Опубліковано: 11 березня 2025 р. / Оновлено: 11 березня 2025 р. – Автор: Konrad Wolfenstein
Ройовий інтелект та дослідження роїв за допомогою віртуальної реальності: німецькі вчені аналізують рої сарани – Зображення: Xpert.Digital
VR-дослідження виявляє нові структури в роях сарани
Прорив у дослідженні сарани: спростовано давні теорії
Пустельна сарана має грізну репутацію з біблійних часів. Зі своїми роями, що налічують до 50 мільйонів особин, цей вид комах може сіяти хаос, пожираючи цілі регіони та тим самим ставити під загрозу продовольчу безпеку. Тепер дослідники з Констанцького університету та Інституту поведінки тварин імені Макса Планка отримали новаторські знання про організацію цих роїв, спростувавши давні теорії. Використовуючи інноваційні технології віртуальної реальності, вчені змогли продемонструвати, що рої сарани організовуються принципово інакше, ніж вважалося раніше. Це дослідження, опубліковане в престижному журналі «Science», перевертає існуючі пояснювальні моделі з ніг на голову та надає важливі дані, які можуть сприяти кращому прогнозуванню та контролю нашестя сарани.
Підходить для цього:
Феномен нашестя сарани та його глобальне значення
Пустельна сарана (Schistocerca gregaria) є одними з найвражаючих прикладів колективної поведінки у тваринному світі. Молоді комахи, які не можуть літати, називаються німфами, спочатку живуть ізольованими особинами. Однак за певних умов вони збираються у величезні рої та починають мігрувати — не безцільно, а скоординовано, ніби централізовано керовано. Ці величезні рої комах можуть налічувати до 50 мільйонів особин, що робить їх одним з найбільших тваринних колективів на нашій планеті.
Наслідки таких нашестя сарани є руйнівними. Дослідники підрахували, що вони загрожують життєдіяльності приблизно кожної десятої людини у світі. Конкретним прикладом цього було масове нашестя сарани на Африканському Розі між 2019 і 2020 роками, яке спустошило сільськогосподарське виробництво та спричинило голод. Тому наукові дослідження механізмів, що призводять до формування та переміщення таких роїв, мають не лише теоретичний інтерес, але й значне практичне значення для глобальної продовольчої безпеки.
Попередня теорія: сарана як «саморушні частинки»
Протягом десятиліть колективну поведінку роїв сарани пояснювали за допомогою концепції теоретичної фізики. У цій моделі комахи вважаються «саморушними частинками», які вирівнюють свої положення та напрямки руху зі своїми безпосередніми сусідами. Ця теорія припускає, що окремим особинам достатньо вирівнюватися лише зі своїми безпосередніми сусідами, щоб створити узгоджений рух по всьому рою.
Ще одним ключовим елементом цього попереднього пояснення було припущення, що щільність тварин є вирішальним фактором у переході від невпорядкованого до впорядкованого ройового руху. Згідно з цією гіпотезою, перехід до скоординованого руху починається, як тільки достатня кількість тварин збирається в обмеженому просторі. Ця теорія здавалася настільки переконливою, що протягом десятиліть служила стандартною моделлю для пояснення колективних рухів у тваринному світі.
Цікаво, що попередні дослідження під керівництвом Ієна Кузіна, який також бере участь у поточному дослідженні, вже дали інші несподівані висновки щодо ройової поведінки сарани. Його команда виявила, що канібалізм може бути рушійним фактором їхніх міграційних переміщень – сарана рухається вперед, щоб уникнути поїдання ззаду. Це відкриття вже свідчить про те, що можуть бути присутніми складніші моделі поведінки, ніж просто фізичні реакції.
Інноваційний підхід до дослідження: віртуальна реальність розкриває таємниці рою.
Щоб краще зрозуміти складні взаємодії всередині роїв сарани, дослідницька група під керівництвом Ієна Кузіна з Кластера передового досвіду «Колективна поведінка» в Університеті Констанца та Інституті поведінки тварин імені Макса Планка застосувала революційний підхід: віртуальну реальність (VR). «Відомо, що розрізнити механізми взаємодії в мобільних групах тварин надзвичайно важко», – пояснює Кузін. «Особини впливають одна на одну та одночасно зазнають впливу поведінки інших у складній взаємодії».
Щоб вирішити цю проблему, дослідники розробили складну систему віртуальної реальності. Окремих живих коників розмістили на рухомій кулі, схожій на бігову доріжку, що дозволило їм вільно рухатися. Навколо них вчені проектували до 64 фотореалістичних віртуальних коників, щоб справжні комахи вважали, що вони знаходяться в природному рої. Цей інноваційний метод дозволив дослідникам точно контролювати, яка інформація була доступна живому конику — скільки інших тварин було поблизу нього та в якому напрямку вони рухалися.
В особливо показовому експерименті дослідники розмістили справжню сарану між двома віртуальними тривимірними роями. Така експериментальна установка дозволила їм цілеспрямовано перевірити, чи тварини дійсно реагуватимуть на поведінку своїх безпосередніх сусідів, як передбачалося раніше, і рухатимуться разом з ними єдиним роєм.
Несподівані результати: зміна парадигми в дослідженнях роїв
Результати експериментів були несподіваними та фундаментально спростували існуючу теорію. Всупереч очікуванням дослідників, справжня сарана не рухалася в одному напрямку, як частина великого, однорідного рою. Натомість вона повернула до одного з віртуальних роїв і рухалася безпосередньо до нього.
Це спостереження показало вченим, що так звана «оптомоторна реакція» — вроджений рефлекс, який змушує сарану слідувати сенсорним враженням від руху — не є причиною скоординованого колективного руху. Фактично, дослідники не знайшли жодних доказів того, що сарана взагалі узгоджує своє положення та напрямок руху на основі своїх сусідів.
«Окремі тварини не є частинками», – пояснює Ієн Кузін. «Ми повинні розглядати сарану як когнітивні, діючі суб’єкти, які спостерігають за своїм середовищем і на основі цього приймають рішення про те, куди рухатися далі». Тепер дослідники припускають, що формування рою набагато більше залежить від кожної окремої сарани, ніж вважалося раніше.
Експерименти також показали, що тварини іноді відхилялися від спільного курсу, навіть коли поруч із ними рухалися два рої в одному напрямку. Крім того, команда не знайшла жодних доказів того, що щільність особин, як передбачалося раніше, є пусковим фактором для ройового руху.
Практичні наслідки боротьби з нашестям сарани
Нові результати мають далекосяжні практичні наслідки. Краще розуміння фундаментальних механізмів роїння та пересування може допомогти передбачити поведінку комах та розробити ефективніші стратегії боротьби з нашестям сарани.
З огляду на те, що нашестя сарани загрожує життєдіяльності приблизно кожної десятої людини, важливість цього дослідження неможливо переоцінити. Руйнівний вплив нашестя сарани на Африканському Розі між 2019 і 2020 роками, яке призвело до неврожаїв та голоду, підкреслює нагальну потребу в удосконаленні механізмів прогнозування та контролю.
Усвідомлення того, що сарана діє не просто як фізичні частинки, а як окремі когнітивні агенти з власними процесами прийняття рішень, відкриває нові підходи до контролю роїв. Замість того, щоб покладатися виключно на масштабні заходи контролю, майбутні стратегії могли б більше зосереджуватися на розумінні та впливі на окремі процеси прийняття рішень.
Підходить для цього:
Майбутні напрямки досліджень та «Центр візуальних обчислень колективів»
Ці новаторські відкриття є лише початком нового розуміння колективної поведінки. Для подальшого розвитку цієї галузі досліджень Ієн Кузен ініціював створення «Центру візуальних обчислень колективів» у Констанці. Цей центр, який буде одним із найсучасніших закладів для дослідження групової поведінки, спостерігатиме за зграями тварин у віртуальних голографічних 3D-середовищах та аналізуватиме їхні рухи.
Паралельно команда Кузена також досліджує просторове прийняття рішень у різних видів тварин. Нещодавнє дослідження, опубліковане в PNAS, показує, як тварини справляються зі складністю свого середовища, зводячи світ до послідовних рішень між лише двома варіантами. Ці висновки свідчать про те, що фундаментальні геометричні принципи можуть пояснити, як і чому тварини рухаються саме так, — підхід, який також може бути застосований для розуміння роїв сарани.
Нова ера у вивченні колективної поведінки
Дослідження вчених з Констанцького університету та Інституту поведінки тварин імені Макса Планка знаменує собою поворотний момент у розумінні колективної поведінки у тваринному світі. Ставлячи під сумнів давно усталену теорію «самокерованих частинок», вони відкривають нову перспективу, яка розглядає коників та інших тварин як індивідуальних осіб, що приймають рішення, чия колективна поведінка є результатом складних когнітивних процесів.
Використання інноваційної технології віртуальної реальності виявилося ключем до успіху. Вона дозволила дослідникам розшифрувати раніше незбагненну складність колективів тварин та отримати фундаментальне розуміння організації роїв. Ці відкриття можуть не лише революціонізувати наше теоретичне розуміння колективної поведінки, але й запропонувати практичні рішення для боротьби з нашестям сарани, яке загрожує продовольчій безпеці в усьому світі.
Робота команди Ієна Кузена, який вже був удостоєний престижної премії Готфріда Вільгельма Лейбніца за дослідження в галузі колективної поведінки, підкреслює важливість міждисциплінарних досліджень на стику біології, інформатики та фізики. Вона вражаюче демонструє, як сучасні технології можуть допомогти нам розкрити захопливі таємниці природи, одночасно розробляючи практичні рішення нагальних глобальних проблем.
Підходить для цього:
Ваш глобальний партнер з маркетингу та розвитку бізнесу
☑ Наша ділова мова - англійська чи німецька
☑ Нове: листування на вашій національній мові!
Konrad Wolfenstein
Я радий бути доступним вам та моїй команді як особистого консультанта.
Ви можете зв’язатися зі мною, заповнивши тут контактну форму або просто зателефонуйте мені за номером +49 89 674 804 (Мюнхен) . Моя електронна адреса: Вольфенштейн ∂ xpert.digital
Я з нетерпінням чекаю нашого спільного проекту.
