Чому птахи не стикаються в польоті?
Зграї шпаків - одне з дивовижних явищ природи. Сотні, якщо не тисячі, птахів одночасно змахують крилами, демонструючи чудеса пілотажу. Рухи кожної особини виглядають випадковими, але птиці ніколи не стикаються один з одним, ніби керовані невидимим диригентом. Зграя шпаків - яскравий приклад здатності птахів до синхронного польоту. Біологів НЕ перестає мучити питання: як птиці в польоті примудряються уникати зіткнень.
Ось як це виглядає на відео ...
Професор Квінслендського університету Манді Шрінівасан вважає, що птахи зуміли виробити стратегію безаварійного польоту під впливом тривалої еволюції. Механіка пташиного польоту давно цікавила Шрінівасан, і він вирішив провести серію експериментів з хвилястими папужками, щоб змоделювати їх траєкторію. Він зазначив, що птахи були схильні завжди огинати перешкоду справа, що сприяло плавному руху. Протягом 120 спостережень не відбулося жодного зіткнення.
Випробувальний тунель. Синіми і червоними пунктирними лініями показані поля зору камер спостереження
Професор Манді Срінівазан (Mandyam Srinivasan) з Університету Квінсленда (Австралія) поставив завдання вивчити, які саме стратегії застосовують птиці для уникнення зіткнення на зустрічних курсах. Для цього з двох сторін тунелю довжиною 21,6 метра випускалися пари птахів назустріч один одному. Що представляють інтерес потенційні дії птахів приймалися за гіпотези в байєсівської мережі для обчислення їх ймовірності. Передбачені ймовірності порівнювалася з спостерігаються фактами. Таким чином дослідники робили висновки про стратегії відходу від зіткнень, які діють у птахів.
Перед початком випробувань 10 хвилястих папужок (Melopsittacus undulatus) чоловічої статі були навчені пролітати тунель від початку до кінця в поодинці.
За 4 дні було записано 102 експериментальних польотів 7 пар, складених з 10 хвилястих папужок. Не було зафіксовано жодного зіткнення. Потім провели аналіз відеозаписів з фіксацією, яким чином птахи зміщувалися в сторони або по висоті при наближенні один до одного.
Результати виявилися досить несподіваними. Як видно з таблиці, птиці показали схильність майже завжди зміщуватися вправо, хоча ймовірність такого зміщення сильно варіюється від особини до особини.
Це дуже цікавий висновок. Проведені раніше дослідження на бджолах показали, що бджоли схильні зміщуватися вліво при зближенні один з одним. Так чи інакше, але схильність зміщуватися в якусь певну сторону є важливим знанням. Очевидно, це знання повинно бути однаковим у всіх особин в популяції. Якщо птах при зближенні зміщуватися в випадкову сторону, то при виборі вліво / вправо ймовірність зіткнення складе 50%.
Папужки в тунелі літали на різній висоті. Вчені виявили, що деякі конкретні особини явно воліють летіти нижче / вище іншої конкретної особи, що не вкладається нормальний розподіл.
Перевага конкретної особи летіти вище або нижче іншої особини
Незважаючи на окремі випадки зміни висоти польоту, в цілому птиці при зближенні не змінюють висоту, а зміщуються в горизонтальній площині. Найчастіше - вправо. Вчені роблять висновок про наявність у хвилястих папужок своєрідних правил руху, зошитах на «апаратному рівні». Ймовірно, це може бути пов`язано з різницею в лівому і правому півкулях головного мозку. Так, у папужок права півкуля і ліве око відповідають за тактичні завдання, такі як виявлення ймовірного зіткнення в польоті. У свою чергу, ліва півкуля і праве око займаються іншими речами, такими як обслуговування польоту і контроль швидкості. До речі, це одне з еволюційних переваг тварин з різними функціями лівого і правого півкуль (докладніше див. Наукову роботу «Виживання з асиметричним мозком: переваги і недоліки церебральної латералізації»).
Таким чином, дослідження підтвердило, що наявність найпростіших загальних правил дозволить тваринам або машинам уникнути зіткнення.
По-перше, потрібно домовитися зміщуватися в одну сторону. Неважливо - вліво або вправо, але все повинні зміщуватися в одну сторону.
По-друге, виробити алгоритм зміни висоти. Один з учасників руху повинен зміщуватися вгору, а інший - вниз. Правила зміни висоти можна реалізувати різними способами. Наприклад, привласнити ієрархічний порядковий номер кожного окремого літака. При зустрічі літак з більш високим номером в ієрархії завжди зміщується вгору, а з більш низьким - вниз. Універсальну ієрархію непросто впровадити, та й вона вимагає обміну інформацією між судами перед зближенням. Інший варіант - встановити кожному літаку правило випадкового зсуву вгору або вниз. У цьому випадку ризик зіткнення зменшиться зі 100% до 50%.
Ученим поки не вдалося зрозуміти, яким чином птахи вибирають напрям зсуву по висоті. Можливо, у них теж діє певна ієрархія.
Але чи дійсно секрет синхронного польоту настільки простий?
Шірінвасан з колегами використовували відеокамери з можливістю високошвидкісної записи для фіксації польоту 10 папужок з протилежних кінців тунелю. Вони виявили, що для уникнення зіткнень птиці використовували двояку техніку. По-перше, зустрічаючи в повітрі іншу птицю, вони відхиляються вправо. По-друге, вони вибирають, летіти їм вище або нижче зустрічній птиці. Поки залишається неясним, що впливає на вибір висоти. Професор передбачає, що, можливо, до цього має відношення ієрархія птахів у зграї, і планує продовжувати дослідження.
Хоча роботи професора Шірінвасана дозволяють по-новому поглянути на політ папужок, вони не пояснюють механіку польоту всіх птахів. У зграї папужок інша соціальна структура, ніж, скажімо, у шпаків або альбатросів, так що складно на одному прикладі робити висновки про синхронний польоті всього спектра пернатих. Також постає питання про те, чи були папужки домашніми або дикими, і який вплив приручення тварин надає на їх політ.
В результаті інших досліджень, присвячених пташиним зграй, були зроблені не менш важливі висновки. Наприклад, італійський фізик Андреа Кавагна виявив у шпаків розвинену систему взаімооповещенія. У частки секунди одна особина може передати іншим сигнал, що направляє всю зграю геть від хижака або в обхід перешкоди. А Девід Вільямс з Університету Вашингтона виявив, що голуби переміщаються в тісноті, використовуючи різні позиції крил. Маніпулюючи аеродинамікою свого тіла, голуби виявляються здатні літати з неймовірно високою швидкістю в складному оточенні, наприклад, в міському середовищі.
