27. októbra 2020
Vtaky

Fyzika kŕdľa vtákov

Ak sa na jeseň častejšie pohybujete vo vinohradoch, určite si videli majestátny kŕdeľ vtákov, napríklad škorcov. „Dokonalá synchronizácia“ asi nie je slovné spojenie, ktoré nám pri vtákoch príde na um ako prvé. Skôr si vybavíme, ako sedia na konároch a ziapu po sebe od svitu do mrku. A predsa, zrazu sa pohybujú dokonale synchronizovane, vytvárajú hypnotické tvary, ako keby boli jedným organizmom, akoby ich riadila jedna myseľ. Ako je to možné?

Ak sa na jeseň častejšie pohybujete vo vinohradoch a máte PhD z fyziky interagujúcich častíc, možno vám správanie vtákov niečo pripomína. Fyzici už dlho skúmajú, ako vzniká kolektívne správanie systémov z interakcie ich jednotlivých komponentov. Typickým príkladom sú magnety, ktoré sa skladajú z malých častí, ktoré si môžete predstaviť ako ručičky kompasu. Niekedy sú ručičky usporiadané a každá sa zarovná so svojim susedom. Za iných podmienok si zas každá robí, čo chce. To, akým spôsobom interagujú jednotlivé častice so svojim malým okolím, určuje vlastnosti celého systému.

Už pred vyše štvrťstoročím si fyzici Toner a Tu uvedomili, že správania vtákov v kŕdli je tomuto v niečom podobné. Tak, ako sa fyzikálne častice snažia zarovnať so svojim susedom, tak sa aj vtáky snažia synchronizovať so svojim okolím. Každý vták sa snaží sa letieť rovnakým smerom, ako jeho susedia. Z tohto a z niekoľkých ďalších predpokladov odvodili Toner a Tu pohybovú rovnicu, ktorá nápadne pripomína rovnice hydrodynamiky. Komplexnou a sofistikovanou matematikou ukázali, že rozumné predpoklady o správaní biologických systémov naozaj vedú na pozorované správanie kŕdľov, stád, svoriek, čried, rojov či húfov.

Kľúčový rozdiel oproti atómom je taký, že kým v napríklad v kove je poloha atómov zafixovaná, vtáky v kŕdli sa pokojne presúvajú hore-dole. Inak sa však matematický opis naozaj podobá na známe fyzikálne modely.

Je snaha o synchronizáciu so susedmi dostatočná na vysvetlenie kolektívneho správania? Alebo treba odpoveď hľadať v zložitej matematike? Na túto otázku odpovedal výskum z roku 2012. Kým prvý spomínaný článok bol detailný a komplexný po matematickej stránke, tento bol v istom slova zmysle jeho pravým opakom. Autori povedali, že predpokladajú len snahu každého vtáka synchronizovať sa s najbližšími susedmi – a nič viac. Nekladú žiadnu ďalšiu podmienku a zo všetkých možných modelov vyberajú ten najpravdepodobnejší. Hovorí sa tomu princíp maximálnej entropie. Čo zistili?

Škorec obyčajný je neobyčajne pekný! wiki

Z úplného minima dát dokázali veľmi presne opísať správania celého kŕdľa. Skúmali správanie (krásneho) škorca obyčajného. Zistili, že každý vták si všíma svojich zhruba 11 najbližších susedov – či už sú blízko alebo ďaleko – a s nimi sa snaží zrovnať smer letu. Niekedy časť vtákov, typicky niekde na kraji, náhodne zmení smer. Možno jeden z nich zahliadol chutnú mušku, zrazu sa stočil a kŕdľom sa prehnala vlna „zmeny smeru“. Práve takéto správanie narastajúcich fluktuácií vysvetlil prvý spomínaný výskum.

Prečo je v tomto prípade fyzika prekvapivo vhodná na opis biologického systému? Dobrá otázka! Ako jeden z hlavných rozdielov medzi fyzikou a biológiou vnímam, že kým fyzici skúmajú jednoduché veci, ktoré sa spolu správajú zložito, biológovia to majú presne naopak. Atómy vodíka a hélia sú pomerne jednoduché, keď ich však nahromadíte dosť, máte čo do činenia so zložitým správaním hviezd. Biológovia zas skúmajú veci, ktoré sú z nášho pohľadu často pomerne jednoduché, no na bunkovej úrovni podliehú množstvu komplexných chemických kaskád a interakcií. Z tohto pohľadu sú kŕdle a húfy naozaj fyzikálne – z jednoduchých častí vzniká zložitý celok.

[Samuel]

Pridaj komentár