Почему птицы не сталкиваются в полёте?

Кто же не видел стаи птиц. А помните, как они синхронно меняют направление в полете? Разве это не удивительно? Как они это делают?

Стаи скворцов – одно из удивительных явлений природы. Сотни, если не тысячи, птиц одновременно взмахивают крыльями, демонстрируя чудеса пилотажа. Движения каждой особи выглядят случайными, но птицы никогда не сталкиваются друг с другом, будто управляемые невидимым дирижёром. Стая скворцов – яркий пример способности птиц к синхронному полёту. Биологов не перестаёт мучать вопрос: как птицы в полёте умудряются избегать столкновений.

Вот как это выглядит на видео …

https://www.youtube.com/watch?v=RbbPsuHGtRw

Профессор Квинслендского университета Мандьям Шринивасан полагает, что птицы сумели выработать стратегию безаварийного полёта под воздействием длительной эволюции. Механика птичьего полёта давно интересовала Шринивасана, и он решил провести серию экспериментов с волнистыми попугайчиками, чтобы смоделировать их траекторию. Он отметил, что птицы были склонны всегда огибать препятствие справа, что способствовало плавному движению. В течение 120 наблюдений не произошло ни одного столкновения.

Испытательный туннель. Синими и красными пунктирными линиями показаны поля зрения камер наблюдения

Профессор Мандиам Сринивазан (Mandyam Srinivasan) из Университета Квинсленда (Австралия) поставил задачу изучить, какие именно стратегии применяют птицы для избежания столкновения на встречных курсах. Для этого с двух сторон туннеля длиной 21,6 метра выпускались пары птиц навстречу другу. Представляющие интерес потенциальные действия птиц принимались за гипотезы в байесовской сети для вычисления их вероятности. Предсказанные вероятности сравнивалась с наблюдаемыми фактами. Таким образом исследователи делали выводы о стратегиях ухода от столкновений, которые действуют у птиц.

Перед началом испытаний 10 волнистых попугайчиков (Melopsittacus undulatus) мужского пола были обучены пролетать туннель от начала до конца в одиночку.

За 4 дня было записано 102 экспериментальных полётов 7 пар, составленных из 10 волнистых попугайчиков. Не было зафиксировано ни одного столкновения. Затем провели анализ видеозаписей с фиксацией, каким образом птицы смещались в стороны или по высоте при приближении друг к другу.

Результаты оказались довольно неожиданными. Как видно из таблицы, птицы показали склонность почти всегда смещаться вправо, хотя вероятность такого смещения сильно варьируется от особи к особи.

Это очень любопытный вывод. Проведённые ранее исследования на пчёлах показали, что пчёлы склонны смещаться влево при сближении друг с другом. Так или иначе, но склонность смещаться в какую-то определённую сторону является важным знанием. Очевидно, это знание должно быть одинаковым у всех особей в популяции. Если птицы будут при сближении смещаться в случайную сторону, то при выборе влево/вправо вероятность столкновения составит 50%.

Попугайчики в туннеле летали на разной высоте. Учёные обнаружили, что некоторые конкретные особи явно предпочитают лететь ниже/выше другой конкретной особи, что не укладывается нормальное распределение.

https://www.youtube.com/watch?v=aKrhQqFxhq0

Предпочтение конкретной особи лететь выше или ниже другой особи

Несмотря на отдельные случаи изменения высоты полёта, в целом птицы при сближении не меняют высоту, а смещаются в горизонтальной плоскости. Чаще всего — вправо. Учёные делают вывод о наличии у волнистых попугайчиков своеобразных правил движения, зашитых на «аппаратном уровне». Вероятно, это может быть связано с разницей в левом и правом полушариях головного мозга. Так, у попугайчиков правое полушарие и левый глаз отвечают за тактические задачи, такие как обнаружение вероятного столкновения в полёте. В свою очередь, левое полушарие и правый глаз занимаются другими вещами, такими как обслуживание полёта и контроль скорости. Кстати, это одно из эволюционных преимуществ животных с разными функциями левого и правого полушарий (подробнее см. научную работу «Выживание с асимметричным мозгом: преимущества и недостатки церебральной латерализации»).

Таким образом, исследование подтвердило, что наличие самых простых общих правил позволит животным или машинам избежать столкновения.

Во-первых, нужно договориться смещаться в одну сторону. Неважно — влево или вправо, но все должны смещаться в одну сторону.

Во-вторых, выработать алгоритм изменения высоты. Один из участников движения должен смещаться вверх, а другой — вниз. Правила изменения высоты можно реализовать разными способами. Например, присвоить иерархический порядковый номер каждому отдельному самолёту. При встрече самолёт с более высоким номером в иерархии всегда смещается вверх, а с более низким — вниз. Универсальную иерархию непросто внедрить, да и она требует обмена информацией между судами перед сближением. Другой вариант — установить каждому самолёту правило случайного смещения вверх или вниз. В этом случае риск столкновения уменьшится со 100% до 50%.

Учёным пока не удалось понять, каким образом птицы выбирают направление смещения по высоте. Возможно, у них тоже действует некая иерархия.

Но действительно ли секрет синхронного полёта настолько прост?

Ширинвасан с коллегами использовали видеокамеры с возможностью высокоскоростной записи для фиксации полёта 10 попугайчиков с противоположных концов туннеля. Они обнаружили, что для избежания столкновений птицы использовали двоякую технику. Во-первых, встречая в воздухе другую птицу, они отклоняются вправо. Во-вторых, они выбирают, лететь им выше или ниже встречной птицы. Пока остаётся неясным, что влияет на выбор высоты. Профессор предполагает, что, возможно, к этому имеет отношение иерархия птиц в стае, и планирует продолжать исследования.

Хотя работы профессора Ширинвасана позволяют по-новому взглянуть на полёт попугайчиков, они не объясняют механику полёта всех птиц. В стае попугайчиков иная социальная структура, чем, скажем, у скворцов или альбатросов, так что сложно на одном примере делать выводы о синхронном полёте всего спектра пернатых. Также встаёт вопрос о том, были ли попугайчики домашними или дикими, и какое влияние прирученность животных оказывает на их полёт.

В результате других исследований, посвящённых птичьим стаям, были сделаны не менее важные выводы. Например, итальянский физик Андреа Кавагна обнаружил у скворцов развитую систему взаимооповещения. В доли секунды одна особь может передать другим сигнал, направляющий всю стаю прочь от хищника или в обход препятствия. А Дэвид Уильямс из Университета Вашингтона обнаружил, что голуби перемещаются в тесноте, используя различные позиции крыльев. Манипулируя аэродинамикой своего тела, голуби оказываются способны летать с невероятно высокой скоростью в сложном окружении, например, в городской среде.

Голуби складывают крылья, чтобы пролететь между препятствиями: