Я хочу на своем блоге поделиться с Вами своими идеями, мыслями и педагогическим опытом по физике и астрономии

понедельник, 2 ноября 2015 г.

Модель броуновского движения помогает лучше понять поведение животных.
Известно, что животные в стае свободно общаются между собой. Однако насколько продуманным является это общение, до сих пор человечество не представляло. С помощью модели броуновского движения, а также некоторых общих положений из акустики, совместная группа физиков и экологов из Испании показала, что стадо животных использует аудио-сигналы, чтобы помочь друг другу искать пищу.
На примере газелей, проживающих в монгольских степях, исследователи доказали, что расстояния, на котором обычно осуществляются коммуникации, оптимальны с точки зрения эффективной стратегии поиска пищи. Именно такой контакт позволяет всем членам стада быстро достичь пастбища. По мнению совместной группы физиков и экологов из Institute for Cross-Disciplinary Physics and Complex Systems (Испания), предыдущие исследования коммуникаций между животными были сосредоточены на идее создания и поддержания устойчивых групп. Однако, до сих пор было опубликовано мало работ, сосредоточенных на том, как эти инструменты коммуникаций позволяют решать стоящие перед этой группой задачи, в частности, осуществлять поиск пищи. Именно на этом аспекте научная группа и сосредоточила свое внимание.
Разработать детальную модель ситуации позволили знания о броуновском движении, а также некоторые положения акустики. Команда моделировала стадо животных с помощью набора частиц, движущихся в двумерном пространстве. Уравнение на движение этих частиц имело три условия. Первое условие относилось к богатству растительности на поверхности земли: оно требовало, чтобы каждое животное двигалось в направлении лучшего пастбища. Второе условие задавало связь между объектами: каждое животное должно двигаться так, чтобы не прекращалась звуковая связь между ними. Третье условие являлось своего рода «белым шумом» в системе, т.е. «подмешивало» в модель элемент случайного (броуновского) движения. Для построения адекватной модели требовались также дополнительные предположения. Ученые предположили, что животное будет «излучать» непрерывный звуковой сигнал, только если столкнется с областью с богатой растительностью (объем которой превышает некое пороговое значение). Более того, мощность звукового сигнала уменьшается с расстоянием с учетом воздействия температуры и влажности воздуха (в зависимости от частоты). А животное, «принявшее» несколько сигналов, будет двигаться в направлении так называемого «наибольшей средней мощности звука».
Разработанную модель исследователи применили к стадам монгольских газелей. Спутниковые снимки местности, где обитают эти животные, позволили создать карту богатства растительности. Кроме того, для калибровки своей модели они использовали знания о том, что газели обычно передвигаются не более чем на 10 км в день. Хотя расстояние, на котором обычные монгольские газели могут общаться между собой, не известно, приблизительные параметры были рассчитаны из предположения о том, что звери находятся на открытом степном ландшафте, а также известной частоты звуковых сигналов. Основной частью исследования стало компьютерное моделирование, в рамках которого 500 абстрактных газелей были размещены в районе приблизительно 100 на 200 км. На миграцию животным был дан месяц. В результате выяснилось, что, если бы голоса газелей имели частоту более 15,8 КГц, к концу моделирования значительное количество животных все еще блуждало бы по районам с недостаточной растительностью (они все время находились бы вне пределов слышимости других животных, способных им сообщить о более богатых растительностью районах, поскольку высокочастотный звук распространяется на меньшее расстояние, нежели низкочастотный). Логично было бы предположить, что низкая частота голоса газели обеспечила бы лучший поиск пищи, но, как оказалось, переизбыток информации – не менее пагубно влияет на результат. Если бы голоса газелей относились к области менее 0,1 КГц, каждое животное получало бы слишком много сигналов, что сбивало бы их с верного направления при поиске пищи. Оптимальная скорость поиска нового пастбища была возможна при частоте звуковых сигналов чуть более 1 КГц (именно в этом диапазоне и «общаются» живые газели). При этом среднее время, необходимое для поиска, составляет около 40 часов, что также совпало с реальными наблюдениями. Помимо правдоподобной информации о поведении конкретного вида животных, моделирование показало, что физические модели вполне могут применяться для биологических исследований. Результаты работы подробно описаны в журнале Physical Review Letters. 

3 комментария:

  1. В природе все не просто...

    ОтветитьУдалить
  2. Заставляет задуматься...

    ОтветитьУдалить