Самопереорганизация и передача информации в масштабных моделях стай рыб

Почему стаи рыб важны для нас

От вихревых косяков сардин до шуршащих стай скворцов — движущиеся толпы в природе остаются одними из самых захватывающих зрелищ в дикой природе. В этом исследовании используются крупномасштабные компьютерные симуляции стай рыб, чтобы задать обманчиво простой, но широко значимый вопрос: что происходит, когда толпа становится очень большой? Ответ касается того, как группы держатся вместе, как они передают информацию об опасности и как физические силы в окружении могут формировать поведение животных и даже влиять на эволюцию.

От устойчивых групп к беспокойным толпам

Исследователи создали детальную модель стайных рыб, откалиброванную на основании экспериментальных данных. Каждая виртуальная рыба плывёт с постоянной скоростью, наблюдает за ближайшими соседями с фокусом впереди и создаёт слабые потоки в окружающей воде. Для небольших и средних групп, до примерно тысячи рыб, эти правила создают компактные, хорошо выровненные стаи, которые движутся как единый организм. Группа остаётся цельной и часто поворачивает вместе, как это наблюдается в лабораторных и полевых исследованиях настоящих рыб.

Когда большее количество рыб означает меньше единства

По мере того как команда увеличивала масштаб симуляций до десяти и даже пятидесяти тысяч пловцов, проявилось явление «больше — это другое». Вместо одной единой стаи они наблюдали постоянное распадание и воссоединение. Рыбы спонтанно организовывались в несколько плотных, поляризованных кластеров, которые разделялись, расплывались и снова сливались. Удивительно, но такое беспокойное поведение не было результатом случайного шума или только визуальных правил. Главным образом его вызывали потоки, создаваемые каждой рыбой в воде, которые подталкивали соседей к более плотным очерёдным построениям и в конечном счёте дестабилизировали очень большие стаи. Модель показывает, что сильные пловцы, которые интенсивнее перемешивают воду, сохраняют целостность только в меньших группах, тогда как более мелкие, слабые пловцы могут формировать большие стабильные стаи.

Скрытые сигналы предстоящего распада

Чтобы проверить, насколько хорошо эти стаи действуют как единый отзывчивый организм, авторы измерили, как изменения в движениях одной рыбы соотносятся с изменениями у других по всей группе. В цельных, хорошо выровненных стаях эти корреляции «безмасштабны»: расстояние, на котором рыбы влияют друг на друга, растёт пропорционально размеру группы. Это означает, что локальное возмущение, например атака хищника, теоретически может затронуть всю стаю. Но перед тем, как большая стая распадается, происходит тонкий сдвиг. Типичное расстояние, на котором движения остаются взаимосвязанными, сокращается, даже когда стая всё ещё визуально выглядит сильно выровненной. Это падение длины корреляции является своего рода ранним предупреждающим сигналом о предстоящем фрагментировании, что подразумевает временное ослабление способности коллектива реагировать как одно целое.

Как «новость» о повороте мчится через стаю

Далее исследование рассмотрело, как быстро информация о внезапном повороте распространяется от рыбы к рыбе. Отслеживая точный момент, когда каждый пловец меняет траекторию во время спонтанных поворотов, авторы реконструировали волны перенаправления, проходящие через стаю. В цельных группах расстояние, на которое «новость» о повороте распространяется, растёт линейно со временем, что указывает на постоянную скорость распространения, во много раз превышающую скорость плавания отдельной рыбы. Это быстрое, почти баллистическое распространение не опирается на инерцию; оно возникает из-за одностороннего характера зрения: рыбы в основном реагируют на соседей, которых видят перед собой. Фрагментация замедляет этот поток информации, тогда как слияние кластеров временно ещё больше ускоряет его. Течения в жидкости также повышают скорость передачи по сравнению с тем, что обеспечивалось бы только зрением.

Что это значит для жизни в движущихся толпах

В широком смысле работа показывает, что сами потоки, создаваемые движущимися животными, могут помогать определять природные пределы размера групп, формировать схемы расселения и влиять на то, как быстро группа может обмениваться жизненно важной информацией. Для видов-жертв распад стаи на множество частей может смутить хищников, но ценой станет более медленная и менее скоординированная реакция внутри каждого фрагмента. Для экологов и физиков результаты подчёркивают, как простые локальные правила в сочетании с физикой окружающей среды могут порождать сложное поведение толпы, которое качественно меняется по мере роста группы.

Цитирование: Hang, H., Huang, C., Barnett, A. et al. Self-reorganization and information transfer in large-scale models of fish schools. Nat Commun 17, 4324 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70569-y

Ключевые слова: стайки рыб, коллективное поведение, передача информации, гидродинамические взаимодействия, скопления животных