Рой — коллективное движение организмов¶
Рой — это скопление большого числа однородных живых организмов, перемещающихся как единое целое: птицы, насекомые, рыбы или млекопитающие. В узком смысле под роем чаще понимают скопление пчёл, покидающих улей при роении, либо плотную стаю перелётных птиц. Общие признаки роя — согласованность движений при отсутствии центрального руководителя и высокая плотность особей.
¶Рой как физическое явление
Плотные скопления особей возникают у самых разных животных. У птиц это стаи скворцов, вьюрков, стрижей и щурок; у насекомых — скопления саранчи, комаров, рои пчёл и шмелей; у рыб — косяки сельди и анчоусов; у млекопитающих — скопления летучих мышей в пещерах и стада антилоп при миграции.
Общие свойства роя:
- Самоорганизация — порядок возникает без лидера: каждая особь реагирует на поведение нескольких ближайших соседей.
- Высокая плотность — расстояние между соседями сопоставимо с размером тела.
- Согласованное движение — коллектив меняет направление и скорость почти одновременно.
- Защитная функция — плотная масса затрудняет нападение хищника на отдельную особь (эффект «запутывания»).
¶Математическое моделирование роя
Первую модель коллективного движения предложил итальянский физик Илья Пригожин в 1950-х годах. В 1980-х годах физик Тамас Вичек и его коллеги в Будапеште сформулировали простое правило: каждая особь стремится лететь в том же направлении, что и её ближайшие соседи. Компьютерные эксперименты показали, что этого правила достаточно для возникновения крупных упорядоченных скоплений.
В 1987 году биолог Крейг Рейнольдс создал компьютерную модель «boids» (от bird-like objects), описывающую поведение стаи птиц тремя правилами:
- Разделение — избегать столкновений с ближайшими соседями.
- Выравнивание — лететь в направлении средней скорости соседей.
- Сближение — держаться ближе к центру масс соседей.
Этих трёх правил оказалось достаточно для достоверной анимации полёта птиц и объяснения устойчивости роя.
¶Рой пчёл
В пчеловодстве роем называют группу пчёл (обычно 10—20 тысяч), покидающих материнский улей вместе с маткой. Роение — способ естественного размножения пчелиной семьи. Перед роением пчёлы отстраивают новые маточники, выводят молодую матку, а затем часть семьи вместе со старой маткой улетает и висит снопом на ветке, пока разведчицы не выберут новое место для жилища.
Роение имеет сезонный характер: в средней полосе России основные рои выходят в мае — июне. Пчеловоды используют ловушки-роевни и практикуют искусственное размножение семей, чтобы предотвратить незапланированный уход пчёл.
¶Рой и интеллект
Понятие «коллективный интеллект» (swarm intelligence) возникло в 1990-х годах для описания того, как группы простых агентов решают сложные задачи без центрального контроля. Модели роя применяются при разработке алгоритмов оптимизации, управления беспилотными аппаратами и распределёнными системами.
Российские учёные внесли вклад в изучение коллективного поведения. Ленинградский биолог-кибернетик Виктор Блехман занимался математическим описанием синхронизации биологических процессов, в том числе коллективного движения. Исследования роевых алгоритмов ведутся в российских университетах и институтах РАН.
¶Рой в культуре
Образ роя — плотного скопления существ, движущихся как единое целое, — получил развитие в литературе и кинематографии. В фантастике встречается мотив «роя» как саморегулирующейся системы, состоящей из множества простых элементов. В русской поэзии стая птиц традиционно служит образом коллективного движения и свободы.
¶Применение роевых алгоритмов
Роевые алгоритмы (swarm optimization) используются для решения задач коммивояжёра, распределения нагрузки в компьютерных сетях, планирования маршрутов беспилотников. В России подобные методы применяются в логистике и промышленной автоматизации.
¶Интересные факты
- Самые плотные скопления птиц — мурмуррации стрижей — могут насчитывать сотни тысяч особей и занимать километры в поперечнике.
- Рои саранчи способны покрывать площади в сотни квадратных километров и уничтожать урожаи на своём пути.
- В 2000-х годах исследователи с помощью GPS-трекеров впервые получили точные данные о трёхмерной структуре роя птиц.
¶Источники
- Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса
- Рейнольдс К. Flocks, Herds, and Schools: A Distributed Behavioral Model (1987)
- Вичек Т. и др. Statistical mechanics of self-driven particles
- Энциклопедия пчеловодства