Как сбивается косяк

Учёные проследили за образованием гигантских косяков рыб

Новая акустическая методика позволила впервые подробно проследить за образованием гигантского косяка из сотен миллионов селёдок у берегов Северной Америки. Подтвердились все предсказания теории – наличие критической плотности, рыб-лидеров и даже «волн самоорганизации», распространяющихся в среде рыб.

Многие животные, чтобы кормиться, размножаться и мигрировать, собираются в огромные коллективы, которые могут насчитывать многие тысячи и миллионы особей. Громадные конские табуны, которые носились по степям Европы и Западной Азии ещё несколько тысяч лет назад, в наши дни уже не встретишь. Но вот стаи птиц, тучи саранчи или косяки рыб — сколько угодно.

Математики уже давно создали многочисленные модели, которые описывают такие животные коллективы «сверху вниз» как сплошную среду, плотность, направление движения и другие характеристики которой могут меняться от точки к точке. А рост компьютерной мощи в последние десятилетия даже позволил воссоздать эти модели «снизу вверх», задавая правила поведения индивидуальных особей в зависимости от ситуации и получая на выходе всю ту же сплошную среду, подчиняющуюся тем же общим законам, что биологи подметили много десятилетий назад.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 1,
    "picsrc": "Карта залива Мэн // N.Makris",
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_2965421_i_1"
}

Однако одно дело — когда модели, построенные с разных сторон, сходятся, и другое — проверить, насколько они работают на практике. Наблюдать поведение тысяч и миллионов особей — дело крайне хлопотное, но группе учёных из США и Норвегии под руководством Николаса Макриса из Массачусетского технологического института удалось создать метод для таких измерений.

Раз в исследовании участвуют норвежцы — заранее ясно, что речь пойдёт о рыбе. И действительно:

учёные смогли в деталях проследить, как образуются косяки селёдки, приходящей на нерест к заливу Мэн на восточном побережье США и Канады.

Николас Макрис даже не биолог. Он физик, инженер и специалист по акустической океанографии — науке об исследовании океана и всего того, что в нём находится, с помощью звуковых волн.

Низкие против высоких

Учёный уже давно отстаивает точку зрения, что наиболее перспективным направлением этой науки является использование в работе не высоко-, а низкочастотных волн. Пусть высокая частота и даёт хорошее пространственное разрешение, но высокочастотные волны быстро затухают. А звук низкой частоты способен распространяться на десятки и сотни километров, а разрешение можно «подправить», если грамотно моделировать отражение звуковых волн и использовать информацию не только о громкости отражённого сигнала, но и о его фазе – особенно если объединить информацию с целой решётки микрофонов, воспринимающих отражённый сигнал.

Впрочем, нынешняя работа, опубликованная в последнем номере Science, посвящена не методике, а непосредственно биологии. Авторы восстановили трёхмерную картину распределения рыб в районе банки (мелководья) Джорджа, отделяющей залив Мэн от главной впадины Атлантического океана.

Каждый год в начале осени сотни миллионов и даже миллиарды особей атлантической сельди (Clupea harengus) приходят сюда на нерест. Каждую ночь огромные стаи самок одна за другой откладывают икру на склонах подводных холмов банки, а следующие между ними самцы оплодотворяют икринки, чтобы те немногие из них, что не будут съедены хищниками, в будущем дали начало новому поколению сельди.

В течение недели в конце сентября — начале октября 2006 года каждый вечер здесь курсировали два судна, находившихся под научным началом Макриса. На одном из них был установлен сонар, испускавший звуковые импульсы, на другом — набор тех самых микрофонов, с которого снимали полезный сигнал. И каждый вечер приборы показывали примерно одну и ту же картину.

Незадолго до захода солнца на глубине около 150–200 метров в северной части банки начиналось непонятное движение. Сельдь, весь день в беспорядке сновавшая туда-сюда, к вечеру начинала собираться к склонам балки. В течение примерно часа поверхностная плотность рыб увеличивалась с «фонового» для этого времени года уровня около 0,05–0,1 рыбины на квадратный метр вдвое-втрое. Но как только в каком-то небольшом районе размером с километр или даже несколько сотен метров плотность превышала критическое значение в 0,18–0,2 м^--2, события начинали развиваться уже совсем с другой скоростью.

За какие-то 15–20 минут плотность рыб увеличивалась в 10–15 раз — это образовывался первый затравочный косяк.

Дальше рост продолжался не только интенсивно, но и экстенсивно. Вокруг затравочного косяка (которых могло быть и несколько) начинали собираться другие рыбы, размер плотного участка рос, и вскоре на десятки километров вокруг (сонар позволяет контролировать примерно 40 км) начинали расходиться настоящие «волны организации» и уплотнения рыб. Хотя техника Макриса пока не в состоянии проследить за движением отдельных рыб, он и его коллеги уверены, что шла именно волна коллективного поведения. Дело в том, что скорость её распространения составляла около 5–10 метров в секунду, в то время как сельдь, если её только не вспугнёт стая тунцов или дельфинов, плавает в десятки раз медленнее, с крейсерской скоростью в 20 см/c.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2933674",
    "incutNum": 3,
    "picsrc": "Интегральная по глубине поверхностная плотность рыб в разные моменты времени. По оси абсцисс на каждом графике отложена «береговая» координата, по оси ординат – координата, нормальная к береговой. Плотность рыб показана цветом, время – в левом верхнем углу каждого графика. // N.Makris",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_2965421_i_3"
}

После того как коллективное движение охватывало весь подводный склон — на это требуется от часа до нескольких часов, косяк начинал уже физическое перемещение. Со скоростью тех же 20 см/с рыбы мигрировали к югу, где дно расположено всего в 40–50 метрах от поверхности. Здесь-то уже в районе полуночи и происходило массовое икрометание. Притом по картине движения плотности рыб в арьергарде косяка видно, что «прибрежных» селёдок постоянно сменяли следующие партии, приходившие из глубин и включавшиеся в общее движение.

Авторы работы уверены, что к относительному мелководью рыбы смещались именно для икрометания, а не следуя за крилем и мелкой рыбёшкой: у всех выловленных по дороге селёдок кишки оказались пустыми, но брюхо, тем не менее, было распухшим — от икры. Известно, что перед нерестом сельди довольно долгое время «постятся».

Все эти особенности движения — наличие критической плотности, интенсивный и экстенсивный рост затравочных возмущений, наличие рыб-лидеров и даже распространение «волн организации» — предсказывают и модели коллективного поведения животных. Насколько они применимы к птичьим стаям и тучам саранчи — станет ясно, когда Макрис или кто-то другой создаст подобные сонары не для водной, а для воздушной среды.