Опубликовано: 11 марта 2025 г. / Обновлено: 11 марта 2025 г. – Автор: Konrad Wolfenstein
Роевой интеллект и исследования роев с помощью виртуальной реальности: немецкие ученые анализируют рои саранчи – Изображение: Xpert.Digital
Исследования с использованием виртуальной реальности выявили новые структуры в роях саранчи
Прорыв в исследовании саранчи: опровергнуты давние теории
Саранча из пустыни имеет устрашающую репутацию еще со времен Библии. Рои этого вида насекомых, насчитывающие до 50 миллионов особей, способны сеять хаос, пожирая целые регионы и тем самым ставя под угрозу продовольственную безопасность. Теперь исследователи из Университета Констанца и Института поведения животных им. Макса Планка получили новаторские данные об организации этих роев, опровергнув давно устоявшиеся теории. Используя инновационную технологию виртуальной реальности, ученые смогли продемонстрировать, что рои саранчи организуются принципиально иначе, чем предполагалось ранее. Это исследование, опубликованное в престижном журнале «Science», переворачивает существующие объяснительные модели с ног на голову и предоставляет важные данные, которые могут способствовать лучшему прогнозированию и контролю нашествий саранчи.
Подходит для:
Феномен нашествия саранчи и его глобальное значение
Саранча пустынная (Schistocerca gregaria) — один из самых впечатляющих примеров коллективного поведения в животном мире. Эти нелетающие молодые насекомые, называемые нимфами, изначально живут изолированно. Однако при определенных условиях они собираются в огромные рои и начинают мигрировать — не бесцельно, а скоординированно, как будто под централизованным управлением. Эти огромные рои насекомых могут насчитывать до 50 миллионов особей, что делает их одними из крупнейших животных коллективов на нашей планете.
Последствия таких нашествий саранчи разрушительны. По оценкам исследователей, они угрожают средствам к существованию примерно каждого десятого человека в мире. Конкретным примером этого стало массовое нашествие саранчи на Африканском Роге в 2019-2020 годах, которое опустошило сельскохозяйственное производство и вызвало голод. Поэтому научные исследования механизмов, приводящих к формированию и перемещению таких роев, представляют не только теоретический интерес, но и имеют значительное практическое значение для глобальной продовольственной безопасности.
Предыдущая теория: Саранча как «самодвижущиеся частицы»
На протяжении десятилетий коллективное поведение роев саранчи объяснялось с помощью концепции из теоретической физики. В этой модели насекомые рассматриваются как «самодвижущиеся частицы», которые выравнивают свои положения и направления движения со своими ближайшими соседями. Эта теория предполагает, что для создания согласованного движения всего роя достаточно, чтобы отдельные особи выравнивались только со своими ближайшими соседями.
Ещё одним ключевым элементом этого предыдущего объяснения было предположение, что плотность животных является решающим фактором в переходе от беспорядочного к упорядоченному роевому движению. Согласно этой гипотезе, переход к скоординированному движению начинается, как только достаточное количество животных собирается в ограниченном пространстве. Эта теория казалась настолько убедительной, что на протяжении десятилетий служила стандартной моделью для объяснения коллективных движений в животном мире.
Интересно, что предыдущие исследования, проведенные Иэном Кузеном, который также участвует в текущем исследовании, уже принесли другие удивительные результаты относительно роевого поведения саранчи. Его команда обнаружила, что каннибализм может быть движущим фактором их миграционных движений — саранча движется вперед, чтобы избежать нападения сзади. Это открытие уже предполагало, что здесь могут действовать более сложные модели поведения, чем просто физические реакции.
Инновационный исследовательский подход: виртуальная реальность раскрывает секреты роя
Чтобы лучше понять сложные взаимодействия внутри саранчи, исследовательская группа под руководством Иэна Кузена из Центра передового опыта «Коллективное поведение» Университета Констанца и Института поведения животных имени Макса Планка применила революционный подход: виртуальную реальность (VR). «Чрезвычайно сложно выявить механизмы взаимодействия в подвижных группах животных», — объясняет Кузен. «Отдельные особи влияют друг на друга и одновременно подвергаются влиянию поведения других, образуя сложное взаимодействие»
Для решения этой проблемы исследователи разработали сложную систему виртуальной реальности. Отдельных живых кузнечиков помещали на движущийся шар, похожий на беговую дорожку, что позволяло им свободно перемещаться. Вокруг них ученые проецировали до 64 фотореалистичных виртуальных кузнечиков, так что настоящие насекомые чувствовали себя частью естественного роя. Этот инновационный метод позволил исследователям точно контролировать, какая информация доступна живому кузнечику — сколько других животных находится поблизости и в каком направлении они движутся.
В одном особенно показательном эксперименте исследователи поместили настоящих саранчу между двумя виртуальными трехмерными роями. Эта экспериментальная установка позволила им конкретно проверить, будут ли животные действительно реагировать на поведение своих непосредственных соседей, как предполагалось ранее, и двигаться вместе с ними как единый рой.
Удивительные результаты: Сдвиг парадигмы в исследованиях роевого поведения
Результаты экспериментов оказались неожиданными и коренным образом поставили под сомнение существующую теорию. Вопреки ожиданиям исследователей, настоящие саранча двигались не в том же направлении, что и большая однородная стая. Вместо этого они поворачивали в сторону одной из виртуальных саранчей и двигались прямо к ней.
Это наблюдение показало ученым, что так называемая «оптомоторная реакция» — врожденный рефлекс, заставляющий саранчу следовать сенсорным ощущениям движения, — не является причиной скоординированного коллективного движения. Более того, исследователи не обнаружили никаких доказательств того, что саранча вообще выравнивает свое положение и направление движения, ориентируясь на своих соседей.
«Отдельные животные — это не частицы, — объясняет Иэн Кузин. — Мы должны рассматривать саранчу как когнитивных, действующих субъектов, которые наблюдают за окружающей средой и на основе этого принимают решения о том, куда двигаться дальше». Теперь исследователи предполагают, что формирование роя в гораздо большей степени зависит от каждой отдельной саранчи, чем считалось ранее.
Эксперименты также показали, что животные иногда отклонялись от общего курса, даже когда рядом с ними двигались две группы в одном направлении. Кроме того, команда не обнаружила никаких доказательств того, что плотность особей, как предполагалось ранее, является фактором, запускающим роевое движение.
Практические аспекты борьбы с нашествиями саранчи
Новые данные имеют далеко идущие практические последствия. Лучшее понимание фундаментальных механизмов роения и передвижения может помочь прогнозировать поведение насекомых и разработать более эффективные стратегии борьбы с нашествиями саранчи.
Учитывая, что нашествия саранчи угрожают средствам к существованию примерно каждого десятого человека, важность этого исследования невозможно переоценить. Разрушительные последствия нашествия саранчи в районе Африканского Рога в период с 2019 по 2020 год, приведшие к неурожаям и голоду, подчеркивают острую необходимость в улучшении механизмов прогнозирования и борьбы с вредителями.
Осознание того, что саранча действует не просто как физические частицы, а как отдельные когнитивные агенты со своими собственными процессами принятия решений, открывает новые подходы к контролю над роями. Вместо того чтобы полагаться исключительно на крупномасштабные меры контроля, будущие стратегии могут в большей степени сосредоточиться на понимании и влиянии на индивидуальные процессы принятия решений.
Подходит для:
Перспективные направления исследований и «Центр визуальных вычислений для коллективов»
Эти новаторские открытия представляют собой лишь начало нового понимания коллективного поведения. Для дальнейшего развития этой области исследований Иэн Кузин инициировал создание в Констанце «Центра визуальных вычислений коллективов». Этот центр, который станет одним из самых современных центров для исследования группового поведения, будет наблюдать за группами животных в виртуальных голографических 3D-средах и анализировать их движения.
Параллельно команда Кузена также исследует пространственное принятие решений у различных видов животных. Недавнее исследование, опубликованное в PNAS, показывает, как животные обрабатывают сложность окружающей среды, сводя мир к последовательным решениям между всего двумя вариантами. Эти результаты предполагают, что фундаментальные геометрические принципы могут объяснить, как и почему животные двигаются именно так — подход, который также может быть применен для понимания поведения роев саранчи.
Новая эра в изучении коллективного поведения
Исследование ученых из Университета Констанца и Института поведения животных им. Макса Планка знаменует собой поворотный момент в понимании коллективного поведения в животном мире. Бросая вызов давно устоявшейся теории «самоуправляемых частиц», они открывают новую перспективу, рассматривая кузнечиков и других животных как отдельных субъектов, принимающих решения, чье коллективное поведение является результатом сложных когнитивных процессов.
Использование инновационных технологий виртуальной реальности оказалось ключом к успеху. Это позволило исследователям расшифровать ранее недоступную для понимания сложность сообществ животных и получить фундаментальные знания об организации роев. Эти открытия могут не только произвести революцию в нашем теоретическом понимании коллективного поведения, но и предложить практические решения для борьбы с нашествиями саранчи, угрожающими продовольственной безопасности во всем мире.
Работа команды Иэна Кузена, уже удостоенной престижной премии имени Готфрида Вильгельма Лейбница за исследования в области коллективного поведения, подчеркивает важность междисциплинарных исследований на стыке биологии, информатики и физики. Она впечатляюще демонстрирует, как современные технологии могут помочь нам разгадать захватывающие тайны природы, одновременно разрабатывая практические решения актуальных глобальных проблем.
Подходит для:
Ваш глобальный партнер по маркетингу и развитию бизнеса
☑️ Наш деловой язык — английский или немецкий.
☑️ НОВИНКА: Переписка на вашем национальном языке!
Konrad Wolfenstein
Я был бы рад служить вам и моей команде в качестве личного консультанта.
Вы можете связаться со мной, заполнив контактную форму или просто позвоните мне по телефону +49 89 89 674 804 (Мюнхен) . Мой адрес электронной почты: wolfenstein ∂ xpert.digital
Я с нетерпением жду нашего совместного проекта.
