Az állatvilág képviselői számtalan módon alkalmazkodtak a hideghez. A bálnák egy speciális szigetelő réteggel, bálnazsírral rendelkeznek. A bölények geotermikus források körül gyűlnek össze, ha nagyon hidegre fordul az idő. A fekete medvék barlangokban húzzák meg magukat. A világ leghidegebb kontinensén, az Antarktiszon költő császárpingvinek pedig tömör csoportokba bújnak össze a jeges szél elől.
„Az összebújó pingvincsoportok rendezett káosznak tűnnek. Minden pingvin egyedileg cselekszik, a végeredmény mégis kiegyenlített hőeloszlás lesz az egész közösségre vonatkozóan”
– mondja François Blanchette, a Kaliforniai Egyetem matematikusa.
Blanchette és kollégái feltárták, hogy a pingvinek ezen csoportjai matematikailag rendkívül jó hatásfokú szerkezettel rendelkeznek. A vonatkozó kutatásokban kulcsszerepet játszott Daniel Zitterbart, a Woods Hole Oceanográfiai Intézet fizikusa is, aki kollégáival olyan nagyfelbontású kamerákat fejlesztett ki és telepített az Antarktiszra, amelyekkel minden eddiginél részletesebben tanulmányozható a császárpingvinek csoportos viselkedése. A szakértő és kollégái nemrégiben új információkat tártak fel azzal kapcsolatban, hogy milyen körülmények váltják ki az összebújást. A kutatók egyúttal annak lehetőségét is vizsgálják, hogy utóbbi viselkedés matematikai modellezéséből hogyan lehet következtetéseket levonni a kolónia általános egészségi állapotára vonatkozóan.
Állandó mozgás
A legdélibb kontinensen minden év áprilisában több százezer császárpingvin indul útnak a tengerpartról a pár tucat kilométerre található belső költőhelyek felé. A tojásrakást követően a nőstények visszaindulnak a tengerhez táplálékért, miközben a hímek maradnak, és a lábukon, az ott található bőrredőbe burkolva őrzik a nőstény által hátrahagyott tojást. A hímek két hónapig nem vesznek magukhoz táplálékot, és az antarktiszi tél hidege ellen úgy védekeznek, hogy egy stabil jégmezőn összebújnak társaikkal, maximálisan megőrizve a testmeleget, és minimalizálva az elemeknek való kitettséget.
A szakértők már korábban is megfigyelték, hogy az uralkodó szelek folyamatosan „odébb tolják” az összebújt kolóniákat, Blanchette ás társai vizsgálatai szerint azonban ez a jelenség sokkal bonyolultabb annál, mint elsőre gondolnánk. A madarak nem együtt mozognak, hanem egyedi érdekeiknek megfelelően cselekednek, ezekből az akciókból mégis érdekes csoportos viselkedések emelkednek ki.
Az összebújt csoport közepén nagyjából 38 °C van, és az itt álló állatok alig mozognak. A szél felőli oldalra kerülő madarak viszont rövidesen átvonulnak a szélárnyékos túlsó szélre, hogy védettebbek legyenek a hidegtől. Ahogy a szél felőli oldalt egyre több madár hagyja el, a középen lévők egyre inkább a csoport szélén találják magukat, így elég idő elteltével ők is kénytelenek elindulni a csoport túloldalára.
Az összebújások rendszerint néhány óráig tartanak, ami alatt a pingvinek akár többször is megjárhatják ezt az utat: a csoport leghidegebb külső széléről először a szélvédett oldalra kerülnek, majd onnan egyre inkább a csoport közepére sodródnak, ahonnan aztán ismét a szél felőli, hideg oldalon kötnek ki.
A folyamat során minden egyed a saját érdekeit nézve keresi a melegedés lehetőségét, ugyanakkor a csoport melege is megőrződik, és ezen mindenki osztozik.
Ideális forma
A pingvinek úgy tűnik, hogy geometriából sem utolsók, és tudják, hogy testformájukkal úgy tudnak a legnagyobb sűrűségben összebújni, ha hexagonális szerkezetbe tömörülnek. Blanchette megfigyelései és modellje szerint az állatok úgy helyezkednek el, mint ha egy hexagonális rács rácspontjain állnának.
A legtöbb összebújó csoport kezdetben meglehetősen alaktalan. Aztán a szél és a hőmérséklet arra készteti az első pingvint, hogy a szél felőli oldal helyett melegebb pozíciót keressen magának. Az útnak induló egyed áttotyog a csapat túloldalára, a szélárnyékos oldalra. Itt pedig egy olyan helyet választ ki magának, ahol új szomszédainak hővesztése a lehető legkisebb. (Vagyis nem arra törekszik, hogy minél jobban körbeállják a többiek, és minél több szomszédja legyen, hanem a jelek szerint a fő szempont a saját helyett a szomszédok hővesztésének minimalizálása.)
Ahogy a pingvin elfoglalja új helyét, szomszédai beljebb kerülnek a csapatban, így melegebb helyük lesz anélkül, hogy megmozdultak volna. A szél felőli oldalon pedig az azt elhagyó állat új egyedeket tesz ki az elemeknek, mozgásra késztetve őket. Ahogy egyre több pingvin kezd vándorolni, a csoport határai folyamatosan változni kezdenek. És ezzel együtt a csapat külső formája is rendeződik:
a szabálytalan pacából egy ovális, egyenes oldalú, végein lekerekített, szabályos geometriai forma lesz.
A pingvinek így gyakorlatilag tudtukon kívül a lehető legtökéletesebb elrendeződést hozzák létre. Blanchette elmondása szerint ennél kedvezőbb forma csak akkor létezne, ha valaki pontosan lekövetné a szél viselkedését, és megmondaná mindegyik pingvinnek, hogy mikor és hova álljon. Sokkal optimálisabb azonban ebben az esetben sem lenne a szerkezet.
Komfort és mozgás
És hogy mi vezérli a pingvineket az összebújásban? Zitterbart és csapata az Atka-öbölben elhelyezett kamerákkal és szenzorokkal robusztus, távirányítható megfigyelőállomást hozott létre, illetve egy szoftvercsomagot is kifejlesztettek az adatok elemzéséhez. Az állomás eszközei és a helyi kutatók által összegyűjtött információk alapján a szakértők kidolgoztak egy matematikai modellt, amely nagy pontossággal jelzi előre a pingvinek összebújó viselkedését.
Ahogy Zitterbart mondja, a kulcskérdés mindig az, hogy az adott pingvin hogy érzi magát, mert ennek megfelelően fog viselkedni.
A madarak komfortérzetét pedig leginkább a hőérzet nevű mutatóval lehet meghatározni, ami a környezeti hőmérséklet, a páratartalom, a szélsebesség és a napsütés függvényében azt jelzi, hogy hány fokosnak érzi a pingvin adott körülmények között környezetét.
Fontos tényező ugyanakkor az is, hogy az állat hol tart a szaporodási ciklusban, mivel a költés korai időszakában a hímeken még több a tartalék, így jobban bírják a hideget, és alacsonyabb hőmérsékletek esetén kezdenek összebújni, mint később, amikor már soványabbak és fáradtabbak.
A kutatócsoport nagyon nagy pontosságú előrejelzésekre képes a begyűjtött adatok alapján. Mínusz 42,5 °C-os hőérzet esetén például a költés kezdete óta eltelt idő ismeretében pontosan megmondható a modell alapján, hogy a madarak összebújnak vagy lazább csoportokban várakoznak. (Ha eltekintünk a tojások korától, ennek az összebújás esélye 50 százalék körüli lenne ilyen hőérzet esetén.)
Aki bújt, aki nem
Zitterbart véleménye szerint a pingvinek viselkedése annyira pontosan előre jelezhető matematikai eszközökkel, hogy az a hőérzet, amelynél elkezdenek összebújni, indirekt mutatóként jelzi a csoport átlagos zsír- és energiatartalékait. Vagyis az állatok viselkedéséből következtetni lehet a teljes csoport fizikai állapotára, mintha a pingvinek egyesével való lemérése helyett egyszerre mázsálnák le a teljes csoportot.
A szakértők azt is gyanítják, hogy a kezdeti összebújási hőmérsékleti (pontosabban hőérzeti) határpont hosszabb távon is információkat sugallhat a kolónia egészségi állapotával kapcsolatban.
A táplálékhoz megbízhatóan hozzáférő, stabil kolóniák tagjainak elvileg minden évben hasonló tartalékokkal kellene megérkezniük a költőhelyre. Így a költési időszak előrehaladtával változó összebújási hőmérsékletnek is hasonló értékeket kellene felvennie. És ha ez változik, például a kolónia már a költés kezdetén magasabb hőmérsékleten kezd összebújni, mint a korábbi években, az azt jelezheti, hogy nem jutottak elég táplálékhoz a tengeren.
Hogy ennek jelzésére mennyire lehetnek alkalmasak az összebújási viselkedési adatok, az egyelőre kérdés. De Zitterbart szerint rengeteg információ leszűrhető az állatok állapotáról pusztán abból, hogy adott körülmények között összebújnak-e vagy sem. És ezek a megfigyelések sokkal egyszerűbben megvalósíthatók, mint például annak felmérése, hogy mekkora halrajok táplálják a madarakat, és hogyan változik ezek létszáma.
