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科普園地 | 群鳥如何一起飛翔和移動

媒體:中國野生動物?;ば?nbsp; 作者:Peter Frie
專業號:紅樹林基金會
2019/5/2 21:50:49

一整群鳥以每小時40英里的速度飛行,可以在一瞬間極速轉向。他們是怎么做到的?調查研究比以往任何時候都更接近發現真相。

攝影: Richard Barnes

一群黑壓壓的黑腹濱鷸在沼澤地上空高速盤旋,直到有一只灰背隼出現,它們在同一時刻轉向,明亮的白色臀部閃爍著,以驚人的速度將隊伍重新排列成沙漏形。遙遠的天邊傳來椋鳥群的鳴叫聲,有一萬只,甚至更多,“像醉了酒的指紋印一樣在天空中滾動,”詩人理查德·威爾伯是這樣描寫的,它們在地平線上遮天蔽日,速度像一只舞動的水母。

捕獵中的灰背隼

攝影: 亦諾

從很早的時候開始,人們就把成群結隊飛行的鳥看作一個整體,并對它們是怎么做到的充滿好奇。古羅馬人相信,這是上帝的杰作,鳥類的飛行方式暗示了它們的意圖。20世紀初的科學家們也同樣輕信,發明出諸如“自然心靈感應”或“群體靈魂”這樣神秘甚至虛幻的概念。“這實際上是某種集體思維控制,還能是什么?”1931年,一位英國博物學家哀怨地沉思著。

圖片來源: 騰訊科學

當然,許多鳥類都會成群結隊。但是只有相對少數真正一起飛行,20世紀70年代羅德島大學生物學家弗蘭克·赫普納(Frank Heppner)提出了所謂“飛行群”的概念:即高度組織的航線或集群。鵜鶘、雁和其他水禽會形成一字形或人字形,大概是為了利用空氣動力學來節省體力。但是,最令人印象深刻的飛鳥群應該說是那些形成巨大的,不規則形狀的群體,如椋鳥,濱鷸和黑鳥。它們通常以每小時40英里或更高的速度飛行,在密集的群體中,它們之間的空間可能只比身體長度多一點。然而,它們可以做出驚人的急轉彎,在肉眼看來,動作完全協調一致。想象一下在高速公路上,你和周圍所有高速行駛的司機一起做出完全沒有經過事先排練的躲避動作,你就會了解其中的困難。

難怪觀察家們一直在尋找解釋。現在已經半退休的赫普納30多年來一直在研究群體飛行的鴿子,他認為它們是通過某種基于神經系統的“生物電”進行交流。

然而,如今有賴于從高速攝影到計算機模擬的技術創新,使生物學家能夠前所未有地觀察和分析鳥類群。其他學科的科學家,包括數學家、物理學家,甚至經濟學家也對這一現象產生了新的興趣。因此,研究人員比以往任何時候都更接近群體飛行的真相。

赫普納說:“我們現在還有許多事情搞不清楚,但我認為我們正在向著正確的方向前進,我們將會在未來五年內知道鳥類是如何有組織地成群飛行,以及它們為什么會這樣做。”

從某種層面上講,成群動物同步動作的目的是顯而易見的,無論是鴨子、角馬、鯡魚還是群居的昆蟲。更多的眼睛和耳朵意味著找到食物的機會增加,同時及時發現捕食者的可能性也會增加。

當捕食者猛撲過來的時候,鳥群會作出回應。許多研究表明,群體行動中的個體落單時,幾乎總是更容易受到傷害。這在很大程度上歸因于集團行動所造成的迷惑性。通過群體的快速旋轉或簡單地個體沿軸線上的側身,黑腹濱鷸能夠將它們羽毛的外觀從黑色(上部)轉變為明亮白色(下部),制造出一種快速的閃光效果,可能會驚嚇或迷惑捕食者。研究表明,灰背隼在獵殺濱鳥的過程中,追逐個體時最為成功。鷹隼確實會緊緊地追趕擁擠的黑腹濱鷸和其他濱鳥,但當攻擊導致一只鳥落單時,捕獵的成功率會大幅增加?;瘓浠八?,數量意味著安全,呆在一起的鳥往往會一起生存。

意大利鳥類學家克勞迪奧·卡雷爾(Claudio Carere)參與了一項在羅馬對成群椋鳥的合作研究,他認為:“落單總是更危險的。”。

黑腹濱鷸

圖片來源: 百度百科

英國進化生物學家威廉·漢密爾頓(William Hamilton)1971年創造了“自私的集群”一詞來描述這種現象。他寫道,每一個群體成員的行為都是出于簡單的自我利益。當捕食者接近一個群體時,群體中的所有個體都會移動到最安全的地方,即群體的中間,以減少被捕獲的機會。對幼年濱鳥的觀察表明,要掌握這一點可能需要一段時間,因為它們只會隨著時間的推移學會形成有凝聚力的群體。正如它們所做的那樣,自然選擇決定了那些最不善于與群體共處的鳥最有可能被捕食者捕獲。

攝影: Geoffrey Welsh

自身利益可以解釋許多觀察到的群體運動動態,比如密度。但它不能解釋鳥類是如何獲得同步移動和避免捕食者所需的信息的。群體中的每一只鳥不可能同時看到一只快速飛來的獵鷹。那么,他們怎么可能知道要朝哪個方向移動來避開它呢?

關于魚群的研究提供了一條線索。海洋中許多群體物種也能像最具凝聚力的鳥群一樣復雜地活動,而且它們更便于進行研究,因為它們可以在開放式的水族箱中被觀察和拍攝。20世紀60年代,俄羅斯生物學家德米特里·拉達科夫(Dmitrii Radakov)對魚群進行了測試,發現如果每一條魚都能簡單地與鄰居協調行動,它們就能夠成功地避開捕食者。他描述道,即使只有少數個體知道捕食者來自何方,它們也可以引導一個龐大魚群,指揮它們的鄰居和鄰居的鄰居跟隨轉向。不同于有明確領導的列隊飛行的雁群,集群是民主的。他們在基層發揮作用,任何草根成員均可以發起其他成員都會追隨的運動。

圖片來源: 左左302

拉達科夫的理論直到20世紀80年代才得以完善,那時計算機程序員開始創建模型,展示模擬動物群體如何對其內部個體的運動作出反應。結果表明,僅需三個簡單的規則就足以形成緊密結合的群體。每只動物都需要避免與它的近鄰同伴發生碰撞,從而被同類的其他動物所吸引,并以與其他動物相同的方向移動。將這三個特性輸入到計算機模型中,就可以創建任何您喜歡的生物的“虛擬群”。它們可以改變密度,改變形狀,并像現實世界中的鳥類一樣,在很小的空間內急速轉向。從《獅子王》到《海底總動員》,電影制作者都是使用類似的軟件來描繪和模擬大群動物的真實動作,無論是狂奔的角馬還是漂浮的水母。

然而,現實世界并不像軟件那樣運行?;∧P偷囊桓鑫侍饈?,它不能充分解釋鳥群如何像它們那樣快速反應。這是韋恩·波茨在20世紀70年代末還在做研究生時認識到的。波茨現在是猶他大學的生物學家,他對華盛頓州普吉特灣的黑腹濱鷸做了詳盡的研究。通過拍攝鳥群的影像,并逐幀分析每只鳥是如何移動的,他發現了一個旋轉的波紋穿過鳥群,就像體育場中觀眾所做出的人浪一樣。他給自己的發現命名為“歌舞團假說”。一個舞蹈演員在開始踢腿前等待她的鄰居移動,同樣,黑腹濱鷸觀察周圍的許多鳥,而不僅僅是最近的鄰居,尋找下一步動作的線索。這一發現終結了古老的心靈感應理論。

成千上萬的椋鳥每年都會成群結隊地在羅馬的棲息地過冬。每天下午,就在黃昏前,他們在昏暗的天空中,從日間覓食的鄉村橄欖樹林中飛出。正如瑞秋·卡森對有關鳥類可預測的習性所做的描述那樣,成千上萬的鳥聚集在一起,形成密集的球形、橢圓、圓柱和波狀線條,在瞬間改變著它們的群體形狀。它們激怒了許多居民,人們厭倦了他們留下的糞便。而也有許多人十分欣賞它們精心的飛行展示。

圖片來源: 騰訊科學

圖片來源: 騰訊科學

“當椋鳥靠近棲息地時,它們經?;崾艿接ヶ賴墓セ?,此時它們會呈現出令人驚訝的群體行為,”卡雷爾說。“它們壓縮和分解,分裂和合并,形成‘恐怖波’,——從瞬間接近的鷹隼身邊閃開,看上去十分壯觀”。

在丹麥西南部的沿海濕地,春季的一些椋鳥鳥群數量可以超過一百萬只,當地人稱它們的下午晚些時候會出現“黑太陽”,鳥群會使天空變暗。但還是羅馬的椋鳥更方便進行研究,因為他們的主要棲息地之一是在位于城市的中央火車站和羅馬國家博物館分館之間的一個公園。

最近的兩個冬天,來自泛歐洲合作項目StarFLAG的研究人員在博物館歷史悠久的馬西莫宮殿屋頂上記錄了很多小時,他們將兩只聯動的攝像機對準成千上萬只正在表演特技飛行的椋鳥群。一些研究人員以前曾用高速立體攝影來分析鳥群整體結構,但這只適合相對較小的群體。一旦一個鳥群超過20到30只,它的結構就很難梳理。“你必須說出從不同的攝像機拍攝的照片中誰是誰,而它們在不同圖像中看起來很不一樣,”安德里亞·卡瓦格納說,他是一位與StarFLAG合作的意大利物理學家。“這用眼睛很難分辨,上千只鳥時就更是完全不可能。”

圖片來源: 騰訊科學

他們使用從統計力學領域引進的,通過檢查材料的分子結構來解釋其特性的軟件,卡瓦格納和其他物理學家現在已經能夠在不同的照片中相互匹配多達2600只椋鳥。這使得它們能夠比以前更精確地繪制出鳥群的三維結構圖。在屏幕上他們可以把眼睛看到的鳥群看作是一團圓形的堅實整體,并把它們理解為一個球體,或者更確切地說是一些更復雜的形狀,比如煎餅、圓柱或者一個開口杯子。他們可以從任何角度審視它,并觀看它以每秒10幀的速度改變形狀。

其結果是將可量化的觀察注入到一個充滿推測的領域。通過放大三維重建,研究人員可以了解群中的某個椋鳥個體彼此之間的空間關系。他們發現,無論一個群體從外面看起來多么密集,它的成員并不像網格上的節點那樣均勻分布。相反,像高速公路上的司機一樣,每個成員的后面和前面都有很大的空間。椋鳥似乎并不介意鄰居在他們身邊或上面或下面,只要它們前面有空間。

這是有道理的,因為在飛行方向上有一條清晰的路徑,使得鳥類需要突然改變飛行路線時發生碰撞的可能性降到最低,就像被鷹隼攻擊時那樣。但是,這種空間不對稱的真正美妙之處在于,研究人員已經能夠利用它計算出每只椋鳥密切關注的鄰居的數量——波茨“歌舞團假說”的量化闡述。通過觀察相鄰椋鳥運動之間的相關性,它們可以顯示出每只鳥總是關注相同數量的鄰居,無論它們距離近還是遠。

那么是多少鄰居?卡瓦格納認為是六七只,他指出,群中的椋鳥幾乎總能看到更多附近的鳥,但數量可能與鳥類的認知能力密切相關。實驗室測試表明,鴿子很容易辨別出多達六種不同的物體,但不能更多。這似乎足夠了,精神集中在一個或兩個以上的鄰居,使椋鳥能夠在需要時快速機動。但是,把所關注的鄰居數量控制在6到7個,可能會避免讓來自更遠的鳥類的不可靠的或者是過度的信息弄得大腦混亂。

然而,它們所做的一切是否只是監視鄰居還不得而知。荷蘭格羅寧根大學的幾位StarFLAG合作者一直在利用這些被密切關注的鳥群來校準計算機模型,這種計算機模型比以前任何一種分析群體行為的計算機模型都更加復雜。他們正試圖改進物理學家創建的模型,以便更準確地反映出椋鳥所面臨的真實條件,比如重力和空氣湍流。研究人員還試圖理解飛行中的椋鳥是如何交流的;雖然每個人都同意他們用視線近距離導航,但這可能不是他們所擁有能力的全部。

歐椋鳥

攝影: 劉建國

“我認為這是聲音和視覺兩方面的,”卡雷爾說,“但是沒有人知道它的確切工作方式。”他認為椋鳥甚至可以利用來自近鄰氣流的觸覺來引導它的方向。顯然,從這些最平凡的鳥身上我們還有很多東西要學。

弗蘭克·赫普納相信研究人員很快就能解釋許多這樣的謎團,即使他繼續質疑關于群體行為的一些最基本的假設。例如,他想知道,為什么羅馬椋鳥在它們的棲息地點上空如此壯觀地機動了好幾分鐘才安定下來。他問道,如果他們真的想避開獵鷹,他們為什么不更快地消失在樹上?“他們所做的不是在躲避捕食者,”他說,“它們在吸引捕食者。”

他推測可能是發生了某種基于數學的基本行為,物理學家稱之為“緊急屬性”。在這種情況下,整體要比各部分的總和大得多。椋鳥可能僅僅是因為它們的個體編程所造成的復雜行為順勢而為,比如集群,是必然發生的。對我們人類來說,都應該能夠理解,因為我們知道這是簡單的生物法則,比如我們人類對色彩鮮艷、移動的物體產生興趣的原始本能,也會導致不可預測和明顯不合理的行為,比如千里迢迢飛到布朗斯維爾去看一只金冠戴菊。

赫普納說:“這可能是因為這些行為就像是鳥類遵循規則的邏輯副產品。”“你完全有可能從可預測的規則中得到不可預測的行為。”也許羅馬的椋鳥會對人們的集體決策有所啟發。

紫翅椋鳥

攝影: 劉建國

一些隸屬于StarFLAG計劃的科學家正在基于此項發現研究選民如何影響彼此的選擇,以及在某地設立新的銀行分支機構的決定是否構成了蜂擁行為的可能性。

對某些人來說,這種理解群體行為的實際應用,可能與了解神的意圖一樣有價值。然而它們的價值可能比確認人們是如何影響群體的價值要低。在過去的幾年里,在羅馬過冬的椋鳥并沒有那么多,但是氣候變化,加上其他因素,使羅馬更適合它們生活。但隨著棲息地和食物的改變,許多濱鳥群的數量卻正在減少。

然而,最典型的群體行為啟示,可能是對理解和享受它們的探索。人們想知道整個世界是如何運作的,但人們也想簡單地欣賞它。不管計算機模型如何假設,那些閃爍的黑腹濱鷸和像云煙一樣快速旋轉的椋鳥將仍然是引人注目的景象,至少在某種程度上,他們會繼續表演下去。

 


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