Гренландские киты оказались хаотическими осцилляторами

Физики описали поведение гренландских китов с помощью теории хаоса. Они проанализировали данные о погружении и всплытии 12 особей и выяснили, что поведение китов может синхронизироваться на расстоянии в несколько сотен километров точно так же, как и колебания апериодических осцилляторов. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Research.

Поведение морских млекопитающих биологи часто исследуют с помощью трекеров — например, так стало известно о сдвиге места обитания китов в сторону льда для защиты от косаток. Однако выделение поведенческих черт из огромного массива данных зачастую очень сложный процесс.

Лишь относительно недавно ученые стали рассматривать поведение живых организмов как колебания осцилляторов нелинейной динамической системы. При этом исследователи ограничивались построением индивидуальных аттракторов для небольших лабораторных животных, таких как мухи, черви и мыши. Подобный подход для количественной оценки спонтанного поведения крупных животных в дикой природе практически не применялся.

Группа физиков из Дании и Японии под руководством Евгения Подольского (Evgeny Podolskiy) проанализировала данные, полученные на протяжении 144 дней с трекеров на 12 гренландских китах из залива Диско (западное побережье Гренландии). Каждого кита ученые представили в виде хаотического осциллятора, который совершает апериодические колебания между всплытием на поверхность для дыхания и погружением под воду для питания. Исследователи воспользовались методами нелинейного анализа временных рядов и преобразовали каждую запись о погружении животного в трехмерную геометрическую структуру — странный аттрактор, траектория которого непериодическая и никогда не замыкается.

Выяснилось, что весной 8 из 12 китов оставались ближе к поверхности воды ночью и ныряли за добычей глубже в дневное время, что совпало с суточной вертикальной миграцией зоопланктона. Самым интересным оказалось, что у двух китов BW05 (самка) и BW10 (пол неизвестен) существовала эпизодическая связь в поведении длительностью около суток на расстоянии от 5 до 352 километров. В рамках модели нелинейной динамической системы это соответствует синхронизации двух хаотических осцилляторов и носит название несовершенной фазовой синхронизации.

С точки зрения физики, такое совпадение поведения двух хаотических осцилляторов может быть вызвано как взаимодействием между ними (фактически крики китов это захват осцилляторов друг другом через последовательность импульсов), так и действием внешней силы. Ученые отметили, что синхронизация оставалась даже тогда, когда расстояние между китами превышало 130 километров — максимально возможное для акустической коммуникации.

Как итог, исследователи предположили, что киты могут образовывать целые кластеры хаотических осцилляторов, которые частично синхронизированы благодаря коммуникации между собой и воздействию окружающей среды.

Ранее мы рассказывали о том, какие модели использовали физики, чтобы описать коллективное движение овец.