Bezitten vissen die in scholen zwemmen of vogels die in zwermen vliegen een collectieve geest die hen in staat stelt als één geheel te bewegen? Zijn het dieren met een hoog ontwikkelde cognitie, een complex instinct of telepathische gaven? Recent onderzoek van de groep van theoretisch biologe prof. dr. Charlotte Hemelrijk van de Rijksuniversiteit Groningen wijst in een andere richting. Wiskundige modellen van zelforganisatie laten zien dat ingewikkeld collectief gedrag het gevolg kan zijn van enkele eenvoudige gedragsregels.
In een publicatie in het wetenschappelijk tijdschrift PloS ONE (4 augustus 2011) beschrijven Hemelrijk en wetenschappelijk programmeur Hanno Hildenbrandt met het computermodel StarDisplay de oorzaken van de wonderbaarlijke variatie van vormen van spreeuwenzwermen.
Visscholen
Eerder keken Hemelrijk en medewerkers met een vergelijkbaar computermodel naar visscholen. Waarnemingen in de natuur laten zien dat die altijd langgerekt zijn. ‘In onze modellen van visscholen bleek dat de langwerpige vorm vanzelf tot stand komt door zelforganisatie,’ zegt Hemelrijk. Naast het gebruikelijke groeperen en coördineren zijn daar geen extra regels voor nodig. Een vis die achter een andere vis zwemt, remt iets af om een botsing te vermijden en de buurvissen schuiven dan naar binnen om de opengevallen ruimte op te vullen. Zo wordt de school langwerpig.
Fantastische variatie
Spreeuwenzwermen zijn echter heel veel rijker aan vormen. Video-opnamen van spreeuwenzwermen die op zoek naar een rustplaats rondvliegen, blijken overal ter wereld een fantastische variatie te vertonen. Rond, breed, langwerpig, zwermen die veranderen van trechters naar zandlopers, verdichtingen en verdunningen; het komt allemaal voor. Lang hebben mensen zich afgevraagd hoe al die verschillende vormen kunnen ontstaan. In de jaren dertig van de vorige eeuw schreef de Britse ornitholoog Edmund Selous – ook al gefascineerd door vogelzwermen – de enorme variëteit zelfs toe aan telepathie.
Uitgangspunten
’Ik wilde nagaan of zelforganisatie ook hier afdoende verklaring biedt,’ zegt Hemelrijk. Het nieuwe model StarDisplay berust wederom op een beperkt aantal uitgangspunten: de vogels zijn tot elkaar aangetrokken, ze bewegen dezelfde kant op en ze proberen botsingen te vermijden. Verder bevat het wiskundige functies die het vlieggedrag beschrijven met behulp van een vereenvoudigde vorm van aerodynamica. De gesimuleerde spreeuwen ondervinden een opwaartse kracht, luchtweerstand en zwaartekracht en hellen bij een bocht naar binnen.
Met het dit programma simuleerden de onderzoekers het rondvliegen van spreeuwenzwermen boven een slaapplaats. Telkens als de spreeuwen buiten het gebied rond die plek kwamen, moesten ze terugdraaien.
Stuurboord, bakboord
Vermoedelijk gaat dat draaien bij de vogels echter op een andere manier dan bij vissen. Volgens de modellen en empirisch onderzoek van Hemelrijk’s groep kunnen een school vissen de individuen die aan de buitenkant van de bocht zwemmen iets versnellen, terwijl de binnenste vissen vertragen. Zo behouden vissen op hun oorspronkelijke positie in de groep en blijft de school langgerekt.
Vogels in een zwerm draaien echter individueel, zoals blijkt uit observaties van rondcirkelende rotsduiven die de Amerikaans biologen Harold Pomeroy en Frank Heppner in 1992 publiceerden (zie figuur). Dat betekent dat vogels na een draai van 90 graden in een andere positie zitten ten opzichte van elkaar. Vogels die eerst naast elkaar vlogen, vliegen dan achter elkaar. En bij een volgende draai vliegen vogels die eerst aan stuurboord zaten, ineens aan bakboord.
