Page 18FCEBD2B-4FEB-41E0-A69A-B0D02E5410AERectangle 52 Przejdź do treści

„Przekrój” na totalne lato!

Takiego numeru jeszcze nie było! Badamy gwiazdy i zaglądamy do ludzkiego mózgu. Psychologów pytamy o młodzież, a filozofów o to, jak żyć dobrze. Przyglądamy się naszym strachom, sprawdzamy, kiedy nauka jest przyjemna, piszemy o chodzeniu (boso, tyłem i bez celu) i o nadziei, że będzie lepiej. Nowy letni „Przekrój” już na Ciebie czeka – czytaj dla przyjemności!

Kup numer letni

Letni „Przekrój” w nowym formacie jest wygodniejszy do czytania i idealnie mieści się w skrzynce pocztowej. Zamów już dziś – tylko na stronie Przekroj.pl w niższej cenie.

Przekrój
Pingwiny cesarskie wykazują rygorystyczne podejście do przestrzeni geometrycznej i matematyczną skuteczność, ...
2020-12-11 09:00:00
Quanta
Pingwinometria

Pingwiny cesarskie na bieżąco zmieniają kształt grupy, w którą zbijają się podczas wichury, tak by w optymalny sposób oszczędzać cenne ciepło. Nikt tym procesem nie kieruje – to inteligencja współdziałającego stada.

Czyta się 5 minut

Zwierzęta, żeby chronić się przed zimnem, wyewoluo­wały na niezliczone spos­oby. Wieloryby mają izolującą tkankę tłuszczową. Bizony gromadzą się w pobliżu źródeł geotermalnych. Baribale kryją się w jaskiniach. Ping­winy cesarskie, stawiając czoła ujemnym temperaturom Antarktydy i wichurom, zbijają się w grupę.

„Stado pingwinów wygląda jak zorganizowany chaos – mówi François Blanchette, matematyk z University of California w Merced. – Każdy pingwin działa indywidualnie, ale efektem końcowym jest równomierna dystrybucja ciepła dla całej społeczności”.

Okazuje się, że pingwiny zbijają się w stada z dużą wydajnością matematyczną, co odkryli Blanchette i jego zespół. Niedawno Daniel Zitterbart, fizyk z Woods Hole Oceanographic Institution, pomógł skonstruować i zainstalować kamery o wysokiej rozdzielczości, żeby w sposób bezinwazyjny obserwować dogrzewanie się pingwinów. Zespół Zitterbarta odkrył, jakie warunki muszą zaistnieć, aby ptaki te się gromadziły, i analizuje obecnie, czy matematyczne zachowanie pingwinów może z upływem czasu ujawnić tajemnice zdrowia całej kolonii.

Zamów prenumeratę cyfrową

Z ostatniej chwili!

U nas masz trzy bezpłatne artykuły do przeczytania w tym miesiącu. To pierwszy z nich. Może jednak już teraz warto zastanowić się nad naszą niedrogą prenumeratą cyfrową, by mieć pewność, że żaden limit Cię nie zaskoczy?

W grupie cieplej

Każdego roku w kwietniu u podnóża świata z morza wychodzą setki tysięcy pingwinów cesarskich, żeby przejść ponad 80 km do swoich kolonii w głębi lądu. Po złożeniu jaj samice wracają do morza w poszukiwaniu pożywienia, samce zaś zostają i inkubują każdy po jednym jajku w fałdzie tłuszczowym nad stopami. Bez gniazd i pożywienia walczą z żywiołami, tuląc się do siebie na stałym lodzie, aby zmaksymalizować ciepło otoczenia i zminimalizować wychłodzenie.

Choć może to wyglądać tak, jakby wiatry pchały skupisko ptaków po lodzie, prawda jest bardziej złożona. Blanchette i jego zespół stworzyli model, w którym wyraźnie pokazali, że zwierzęta nie poruszają się jednostajnie. Pingwiny w centrum grupy, gdzie temperatura osiąga upalne 37°C, przeważnie stoją w bezruchu. Ptak, który znajduje się po nawietrznej stronie stada, wkrótce musi przenieść się na cieplejszą, zawietrzną stronę. W miarę jak coraz więcej ptaków opuszcza stronę nawietrzną, pingwiny ze środka zostają w końcu odsłonięte. Po pewnym czasie one również udają się na zawietrzną stronę.

Skupiska zwykle utrzymują się kilka godzin, podczas których pingwiny mogą wielokrotnie rotować od zimnej, zewnętrznej części grupki do jej ciepłego wnętrza. W trakcie tego procesu każdy stawia na pierwszym miejscu własne ciepło, ale ciepło grupy jest wspólne.

ilustracja: Karyna Piwowarska
ilustracja: Karyna Piwowarska

Wydaje się, że pingwiny wiedzą to, co matematycy odkryli dawno temu: kształtem, który można najgęś­ciej upakować na płaszczyźnie, jest sześciokąt. Zgodnie z modelem Blanchette’a ptaki ustawiają się tak, jakby każdy z nich stał na własnym sześciokącie na siatce. Większość skupisk zaczyna się od bezkształtnej masy. Podmuchy wiatru i temperatura wokół grupy skłaniają pierwszego pingwina – zazwyczaj najbardziej wychłodzonego po stronie nawietrznej – do zmiany miejsca pobytu. Ten osobnik, znany jako inicjator, człapie w poszukiwaniu nowych sąsiadów znajdujących się we względnym cieple po zawietrznej stronie stada.

Inicjator wybiera na swoich nowych sąsiadów pingwiny przebywające na skraju po zawietrznej, wśród tych z najmniejszą utratą ciepła, i zajmuje nowe miejsce bez przeszkadzania innym. (Może, ale nie musi, wybrać punkt, który maksymalnie zwiększa liczbę jego nowych sąsiadów – w tym modelu wszystko, co się dla niego liczy, to znalezienie pingwinów z jak najmniejszą utratą ciepła). Kiedy się tam zadomawia, jeden lub kilku jego nowych sąsiadów może się teraz znaleźć wewnątrz grupy, nie wykonawszy żadnego ruchu. Tym samym po stronie nawietrznej inicjator zostawia pingwina, który wcześniej był wewnątrz, na obrzeżach grupy, ponieważ miejsce po nim zostało wolne.

W misję poszukiwania ciepła wyrusza coraz więcej pingwinów, granice grupy nieustannie się więc zmieniają. Z biegiem czasu nieregularny kształt stada zyskuje regularność. Pierwotna bezkształtna masa przekształca się w foremny obiekt geometryczny: podłużny kształt z prostymi bokami i zaokrąglonymi brzegami.

Nie wiedząc o tym, ptaki rozmieściły się niemal idealnie. „Próbowa­liśmy obmyślić lepszy sposób [grupowania się pingwinów], ale zawsze wymagało to interwencji wszechwiedzącej istoty, która powie im, gdzie mają iść” – powiedział Blanchette.

Temperatura wyraźna

Co jednak głównie skłania pingwiny do zbierania się w gromadę? Aby to zbadać, zespół Zitterbarta zaprojektował i zbudował solidne, zdalnie sterowane obserwatorium w Atka Bay i opracował oprogramowanie, które pomaga interpretować dane. Praca w tym obiekcie uzupełnia obserwacje znajdujących się na miejscu badaczy i pozwoliła zespołowi Zitterbarta na opracowanie modeli matematycznych, które precyzyjnie przewidują grupowanie się pingwinów.

„Dla nas istotne pytanie brzmi: »Jak czuje się pingwin?«, ponieważ to, jak pingwin się czuje, wpływa na to, jak pingwin się zachowuje. A my badamy zachowanie” – mówi Zitterbart. W tym celu jego zespół opracował pojęcie „temperatury wyraźnej”, które odzwierciedla, w jaki sposób temperatura otoczenia, wilgotność powietrza, prędkość wiatru i promieniowanie słoneczne wpływają na postrzeganie temperatury przez pingwina – pojęcie to jest analogiczne do temperatury odczuwalnej u ludzi. Zespół musiał również wziąć pod uwagę cykl lęgowy, bo na wcześniejszym etapie ptaki są grubsze po niedawnym żerowaniu, co sprawia, że zaczynają się gromadzić w stosunkowo niższych temperaturach. Pod koniec cyklu stają się mizerniejsze, a ich zapasy tłuszczu po miesiącach mrozu są na wyczerpaniu, więc gromadzą się w temperaturach wyższych.

Zespół Zitterbarta zebrał wystarczającą liczbę danych, żeby sporządzać coraz dokładniejsze prognozy na podstawie wszystkich tych czynników. Na przykład opierając się na momencie cyklu lęgowego, naukowcy potrafią określić wyraźną temperaturę na poziomie –44,5°C jako punkt krytyczny, w którym prawdopodobieństwo, że pingwiny zaczną się gromadzić, wynosi 50% – ​w tej temperaturze ptaki powinny przejść od rozproszenia do gęstego skupiska.

Zitterbart uważa, że ​​mechanizm grupowania się pingwinów jest do tego stopnia precyzyjny, iż temperatura wyraźna, w której zaczynają się gromadzić, służy jako pośredni wskaźnik średniej zawartości tłuszczu oraz ich rezerw energetycznych.

„Zamiast ważyć każdego pingwina z osobna, jest tak, jakbyśmy ważyli jednocześnie 25 tys. pingwinów” – mówi.

Jego zespół pracuje teraz nad ustaleniem, czy początkowa temperatura grupowania się wskazuje także na zmiany w zdrowiu kolonii. Ptaki, które przez wiele lat mają dostęp do stałych ilości pożywienia, powinny co roku przybywać na lęgowiska z takimi samymi zapasami energii i izolacji tłuszczowej. Dlatego też temperatura wyraźna, w której się gromadzą (w zależności od momentu cyklu lęgowego), również powinna być niezmienna. Daje to potężne narzędzie obserwacyjne. Zitterbart stawia hipotezę: jeśli pingwiny kiedykolwiek zaczną się gromadzić w wyższych niż oczekiwano temperaturach wyraźnych, może to oznaczać, że zachwiała się dostępność pożywienia lub zmiany klimatyczne negatywnie wpłynęły na ich sukces żerowania.

„Wszystko, co musimy zrobić, to sfotografować tulące się pingwiny, a to w porównaniu ze statkiem badawczym, jeżdżeniem po okolicy i łowieniem ryb oznacza znacznie mniejsze koszty – mówi Zitterbart. – Mamy dekadę danych, nad którymi pracujemy, żeby wyłuskać te informacje. To jest obszar aktywnej nauki”.


Tłumaczył Adam Pluszka

Pierwotnie tekst ukazał się na stronie quantamagazine.org. Lead i śródtytuły zostały dodane przez redakcję „Przekroju".

Data publikacji:

okładka
Dowiedz się więcej

Prenumerata
Każdy numer ciekawszy od poprzedniego

Zamów już teraz!

okładka
Dowiedz się więcej

Prenumerata
Każdy numer ciekawszy od poprzedniego

Zamów już teraz!