Πώς τα σμήνη πουλιών είναι σαν υγρό ήλιο

Ένα κοπάδι από ψαρόνια πετά σαν ένα, μια εντυπωσιακή εμφάνιση στην οποία κάθε πουλί πετάει περίπου σαν σε έναν καλά χορογραφημένο χορό. Όλοι φαίνεται να ξέρουν ακριβώς πότε και πού να στραφούν. Τώρα, για πρώτη φορά, οι ερευνητές μέτρησαν τον τρόπο με τον οποίο αυτή η γνώση κινείται στο κοπάδι - μια συμπεριφορά που αντικατοπτρίζει ορισμένα κβαντικά φαινόμενα υγρού ηλίου.

"Αυτή είναι μια από τις πρώτες μελέτες που αγγίζουν τις λεπτομέρειες του τρόπου με τον οποίο οι ομάδες κινούνται από κοινού", λέει ο David Sumpter από το Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Η αξιοσημείωτη συμφωνία με την οποία πετούν τα κοπάδια ψαρονιών έχει προβληματίσει εδώ και καιρό ερευνητές και παρατηρητές πουλιών. Στη δεκαετία του 1930, ο ορνιθολόγος Έντμουντ Σέλους πρότεινε μάλιστα να συνεργαστούν τα πουλιά μέσω τηλεπάθειας. Οι ερευνητές στράφηκαν από τότε σε πιο επιστημονικά έγκυρες ιδέες, χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα.

Τη δεκαετία του 1990, ο φυσικός Tamás Vicsek του Πανεπιστημίου Eötvös Loránd στη Βουδαπέστη σκέφτηκε ένα από τα πιο επιτυχημένα μοντέλα, το οποίο βασίζεται στην αρχή ότι κάθε πουλί πετά προς την ίδια κατεύθυνση με τα γείτονά του. Εάν ένα πουλί στρέφει τη σωστή γωνία, αυτά που βρίσκονται δίπλα του θα στρίψουν για να παραμείνουν ευθυγραμμισμένα. Αν και αυτό το μοντέλο αναπαράγει καλά πολλά χαρακτηριστικά—π.χ. πώς ένα κοπάδι ευθυγραμμίζεται γρήγορα από μια τυχαία διάταξη—μια ομάδα ερευνητών από την Ιταλία και την Αργεντινή ανακάλυψε τώρα ότι δεν περιγράφει με ακρίβεια πώς γυρίζουν τα κοπάδια.

Στη νέα τους μελέτη, η ομάδα, με επικεφαλής τους φυσικούς Andrea Cavagna και Asja Jelic του Ινστιτούτου Πολύπλοκων Συστημάτων στη Ρώμη, χρησιμοποίησε κάμερες υψηλής ταχύτητας για να κινηματογραφήσει ψαρόνια - που είναι συνηθισμένα στη Ρώμη και σχηματίζουν θεαματικά σμήνη - που πετούσαν κοντά σε έναν τοπικό σιδηροδρομικό σταθμό . Χρησιμοποιώντας λογισμικό παρακολούθησης στο εγγεγραμμένο βίντεο, η ομάδα μπορούσε να εντοπίσει πότε και πού αποφασίζουν να στραφούν τα άτομα, πληροφορίες που τους επέτρεψαν να παρακολουθήσουν τον τρόπο με τον οποίο η απόφαση σαρώνει στο κοπάδι. Τα δεδομένα παρακολούθησης έδειξαν ότι το μήνυμα για στροφή ξεκίνησε από μια χούφτα πουλιά και σάρωσε το κοπάδι με σταθερή ταχύτητα μεταξύ 20 και 40 μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Αυτό σημαίνει ότι για μια ομάδα 400 πουλιών, χρειάζεται μόλις λίγο περισσότερο από μισό δευτερόλεπτο για να γυρίσει ολόκληρο το κοπάδι.

"Είναι μια πραγματική περιοδεία μέτρησης", λέει ο Sriram Ramaswamy του Κέντρου Διεπιστημονικών Επιστημών του Ινστιτούτου Θεμελιωδών Ερευνών Tata στο Hyderabad της Ινδίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Το γεγονός ότι οι πληροφορίες που λένε σε κάθε πουλί να στρίβει κινείται με σταθερή ταχύτητα έρχεται σε αντίθεση με το μοντέλο του Vicesek, λέει ο Cavagna. Αυτό το μοντέλο προβλέπει ότι οι πληροφορίες διαχέονται, εξηγεί. Αν ήταν σωστό, δεν θα έπαιρναν όλα τα πουλιά το μήνυμα να στρίψουν εγκαίρως και το κοπάδι δεν θα μπορούσε να πετάξει ως ένα.

Η ομάδα προτείνει, αντί να αντιγράψει την κατεύθυνση προς την οποία πετάει ένας γείτονας, ένα πουλί να αντιγράψει την απότομη στροφή ενός γείτονα. Οι ερευνητές εξήγαγαν μια μαθηματική περιγραφή του τρόπου με τον οποίο μια στροφή κινείται μέσα στο κοπάδι. Υπέθεσαν ότι κάθε πουλί είχε μια ιδιότητα που ονομάζεται σπιν, παρόμοια με τις περιστροφές των στοιχειωδών σωματιδίων στη φυσική. Ταιριάζοντας το ένα το γύρισμα του άλλου, τα πουλιά διατήρησαν το συνολικό γύρισμα του κοπαδιού. Ως αποτέλεσμα αυτής της διατήρησης, οι εξισώσεις έδειξαν ότι οι πληροφορίες που λένε στα πουλιά να αλλάξουν κατεύθυνση ταξιδεύουν μέσα στο κοπάδι με σταθερή ταχύτητα - ακριβώς όπως παρατήρησαν οι ερευνητές. Είναι αυτή η σταθερή ταχύτητα που επιτρέπει σε όλους να στρίβουν σχεδόν ομόφωνα, αναφέρει η ομάδα σήμερα στο διαδίκτυο στο Nature Physics .

Το νέο μοντέλο προβλέπει επίσης ότι οι πληροφορίες ταξιδεύουν πιο γρήγορα εάν το σμήνος είναι καλά ευθυγραμμισμένο - κάτι άλλο που παρατήρησε η ομάδα, λέει ο Cavagna. Άλλα μοντέλα δεν προβλέπουν ούτε εξηγούν αυτή τη σχέση. "Αυτή θα μπορούσε να είναι η εξελικτική ώθηση για να έχουμε ένα διατεταγμένο κοπάδι", λέει, επειδή τα πουλιά θα μπορούσαν να ελίσσονται πιο γρήγορα και να ξεφεύγουν από πιθανούς θηρευτές, μεταξύ άλλων.

Είναι ενδιαφέρον, προσθέτει ο Cavagna, ότι το νέο μοντέλο είναι μαθηματικά πανομοιότυπο με τις εξισώσεις που περιγράφουν το υπερρευστό ήλιο. Όταν το ήλιο ψύχεται κοντά στο απόλυτο μηδέν, γίνεται υγρό χωρίς καθόλου ιξώδες, όπως υπαγορεύεται από τους νόμους της κβαντικής φυσικής. Κάθε άτομο στο υπερρευστό βρίσκεται στην ίδια κβαντική κατάσταση, εμφανίζοντας μια συνοχή που είναι μαθηματικά παρόμοια με ένα κοπάδι ψαρονιών.

Οι ομοιότητες είναι ένα παράδειγμα του πόσο βαθιές αρχές στη φυσική και στα μαθηματικά εφαρμόζονται σε πολλά φυσικά συστήματα, λέει ο Cavagna. Πράγματι, η θεωρία θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε άλλους τύπους ομαδικής συμπεριφοράς, όπως κοπάδια ψαριών ή συγκροτήματα κινούμενων κυττάρων, λέει ο Sumpter.

Άλλα μοντέλα, όπως το μοντέλο Vicsek ή άλλα που αντιμετωπίζουν το κοπάδι ως ένα είδος υγρού, πιθανώς εξακολουθούν να περιγράφουν τη συμπεριφορά του κοπαδιού σε μεγαλύτερες κλίμακες χρόνου και μήκους, λέει ο Ramaswamy. Αλλά είναι αξιοσημείωτο ότι το νέο μοντέλο, το οποίο εξακολουθεί να βασίζεται σε σχετικά απλές αρχές, μπορεί να αναπαράγει με ακρίβεια τη συμπεριφορά σε μικρότερες κλίμακες. «Νομίζω ότι είναι ωραίο», λέει. "Αυτό είναι ένα επίτευγμα, πραγματικά."

Ο Σάμπτερ συμφωνεί. "Είναι κάπως καθησυχαστικό ότι δεν χρειάζεται να σκεφτόμαστε την τηλεπαθητική εξήγηση", λέει.