магнитов, эти "частицы" постоянно находятся в движении. Такие модели показали, что даже когда особи выстраиваются только со своими ближайшими соседями, может возникнуть крупномасштабное согласованное движение, когда огромное количество особей движется в одном направлении.

Давняя гипотеза также утверждает, что плотность популяции является решающим фактором для перехода от некогерентного движения, при котором особи перемещаются в случайных направлениях, к когерентному крупномасштабному коллективному движению. Когда достаточное количество особей собирается в одном месте, предполагается, что они спонтанно переходят от беспорядочного к упорядоченному роевому движению. Позднее это предположение было подтверждено лабораторными экспериментами с большими группами саранчи, что укрепило позиции этих классических моделей.

Проверка давних гипотез

В результате полевых исследований во время нашествия саранчи в Восточной Африке в 2020 году, лабораторных исследований, экспериментов в виртуальной реальности и переоценки прошлых данных исследователи из кластера "Коллективное поведение" при Констанцском университете пришли к выводу, что поведенческие механизмы, управляющие коллективным движением саранчи, не могут быть объяснены этими классическими моделями. Их выводы бросают вызов традиционному представлению о том, что коллективное движение возникает в группах животных.

Определить механизм взаимодействия в группах подвижных животных, как известно, сложно... поведение одних особей влияет на поведение других и само подвергается влиянию в ходе сложного взаимодействия.

профессор Иэн Кузин, старший автор исследования

Чтобы решить эту задачу, команда из Констанца использовала иммерсивную 3D-виртуальную реальность, что позволило им изучить, как свободно перемещающиеся саранчовые взаимодействуют с "голографическим" виртуальным роем, созданным компьютером.

Такой подход позволил нам тщательно проверить гипотезы о том, что управляет их поведением, способами, которые были бы невозможны в естественных условиях.

доктор Серкан Саин, первый автор исследования

Точный контроль визуальной информации, обеспечиваемый виртуальной реальностью, позволил исследователям установить, как саранча преобразует сенсорную информацию в решения о движении. Вопреки предыдущим предположениям, команда обнаружила, что "оптомоторная реакция" — врождённый рефлекс, при котором саранча (и многие другие виды) следует за сигналами движения, — не отвечает за координацию коллективных движений. Более того, они не обнаружили никаких доказательств того, что саранча явно ориентируется на направление движения других особей.

Например, в одном эксперименте с виртуальной реальностью фокальные саранчовые были помещены между двумя виртуальными роями, один из которых двигался слева от них, а другой — справа, и оба в одном направлении. Классические модели предсказывают, что при таких обстоятельствах саранчовые должны "плыть по течению". Однако команда из Констанца обнаружила, что саранчовые поворачивались лицом к одному из роёв и двигались к нему. Кроме того, исследователи обнаружили, что групповой порядок — это не просто результат увеличения плотности, как считалось ранее. Выравнивание происходит в ответ на последовательные визуальные сигналы, почти полностью независимо от плотности.

Дело в качестве информации, а не в количестве.

доктор Серкан Саин, первый автор исследования

Пересмотр большого количества предыдущих лабораторных экспериментов, в которых утверждалось, что переход к согласованному движению зависит от плотности, подтвердил выводы команды из Констанца, опровергнув предыдущие предположения о поведенческих механизмах, лежащих в основе роения саранчи.

Новая когнитивная основа для коллективов

Чтобы объяснить свои результаты, команде Констанца было необходимо переосмыслить подход к моделированию коллективов снизу доверху.

Саранча ведет себя не как простые частицы, которые выстраиваются в линию друг с другом. Мы поняли, что нам нужно смоделировать их как когнитивных агентов— обрабатывающих свое окружение и принимающих решения о том, куда двигаться дальше.

профессор Иэн Кузин, старший автор исследования

Исследовательская группа разработала простую когнитивную модель, основанную на нейробиологии нейронных цепей, используемых животными для пространственной навигации, и названную "кольцевой нейронной сетью-аттрактором". В этой модели у особей есть простое нейронное представление о направлении на соседей, но не об ориентации тела или направлении движения.

Решения о движении принимаются в результате динамического процесса, в ходе которого нейронные представления конкурируют или объединяются на основе относительного положения, в конечном итоге достигая консенсуса, определяющего направление движения. "Наша модель основана на известных нейробиологических принципах, — объясняет доктор Саин, — и мы обнаружили, что она может объяснить все наши ключевые экспериментальные результаты".

Это исследование представляет собой не что иное, как смену парадигмы в исследованиях роев насекомых. Предоставляя фундаментальные новые знания о том, как поведение саранчи приводит к образованию разрушительных роёв, исследование, проведённое в Констанце, может дать важные сведения для улучшения стратегий борьбы с саранчой, например, для эффективного моделирования движения роёв.

Более того, последствия этих открытий, вероятно, будут распространяться не только на саранчу, но и на более широкие области, такие как понимание координации движений у других видов, а также робототехника, искусственный интеллект и изучение коллективного разума. Например, алгоритмы, вдохновлённые высокоэффективными когнитивными стратегиями саранчи для коллективного передвижения, могут быть полезны для роевой робототехники и координации автономных транспортных средств.

Ученые объяснили, смогут ли смарт-часы спасти человеку жизнь.

Фото: pxhere.com