Гидродинамические силы помогли косяку рыб повернуть

Физики показали, что важную роль в коллективном поведении рыб в косяках могут играть гидродинамические силы. В предыдущих теоретических моделях гидродинамическое взаимодействие между отдельными животными не учитывались, однако именно за счет него может происходить коллективный поворот плывущего косяка и увеличивается скорость отдельных рыб, пишут ученые в Physical Review Letters.

Многие животные — птицы, рыбы, млекопитающие или насекомые — предпочитают путешествовать не поодиночке, а в группах, которые могут называться по-разному: стая, стадо, рой или косяк. Например, для рыб плавание в косяках на той или иной стадии жизненного цикла характерно примерно для половины видов. Как правило, в таких группах нет выраженного лидера, а их поведение определяется законами коллективной динамики, которые задают только механизмы парного взаимодействия между отдельными животными. При моделировании подобных систем каждый из элементов группы обычно рассматривается как отдельная «частица с моторчиком», которая может активно двигаться в каком-то направлении, при этом ее взаимодействие с соседями определяется балансом сил притяжения и отталкивания, что приводит к образованию выстроенных в определенном направлении систем.

Группа физиков из Франции, Великобритании и США под руководством Кристофа Элоя (Christophe Eloy) из Университета Экс-Марсель показала, что в случае моделирования движения косяков рыб в воде, кроме парных взаимодействий между отдельными животными необходимо также учитывать и гидродинамические силы. По сравнению с воздухом, в котором перемещаются стаи птиц или рои насекомых, вода обладает значительно большей вязкостью, поэтому те возмущения, которые каждая отдельная рыба вносит в картину течения, могут сильно сказаться и на других участниках группы. По словам авторов исследования, поскольку эти гидродинамические силы значительно сильнее аэродинамических, пренебрегать ими не следует.

Поэтому в численную модель, которая описывает движение косяка рыб ученые дополнительно включили член, который отвечает за дрейф плывущих объектов из-за гидродинамических взаимодействий на больших (по сравнению с размером отдельной рыбы) масштабах. Оказалось, что в такой модели косяки рыб могут формировать четыре принципиально разные структуры, которые определяются угловым моментом всей системы и ее вытянутостью. В случае небольших значений обоих параметров рыбы образуют группу, в которой каждое животное совершает хаотические движения небольшой амплитуды. При увеличении только углового момента происходит образование косяков, которые вращаются вокруг определенной оси, образуя вихри и воронки. Если же увеличить только анизотропию группы, то формируется косяк, который поступательно движется в определенном направлении, а при высоких значениях обоих параметров происходит формирование «поворачивающего» косяка, который не образует воронки, но может как единое целое менять направление своего движения.

Если первые три типа групп были описаны теоретически и наблюдались в естественных условиях и раньше, то четвертый вариант, при котором вся группа целиком поворачивает, удалось наблюдать впервые и приводят к его формированию именно гидродинамические силы. Авторы работы отмечают, что в реальных косяках рыб такие состояния не наблюдались, однако ученые надеются, что более детальное изучение рыб различных видов подтвердит наличие подобного явления в природе.

Кроме необычного фазового состояния «коллективного поворота», при численном моделировании физии обнаружили еще два интересных явления. Во-первых, силы гидродинамического взаимодействия приводят к тому, что рыбы часто предпочитают выстраиваться не бок о бок, а в линию, в результате чего в косяках средняя скорость движения рыб оказывается выше, чем если бы они плыли в одиночестве. Эффект увеличения скорости за счет аэро- или гидродинамического взаимодействия хорошо известен, однако до сих пор не было понятно, наблюдается ли он в рыбьих стаях. Кроме того, оказалось, что из-за гидродинамических сил в косяках происходит усиление «поведенческого шума», то есть ориентация рыб друг относительно друга становится менее согласованной, что тоже может быть важным фактором при определении коллективного поведения косяков.

Авторы работы отмечают, что их результаты подчеркивают важность учета гидродинамических сил при описании коллективного поведения стай рыб, однако в будущем полученные результаты должны быть подтверждены: во-первых, наблюдением описанных эффектов в естественных условиях, а во-вторых — проверкой применимости используемой гидродинамической модели именно для косяков рыб.

По законам коллективного поведения двигаются не только животные, но и некоторые роботы. Это могут быть устройства, которые перемещаются по твердой поверхности и управляются, например, пучком света заданной формы или с помощью подвижной стенки. Но некоторые из таких роботов плавают и под водой, поэтому результаты, полученные для описания косяков рыб, могут оказаться полезными и для робототехники.

Александр Дубов