Opublikowano: 11 marca 2025 r. / Zaktualizowano: 11 marca 2025 r. – Autor: Konrad Wolfenstein
Inteligencja roju i badania nad rojem z wykorzystaniem rzeczywistości wirtualnej: niemieccy naukowcy analizują roje szarańczy – Zdjęcie: Xpert.Digital
Badania VR ujawniają nowe struktury w rojach szarańczy
Przełom w badaniach nad szarańczą: obalenie długoletnich teorii
Szarańcza pustynna cieszy się przerażającą sławą od czasów biblijnych. Z rojami liczącymi nawet 50 milionów osobników, ten gatunek owadów może siać spustoszenie, pożerając całe regiony i tym samym zagrażając bezpieczeństwu żywnościowemu. Teraz naukowcy z Uniwersytetu w Konstancji i Instytutu Zachowań Zwierząt im. Maxa Plancka uzyskali przełomową wiedzę na temat organizacji tych rojów, obalając długo obowiązujące teorie. Wykorzystując innowacyjną technologię wirtualnej rzeczywistości, naukowcy byli w stanie wykazać, że roje szarańczy organizują się zasadniczo inaczej, niż wcześniej zakładano. Badanie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Science”, wywraca do góry nogami istniejące modele wyjaśniające i dostarcza ważnych spostrzeżeń, które mogą przyczynić się do lepszego przewidywania i kontroli plag szarańczy.
Nadaje się do:
Zjawisko rojów szarańczy i jego globalne znaczenie
Szarańcza pustynna (Schistocerca gregaria) należy do najbardziej imponujących przykładów zachowań zbiorowych w świecie zwierząt. Te nielotne, młode owady, zwane nimfami, początkowo żyją w izolacji. Jednak w pewnych warunkach gromadzą się w ogromne roje i rozpoczynają migrację – nie bez celu, lecz w skoordynowanym ruchu, jakby sterowanym centralnie. Te ogromne roje owadów mogą liczyć nawet 50 milionów osobników, co czyni je jednymi z największych kolektywów zwierzęcych na naszej planecie.
Skutki takich rojów szarańczy są katastrofalne. Naukowcy szacują, że zagrażają one środkom do życia około jednej dziesiątej osób na świecie. Konkretnym przykładem była masowa plaga szarańczy w Rogu Afryki w latach 2019-2020, która zniszczyła produkcję rolną i wywołała głód. Dlatego badania naukowe nad mechanizmami prowadzącymi do powstawania i przemieszczania się takich rojów mają nie tylko znaczenie teoretyczne, ale również istotne znaczenie praktyczne dla globalnego bezpieczeństwa żywnościowego.
Poprzednia teoria: szarańcza jako „samonapędzające się cząstki”
Przez dziesięciolecia zbiorowe zachowanie rojów szarańczy było wyjaśniane za pomocą koncepcji z fizyki teoretycznej. W tym modelu owady są traktowane jako „samonapędzające się cząstki”, które dostosowują swoje położenie i kierunki ruchu do swoich bezpośrednich sąsiadów. Teoria ta zakłada, że wystarczy, aby poszczególne osobniki dostosowały się tylko do swoich bezpośrednich sąsiadów, aby wygenerować spójny ruch w całym roju.
Kolejnym kluczowym elementem tego wcześniejszego wyjaśnienia było założenie, że zagęszczenie zwierząt jest kluczowym czynnikiem w przejściu od ruchu chaotycznego do uporządkowanego, rojowego. Zgodnie z tą hipotezą, przejście do ruchu skoordynowanego rozpoczyna się, gdy tylko wystarczająca liczba zwierząt zgromadzi się w ograniczonej przestrzeni. Teoria ta wydawała się tak przekonująca, że przez dziesięciolecia stanowiła standardowy model wyjaśniający ruchy zbiorowe w królestwie zwierząt.
Co ciekawe, wcześniejsze badania prowadzone przez Iaina Couzina, który jest również zaangażowany w obecne badanie, dostarczyły już innych zaskakujących spostrzeżeń na temat zachowań rojowych szarańczy. Jego zespół odkrył, że kanibalizm może być czynnikiem napędzającym ich ruchy migracyjne – szarańcze poruszają się do przodu, aby uniknąć zjedzenia od tyłu. To odkrycie sugeruje już, że w grę mogą wchodzić bardziej złożone zachowania niż tylko reakcje fizyczne.
Innowacyjne podejście badawcze: wirtualna rzeczywistość ujawnia tajemnice roju.
Aby lepiej zrozumieć złożone interakcje w rojach szarańczy, zespół badawczy pod kierownictwem Iaina Couzina z klastra doskonałości „Zachowania zbiorowe” na Uniwersytecie w Konstancji oraz Instytutu Zachowań Zwierząt im. Maxa Plancka zastosował rewolucyjne podejście: wirtualną rzeczywistość (VR). „Niezwykle trudno jest dostrzec mechanizmy interakcji w mobilnych grupach zwierząt” – wyjaśnia Couzin. „Jednostki wpływają na siebie nawzajem i jednocześnie podlegają wpływom zachowań innych, w ramach złożonej interakcji”.
Aby rozwiązać ten problem, naukowcy opracowali zaawansowaną konfigurację VR. Pojedyncze żywe koniki polne umieszczono na poruszającej się piłce, podobnej do bieżni, co umożliwiło im swobodne poruszanie się. Wokół nich naukowcy wyświetlali nawet 64 fotorealistyczne wirtualne koniki polne, dzięki czemu prawdziwe owady czuły się, jakby znajdowały się w naturalnym roju. Ta innowacyjna metoda pozwoliła naukowcom precyzyjnie kontrolować, jakie informacje były dostępne dla żywego konika polnego – ile innych zwierząt znajdowało się w jego pobliżu i w jakim kierunku się poruszały.
W szczególnie odkrywczym eksperymencie naukowcy umieścili prawdziwe szarańcze między dwoma wirtualnymi, trójwymiarowymi rojami. Ten eksperymentalny układ pozwolił im dokładnie sprawdzić, czy zwierzęta rzeczywiście zareagują na zachowanie swoich najbliższych sąsiadów, jak wcześniej zakładano, i będą się z nimi przemieszczać jako zjednoczony rój.
Zaskakujące wyniki: zmiana paradygmatu w badaniach nad rojem
Wyniki eksperymentów były zaskakujące i fundamentalnie podważały dotychczasową teorię. Wbrew oczekiwaniom badaczy, prawdziwe szarańcze nie poruszały się w tym samym kierunku, tworząc część dużego, jednolitego roju. Zamiast tego, skierowały się w stronę jednego z wirtualnych rojów i ruszyły prosto na niego.
Ta obserwacja pokazała naukowcom, że tak zwana „reakcja optomotoryczna” – wrodzony odruch, który powoduje, że szarańcza podąża za sensorycznymi wrażeniami ruchu – nie jest przyczyną skoordynowanego, zbiorowego ruchu. W rzeczywistości naukowcy nie znaleźli żadnych dowodów na to, że szarańcza w ogóle dostosowuje swoją pozycję i kierunek ruchu do swoich sąsiadów.
„Pojedyncze zwierzęta nie są cząsteczkami” – wyjaśnia Iain Couzin. „Musimy traktować szarańcze jako poznawcze, działające podmioty, które obserwują swoje otoczenie i na tej podstawie podejmują decyzje o tym, dokąd się udać”. Naukowcy zakładają obecnie, że formowanie się roju zależy od każdego osobnika szarańczy w znacznie większym stopniu, niż wcześniej sądzono.
Eksperymenty wykazały również, że zwierzęta czasami zbaczały z ustalonego kursu, nawet gdy obok nich poruszały się dwa roje w tym samym kierunku. Co więcej, zespół nie znalazł dowodów na to, że zagęszczenie osobników, jak wcześniej zakładano, jest czynnikiem wyzwalającym ruch rojowy.
Praktyczne implikacje dla zwalczania plag szarańczy
Nowe odkrycia mają dalekosiężne implikacje praktyczne. Lepsze zrozumienie fundamentalnych mechanizmów rojenia i przemieszczania się owadów może pomóc w przewidywaniu zachowań owadów i opracowaniu skuteczniejszych strategii zwalczania plag szarańczy.
Biorąc pod uwagę, że roje szarańczy zagrażają źródłom utrzymania około jednej na dziesięć osób, znaczenia tych badań nie można przecenić. Niszczycielski wpływ plagi szarańczy na Rogu Afryki w latach 2019-2020, która doprowadziła do nieurodzaju i głodu, podkreśla pilną potrzebę udoskonalenia mechanizmów prognozowania i kontroli.
Uświadomienie sobie, że szarańcze nie działają jedynie jako cząstki fizyczne, lecz jako indywidualne podmioty poznawcze z własnymi procesami decyzyjnymi, otwiera nowe perspektywy kontrolowania rojów. Zamiast polegać wyłącznie na zakrojonych na szeroką skalę środkach kontroli, przyszłe strategie mogłyby w większym stopniu koncentrować się na zrozumieniu i wpływaniu na indywidualne procesy decyzyjne.
Nadaje się do:
Przyszłe kierunki badań i „Centrum Wizualnego Obliczenia Kolektywów”
Te przełomowe odkrycia stanowią dopiero początek nowego rozumienia zachowań zbiorowych. Aby pogłębić tę dziedzinę badań, Iain Couzin zainicjował w Konstancji powstanie „Centrum Wizualnego Obliczenia Kolektywów”. Centrum to, będące jednym z najnowocześniejszych ośrodków badań nad zachowaniami grupowymi, będzie obserwować roje zwierząt w wirtualnych, holograficznych środowiskach 3D i analizować ich ruchy.
Równolegle zespół Couzina bada również proces podejmowania decyzji przestrzennych u różnych gatunków zwierząt. Niedawne badanie opublikowane w PNAS pokazuje, jak zwierzęta przetwarzają złożoność swojego otoczenia, sprowadzając świat do kolejnych decyzji, wybierając zaledwie dwie opcje. Odkrycia te sugerują, że fundamentalne zasady geometrii mogą wyjaśnić, jak i dlaczego zwierzęta poruszają się w określony sposób – podejście, które można by również zastosować do zrozumienia rojów szarańczy.
Nowa era w badaniach nad zachowaniami zbiorowymi
Badania naukowców z Uniwersytetu w Konstancji i Instytutu Zachowań Zwierząt im. Maxa Plancka stanowią punkt zwrotny w rozumieniu zachowań zbiorowych w świecie zwierząt. Kwestionując ugruntowaną teorię „samonapędzających się cząstek”, otwierają oni nową perspektywę, która postrzega koniki polne i inne zwierzęta jako indywidualnych decydentów, których zbiorowe zachowania wynikają ze złożonych procesów poznawczych.
Zastosowanie innowacyjnej technologii rzeczywistości wirtualnej okazało się kluczem do sukcesu. Umożliwiło ono naukowcom rozszyfrowanie dotychczas nieprzeniknionej złożoności kolektywów zwierzęcych i uzyskanie fundamentalnych informacji na temat organizacji roju. Odkrycia te mogą nie tylko zrewolucjonizować nasze teoretyczne rozumienie zachowań zbiorowych, ale także zaoferować praktyczne rozwiązania w walce z plagami szarańczy, które zagrażają bezpieczeństwu żywnościowemu na całym świecie.
Praca zespołu Iaina Couzina, który otrzymał już prestiżową Nagrodę Gottfrieda Wilhelma Leibniza za badania w dziedzinie zachowań zbiorowych, podkreśla wagę badań interdyscyplinarnych na styku biologii, informatyki i fizyki. W imponujący sposób pokazuje, jak nowoczesne technologie mogą pomóc nam odkryć fascynujące sekrety natury, jednocześnie opracowując praktyczne rozwiązania palących problemów globalnych.
Nadaje się do:
Twój globalny partner w zakresie marketingu i rozwoju biznesu
☑️Naszym językiem biznesowym jest angielski lub niemiecki
☑️ NOWOŚĆ: Korespondencja w Twoim języku narodowym!
Konrad Wolfenstein
Chętnie będę służyć Tobie i mojemu zespołowi jako osobisty doradca.
Możesz się ze mną skontaktować wypełniając formularz kontaktowy lub po prostu dzwoniąc pod numer +49 7348 4088 965 (Monachium) . Mój adres e-mail to: wolfenstein ∂ xpert.digital
Nie mogę się doczekać naszego wspólnego projektu.
