Ученые исследовали структуру нескольких гнездовых колоний королевских пингвинов и обнаружили, что ее можно описать с помощью модели двумерной жидкости, в которой взаимодействие между элементами аналогично взаимодействию неполярных молекул. Компьютерное моделирование колонии показало, что ее структура больше всего похожа на стеклообразное состояние вещества и служит для птиц компромиссом между колониями большой плотности и расположением поодиночке. Такая организация колонии позволяет ей быстро реагировать на внешние возмущения, пишут ученые в Journal of Physics D: Applied Physcis.
Для исследования биологических или социальных систем, состоящих из большого числа элементов, часто используются физические модели. Как правило, это или статистические модели, или модели, в которых вся система описывается как сплошная среда — например, жидкость, текущая за счет перепада давлений. Очень часто для описания толпы людей, птичьей стаи, колонии микроорганизмов или, например, транспортных потоков в городе, используются модели, которые до этого предлагались для изучения взаимодействия молекул в жидкости, кристалле или аморфном теле.
Ученые из Германии, Франции, Монако и США под руководством Ричарда Герума (Richard Gerum) из Университета Эрлангена — Нюрнберга предложили с помощью одной из подобных физических моделей описать колонию королевских пингвинов. Для этого исследователи провели анализ аэрофотографий нескольких колоний пингвинов на архипелагах Крозе и Кергелен в Индийском океане, сделанных в разные годы (с 2008 по 2016) в период выведения птенцов. В это время пингвины собираются в гнездовые колонии, в которых они в течение продолжительного времени находятся на постоянных позициях парами или поодиночке. На полученных фотографиях ученые фиксировали отдельных пингвинов и пары (в них расстояние между особями составляет меньше 45 сантиметров) и анализировали среднее расстояние между птицами и количество соседей у каждой из них.
Оказалось, что в среднем в такой колонии на один квадратный метр территории приходится полторы птицы (при этом, например, те пингвины, которые в этот же период находятся за пределами колонии, располагаются значительно более тесными группами — примерно по три особи на квадратный метр). Для гнездовой колонии оказалось характерно два максимума расстояния между пингвинами — около 30 сантиметров для пар и около 65 сантиметров для отдельных пингвинов. При этом ученые отмечают, что если пары пингвинов рассматривать как один отдельный элемент, то два максимума объединяются и распределение можно описать одним гауссовым пиком, при этом все элементы образуют разупорядоченную гексагональную сетку, в среднем с шестью соседями у каждого.
Чтобы количественно описать полученные результаты, ученые предложили использовать модель двумерной жидкости, в которой взаимодействие между элементами описывается потенциалом Леннард—Джонса, а их движение определяется температурой. Обычно этот тип взаимодействия используется при описании парного взаимодействия неполярных молекул, но в данном случае использование такой модели позволило точно описать и взаимодействие пингвинов между собой, и общую динамику всей колонии. Численные оценки были сделаны с помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.
Моделирование позволило получить несколько интересных результатов. Во-первых, оказалось, что разброс в расстоянии между элементами, характерный для колонии королевских пингвинов, больше чем разброс в размере птиц. Это значит, что на взаимодействие между особями влияют не только их анатомические характеристики, но и другие индивидуальные особенности. Во-вторых, поскольку все пингвины в течение всего периода существования колонии находятся примерно на одной и той же позиции, разупорядоченную гексагональную структуру двумерной жидкости можно считать замороженной, то есть фактически находящейся в стеклообразном состоянии.
Ученые отмечают, что возможность описания колоний пингвинов с помощью физических моделей поможет точнее предсказывать механизмы их миграции, например, в результате климатических изменений или из-за других внешних воздействий.
Исследованию миграции пингвинов и динамики численности их колоний в различных точках Южного полушария посвящено довольно большое количество исследований. Совсем недавно в рамках одного из них в Антарктиде нашли одну из крупнейших колоний пингвинов Адели, которая насчитывает примерно 1,5 миллиона особей. Другая группа орнитологов обнаружила, что если живущие в одной колонии очковые пингвины охотятся группами, то это помогает им увеличить количество добычи.
Александр Дубов