Природа устроена так, что нервная система хищных животных, особенно кормящих самок, может побуждать их двигаться по особому случайному пути, называемому прогулкой Леви, чтобы эффективно находить пищу, даже когда нет никаких очевидных признаков ее присутствия. Исследования показали, что это свойственно многим живым организмам.
Исследование насекомых
Химена Берни - аргентинский нейробиолог, чьи исследования нервной системы плодовой мухи недавно принесли ей должность лидера группы в Университете Сассекса. Она изучает, что делает крошечный кластер нейронов, который непосредственно контролирует мышцы личинки, когда ей позволяют свободно двигаться, совершенно без участия от мозга или чувств. Как кормится животное, когда оно отрезано от информации о внешнем мире?
Ответ заключается в том, что оно движется в соответствии с очень специфической картиной случайных движений, что вызвало восхищение у Берни и ее сотрудника Дэвида Симса, профессора морской экологии. Личинка ведет себя точно так же, как животное, которое изучали более 25 лет, - акула.
Схемы поведения
В нейробиологии обычная схема поведения заключается в том, что мозг получает входные данные, объединяет их с хранимой информацией и затем решает, что делать дальше. Это соответствует нашей собственной интуиции и опыту, потому что мы, люди, почти всегда реагируем на то, что мы чувствуем и помним.
Но для многих существ полезная информация не всегда доступна, и для них может происходить что-то еще. При поиске своей среды обитания акулы и целый ряд других видов, в том числе личинки плодовых мух, иногда по умолчанию используют один и тот же паттерн движения, специфический тип случайного движения, называемый прогулкой Леви. Эта общая черта свидетельствует о том, что эволюция, возможно, снабдила нервные системы способностью спонтанно генерировать фундаментальный паттерн движения - решение, которое работает лучше, чем любая другая стратегия слепого поиска.
Эта идея уже более двух десятилетий вызывает споры в области экологии и поведения животных. Работа Берни и Симса в настоящее время твердо переносит это явление в сферу нейробиологии и не позволяет игнорировать аргументы в пользу его важности.
Прогулка Леви
В 1937 году французский математик Поль Леви описал тип случайного движения. Бенуа Мандельброт, бывший ученик Леви, назвал это распределение длин шагов прогулкой Леви в 1982 году. Примерно в это же время несколько биологов начали изучать этот аспект, потому что прогулка Леви очень напоминает путь животного, тщательно исследующего одно пространство, а затем спускающегося, чтобы исследовать другое.
Ганди Вишванатан, работая с группой физиков, опубликовал теоретическое исследование в 1999 году, которое показало актуальность прогулки Леви для поиска пищи.
Изучение хищников
Полезность прогулки Леви была дополнительно подтверждена во время изучения хищников, ищущих добычу. Тем не менее зоологам требовались более полные и подробные наблюдения за движениями диких животных, а математикам - более совершенные методы для анализа таких данных.
Эколог, вдохновленный идеей прогулки Леви, и был Дэвид Симс. В то время он пытался составить карту движения рыбы в качестве помощи для сохранения морской среды.
Гигантские акулы бродят по бескрайним просторам океана. Если прогулка Леви была очевидна на пути акулы, это может означать, что животное исследует новые территории в поисках пищи. И Симс подумал, что понимание этого фактора может помочь ему лучше понять движения акул и решить, как защитить животных от рыболовства.
Способы получения данных
Проблема, с которой он столкнулся, заключалась в получении достаточного количества данных. Чтобы обнаружить прогулку Леви, исследователи должны следить за каждым движением животного в течение значительного времени. Сегодня системы GPS могут точно отслеживать движения объектов с поддержкой радио, таких как наши мобильные телефоны. Но в конце 1990-х Симс наблюдал за акулами с лодки, что означало, он видел только крошечную часть движений существ.
Так что Симс решил прибегнуть к пометке акул. Датчик давления на бирке, прикрепленной к плавнику акулы, регистрировал глубину погружения животного с интервалом в одну секунду, когда акула поднималась и опускалась в толще воды, а также образование планктона. В запрограммированное время метка должна была отделиться от акулы и всплыть на поверхность, а затем происходила передача записи данных на спутник.
Совпадение результатов исследования
Образцом этих вертикальных движений была классическая прогулка Леви. Симс был настолько впечатлен, что посмотрел на данные отслеживания, которые он имел о синих акулах и океанических солнечных рыбах, затем написал коллегам и получил сопоставимые данные, описывающие поведение кожистых черепах, пингвинов и тунца. Все они показали прогулку Леви в большей или меньшей степени.
Симс и его коллеги выдвигают гипотезу, что многие животные эволюционировали, чтобы использовать эту модель поиска, когда они не могли ни почувствовать, ни вспомнить, где находилась еда. «Движения Леви возникают, когда животное на самом деле не имеет ни малейшего понятия о нахождении пищи», - сказал Ник Хамфрис, вычислительный биолог и доктор наук из лаборатории Симса.