Учёные переписывают правила роения саранчи

Исследование, недавно опубликованное в Science, показало, что классические модели коллективного поведения не объясняют механизмы, управляющие роями пустынной саранчи. Работа предлагает новый взгляд на когнитивные и сенсорные механизмы, лежащие в основе коллективного движения, и бросает вызов устоявшимся представлениям в области поведения животных.

Пустынная саранча формирует одни из крупнейших скоплений насекомых в природе и угрожает средствам к существованию каждого десятого человека на планете. Рои начинают формироваться, когда нелетающие личинки собираются вместе и начинают маршировать. Понимание того, как эти насекомые координируют движение, критически важно для разработки научно обоснованных методов контроля, например, прогнозирования перемещения роёв.

Десятилетиями для моделирования коллективного движения использовался принцип, заимствованный из теоретической физики, — рассмотрение особей как «самодвижущихся частиц». Эта гипотеза предполагает, что животные активно выравнивают своё движение относительно соседей. Считалось, что плотность скопления является решающим фактором для перехода от неупорядоченного движения к согласованному движению роя.

Проверка устоявшихся гипотез

Используя полевые наблюдения во время вспышки саранчи в Восточной Африке в 2020 году, лабораторные исследования, эксперименты с виртуальной реальностью и переоценку прошлых данных, учёные из Университета Констанца пришли к выводу, что классические модели не объясняют поведенческие механизмы коллективного движения саранчи.

Чтобы преодолеть сложности изучения взаимодействий в движущихся группах, команда использовала иммерсивную 3D-виртуальную реальность. Это позволило изучить, как свободно движущиеся саранчи взаимодействуют с компьютерной «голографической» виртуальной стаей. «Этот подход позволил нам строго проверить гипотезы о том, что движет их поведением, способами, невозможными в естественных роях», — отмечает первый автор работы доктор Серкан Саин.

Вопреки предыдущим предположениям, команда обнаружила, что «оптомоторный ответ» — врождённый рефлекс, при котором саранча следует визуальным сигналам движения, — не отвечает за координацию коллективного движения. Не было найдено доказательств того, что саранча явно выравнивается по направлению движения других особей.

Например, в одном эксперименте саранчу помещали между двумя виртуальными роями, движущимися в одном направлении. Классические модели предсказывали, что в таких условиях особи должны «плыть по течению». Однако команда из Констанца увидела, что саранча поворачивалась лицом к одному из роёв и двигалась к нему.

Кроме того, исследователи выяснили, что порядок в группе — не просто продукт увеличения плотности. Согласованность движения возникала в ответ на согласованные визуальные сигналы, почти полностью независимо от плотности. «Речь идёт именно о качестве информации, а не о её количестве», — говорит Серкан Саин.

Новая когнитивная модель для коллективов

Для объяснения результатов команде пришлось пересмотреть подход к моделированию коллективов «снизу вверх». «Саранча ведёт себя не как простые частицы, выравнивающиеся друг с другом, — говорит профессор Иэн Кузин. — Мы поняли, что нужно моделировать их как когнитивных агентов, обрабатывающих окружающую среду и принимающих решения о том, куда двигаться дальше».

Исследователи разработали простую когнитивную модель, основанную на нейробиологии нейронных цепей, используемых животными для пространственной навигации, — так называемую нейронную сеть «кольцевого аттрактора». В этой модели у особи есть простое нейронное представление о направлении на соседа, но не об ориентации его тела или направлении движения.

Решения о движении возникают в результате динамического процесса, в котором нейронные представления конкурируют или сходятся на основе относительного положения, в конечном итоге достигая консенсуса, который определяет направление движения. «Наша модель основана на известных нейробиологических принципах и может объяснить все наши ключевые экспериментальные результаты», — поясняет доктор Саин.

Это исследование представляет собой смену парадигмы в изучении роёв. Новое фундаментальное понимание того, как поведение саранчи приводит к разрушительным роям, может дать критически важные знания для улучшения стратегий контроля, например, для эффективного моделирования перемещения роёв.

Более того, последствия этих выводов, вероятно, выйдут за рамки изучения саранчи и найдут применение в понимании координации движения у других видов, а также в робототехнике, искусственном интеллекте и изучении коллективного разума. Например, роевая робототехника и координация автономных транспортных средств могут получить пользу от алгоритмов, вдохновлённых высокоэффективными когнитивными стратегиями саранчи для коллективного движения.