Математический анализ раскрыл биологические основы утреннего птичьего хора

Математик Александр Кей разработал модель рассветного птичьего хора, которая объясняет синхронизацию пения взаимодействием света и звука. Исследование показало, что явление, казавшееся сложным, вытекает из простых правил поведения каждой отдельной птицы.

Каждому любителю природы знакомо явление, когда на рассвете вдруг включается «целый птичий оркестр». Это происходит не в полной темноте и не средь бела дня, а в узком временном промежутке, когда небо еще темное, но уже достаточно светлое. Почему это происходит одновременно и почему птицы так хорошо синхронизируются?

До работы Кея из Уорикского университета эту синхронизацию объясняли в основном на уровне популяции — мол, птицы просто реагируют на световые условия. Новый подход принципиально отличается: он показывает, что синхронность возникает из-за взаимодействия простых правил, которым следует каждая птица.

Ключевое понимание связано с теорией катастроф — математической концепцией, описывающей системы, которые внезапно меняют свое поведение, хотя влияющие на них факторы меняются плавно. Классический пример: дерево под постепенно усиливающимся ветром стоит себе и стоит — и вдруг ломается. Так и с птицами: свет нарастает постепенно, но пение включается не постепенно, а резко, почти одновременно.

Как это работает в деталях? Кей создал модель, в которой у каждой птицы есть два типа входной информации: уровень окружающего света и звуки от других птиц поблизости. У каждой птицы есть свой порог пения — индивидуальная чувствительность. Когда сумма этих двух стимулов превышает личный порог птицы, она начинает петь.

Вот почему это важно: птицы не одинаковы. Зарянки, например, просыпаются раньше других, потому что их зрительная система особенно чувствительна к слабому освещению. Они начинают петь при очень тусклом свете. Когда они включаются в работу, их голоса становятся «звуковым стимулом» для соседних птиц. Другие птицы, которые в одиночку при таком уровне освещенности еще не запели бы, теперь реагируют на двойной стимул: свет плюс звуки соседей. Так волна пения распространяется по популяции.

Модель Кея использует вероятностное распределение для учета естественной вариативности поведения. Это важно: в природе нет двух абсолютно одинаковых птиц, и всегда есть место случайности. Исследователь протестировал модель на компьютерных симуляциях с тысячами виртуальных птиц и обнаружил, что теория точно воспроизводит реальное поведение.

Практический смысл этого открытия заключается в том, что очень сложное явление (синхронный хор из сотен птиц) объясняется очень простыми механизмами на уровне отдельных особей. Это означает, что подобные модели можно использовать не только для птиц.

Модель Кея можно применить и к другим животным системам, в которых у особей разные пороги чувствительности к стимулам. Это относится к хорам насекомых, синхронизации брачного поведения у земноводных, групповому поиску пищи и даже социальным явлениям у людей — например, спонтанным аплодисментам на концерте, когда один человек начинает хлопать, а остальные присоединяются к нему.

Для расширения модели Кей планирует сравнить ее прогнозы с реальными записями утреннего птичьего хора из разных мест и в разное время года. Она также собирается добавить в модель биологические факторы, которые в реальности влияют на пение: температуру воздуха, осадки, ветер и присутствие хищников. Все эти переменные влияют на поведение птиц, и их включение сделает модель еще точнее.

Исследование опубликовано в Journal of the Royal Society Interface и открывает новое направление в изучении коллективного поведения животных — с помощью простых математических моделей, которые можно проверить и адаптировать под реальные данные.

Источник: Phys.org