Вячеслав Абросимов - Групповое движение интеллектуальных летательных аппаратов в антaгонистической среде

Отдельные движущиеся рыбы в стае трудноразличимы для хищника, так как он не может остановить взгляд на одной особи. Бросок хищника на стаю, как правило, не приносит результата, поскольку стая делится на две части и перед хищником оказывается пустота.

Стая рыб раньше замечает опасность. Стаю настораживает все и необычное: крупный объект в воде и на берегу, тень от крупного объекта на берегу, посторонние звуки, гидродинамические удары, электромагнитные поля, изменение плотности и химического состава воды. Стая рыб менее склонна к исследовательскому поведению, заменяя таковое активным избеганием всего нового. Доказано, что стая эффективнее в поиске корма, распознавании опасностей и нахождении миграционных путей.

В зависимости от экологической ситуации и биологической цели структура стаи и ее форма могут сильно видоизменяться (рис. 4). Как правило, у большинства видов рыб при быстром движении стая имеет клиновидную форму, при питании – округлую. Реакция на опасность сильно различается у разных видов рыб. Например, стая анчоуса в случае опасности превращается в плотный шар, а стая скумбрии опускается на глубину и там рассеивается.

Рис. 4. Организационные типы стаи рыб (рисунок взят из статьи [22]) (1 – ходовая стая; 2 – стая кругового обзора; 3 и 3а – оборонительные стаи; 4 – стая планктонофагов на питании; 5 и 5а – стаи хищных рыб при питании)

Стаи рыб разных видов могут образовывать скопления. При этом взаимоотношения между стаями не хаотичны. Между стаями осуществляется как бы обмен информацией по нескольким каналам, что подтверждает организованный характер реагирования скоплений на внезапное появление опасности.

Результаты наблюдений показали, что периодические контакты имеют определенный биологический смысл. Если по какой-либо причине стая или косяк рыб не встречает на пути своей миграции другие стаи, то стая начинает избегать это место, прокладывая другие маршруты движения в районы, где возможен контакт с другими стаями. Новый маршрут движения будет закреплен, если контакты с другими стаями на новом маршруте постоянны и приходятся на определенное время.

Поведение стаи как единого целого пока плохо поддается пониманию исследователями. Считается, что поведением рыб управляют безусловные и условные рефлексы. Так, скопление рыб, занимающее площадь в несколько гектаров (например, черноморская хамса), движется как один организм. Движения головных стай синхронизированы с движениями стай, замыкающих скопление. Движение многотысячного скопления рыб напоминает движение амебы. Наблюдения за движением птиц в стае или рыб в косяках показывают, что между отдельными особями возникают так называемые пондеромоторные силы взаимодействия, которые особенно хорошо проявляются при движении в воде крупных рыб.

В стаях между отдельными членами складываются взаимоотношения двух типов: равноправные (стая не структурирована) и ранжированные (стая с вожаком). В основе поддержания целостности стаи лежит реакция следования, т. е. врожденная реакция отдельной особи следовать за другими.

Как структурированная, так и неструктурированная стая имеет две зоны: внутреннюю и внешнюю. На факторы внешней среды реагирует предположительно внутренняя («ядерная») часть стаи. Рыбы, находящиеся на периферии стаи, подражают ядру, т. е. следуют за ним. Эксперименты с моделями показали, что стая как единое целое начинает движение в том случае, если перемещение инициировали не менее 30 % особей ядра. Движению стаи предшествует своеобразное возмущение ядра. И лишь когда моторная активность ядра достигнет «критической массы», стая начинает движение. Чаще всего движение стаи носит лавинообразный характер.

Косяк рыб, передвигаясь как единое целое, часто имеет вид непрерывной извивающейся ленты. В нем каждая рыба занимает строго определенное положение, что определяется также законами гидродинамики. Мелкие рыбы внутри движущегося косяка могут располагаться как угодно, лишь бы не мешать друг другу. Но границы косяка резко обозначены. Наблюдения показывают, что стаи и косяки чаше всего принимают форму капли. Если форма стаи почему-либо меняется, то возникают так называемые «гидродинамические» силы, лействующие в таком направлении, что форма станет такой, при которой внешние воздействия станут минимальными. Даже если от такой стаи отобьется отдельная рыба или птица, то упомянутые силы втянут беглянку в «каплю», подобно тому, как движущееся в жидкости или газе тело больших размеров притягивает к себе более мелкие тела.

Каждый большой косяк представляет собой совокупность маленьких стаек, состоящих из 4–5 рыб. Интересно, что стайки занимают положение, соответствующее узлам тетраэдрической решетки. Это обеспечивает наиболее плотную «упаковку» рыб движущейся стаи.

Среди преимуществ стайного поведения как средства защиты от хищников наиболее существенными считаются следующие.

• Эффект «разбавления» угрозы со стороны хищника – для каждого члена стаи вероятность стать жертвой нападающего хищника уменьшается пропорционально численности стаи.

• Избегание хищника. Экспериментально установлено, что успех нападения хищника снижается с увеличением числа рыб в стае. Рыба, отделившаяся от стаи, становится гораздо более легкой добычей хищника. Избеганию хищника способствуют следующие поведенческие реакции: уплотнение стаи, поддержание минимального безопасного расстояния до хищника, ф-маневр (fountain effect), «трафальгарский эффект», который состоит в уменьшении времени реакции на появление хищника у особи в стае по сравнению с одиночной особью.

• «Замешательство» хищника. Среднее время от момента нападения до первой успешной поимки возрастает при увеличении числа рыб в стае. Однако эта закономерность соблюдается, если все члены стаи одинаковы. Заметно уклоняющиеся особи (по окраске, поведению, размеру) становятся легкой добычей хищника. Нейрофизиологической основой «эффекта замешательства» является перегрузка канала обработки зрительной информации.

• Заблаговременное обнаружение хищника. Многие стайные рыбы обнаруживают хищника тем раньше, чем больше размер стаи. Для объяснения этого эффекта некоторыми иностранными авторами предложена гипотеза «многих глаз» (many eyes hypothesis), нашедшая экспериментальное подтверждение.

• Внезапный маневр стаи затрудняет нападение хищника и др.

Следует отметить, что зависимости, связанные с числом рыб, наблюдаются лишь в диапазоне сравнительно небольших размеров стай (от нескольких до 20–30 особей). При дальнейшем увеличении числа рыб в стае величина эффекта остается постоянной.