Немецкие ученые выяснили, что пустынная саранча, находясь внутри роя, координирует свое движение с помощью когнитивных процессов, а не через простое механическое выравнивание по отношению к соседям, как предполагалось ранее. Это открытие может изменить представления о том, как образуются и функционируют такие объединения животных в природе, как стаи насекомых или группы млекопитающих. Исследование опубликовано в журнале Science.
До недавнего времени коллективное движение животных было принято объяснять через модели «самодвижущихся частиц», заимствованные из физики. Согласно этим идеям, отдельные особи согласуют собственное направление движения в соответствии с таковым окружающих их соседей. При этом группа спонтанно переходит от хаоса к порядку при достижении критической плотности. Лабораторные эксперименты с саранчой, которые ученые проводили ранее, казалось, подтверждали эту гипотезу. Однако реальные механизмы, лежащие в основе гигантских мигрирующих роев, оставались невыясненными. В новом исследовании, проведенном командой ученых из Констанцского университета, пустынная саранча, чьи нашествия угрожают продовольственной безопасности значительной части населения Земли, вновь послужила идеальным объектом для объяснения, на этот раз более детального, явления координированной агрегации в животном мире.
Чтобы раскрыть секреты коллективного поведения, ученые провели полевые наблюдения в период нашествия саранчи в Восточной Африке в 2020 году, лабораторные эксперименты и серию тестов с виртуальной реальностью. В последних живых насекомых помещали в среду с компьютерными «голографическими» роями, что позволило точно контролировать визуальные стимулы. «Определить механизм взаимодействия в группах подвижных животных, как известно, сложно, — рассказал Иэн Кузин, старший автор исследования из Констанцского университета. — Поведение одних особей влияет на поведение других и само подвергается влиянию в ходе сложного взаимодействия». Виртуальная реальность помогла изолировать ключевые факторы, например реакцию саранчи на движение соседей, исключив помехи, неизбежные в природных условиях.
Оказалось, что саранча не использует врожденный «оптомоторный рефлекс» — автоматическое следование за движущимися объектами — для координации с сородичами. Вместо этого насекомые оценивали положение соседей относительно себя и принимали решения через внутренний «консенсус», достигаемый благодаря интеграции сигналов от различных сенсорных систем и их обработке в нервной системе. Например, в эксперименте с двумя виртуальными роями, движущимися в одном направлении, саранча игнорировала общий поток и поворачивалась к одному из роев, целенаправленно следуя за ним. Более того, переход к упорядоченному движению зависел не от плотности группы, а от четкости визуальных сигналов. «Речь идет о качестве информации, а не о ее количестве», — подчеркивает Серкан Саин, один из авторов исследования из Констанцского университета. Перепроверка данных прошлых экспериментов подтвердила эти выводы, показав, что классические модели упускают ключевые аспекты поведения.
Открытие позволило авторам исследования разработать новую модель, основанную на нейробиологических принципах. Согласно этой модели, саранча принимает решение о направлении движения благодаря «кольцевому аттрактору» — сети нейронов, обрабатывающей информацию, поступающую от разных сенсорных систем, о положении других особей в рое.
Эти результаты не только дают возможность в будущем прогнозировать маршруты роев, но и могут помочь в разработке алгоритмов для робототехники и автономных систем. «Наше исследование — смена парадигмы, — отметил Иэн Кузин. — Мы показали, что коллективное поведение строится на сложных когнитивных процессах, а не на простых правилах». Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение того, как найденные механизмы работают у других видов в природе и даже в человеческом обществе.
Автор: Богдан Скиба.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
