Прогресс в понимании коллективного разума роя может изменить всё: от лечения рака до взаимодействия в социальных сетях.
Птицы делают это. Пчелы делают это. Рыбы делают это. Даже бактерии делают это. Все эти животные объединяются в большие группы, ведущие себя особым сложным образом. Они становятся единым сверхорганизмом, в котором целое значит больше, чем сумма составляющих. Хотя для разных видов мы называем такое коллективное поведение по-разному, например стая или стадо, по своей сути это всегда рой.
Большинство из нас так или иначе сталкивалось с роем, будь это стая скворцов, ранним вечером выделывающих свои акробатические номера, или стадо овец, перемещающееся по полю. Легко вообразить себе, что между участниками действа существует своего рода телепатическая связь, позволяющая им координировать движения.
Биологи уже много десятков лет разбираются в поведении индивидуумов и небольших групп, но понять, как отдельные существа формируют большой коллектив и как они сохраняют единство в этих своих невероятных формациях, оказалось куда сложнее.
Теперь благодаря новым методикам воспроизведения изображения, позволяющим одновременно отслеживать большое количество отдельных существ в рое, новым статистическим методам и мощным процессорам, способным обрабатывать огромные объемы данных, ученые начинают понимать роение как никогда прежде. И это понимание может принести плоды в областях, очень и очень далеких от бихевиористики.
НАЧНЕМ С ПРОСТОГО
Первая попытка разобраться в роении с помощью компьютеров была предпринята в 1986 году. Специалист по графике Крейг Рейнольдс (Craig Reynolds), в то время работавший в Symbolics, Inc. (США), придумал компьютерную модель поведения птиц в стае. В этой модели порожденные им существа были названы boids — языковая игра, когда слово birds (англ. «птицы») произносится с типичным нью-йоркским акцентом. Рейнольдс запрограммировал их поведение так, чтобы оно подчинялось трем простым правилам. Все «бойды» должны лететь, избегая чрезмерного сближения с соседями в стае. Все они должны в среднем повторять курс полета соседей в стае и не должны от них отдаляться. Выяснилось, что поведение коллектива «бойдов» удивительно напоминает поведение стай птиц в естественной среде. К слову, модифицированная версия этой модели была использована для создания стай летучих мышей и пингвинов в фильме 1992 года «Бэтмен возвращается».
В реальном мире основные правила поведения роя похожи на те, что были использованы для «бойдов» Рейнольдса. Но у каждого вида свой способ координации роя и, главное, своя мотивация для его образования. Тонкие различия в поведении разных роев остаются предметом всесторонних исследований, а открытия нередко делаются людьми, которые, подобно Рейнольдсу, на короткой ноге как с миром природы, так и с техническим и компьютерным программным обеспечением.
Стоит отметить усилия д-ра Кевина Пассино (Kevin Passino), профессора электротехники и компьютерной инженерии из университета штата Огайо (США). Он работал с Кевином Шульцем (Kevin Schultz), инженером из того же университета, и Томом Сили (Tom Seeley), нейробиологом из Корнеллского университета (США), над съемками пчелиного роя в высоком разрешении — нелегкое дело, учитывая непредсказуемость движения роя. Ученым удалось это проделать, перевезя колонию пчел с побережья Мэна на остров Эпплдор, где практически не было высоких растений, на которых рой смог бы устроиться. Затем экспериментаторы заставили пчел перелететь со столба в удобный улей. Проанализировав более 3,5 тыс. кадров, ученые получили возможность создать изображение движения многих отдельных пчел.
К тому моменту уже было известно, что пчелы-стрикеры, отыскивающие новые места для устройства ульев, исполняют танец, чтобы передать информацию о выбранном месте. Но было непонятно, как эти пчелы приводят туда остальных членов колонии. «Мы обнаружили, что пчелы-стрикеры просто быстро летят, а другие пчелы видят их и бросаются в погоню, двигаясь таким образом в правильном направлении», — объяснил Пассино. Сейчас он изучает, как пчелы добывают нектар. Этот способ в будущем может быть воспроизведен в другого рода рое — беспилотных летательных аппаратов. Как выяснилось, в пчелином рое пчелы распределяются по разным местам для максимизации добычи.
Замените пчел крошечными летательными аппаратами, а нектар — пропавшими путешественниками, и преимущества от копирования поведения пчел станут очевидными. Военные уже давно работают над роями роботов, но большинство роботов запрограммировано получать команды централизованно. Для имитации природных процессов любой самый миниатюрный аппарат должен принимать сигналы от своих соседей независимо и использовать инстинктивный алгоритм пчел по добыче нектара. Пассино считает, что такое станет возможным лишь лет через 10.
Но если говорить о роении, то наиболее сложно устроенными, похоже, являются некоторые из самых маленьких живых организмов — бактерии. Это может показаться удивительным, но микробам тоже свойственно роение — они объединяются в группы для защиты или формируют «полосы движения».
«Некоторые бактерии, подобно следопытам, больше передвигаются, — поясняет профессор Эшель Бен-Якоб (Eshel Ben-Jacob) из Школы физики и астрономии Тель-Авивского университета (Израиль). — Некоторые играют роль строителей. По мере движения отдельные следопыты превращаются в строителей и отмечают границы пути для бактерий, которые последуют за ними».
Может показаться, что это похоже на поведение муравьев, которые метят маршрут при помощи феромонов. Но в действительности бактерии их превосходят. Феромон-послание муравья остается неизменным, когда муравей отправляется дальше, а послания бактерий могут меняться. Бактерии могут не только выделять химические вещества при разметке пути, но и просто оставаться на всем протяжении дороги — живые бактерии формируют пограничные стены и действуют как дозорные. Столкнувшись с проблемой, они могут слать химические сигналы своим соседям.
Интеллект «роев» бактерий привлекает интерес в неожиданных областях. Google недавно пригласил профессора Бен-Якоба для обсуждения возможности использования принципов коммуникации бактерий для социальных сетей, в которых создание новых связей между людьми часто тормозится языковыми барьерами. «Колония бактерий — это разнообразные клетки, каждая из которых обладает особыми возможностями для коммуникации, — разъясняет Бен-Якоб. — Их можно рассматривать как человеческое общество с людьми — носителями разных диалектов. Успешная коммуникация в таком сообществе требует от каждого ее члена языковой гибкости, то есть способности понимать различные диалекты. Хотя язык бактерий и не отличается развитой грамматикой, языковая гибкость у него высокая».
Но, пожалуй, наиболее перспективно применение выводов из изучения «роения» бактерий в сфере медицины. «В своем распространении по телу рак использует тот же базовый механизм, что и бактерии, — замечает израильский ученый. — Он даже использует те же молекулы для коммуникации. Стоит понять принцип коммуникации — и можно будет вступить в борьбу с раком».
ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ РОЕНИЕ
Исследования этого феномена не ограничиваются низшими формами. «Роение» у самих людей также начинает привлекать внимание ученых. Профессор Иэйн Кузен (Iain Couzin), эколог из Принстонского университета (США), применяет для анализа движения толпы те же методы, что и для обнаружения закономерностей движений в стаях цикад и косяках рыб. «Моделирование и отслеживание очень похожи — мы используем тот же компьютерный код, — рассказывает Кузен. — Выяснив, как люди движутся и взаимодействуют в толпе, мы сможем разработать модели, воспроизводящие важные аспекты поведения толпы, например эвакуацию из зданий». Этот подход себя уже оправдал. Эксперимент, проведенный в Халлском и Лидском университетах (Великобритания), показал, что люди с большей вероятностью последуют за лидерами, если эти лидеры движутся вместе, не разделяясь. «Если они держатся вместе, их влияние возрастает», — пояснил Кузен.
В отличие от пчел и бактерий мы, люди, не эволюционировали для жизни в больших группах. Так что если удастся лучше понять освоенное нами групповое поведение, то можно и исправить ошибки, когда что-то пойдет не так. А поняв действия видов, более искушенных в групповом поведении, мы сможем извлечь выгоды из их групповой гениальности.
(с) Джо Карлоуи