Коллективное поведение птиц: как работает «согласованность в стае»

Исследователи из Университета Цукубы использовали компьютерное моделирование стаи птиц, чтобы отследить поток информации между особями. Они показали, что координация в группе зависит от критической динамики как на микро-, так и на макроуровне. Эта работа помогает создать основу для понимания коллективного поведения без централизованного управления.

Критичность — это свойство систем, переживающих фазовый переход (например, лёд, тающий в воду). При критической температуре в 0 °C смесь не является ни льдом, ни водой, а содержит кластеры всех размеров. Это «масштабно-инвариантное» поведение — признак критичности. В живых системах, находящихся в критическом состоянии, информация передаётся наиболее эффективно.

Новая компьютерная модель показала, что даже при простых правилах поведения каждой птицы (держаться рядом с соседями и избегать столкновений) возникает сложное коллективное поведение. Критичность проявляется как минимум на двух уровнях — «вложенная критичность»:

• На микроуровне каждая птица может использовать случайные перемещения разной длины (полёт Леви) как оптимальную стратегию поиска.
• На макроуровне корреляции между кластерами птиц, движущихся в одном направлении и с одной скоростью, также приобретают масштабно-инвариантный характер. Это означает наличие множества мелких, меньше средних и лишь несколько крупных кластеров.

Используя метод разделения информационного потока между подсистемами, учёные показали, что информация движется в обоих направлениях между двумя масштабно-инвариантными подгруппами.

«Вопреки внешнему впечатлению, в стае нет структуры «лидер-последователь». Вместо этого групповая координация — это эмерджентное свойство динамики», — говорит профессор Такаюки Ниидзато.

Результаты исследования применимы ко многим биологическим системам, где информация должна быстро распространяться без центрального управления (например, сигналы между областями мозга).

Исследование опубликовано в журнале PLOS Computational Biology.