Onderzoekers doorbreken de magie van de spreeuwenzwerm

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 in een school vissen de individuen die aan de buitenkant van de bocht zwemmen iets versnellen, terwijl de binnenste vissen vertragen. Zo behouden vissen 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.

Weinig variatie in snelheid

Van de factoren die zorgen voor vormvariatie blijkt deze wijze van draaien een van de belangrijkste. Een zwerm die plat en breed is, wordt na de 90 graden bocht lang en smal. ‘Met StarDisplay kunnen we zien dat deze manier van draaien vooral een gevolg is van het feit dat vogels hun snelheid weinig kunnen variëren,’ zegt Hemelrijk. ‘Als we in ons model meer variatie in snelheid inbouwen, worden de vormen langgerekter in de richting van de beweging. De uitkomst, die we eerder voor vissen kregen waarbij de vormen constant langwerpig blijven, zou dan ook opgaan voor vogels. ’

Andere factoren

‘In de publicatie in PloS ONE kunnen we nu slechts enkele oorzaken van de variatie in vormen van spreeuwenzwermen behandelen,’ zegt Hemelrijk. Naast de weinig variabele snelheid zijn die andere factoren het grote aantal individuen in de zwerm, het kleine aantal partners - slechts zeven - waarmee één vogel interactie heeft, het maken van bochten en het overhellen in een bocht.

Waardevol

Wat nog niet in het model zit, is gedrag dat te maken heeft met voeding of het ontwijken van roofvogels. Ook is het medium lucht met factoren als wind en turbulentie er nu nog niet in opgenomen. Hemelrijk: ‘Ondanks die beperkingen levert het model al een flinke hoeveelheid hypotheses die getest kunnen worden. Dat is zeer waardevol, want zonder een model dat zorgt voor goede onderbouwing is onderzoek naar dit soort verschijnselen in de natuur bijzonder lastig’.

Noot voor de pers

Meer informatie: prof. dr. Charlotte Hemelrijk

Zie ook: informatiepagina Charlotte Hemelrijk met video spreeuwenzwermen

Referentie: Hemelrijk CK, Hildenbrandt H (2011) Some Causes of the Variable Shape of Flocks of Birds. PLoS ONE 6(8): e22479. doi:10.1371/journal.pone.0022479