Navidezno spontano usklajeno obnašanje velikih skupin živali je fascinanten in presenetljiv kolektivni pojav. Poskusi, ki so jih raziskovalci Univerze v Leipzigu izvedli na lasersko krmiljenih sintetičnih mikroplavalcih, zdaj kažejo, da je domnevna inteligenca rojev včasih lahko tudi rezultat preprostih in splošnih fizikalnih mehanizmov. Skupina fizikov pod vodstvom profesorja Franka Cichosa in profesorja Klausa Kroya je ugotovila, da se roji sintetično ustvarjenih Brownovih mikroplavalcev spontano odločijo, da bodo krožili okoli ciljne točke, namesto da bi se neposredno usmerili proti njej.
Raziskovalci razvili eksperimentalni modelni sistem mikrobov
»Znanstvene raziskave o vedenju čred in jat običajno temeljijo na terenskih opazovanjih. V takih primerih je običajno težko zanesljivo zabeležiti notranja stanja živali v čredi,« je dejal Kroy. Zato se razlaga opazovanj pogosto opira na verjetne predpostavke o tem, katera pravila vedenja posameznikov so potrebna za opazovane kompleksne kolektivne skupine. Raziskovalci z Univerze v Leipzigu so zato razvili eksperimentalni modelni sistem mikrobov, ki vzbuja lastnosti naravne inteligence rojev in omogoča popoln nadzor nad notranjimi stanji posameznikov, strategijami in pretvorbo zaznavanja signalov v navigacijski odziv.
Koloidni plavalci, ki so vidni le pod mikroskopom, se lahko zaradi zapletenega sistema laserskega segrevanja aktivno samopremaknejo v posodi z vodo z nekakšnim termoforetičnim samopremikanjem, medtem ko je njihovo potovanje stalno naključno moteno zaradi Brownovega gibanja. »Poleg Brownovega naključnega gibanja, ki je v mikrofiziki vseprisotno, eksperimentalna postavitev omogoča popoln nadzor nad fizikalnimi parametri in pravili navigacije posameznih koloidnih plavalcev ter omogoča dolgoročno opazovanje rojev različnih velikosti,« je dejal Cichos.
Pojavi se zapleteno vedenje roja
Po Cichosovih besedah se pri zelo preprostem in splošnem navigacijskem pravilu, ki ga vsi plavalci upoštevajo enako, pojavi presenetljivo zapleteno vedenje roja. Če na primer plavalci ciljajo na isto fiksno točko, lahko namesto da bi se zbrali na istem mestu, nastane nekakšen vrtiljak. Podobno kot sateliti ali atomski elektroni se plavalci po krožnih poteh različnih višin vrtijo okoli svojega privlačnega središča.
Edino inteligentno vedenjsko pravilo, ki je za to potrebno, je, da se samoplavalec na zaznavanje okolja odzove z določenim časovnim zamikom, kar se običajno tako ali tako pojavlja pri naravnih pojavih rojev, od plesa komarjev do cestnega prometa. Izkazalo se je, da že samo takšen zapozneli učinek zadostuje za oblikovanje kompleksnih dinamičnih vzorcev, kot je zgoraj opisani vrtiljak.
»Fizikalno gledano lahko vsak posamezni plavalec spontano prekine radialno simetrijo sistema in preide v krožno gibanje, če je zmnožek zakasnitvenega časa in hitrosti plavanja dovolj velik,« je dejal Kroy. Nasprotno pa so orbite večjih rojev ter njihova sinhronizacija in stabilizacija odvisni od dodatnih podrobnosti, kot so sterične, porozne in hidrodinamične interakcije med posameznimi plavalci.
Boljše bomo razumeli oblikovanje dinamičnih vzorcev v naravnih združbah rojev
Ker vse interakcije signal-odgovor v živem svetu potekajo s časovnim zamikom, bi morale te ugotovitve prispevati tudi k boljšemu razumevanju oblikovanja dinamičnih vzorcev v naravnih združbah rojev. Raziskovalci so za svoj poskus namenoma izbrali primitivna in enotna navigacijska pravila. To jim je omogočilo razvoj strogega matematičnega opisa opazovanih pojavov. Pri analizi stohastičnih diferencialnih enačb z zakasnitvijo, ki so jih uporabili v ta namen, se je kot ključni mehanizem za spontano krožno gibanje izkazala učinkovita sinhronizacija plavalcev z lastno preteklostjo, ki jo povzroča zakasnitev.
Teorija nam v veliki meri omogoča matematično napovedovanje eksperimentalnih opazovanj. »Na splošno nam je uspelo ustvariti laboratorij za roje Brownovih mikroplavcev. To lahko služi kot gradnik za prihodnje sistematične študije vse bolj zapletenega in morda še vedno neznanega vedenja rojev, lahko pa tudi pojasni, zakaj kužki med hranjenjem pogosto krožijo okoli svoje sklede s hrano,« je dejal Cichos.
Novinar
