羽毛鸟聚集在一起,但图案随任务而改变

2021-01-08 18:41:40

很少有时间来写出我们遇到的每一个很酷的科学故事。因此,今年,我们将再次举办特殊的圣诞节十二天系列文章,重点介绍一个科学故事,该故事从2020年的裂缝中消失,每天从12月25日到1月5日。今天:为什么成群的寒鸦会改变它们的飞行方式,取决于它们是重新栖息,还是聚在一起驱赶掠食者。

根据原定于2020年APS三月会议上提出的研究,由于冠状病毒大流行而被取消的研究表明,成群的野生寒鸦会改变飞行方式,这取决于它们是返回栖息地还是聚集在一起以驱赶掠食者。该工作建立在2019年11月《自然通讯》上发表的早期发现的基础上。有一天,这可能会导致自主机器人集群的发展,这种机器人集群可以更改其交互规则,以响应环境提示执行不同的任务。

斯坦福大学的物理学家转变为环境工程师的Nicholas Ouellette(无关系)的合著者一直对生物群着迷,因为他注意到飞行中的八哥群是如何形成异常形态的,这在他的物理学家看来,看起来很像湍流。他认为这些模式的形成背后必须有潜在的机制-甚至可能是一套适用于不同物种的集体行为的普遍法律。

症结在于,尽管自然界中普遍存在蜂群和蜂群,但每个物种的蜂群或群在工作中的潜在机制方面都有些不同。 Ouellette本人要谨慎区分"植绒"和蜂拥而至,"尽管这些术语通常可以互换使用。对他来说,植绒与净有序运动有关,而" swarming"适用于缺乏总体总体秩序的集体运动。

几十年来,对群聚和植绒的研究主要归功于观察生物学家。但是在1980年代,一位名叫克雷格·雷诺兹(Craig Reynolds)的计算机图形专家开发了所谓的“ boids”。程序,一种基于代理的计算模型,此后一直主导着集体行为研究。在这样的模型中,群体中的每个单独的单元都是以恒定速度沿直线运动的点。通过引入一些有关点之间相互作用的简单规则,一旦点变得足够密集,就会出现植绒图案。另一组规则将产生大量模式,依此类推。

Ouellette认为这种方法不足以真正了解最基本的情况。计算机模拟可能能够产生类似于植绒和蜂群的模式,但这并不意味着这就是各种物种在其自然栖息地中的实际行为。您仍然需要现场工作中的老式观测数据。因此,他选择了双重方法,在标准的粒子建模和统计机制中添加了一个大型的动手实验组件。

早在2018年,我就用Physics World的大量mid虫报道了Ouellette的实验。他将自己的mid虫像大块材料一样对待,戳戳和推动这种材料以测量其反应。这意味着要在实验室中操纵环境条件,以查看群的反应。他和他的团队使用高速摄影机确定每个蚊的位置,速度和加速度,然后使用粒子跟踪计算机程序来重新创建单个轨迹。最困难的部分是分析数据以从噪声中提取大规模的群体特征。

Ouellette在寒鸦群的工作中使用了相同的基本设置,不同的是这次相机是在户外并配备了更长距离的镜头。他与英格兰埃克塞特大学的生物学家亚历克斯·桑顿(Alex Thornton)合作,他通过康沃尔寒鸦(Cornish Jackdaw Project)研究寒鸦已有多年历史了,他通过在英格兰康沃尔郡拍摄野生寒鸦来收集观测数据。

Ouellette和他的合作者记录了16个羊群,并确定了两个不同的品种。鸟类在夜晚飞回家时会形成中转鸡群,而当鸟儿聚集在一起以抵御猎鹰或狐狸等掠食者时,便会发生围攻。 “猎鹰肯定会在猎鹰和寒鸦之间的一对一搏斗中获胜,” Ouellette告诉Ars。 "但是可能有一百只寒鸦击败了猎鹰。研究人员通过向寒鸦群展示一只毛茸茸的狐狸,让狐狸在嘴里抱着一只假的拍打鸟来开始围攻。他们还播放了寒鸦通常用来警告邻居的捕食者并叫他们行动的骂人电话的录音。

寒鸦就像乌鸦一样是柯菲德家族的一员。 "除了集体行为和羊群,所有Corvid都很聪明,并且所有Corvid都有相当发达的社会系统,"欧莱特说。寒鸦也可以终生交配,而这些成对的配对不仅构成了个体鸟类,还形成了一种亚结构。他们在春季和夏季末期筑巢并抚养幼崽。在此期间,一对配对的一半将与后代一起留在巢中,而另一对将作为后代进行觅食。结果,很少形成大型寒鸦群。到了冬天,雏鸡已经出雏,因此没有理由成对分开,而且通常会形成大型过境鸡群。

他的摄像头跟踪系统使他能够确定群中哪些鸟配对,以及与单独鸟相比配对的分数。考虑到这种结构,Ouellette想知道是否有可能分辨出包含成对的鸡群和不成对的鸡群之间的区别。该小组发现,在运输群中,寒鸦通过监视有多少只邻居来定位自己-一定数量的鸟(通常是七或八只),而不管它们之间的距离如何。但是在成对成对较高的过境鸡群中,距离的相互作用较小(通常在三只相邻的鸟类附近)。

相比之下,围攻寒鸦只能通过与其他鸟类保持一定距离来定向自己。 " [聚集]群体是基于物理距离而不是基于计数与邻居交互的,"欧莱特说。围攻群不再显示任何配对,可能是因为成对的两个伴侣不太可能从巢中被吸引来加入暴徒。

在围攻的鸡群中,Ouellette和他的合作者还指出,当鸡群的密度或禽鸟的数量超过临界阈值时,就发生了相变(从混乱中出现秩序),这是以前从未在禽鸟中观察到的。 (请参见上面的嵌入式视频。)小群的鸟类无序,一旦禽鸟的数量超过临界阈值,它们就会突然转变为有序状态。相反,无论羊群的大小和密度如何,过境群都保持秩序。 "使鸡群变得足够致密,以至于它们之间有足够的相互作用,并且个体将自发地形成两极分化,它们都朝着相同的方向运动,"欧莱特说。

"我们的结果表明,即使在不同生态环境中的同一物种内,局部相互作用也存在很大差异。作者在他们的2019年论文中写道。 "不仅限于固定的互动规则,动物还可以在不同的环境中调整对邻居的反应,以稳健地优化其群体功能并最大限度地提高健身效益。

"真正的收获是,您可以将具有相同社会结构的同一只动物放在两个不同的环境中, 欧莱特说。 "在这两种情况下,他们的行为举止一致,但是他们做事的方式根本不同。 并不是说这么简单,就是有羊群,这就是羊群的工作方式。 因此,在对生物系统中的集体行为进行建模时,您不能忽略外部环境。"