У теплі полудні бабиного літа у всіх помірних широтах нашої планети можна спостерігати рої крихітних мошок. Їхні крильця, освітлені лагідним сонцем, нагадують безліч іскор, які закручуються у складні візерунки. Дивлячись на ці комашині танці, в голові виникає враження якогось дивного порядку. Цей порядок не ідеальний, звісно, але це щось значно більше, ніж хаос.
За словами вчених, які вивчають такі рої, це враження цілком правильне: в роїнні мошок присутні математичні закономірності, що може здаватись незвичним, як для хмарки комах. Виявляється, мошки ведуть себе як колективний організм, який нагадує рідини або гази, і навіть виявляють ознаки «критичності» – тієї стадії, на якій матерія за мить переходить з одного стану в інший.
«Колективні кореляції можуть звільнити систему від її мікроскопічних елементів», – каже д-р Андреа Каванья, фізик з Інституту складних систем в Римі. Рій – це щось більше, ніж просто сукупність окремих мошок.
Перш ніж вивчати мошок, д-р Каванья і його колега д-р Ірен Джардіні, фізик-теоретик з Римського університету «Ла Сап’єнца», досліджували зграї шпаків. За допомогою високошвидкісних відеокамер науковці визначили траєкторію польоту кожного шпака у зграї. Каванья і Джардіні встановили, що коли один шпак змінює швидкість або напрям польоту, те саме роблять найближчі до нього птахи, а ті, своєю чергою, впливають на наступних і так далі. Отже, як би далеко шпаки не перебували один від одного, вони усі пов'язані.
Мовою статистичної механіки це називається «безмасштабною кореляцією». Безмасштабна кореляція – це властивість критичності, якої набуває рідина в момент, коли вона стає газом, або шматок гарячого заліза, чиї частинки під час охолодження до певної температури синхронно міняють орієнтацію і утворюють магніт.
Цьогоріч дослідження шпаків д-р Каваньї і д-р Джардіні принесло їм престижну Премію Макса Дельбрука з біологічної фізики. Але ще раніше, коли водили дітей парками Риму, їхню увагу привернули рої мошок, які клубочаться над травою, тож вони почали вивчати і їх.
Мошки здаються менш згуртованими, ніж шпаки, хоча вони теж не рухаються цілком незалежно одне від одного. «Ми подумали, що цю саму ідею можна застосувати і до мошок», – розповіла д-р Джардіні.
Дослідники також направили свої камери на рій – це було нелегко, враховуючи як його ефемерність, так і нав’язливу цікавість сторонніх людей, – і виявили, що, як і шпаки, мошки теж між собою пов’язані.
Не усі вони, щоправда, рухаються в одному напрямку з майже ідеальною синхронністю, а кореляція між особинами не настільки сильна, як у шпаків. Усередині рою можуть бути підгрупи, які рухаються у різних напрямках, а окремі особини можуть переходити з однієї групи в іншу (звідси враження безладу). Проте між мошками однаково присутня кореляція.
Дослідники виявили, що зі збільшенням розмірів рій стає щільнішим, а польоти його особин узгодженішими. Ймовірно, це залежить від того, як мошки реагують на дзижчання крил своїх сусідів, що дозволяє їм підтримувати оптимальну ступінь кореляції.
«Виглядає на те, що система сама себе організовує у такий спосіб, щоби отримувати максимально можливу відповідь», – каже д-р Джардіні. Д-р Каванья ж описав це як спосіб «підтримувати максимальну сприйнятливість», яка дозволяє здійснювати раптові скоординовані рухи.
«Найближчими відповідниками серед фізичних систем є магніти», – розповідає Каванья. Йдеться про раптове колективне зміщення в орієнтації часток безпосередньо перед намагнічуванням. Проте він підкреслив, що мошки, які рояться, перебувають не у цій критичній точці, а лише біля неї.
За його словами, розмір системи накладає на неї фізичні обмеження. Справжня критичність виникає лише в системах з набагато більшою кількістю елементів. Наприклад, в одному грамі заліза присутні 10 000 000 000 000 000 000 000 атомів, тоді як рій мошок – це лишень кілька сотень особин.
Можливо, досягнення критичності стало б катастрофою для комах, зробивши рій надчутливим до найменшого збурення, такого як легенький подув вітру. «Найкращий компроміс – це перебувати в точці, близькій до критичності, – каже д-р Міґель Муньос, фізик з Університету Гранади в Іспанії, який не брав участі в дослідженні Каваньї та Джардіні, але уважно за ними стежить. – Ви користуєтесь перевагами чутливості, але не підходите до неї так близько, щоби реагувати на все, що завгодно».
Переваги колективної поведінки очевидні у зграї шпаків, чиї синхронні повороти дозволяють ухилятися від хижаків. Але які переваги роїння для мошок?
Вчені стверджують, що воно може сприяти репродуктивній функції. Рої цих комах складаються майже виключно з самців. Самки ж, потрапляючи у рій, хапають партнерів для спарювання у повітрі. Тож, можливо, перебування на межі критичності сприяє «романтиці» у комах? Однозначної відповіді поки що немає. Може, роїння взагалі не виконує жодних адаптивних функцій, а є, за словами Каваньї, лишень «побічним продуктом математики».
Міґель Муньос вважає висновки Каваньї і Джардіні «переконливими», проте не всі з ними згодні. У своїх власних дослідженнях фізик Ніколас Улет зі Стенфордського університету та його колеги виявили, що кореляції в русі мошок виникають не відразу, а коли вони все-таки виникають, то не відповідають умовам критичності.
Проте це не означає, що мошки перестають бути цікавими для фізиків. У статті 2017 р. у Physical Review Letters Улет та його співавтори стверджують, що у рої є особини, чиї схеми польоту утворюють конденсоване ядро, оточене шаром пару.
Коли ж дослідники прибрали візуальні орієнтири, довкола яких утворився рій, він розділився на дві частини (в природі такими орієнтирами часто бувають гілки або листя; в лабораторії ж це були листки паперу). При цьому рій поводився не як рідина, а як тверде тіло, яке, здавалось, перебувало у напруженні перш ніж зламатися, розповідає д-р Ендрю Рейнолдс, біолог з Rothamstead Research у Великобританії.
«Різні стимули викликають різну поведінку», – стверджує Рейнолдс. Він не брав участі в експерименті Улета, але співпрацював з ним в інших дослідженнях, під час яких рій розгойдували і стискали, наче желе. Раніше цього року Улет та його співробітники описали у статті, як рої підпорядковуються законам термодинаміки.
Усі ці дослідження сходяться на одному: рій потрібно розглядати як єдине ціле, а не як сукупність окремих комах – так само, як ми сприймаємо кристал кварцу як окремий об’єкт, а не як трильйони атомів. «Ми звикли думати про нього як про щось одне, оскільки ми не бачимо часток, з яких він складається, – каже Улет. – Ці рої мають чітко визначені матеріальні властивості, які є властивостями групи, а не її окремих елементів».
Що ж стосується розбіжностей у трактуванні кореляцій та критичності, то їх повинні роз’язати майбутні дослідження. Можливо, обидві групи мають рацію й мошки, залежно від обставин, можуть існувати у всіх станах, які описали дослідники.
Де б не осів науковий пил, вже зараз можна дивуватися, наскільки дивовижні ці комахи й наскільки глибокі здогадки вони подають щодо принципів, які лежать в основі, здавалось би, розрізнених явищ. Інтерес Муньоса до мошок викликало, зокрема, відкриття критичного значення у нейронних мереж та функцій клітин. Можливо, існує схожість між динамікою рою і мозком, в якому збудження численних нейронів зумовлює візуальне зображення, або геномом, який закодовує інструкції у своїй ДНК.
«Критичність може бути об’єднувальним принципом усіх цих складних систем, які утворюють вишукану складність зі своїх простих компонентів, що багаторазово повторювався в процесі еволюції. Навіть якщо рої не є критичними, у них однаково існують глибокі зв’язки», – стверджує д-р Муньос.
Ендрю Рейнолдс ж вважає, що сили, які дозволяють рою підтримувати згуртованість у вітряний день, можна порівняти з силами, що утримують разом планети. У своїй недавній статті він порівняв рій зі скупченням пилу, газу і плазми у міжзоряних хмарах.
«Коли тепер я бачу рій, мене зачаровує неймовірна краса і глибина законів природи. Я завжди зупиняюсь, щоб помилуватись», – резюмує Рейнолдс.
Brandon Keim
The Marvelous Physics of Swarming Midges
NYT, 1/10/2021
Зреферував Є. Л.
08.10.2021