Datorseende avslöjar flockningens anmärkningsvärda hemlighet

Titta på en flock starar i några minuter och det är lätt att se dess anmärkningsvärda beteende. Fåglarna verkar röra sig synkront även om de kan separeras av själva flockens bredd. På något sätt måste fåglarnas rörelser på motsatta sidor av flocken vara korrelerade även om de bara rimligen kan kommunicera med sina närmaste grannar.

Hur detta händer har varit föremål för mycket fascination. Ett sätt att lösa detta problem är att simulera flockningsbeteende på en dator, jämföra simuleringen med det faktiska flockningsbeteendet och på så sätt försöka förklara det.

Detta har förvisso gett några intressanta insikter men det lider av en allvarlig brist på detaljerade mätningar av verkliga fåglars beteende i storskaliga flockar. Det har nyligen förändrats med tillkomsten av avancerade datorseendetekniker som kan mäta positionen och hastigheten för ett stort antal rörliga föremål i en enda bildruta.

Idag använder William Bialek vid Princeton University och några kompisar dessa nyfunna data för att bygga den enklaste teoretiska modellen som kan återskapa det faktiska beteendet hos riktiga flockar.

Deras modell ger en anmärkningsvärd insikt. De säger att flockar av starar fungerar i ett mycket speciellt fysiskt tillstånd som tillåter korrelationer mellan enskilda fåglar att sträcka sig mer eller mindre oändligt, i det här fallet över hela flockens bredd.

Bialek och co börjar med att analysera positionen och hastigheten för mellan 122 och 4268 starar i 21 distinkta flockningsevenemang. De använder dessa data för att räkna ut sambanden mellan enskilda fåglars rörelse i flocken och variansen av deras hastigheter i förhållande till genomsnittet.

Dessa mätningar visar att fåglarnas beteende är extraordinärt finjusterat. Enskilda fåglar flyger med en hastighet som liknar deras grannars hastighet. Med andra ord matchar de både hastigheten och riktningen för fåglar som flyger i närheten.

Detta väcker en intressant fråga. Varje fågels beteende är korrelerat med sina närmaste grannar, men under vanliga förhållanden bör denna korrelation avta över någon karakteristisk avståndsskala, vanligtvis inte mycket längre än avståndet mellan fåglarna själva.

Så genom detta sätt att tänka kan bara närliggande fåglar synkroniseras och skapa små oberoende grupper.

Hur kan då hela flocken bli synkroniserad? Det är här lite fysik kommer till nytta. Fysiker har länge känt till fasförändringar i system där en liten förändring i en parameter kan leda till en enorm förändring av systemets bulkegenskaper.

Ett känt exempel är en magnet där en liten temperaturförändring gör att spinnen i en magnet plötsligt riktas in. Under denna temperatur är bulkbeteendet som en magnet, under denna temperatur är materialet inte en magnet.

Den viktiga poängen är dock att när denna förändring sker, blir snurr som är åtskilda av stora avstånd korrelerade. Faktum är att korrelationsskalan blir oändligt stor.

Den punkt där detta inträffar i ett system är känd som en kritisk punkt. Det som verkar tydligt med flockning är att det också bara kan inträffa vid en kritisk punkt där korrelationsskalan sträcker sig över hela flocken. När detta händer uppträder alla små grupper av grannfåglar som en, vilket är det som skapar det karakteristiska flockningsbeteendet.

Detta kritiska beteende faller naturligt ur den modell som Bialek och co har skapat och som de med stor tydlighet beskriver som ett system av fjädrar som förbinder varje fågel med sina närmaste grannar och som kan ställas in på ett sätt som förändrar deras inflytande. på varandra.

Vid första anblicken verkar det anmärkningsvärt att det komplexa beteendet hos ett så stort antal individuella organismer kan balanseras så fint att de fungerar vid en kritisk punkt.

Biologiskt kan fåglar variera sina hastigheter antingen av individuella skäl eller för att följa sina grannar, parallellt med de konkurrerande krafterna som fångas i modellen. I detta språk är den kritiska punkten platsen där sociala krafter överväldigar individuella preferenser, säger Bialek och co.

Men det antyder är att det är något speciellt med fåglars sociala beteende som leder till denna kritiska punkt. Hur fåglar hanterar de sociala interaktionerna är inte klart men de ger verkligen en stor fördel. När en flock opererar bort från den kritiska punkten kan en fågel i utkanten av flocken bara påverka sina närmaste grannar när ett rovdjur närmar sig.

Men allt det förändras när flocken opererar vid den kritiska punkten. I så fall kan en individ som upptäcker ett rovdjur påverka hela flockens beteende. Det finns faktiskt mycket bevis för att flockar är anmärkningsvärt immuna mot rovdjursattacker. Vi vet att attacker av rovdjur på en flock har mycket låga framgångar, säger Bialek och co.

Det är en fascinerande inblick i den komplexa fysiken bakom ett anmärkningsvärt och vackert biologiskt fenomen. Det kan också ge insikt i hur artificiella system kan utnyttja kritikalitet. Det är inte svårt att föreställa sig hur detta beteende kan vara användbart för att kontrollera svärmar av robotar eller till och med från att dirigera information över nätverk.

Ref: arxiv.org/abs/1307.5563 : Sociala interaktioner dominerar hastighetskontroll i att driva naturliga flockar mot kritiskhet

Dölj