ムクドリの群れが一斉に飛び、それぞれの鳥が巧みに振り付けられたダンスのように飛び回る壮観なショーです。誰もが、いつ、どこで向きを変えるべきかを正確に知っているようです。今回、研究者は初めて、その知識が群れをどのように移動するかを測定しました。これは、液体ヘリウムの特定の量子現象を反映した動作です。
「これは、グループがどのように一斉に動くかを詳細に調べた最初の研究の 1 つです」と、研究には参加していないスウェーデンのウプサラ大学の David Sumpter 氏は述べています。
ムクドリの群れが飛ぶ驚くべき調和は、長い間、研究者やバードウォッチャーを困惑させてきました。 1930 年代、鳥類学者のエドマンド・セルースは、鳥がテレパシーを介して協力することさえ提案しました。その後、研究者は数学的モデルを使用して、より科学的に健全なアイデアに目を向けました。
1990 年代、ブダペストにあるエトヴェシュ ロラーンド大学の物理学者タマス ヴィチェクは、最も成功したモデルの 1 つを思いつきました。このモデルは、各鳥が隣の鳥と同じ方向に飛ぶという原理に基づいています。鳥が右に曲がると、隣の鳥は向きを変えて整列します。このモデルは多くの特徴をよく再現していますが (たとえば、群れがランダムな配置からどのように素早く整列するかなど)、イタリアとアルゼンチンの研究者チームは、群れがどのように回転するかを詳細に正確に記述していないことを発見しました.
ローマの複雑系研究所の物理学者 Andrea Cavagna と Asja Jelic が率いるチームは新しい研究で、高速度カメラを使用して、地元の鉄道駅の近くを飛んでいるムクドリを撮影しました。 .記録されたビデオで追跡ソフトウェアを使用することで、チームは個々の個体がいつ、どこで向きを変えるかを特定し、その決定が群れをどのように通過するかを追跡できるようにしました。追跡データは、向きを変えるようにというメッセージが一握りの鳥から始まり、毎秒 20 ～ 40 メートルの一定の速度で群れを通り抜けることを示しました。つまり、400 羽の鳥のグループの場合、群れ全体が向きを変えるのに 0.5 秒強かかるということです。
「これは測定の真の傑作です」と、インドのハイデラバードにあるタタ基礎研究所の学際科学センターの Sriram Ramaswamy は言います。彼はこの研究には参加していません。
各鳥に向きを変えるように指示する情報が一定の速度で移動するという事実は、Vicsek モデルと矛盾していると Cavagna は言います。そのモデルは、情報が散逸することを予測している、と彼は説明します。もしそれが正しければ、すべての鳥が間に合うようにメッセージを受け取るわけではなく、群れは一斉に飛ぶことができません.
チームは、隣人が飛ぶ方向をコピーする代わりに、鳥が隣人がどれだけ鋭く曲がるかをコピーすることを提案しています。研究者は、ターンが群れをどのように移動するかについての数学的な説明を導き出しました。彼らは、各鳥が物理学における素粒子のスピンに似たスピンと呼ばれる特性を持っていると仮定しました。互いのスピンを一致させることで、鳥は群れの総スピンを保存しました。その保存の結果、方程式は、鳥に方向を変えるように伝える情報が群れを一定の速度で移動することを示しました。これは研究者が観察したとおりです。誰もがほぼ一斉に向きを変えることができるのは、この一定の速度であると、チームは本日Nature Physicsでオンラインで報告しています .
新しいモデルはまた、群れがうまく整列している場合、情報がより速く移動することを予測しています。これは、チームが観察した別のことです、と Cavagna は言います。他のモデルは、その関係を予測または説明しません。 「これは秩序だった群れを持つための進化の原動力かもしれません」と彼は言います。なぜなら、鳥はより迅速に行動し、潜在的な捕食者を逃れることができるからです.
興味深いことに、新しいモデルは、超流動ヘリウムを記述する方程式と数学的に同一である、と Cavagna は付け加えます。ヘリウムを絶対零度近くまで冷却すると、量子物理学の法則に従って、粘性をまったく持たない液体になります。超流動内のすべての原子は同じ量子状態にあり、数学的にムクドリの群れに似た凝集力を示します。
これらの類似点は、物理学と数学の奥深い原則が多くの物理システムにどのように適用されるかを示す例だと Cavagna は言います。実際、この理論は、魚の群れや移動する細胞の集合体など、他のタイプの集団行動にも適用できるとサンプター氏は言います。
Vicsek モデルや、群れを一種の流体として扱うモデルなど、他のモデルはおそらく、より長い時間と長さのスケールで群れの行動を記述していると Ramaswamy は言います。しかし、まだ比較的単純な原理に基づいている新しいモデルが、より短いスケールで動作を正確に再現できることは注目に値します。 「それはクールだと思います」と彼は言います。 "それは本当に達成です。"
サンプターは同意します。 「テレパシーによる説明について考える必要がないというのは、一種の安心感です」と彼は言います。
