הקולקטיבים של הטבע

תסכימו בוודאי שמסתורין רב טמון בזרימתו השוקטת של המון. אין זה משנה אם מדובר בלהקת זרזירים המשייטת מעל השדות, בנמלים חרוצות שעמלות על בניית קן חדש ואפילו בתאים מיקרוסקופיים שמתקדמים יחד אל יעדם. את ההתנהגות הקולקטיבית אופף ניחוח של ויתור על העצמי למען שלם שגדול מסכום חלקיו.

המסתורין הזה הצית פעמים רבות את דמיונם של יוצרים והוגים, מרומא העתיקה ועד הוליווד. לא פחות מכך, הוא עורר את סקרנותם של חוקרים ומדענים, המבקשים ללמוד את התבניות של ההתנהגות הקולקטיבית ולפענח את צפונותיה. ומי יודע? אולי גם נוכל לרתום אותן לשירותנו.

אנו מזמינים אתכם למסע של ארבע תחנות אל הסוציולוגיה, הביולוגיה והפיזיקה של כמה מהקולקטיבים המסקרנים של ממלכת החי. נכיר את המוטיבציות והעקרונות שמנחים את ההתנהגות הקולקטיבית, וגם את החריגות מהסדר הטוב.

את ההתנהגות הקולקטיבית אופף ניחוח של ויתור על העצמי למען שלם שגדול מסכום חלקיו. להקת דגים בשונית ים סוף | Shutterstock, aquapix

ראה דרכיה וחכם

לא בכדי הנמלה זכתה לדימוי של בעל חיים חרוץ: היא מסוגלת לשאת משאות הכבדים פי כמה ממשקל גופה, לפתור בעיות מורכבות – למשל איך להגיע למזון בדרך הקצרה ביותר - ובכל רגע שמזג האוויר מתיר זאת, פועלות ממהרות מהקן ואל הקן בעיסוקיהן השונים. המבנה החברתי-ביולוגי שבו הנמלים מאורגנות – המושבה – הוא שעומד בבסיס קיומן והביא לנמלה את תהילתה. על כן כתב עליהן הסופר הצרפתי רומן גארי, "כל אחת מהן מאמינה בגדלות משימתה".

מבנה מושבת הנמלים, המבוסס על חלוקה מעמדית קשוחה, אופייני מאוד לחרקים מסדרת הדבוראים. לדברי פרופ' עופר פיינרמן מהמחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, בריאיון לאתר מכון דוידסון, מבחינה משפחתית (פילוגנטית), נמלים הן בסך הכול דבורים בלי כנפיים. כמו הדבורים, המושבות שלהן מתאפיינות בארגון חברתי מורכב במיוחד, שנקרא אאוסוציאליות (Eusociality). זוהי היררכיית הארגון החברתית הגבוהה ביותר בעולם החי, וכוללת מערכת סבוכה של חלוקת תפקידים ומנגנוני שיתוף פעולה בין הפרטים בחברה.

מה יוצא לנמלים מהארגון הזה, שיש מי שרואים בו אפילו מעין אורגניזם-על מרובה פרטים? לדברי פיינרמן, המעמדות הקשיחים מבטלים את התחרות בין הפרטים. לנמלה כפרט אין כמעט קיום משל עצמה – היא חיה את חייה כרכיב בודד של המושבה, ואין לה מוטיבציה להתעלות על חברותיה – וגם לא למרוד. רק ההתנהלות הקולקטיבית, שכוללת טיפול בצאצאים של אחרים וחלוקת עבודה, מבטיחה בארגון הזה את המשך הקיום של הקן כולו. אומנם כל מעמד מאבד חלק מיכולותיו, אבל השילוב של המעמדות יוצר שלם חזק, עמיד וחכם יותר מכל פרט ופרט. כלומר האמנה החברתית בין הפרטים מביאה שגשוג.

השלם חזק, עמיד וחכם יותר מכל פרט ופרט. מושבת נמלים במשרדו של עופר פיינרמן | צילום: יהונתן ברקהיים

מה קורה לאלה שקוראים תיגר על המבנה המגובש הזה? מצב כזה עשוי לקרות למשל כשנקבות חומקות מהפרומון המלכותי – הריח של המלכה, שאמור בין השאר לנטרל את יכולת הרבייה שלהן - ומטילות גם הן ביצים פוריות. אולם הכלל אינו סובלני למשחק הכפול הזה: חברותיהן מזהות מיד את הביצים הבלתי מאושרות, נפטרות מהן או אוכלות אותן. לאחר מכן הן לוכדות את הנמלים הסוררות ומעקרות אותן על ידי נגיסת איברי הרבייה שלהן, שלא פעם מובילה למותן בייסורים. התהליך האכזרי הזה נקרא שיטור, וכמו כל מרכיב בחיי הקיבוץ הנמליים גם הוא נועד לשמר את חוזקו של הקולקטיב.

לתיאום שמאפשר את שיתוף הפעולה בין הנמלים אחראי במידה רבה חוש הריח שלהן. מחקרים מצאו שנמלים מכמה מינים שנבדקו מסוגלות להפיק כמאה סוגים שונים של פרומונים – מולקולות ריח נדיפות שמשמות לתקשורת בין פרטים. כל ריח מעביר מסר מסוג אחר, למשל אזהרה או זיהוי, ויש גם שילובים של כמה ריחות שמשמשים להעברת מסרים מורכבים. מדובר במערכת סמלים מסובכת שמזכירה במידה מסוימת שפה שמשתמשת בריחות במקום במילים.

פיזיקאים שנכנסו לעסקי הנמלים מנסים כיום לפתח מודלים לתיאור התנהגות המושבה באמצעות כלים תיאורטיים מתחומים אחרים. החוקר דיוויד הו (Hu) גילה למשל כי בתנאים מסוימים. נמלים מסוגלות ליצור מבנים ענקיים, כמו מגדלים, רפסודות וגשרים, שאפשר לחקור באמצעות מכניקה קלאסית והנדסה מכנית. ואילו בוריס ריאבקו (Riabko) וזאנה רזניקובה (Reznikova) פיתחו מודל לתיאור תקשורת הריחות של הנמלים באמצעות כלים מתורת המידע.

חוקרים אחרים השתמשו אפילו במודל המבוסס על פיזיקת קוונטים לתיאור דרכי הנשיאה המשותפת של משאות כבדים במושבה. הם נעזרו במודל פיזיקלי שתיאר את יחסי הגומלין בין אלקטרונים שכנים בתוך חומרים שמקבלים תכונות מגנטיות בנוכחות שדה מגנטי חיצוני (מודל איזינג), וספציפית את ההשפעות של תכונה של אלקטרונים המכונה ספין. החוקרים הקבילו את המודל לפעילות הנמלים, ומצאו כי ההוראות ההדדיות שהנמלים מחליפות ביניהן, כגון "משוך" או "הרם", מתנהלות בצורה דומה מאוד לספינים. כל ספין משפיע על השכן שלו, וכך גם כל נמלה משפיעה על שכנתה.

במקרה הזה התקשורת דווקא לא מתבססת על ריח, אלא נעשית בצורה מכנית, באמצעות הכוחות שהנמלים מפעילות על המשא. כך שילבו החוקרים בין מכניקה סטטיסטית, שהיא התחום שעוסק בהתנהגות של מערכות גדולות ומרובות חלקיקים, לכישורי עיבוד המידע של הפרטים במושבה. חיבור לא טריוויאלי כלל ועיקר.

מודל המבוסס על פיזיקת קוונטים שימש לתיאור דרכי הנשיאה המשותפת של משאות. נמלים סוחבות מזון יחדיו | Shutterstock, Lemonade Serenade

אור קטן, אור איתן

"דמיינו עץ בגובה של כ-15 מטר, מכוסה עלווה צפופה, ומתברר שעל כל עלה יושבת גחלילית וכל הגחליליות מהבהבות יחד בתיאום מלא... חושך מוחלט בין ההבהובים. דמיינו תריסר עצים כאלה דחוקים זה לצד זה על גדת הנהר... ואז, אם דמיונכם פורה מספיק, תוכלו לתפוס במידת מה את המחזה המדהים הזה" התרפק בשנת 1935 הביולוג יו סמית' (Smith) על המחזה המדהים שטלטל אותו.

סמית' צפה בתופעה שמתרחשת במשך כשבועיים בשנה, במהלכה קבוצות גדולות של גחליליות מסנכרנות את הבהוביהן על מנת למצוא זיווג. התופעה מפתיעה במיוחד מפני שקבוצות קטנות של גחליליות לא נוהגות לנצנץ באופן מתואם. יתר על כן, נמצא כי גחלילית בודדת לא מהבהבת בתדירות קבועה אלא בקצב שנראה אקראי. הפיזיקאית פרופ' אורית פלג מאוניברסיטת קולורדו משערת שאם ההבהוב המסונכרן נועד לסייע לגחליליות למצוא שותפים לרבייה, לזכר גחלילית בודד אין טעם להבהב, כי במצב הזה יש סיכוי נמוך שנקבה תבחין בו.

מצא מין את מינו. המוני גחליליות מהבהבות יחד | Shutterstock, WUT.ANUNAI

לכל מין של גחליליות יש תבנית הבהובים מסונכרנת ייחודית, המבדילה אותו ממינים אחרים. כשגחלילית נקבה רואה את הבהבובים של בני מינה, היא עונה להם בשפה המתאימה כדי לסמן שהיא מוכנה להזדווג. האור שמפיצה כל גחלילית בודדת הוא אור חלש, וההנחה היא שכשגחליליות רבות מסנכרנות את הבהוביהן יחד, האות המשותף שלהן גובר על שאר הגירויים בסביבה, ועל ידי כך משפר את סיכויי הרבייה שלהן. פלג מצאה שגחלילית בודדת, ואפילו: קבוצה של חמש גחליליות, לא תפגין הבהובים קצובים ומתואמים, אולם 15 גחליליות סמוכות כבר ינצנצו ביחד.

ההסבר למנגנון הסנכרון של הבהוב הגחליליות המשותף מתחיל במודל קורמוטו, הקרוי על שם הפיזיקאי היפני יושיקי קורמוטו (Kuramoto). המודל מתאר איך מסתנכרנת התדירות של כמה פרטים הקשורים זה לזה, שלכל אחד מהם תדירות משלו. המתמטיקאי סטיבן סטרוגץ (Strogatz) מציע הסבר אינטואיטיבי: כשיש קישור חזק בין פרטים, הם ישאפו להתאים את עצמם זה לזה. בדומה לאצן איטי שמאיץ את קצב ריצתו כדי לעמוד בקצב של חברו המהיר ממנו, או אצן מהיר שמאט כדי לא לזנוח את חברו.

דוגמה למודל קורמוטו: תנועת מטרונומים מתואמת

התופעה נצפתה בנסיבות רבות – למשל בתנועת מטרונומים שנמצאים על משטח אחד שמתאם את התדירויות שלהם, או במחיאות כפיים של קהל בסוף הצגה, שמתחילות בקצב אקראי שבסופו של דבר מתאחד. המודל מסביר באופן חלקי גם את הבהובי הגחליליות, כאשר מה שאחראי לסנכרון הזה הוא שותפות חברתית כלשהי של הגחליליות, על סמך התקבצותן יחד. יש אפילו משחק הדמיה מקוון.

עם זאת, לדברי פלג החיסרון במודלים כאלה הוא ההנחה שלפרטים יש תדירות קבועה כלשהי עוד לפני שהיא השתלבה עם אחרות. בפועל, כאמור, גחליליות בודדות לא מהבהבות בתדירות עקבית כלשהי כשהן נמצאות לבד - התבנית האופיינית נראית רק כאשר קבוצות של גחליליות מהבהבות בסנכרון.

מודל מתמטי חדש עונה על הפער הזה ומתאר הופעה של סנכרון ומחזוריות בעזרת כללים פשוטים שאינם מניחים שההבהוב הבסיסי של הגחליליות הוא מחזורי. במודל הזה כל גחלילית מהבהבת באקראי, בתזמון דומה לאלה שנצפו בטבע, וכל הבהוב כזה גורר אחריו את הבהובי שאר הגחליליות. תהליך כזה, שמתחיל מהתפלגות הבהובים לא אחידה של גחליליות בודדות, מתכנס להבהוב מחזורי וקצוב של כולן יחד.

מדידת הבהובי הגחליליות מאתגרת במיוחד, בשל משכה הקצר של התופעה, אורן הדל של הגחליליות ותנועתן במרחב. חוקרים מהמעבדה של פלג יוצאים למסעות שבהם הם מתעדים את תנועת הגחליליות בטבע בכמה מצלמות מזוויות שונות ומנסים לעקוב בנפרד אחרי כל גחלילית ואופי ההבהוב שלה. ניסויים אחרים משתמשים בנורות לד (LED) כדי לדמות גחלילית, ומגיבים בהבהוב מלאכותי לעבר גחליליות חיות, בניסיון לחקור את שפת התדירויות שלהם.

תבניות דינמיות בשמיים. להקת זרזירים בתנועה בשמי איטליה  | Shutterstock, Ruth Swan

תבניות בשחקים

ברומא העתיקה, כמה מאות שנים לפני הספירה, כוהני דת שכונו אָוּגוּרים (Augures) עקבו אחרי מעוף הציפורים בשמיים בחיפוש אחרי אות לדעתם של האלים ביחס להחלטות מדיניות שהתקבלו עלי אדמות. לא בכדי הם ראו במעוף פעילות אלוהית – להקות זרזירים נעות בשמים בתנועה מסונכרנת מהפנטת המכונה מרמורציה, שיוצרת מבנים גיאומטריים דינמיים.

מקור התופעה לא ברור. חוקרים רבים משערים שיש לתנועה המשותפת הזו תפקיד בהגנה מפני טורפים, ומחפשים אחר היתרונות שהיא מעניקה. תיאוריית העדר האנוכי שהציע ב-1971 הביולוג האבולוציוני ויליאם המילטון (Hamilton) גורסת כי כל פרט בקבוצת בעלי חיים ישאף להגיע למרכז הקבוצה, כדי לא להיות מטרה קלה לטורפים. לפיכך,ייתכן שתנועת הלהקה נובעת מכך שכל הציפורים שואפות להגיע למרכז, באופן דינמי ומשתנה, והן נעות וסובבות בתנועת הימלטות מתמשכת. עם זאת, ההסבר לא נראה מספק מכיוון שהתנועה המרשימה הזאת מושכת את תשומת לבם של טורפים במקום להגן מפניהם. לפיכך, הסבר אחר מציע שהתנועה הגלית שנוצרת מבלבלת טורפים פוטנציאליים. תנועה דומה בלהקות דגים נהוג לייחס לניסיון להפחיד את הטורפים.

חוקרים אחרים ניסו לאפיין את התכונות שמנחות תנועה כזו. ב-1986 פיתח קרייג ריינולדס (Reynolds) הדמיה בשם "בוידז" (Boids) שמנסה לשחזר את התנועה של להקות ציפורים ודגים. כל אחד מהפרטים בהדמיה פועל על פי שלושה כללים פשוטים: עליו לשאוף לא להתנגש בפרטים האחרים, להתאים את מהירותו למהירות שכניו, כלומר כל אלה שמצויים ברדיוס מסוים ממנו, ולנוע לעבר מרכז המסה של השכנים. אוסף הכללים הפשוט הזה יוצר הדמיה שמזכירה מאוד את התנועה הקולקטיבית של מרמורציות.

שלושה כללים פשוטים: הדמיית בוידס 

ב-1995 פרסם הפיזיקאי תאמאש וישצ'ק (Vicsek), בשיתוף חוקרים ישראלים ובהם הפיזיקאי אשל בן-יעקב, את מודל וישצ'ק. גם המודל הזה תיאר את התנועה המשותפת בעזרת כללים בסיסיים: הפרט מעריך את הגודל והכיוון הממוצע של מהירויות שכניו, עם מידה מסוימת של אי-ודאות לגבי המהירות המדויקת, ונע בהתאם להערכה הזו.

במחקר משנת 2008 חזרו החוקרים אל "רומא של האוגורים" ותיעדו אלפי ציפורים בעת ביצוע להטוטי מעוף האוויר. בעזרת שלוש מצלמות, שבחנו את הלהקה מזוויות שונות, הם שחזרו את המבנה התלת-ממדי של התנועה. מהמחקר עלה כי בניגוד למה שסברו קודם, הפרט לא מתחשב בתנועתו בסביבה הקרובה שלו, אלא נמצא בקשר עם שש או שבע ציפורים שכנות. כלומר מדובר במספר פרטים קבוע, ולא בהכרח בציפורים שנמצאות בתוך רדיוס מסוים מסביב לפרט. נוסף על התצפיות, המחקר הדגים בעזרת הדמיה שאם הכלל המנחה של הפרט הוא מספר שכנים קבוע, מבנה הלהקה נשאר חסין הרבה יותר מפני התקפות טורפים – הוא נשאר כמעט שלם ולא מתפרק בעקבות הפרעה חיצונית.

אפילו אם נזנח את התנועה הסבוכה הזו ונפנה לתעופה במבנה קבוע של ראש חץ, שמשמש ציפורים נודדות רבות, נגלה שסיפור התנועה המשותפת לא כל כך פשוט. נהוג לייחס למבנה ראש החץ של מעוף הציפורים תכונות עדיפות של ניווט יעיל ויתרונות אווירודינמיים. אולם מחקרים שעקבו באמצעות GPS אחרי תנועות יונים גילו שדווקא יונים שעפות מאחורי יונים אחרות נאלצות לבצע יותר מחזורי תנועת כנפיים ולהתאמץ יותר. לטענת החוקרים, תנועה במבנה ראש החץ יעילה למעוף של ציפורים גדולות יחסית ובעלות תעופה יציבה, אך לא לציפורים קטנות ותזזיתיות יותר כמו יונים.

יעיל עבור ציפורים גדולות, לא לקטנות ותזזיתיות. אווזים עפים במבנה ראש חץ | Shutterstock, Ana Gram

מלך אין לארבה

ספר שמות, וההגדה של פסח בעקבותיו, מספרים על מכת הארבה שפגעה במצרים – נחיל עצום של חגבים שמכלים את היבולים בכל מקום שאליו נושאת אותם הרוח. נחילי הארבה היו מוכרים היטב גם בארץ ישראל – ואכן בספר משלי, המיוחס לשלמה המלך, נכתב, "מֶלֶךְ אֵין לָאַרְבֶּה וַיֵּצֵא חֹצֵץ כֻּלּוֹ", שמעיד כי אבותינו הכירו היטב את ההיררכיה השטוחה של חברת החגבים נטולת המנהיג – השונה מאוד מהחברה המרובדת של מושבות הנמלים והדבורים.

החגב הוא בעל חיים יחידאי, שאינו מתגודד בלהקות בדרך כלל. מאלפי מיני החגבים המוכרים כיום למדע, כ-15 מינים בלבד עלולים ליצור בתנאים מסוימים נחילי ארבה. בריאיון לאתר מכון דוידסון מסביר הזואולוג פרופ' אמיר אַיָלִי מאוניברסיטת תל אביב שחגבים אלו מסוגלים להתקיים בשני מצבים נפרדים: חגבים יחידאיים, שחיים כפרטים עצמאיים ואינם תלויים בפרטים אחרים; וחגבים חברתיים, או להקתיים, שמתקבצים בלהקות ענק.

נחיל עצום של חגבים שמכלים את היבולים. חקלאי בנחיל ארבה בקניה | Adam Bannister / Greatstock / Science Photo Library

ההתקבצות של חגבים יחידים לנחיל מתחילה בדרך כלל בצורה ספונטנית. בשנים גשומות, שהמזון בהן רב, נקבות החגבים מטילות הרבה ביצים, והחגבים הצעירים שבוקעים מהן מתקבצים ביחד בתוך ימים ספורים, מתחילים לצעוד זה לצד זה ולאחר מכן לנדוד מיעד ליעד. נכון להיום איננו יודעים בבירור מהם היתרונות האבולוציוניים שמעניקה להם ההתנהגות הזאת. עם זאת, אַיָלִי ועמיתיו מצאו כי אצל הארבה המדברי (Schistocerca gregaria) עשוי להיות תפקיד מרכזי למיקרוביולוגיה. במעיהם של חגבי להקה משגשג החיידק Weissella, שאינו קיים כמעט אצל היחידאיים. ייתכן שנוכחותו משנה את התנהגות החגבים, בצורה שמקלה על הפצת החיידק.

איך, בעצם, יודעים החגבים שהם לא לבד? ניסויים מלמדים שמנגנון החישה המרכזי שלהם הוא הראייה, בדומה לבני אדם שמתגודדים יחד בהפגנות המוניות. בניסויים כאלה לוקחים חגב חברתי, מציבים אותו על כדור ומראים לו סרטונים של חגבים צועדים. מתברר שההחלטות שהחגב מקבל לגבי הכיוון המועדף לצעידה קשורות בצורה ברורה וחזקה למספר החגבים שהוא רואה בכיוון מסוים. חגב יחידאי שייחשף לסרטונים כאלה, יפתח בהדרגה מאפיינים של התנהגות חברתית.

ההחלטות שהחגב מקבל קשורות למספר החגבים שהוא רואה. חגבים צועדים בניסוי במעבדתו של פרופ' אמיר אַיָלִי | מתוך המאמר Amir et al., 2022 Entropy 24(7):918

חגבים יחידאיים וחברתיים נבדלים זה מזה בהתנהגותם, לא רק בכל הקשור ליצירת נחילים, אלא גם בהרגלי הרבייה, במחזור החיים ובסוגי המזון שהם מעדיפים. בנוסף יש ביניהם גם הבדלים פיזיולוגיים ברורים במבנה הגוף, בגודלו ובצבעו. עם זאת, לדברי אַיָלִי, בניסויים אפשר לעקוב רק אחרי שינויים בהתנהגות, שכן השינויים הגופניים איטיים הרבה יותר ויכולים להימשך כמה ימים ואפילו שבועות. 

באשר לפיזיקה, מתברר שכשמוסיפים מרכיבים של אקראיות למודל וישצ'ק, שמתייחס כאמור למעוף להקות ציפורים, הוא מתאר בהצלחה את תנועת נחיל הארבה. במעבדה של אַיָלִי מנסים בין השאר לשלב את הידע המצטבר על התנהגות הארבה לפיתוח רובוטים נחיליים המבוססים על תבונת ההמונים של להקות החגבים הרעבתניות. לרובוטים כאלה עשויים להיות שימושים רבים, כגון חיפוש והצלה, פינוי שדות מוקשים ועוד.

מנסים לשלב את הידע המצטבר על התנהגות הארבה לפיתוח רובוטים נחיליים. חוקר מסתכל על הרובוטים שבנה, שאומנו לעבוד בשיתוף פעולה מבוסס על כללים פשוטים | Brian Bell / Science Photo Library

הפנים השונות של הקולקטיב

התפקיד של הפרט בקולקטיבים של הטבע משתנה ממין למין, החל בשוויון מלא בין הפרטים וכלה בהיררכיה נוקשה של חצר מלכותית. נתח הקולקטיביות בחיי הפרט משתנה גם הוא, כך שיש הבדלים ניכרים בין הנמלים והדבורים שחיות כל חייהן כחלק מקולקטיב גדול לבין להקות הציפורים שמתפרקות ונבנות מחדש בלי הרף. ההתנהגות הקולקטיבית גם אינה סופית בהכרח, ונצפו מינים שסיגלו לעצמם תכונות קולקטיביות, אך בהמשך הדרך ויתרו על השדרוג וחזרו להתנהגות יחידאית.

מעבר לסקרנות שההתנהגויות המורכבות האלה מעוררות, חוקרים שואפים להבין את המנגנונים העומדים מאחוריהן, כדי לתעל אותן לעיצובים הנדסיים. יתרה מזאת, האאוסוציאליות של קיני הנמלים היא רמת הארגון הגבוהה ביותר שהאבולוציה הגיעה אליה עד כה. חוקרים שבוחנים את החברה האנושית המשתכללת בקצב מהיר, תוהים אם גם אנחנו, בני האדם, בדרך לעבור תמורה גדולה משלנו ולהפוך למערכת קולקטיבית אנושית.