Dokonalá synchronizácia

Pozorovanie kŕdľa vtákov môže byť úžasné, pretože vtáky sa často pohybujú dokonale synchronizovane a vytvárajú hypnotické tvary, akoby boli jedným organizmom a riadila ich jediná myseľ.

Fyzici už dlho skúmajú, ako vzniká kolektívne správanie systémov z interakcie ich jednotlivých komponentov. Typickým príkladom sú magnety zložené z malých častí, ktoré si možno predstaviť ako ručičky kompasu. Niekedy sú ručičky usporiadané a každá sa zarovná so svojím susedom, za iných podmienok si zasa každá robí, čo chce. To, akým spôsobom interagujú jednotlivé častice so svojím blízkym okolím, určuje vlastnosti celého systému.

Obrovský kŕdeľ škorcov počas fenoménu známeho ako murmurácia, foto wikipédia/Airwolfhound

Susedský vzťah

Už pred vyše štvrťstoročím si fyzici John Toner a Yuhai Tu uvedomili, že správanie vtákov v kŕdli sa spomínaným časticiam v niečom podobá. Tak ako sa fyzikálne častice snažia zarovnať so svojím susedom, aj vtáky sa snažia synchronizovať so svojím okolím. Každý vták sa usiluje letieť rovnakým smerom ako jeho susedia. Z tohto a z niekoľkých ďalších predpokladov odvodili J. Toner a Y. Tu pohybovú rovnicu, ktorá nápadne pripomína rovnice hydrodynamiky. Komplexnou a sofstikovanou matematikou ukázali, že rozumné predpoklady o správaní biologických systémov platia pre pozorované správanie kŕdľov, stád, svoriek, čried, rojov či húfov. Kľúčový rozdiel v porovnaní s atómom je taký, že kým napríklad v kove je poloha atómov zafxovaná, vtáky v kŕdli sa pokojne presúvajú hore-dole. Inak sa však matematický opis naozaj podobá na známe fyzikálne modely. Na otázku, či je snaha o synchronizáciu so susedmi dostatočná na vysvetlenie kolektívneho správania alebo treba odpoveď hľadať v zložitej matematike, odpovedal výskum z roku 2012. Kým prvý spomínaný výskum bol detailný a komplexný po matematickej stránke, tento bol v istom slova zmysle jeho pravým opakom. Autori v ňom predpokladali iba snahu každého vtáka synchronizovať sa s najbližšími susedmi. Nekládli žiadnu ďalšiu podmienku a zo všetkých možných modelov vyberali ten najpravdepodobnejší. Ide o princíp maximálnej entropie.

Doména fyziky

Mláďa škorca obyčajného, foto Pixabay

Z minima dát dokázali autori presne opísať správanie celého kŕdľa škorcov obyčajných (Sturnus vulgaris). Zistili, že každý jedinec si všíma svojich približne 11 najbližších susedov – či už sú blízko alebo ďaleko – a s nimi sa snaží zrovnať smer letu. Niekedy časť vtákov, najčastejšie na kraji kŕdľa, náhodne zmení smer. Keď jeden z nich napríklad zahliadne chutnú mušku, zrazu sa stočí a kŕdľom sa preženie vlna zmeny smeru. Práve takéto správanie narastajúcich fuktuácií vysvetlil prvý spomínaný výskum. Prečo je v tomto prípade fyzika prekvapivo vhodná na opis biologického systému? Jedným z hlavných rozdielov medzi fyzikou a biológiou je, že kým fyzici skúmajú jednoduché veci, ktoré sa spolu správajú zložito, u biológov je to naopak. Atómy vodíka a hélia sú pomerne jednoduché, keď ich však nahromadíte dosť, máte dočinenia so zložitým správaním hviezd. Biológovia zasa skúmajú veci, ktoré sú na prvý pohľad často jednoduché, no na bunkovej úrovni podliehajú množstvu komplexných chemických kaskád a interakcií. Z tohto pohľadu sú kŕdle a húfy naozaj fyzikálne – z jednoduchých častí vzniká zložitý celok.

Samuel Kováčik
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave
Foto Pixabay
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.

Komentáre