Физики проанализировали формирование роя медуз с помощью модели активных броуновских частиц и пришли к выводу, что разделение фаз при низкой плотности медуз происходит в результате поведенческих реакций на изменения в окружающей среде.

Такой результат совпал с тем фактом, что медузы проявляют чрезвычайную чувствительность к стимулам, чтобы достичь благоприятных условий. Построенная учеными модель способна предсказывать поведение этих животных не только в открытых водоемах, но и в замкнутых резервуарах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E.

Сцифоидные медузы (Scyphozoa) способны переносить самые суровые природные условия, например, гипоксию. Это серьезно беспокоит исследователей: под воздействием антропогенных факторов представители данного класса могут быстро увеличивать численность, что чревато экономическими и экологическими проблемами. Один главных признаков явного увеличения численности медуз это повышение их концентрации на относительно малых участках открытого моря или прибрежных вод в определенные периоды года — так называемое массовое цветение медуз.

Такой переход от однородного распределения к кластерной структуре уже не раз изучался для многих биологических и социальных систем (например, для детей на детской площадке) и носит название фазового разделения активной материи. В случае медуз большинство существующих моделей, которые описывают подобные процессы, можно условно разделить на феноменологические и приближения пассивных трассеров. Оба типа моделей имеют свои преимущества (во время цветения медузы появляются в огромных количествах, но в масштабах океанских течений двигаются довольно пассивно), но и не лишены явных недостатков: во-первых, многие модели объясняют лишь наблюдаемые данные и ограничены по охвату, а во-вторых, ученые исследовали движение одиночных медуз и доказали, что активное плавание медуз влияет на их распределение в прибрежных водах и аквариумах. Именно поэтому было бы полезно построить более общую модель, которая учитывает больше особенностей биологического поведения животных и позволяет различить их естественное и искусственное поведение.

Эрик Генгель (Erik Gengel) из Тель-Авивского университета и его коллеги из Израиля выдвинули гипотезу, согласно которой поведенческие реакции медуз являются главной движущей силой в формировании цветения, при этом пассивные механизмы (такие как индуцированное подвижностью фазовое разделение или вызванное медузами изменение гидродинамических свойств крупномасштабных течений) остаются незначительными.

Физики представили каждую особь как активную броуновскую частицу и наделили ее минимальным набором свойств, присущих медузам. Например, принятие решений ученые описали четырьмя основными аспектами: во-первых, внутренняя динамика животных (колебательные и вращательные движения колокола медуз) заставляет окружающую воду двигаться, во-вторых, течение жидкости в непосредственной близости от особи действует как носитель информации, в-третьих, реакции и решения медузы основаны на этой информации, и наконец, изменения окружающей среды могут быть вызваны присутствием самих медуз.

Динамику активных броуновских частиц физики смоделировали с помощью стохастического метода Хойна, при этом для некоторых параметров системы авторы работы использовали двухэтапное усреднение, поскольку рой медуз обычно состоит из нескольких несвязанных (или связанных очень слабо) кластеров. Такими параметрами стали локальное среднеквадратичное расстояние и мера гексагонального порядка, которая отражает геометрический порядок связей (ноль соответствует полному беспорядку, а единица — идеальному гексагональному порядку в бесконечной системе). Поведение групп животных ученые смоделировали как в неподвижной воде, так и в резервуаре с проточным течением. В последнем случае достаточно сильный поток воды условно разделил виртуальный бассейн на две части — спокойную небольшую и активно вихрящуюся крупную.

В итоге оказалось, что когда исследователи не обозначили медузам предпочтительное направление движения и скорость, животные постепенно скопились в активной части резервуара. Однако при задании некоторого начального направления движения, после периода беспорядочного плавания, рой сформировал отдельные кластеры, которые в конце концов слились в более крупные скопления. Еще одним интересным результатом моделирования стала ситуация, в которой при неравновесных параметрах поведения и в условиях сильного течения медузы массово скопились в двух точках резервуара — там, где поток воды входил, и там, где он истекал из сосуда.

Авторы работы отметили, что причинами таких синхронизаций животных и объединения в большие кластеры может служить обилие добычи в окружающей среде, а также влияние рельефа морского дна в области цветения. Исследователи также подчеркнули, что разработанная ими модель может предсказывать поведение медуз как в открытом море, так и в замкнутых резервуарах (например, аквариумах), но на данный момент требует уточнений на основе реальных наблюдений за животными.

https://nplus1.ru/news/2025/01/07/jellyfish-swarm-coherence