Matematica dei pinguini
Gli animali si sono evoluti per proteggersi dal freddo in una miriade di modi. Le balene si isolano con il grasso. I bisonti si riuniscono vicino alle sorgenti geotermiche. Gli orsi neri si rifugiano nelle grotte. E i pinguini imperatori, di fronte alle temperature sotto zero dell'Antartide e ai venti di burrasca, si accalcano.
"Una riunione di pinguini sembra un caos organizzato", ha detto François Blanchette , matematico dell'Università della California, Merced. "Ogni pinguino agisce individualmente, ma il risultato finale è un'equa distribuzione del calore per l'intera comunità."
Si scopre che i pinguini eseguono le loro conversazioni con un alto grado di efficienza matematica, come hanno scoperto Blanchette e il suo team. Più recentemente, Daniel Zitterbart , un fisico presso la Woods Hole Oceanographic Institution, ha contribuito a sviluppare e installare telecamere ad alta risoluzione per osservare il comportamento indisturbato di rannicchiarsi. Il team di Zitterbart ha recentemente scoperto quali condizioni inducono i pinguini a rannicchiarsi e stanno studiando la possibilità che il comportamento matematico dei pinguini possa rivelare segreti sulla salute della colonia nel tempo.
In fondo al mondo, centinaia di migliaia di pinguini imperatori emergono dal mare ogni aprile per percorrere oltre 50 miglia verso le loro colonie interne. Dopo la riproduzione, le femmine tornano in mare per il cibo ei maschi rimangono indietro, ciascuno incubando un uovo solitario in una sacca sopra i loro piedi. Senza nidi o cibo, sfidano gli elementi rannicchiandosi insieme su un pack di ghiaccio stabile per massimizzare il calore ambientale e ridurre al minimo l'esposizione.
Sebbene possa sembrare che i venti dominanti spingano un rannicchiarsi lungo il ghiaccio, la verità è più sfumata. Blanchette e il modello del suo team hanno chiarito che gli uccelli non si muovono all'unisono. I pinguini nel centro della calca, dove le temperature raggiungono i 100 gradi Fahrenheit, per lo più stanno fermi. Un uccello che si trova sul lato sopravvento del gruppetto viene presto spinto a trasferirsi sul lato più caldo e sottovento. Man mano che più uccelli lasciano il lato sopravvento, i pinguini al centro si trovano presto esposti. A tempo debito, anche questi pinguini partono per il lato sottovento.
Le rannicchiate durano in genere alcune ore, durante le quali i pinguini possono compiere rotazioni multiple dall'esterno freddo della rocca al suo interno caldo. Nel processo, ogni individuo dà la priorità al proprio calore, ma il calore della rannicchia è condiviso da tutti.
I pinguini sembrano sapere ciò che i matematici hanno imparato molto tempo fa: il più denso impacchettamento di forme su un piano è una griglia esagonale. Secondo il modello di Blanchette, gli uccelli si dispongono come se fossero ciascuno in piedi sul proprio esagono in una griglia. La maggior parte delle conversazioni inizia come blob deformi. Il flusso del vento e la temperatura intorno alla rocca spingono un primo pinguino, in genere il più freddo sul lato sopravvento, a trasferirsi. Questo pinguino, noto come il motore, ondeggia alla ricerca di nuovi vicini nel relativo calore del lato sottovento del gruppetto.
Il motore seleziona i pinguini di confine lato sottovento con la minima perdita di calore come suoi nuovi vicini, assumendo il suo nuovo posto senza disturbare gli altri. (Può o non può scegliere un punto che massimizzi il suo nuovo numero di vicini – in questo modello, tutto ciò che conta per lui è trovare i pinguini con la minima perdita di calore.) Quando si stabilisce, uno o più dei suoi nuovi vicini possono ora trovarsi all'interno della massa, senza essersi mai mossi. Nel frattempo, sul lato sopravvento, il motore potrebbe aver esposto un ex pinguino interno al confine lasciando il suo vecchio posto vuoto.
Mentre sempre più pinguini si imbarcano in missioni di ricerca del calore, il confine della rocca è in continuo mutamento. Nel tempo, le forme ruvide nella rannicchia diventano definite. Il blob originale si trasforma in un oggetto geometrico regolare: una forma oblunga con lati dritti e estremità arrotondate.
Senza saperlo, gli uccelli sono inciampati in una disposizione quasi perfetta. "Abbiamo cercato di pensare a un modo migliore, ma ha sempre coinvolto un essere onnisciente che avrebbe detto loro dove andare", ha detto Blanchette.
Ma cosa spinge i pinguini a rannicchiarsi in primo luogo? Per indagare, il team di Zitterbart ha progettato e installato un robusto osservatorio telecomandato ad Atka Bay e ha sviluppato un pacchetto software che li aiuta a interpretare i dati. Il lavoro di questo osservatorio integra le osservazioni dei ricercatori in loco e ha consentito al team di Zitterbart di sviluppare modelli matematici che prevedono con precisione le rannicchiate dei pinguini.
"Per noi, la parte rilevante è: 'Come si sente il pinguino?' perché il modo in cui si sente il pinguino determina il comportamento del pinguino. E misuriamo il comportamento ", ha detto Zitterbart. Per fare ciò, il suo team ha sviluppato una nozione di "temperatura apparente", che riflette il modo in cui la temperatura ambiente, l'umidità, la velocità del vento e la radiazione solare influenzano la percezione della temperatura da parte di un pinguino – un concetto analogo al fattore di raffreddamento del vento per gli esseri umani. Dovevano anche tenere conto di quanto fossero lontani i pinguini nel ciclo di riproduzione, poiché all'inizio del ciclo gli uccelli sono più grassi per il foraggiamento recente, il che consente loro di iniziare a rannicchiarsi a temperature relativamente più fredde. Verso la fine del ciclo, gli uccelli sono più magri, le loro riserve di grasso si sono esaurite durante i mesi di freddo, quindi tendono a iniziare a rannicchiarsi a temperature più calde.
Il team di Zitterbart ha raccolto dati sufficienti per fare previsioni sempre più precise basate su tutti questi fattori. Ad esempio, a seconda del punto del ciclo di riproduzione, potrebbero prevedere una temperatura apparente di -44,5 gradi Fahrenheit come punto di svolta in cui i pinguini avranno una probabilità del 50% di rannicchiarsi, il che significa che, a questa temperatura, gli uccelli dovrebbero transizione da una configurazione libera a una confusione densa.
Zitterbart ritiene che i pinguini siano così matematicamente precisi che la temperatura apparente alla quale si trasformano in un rannicchiato serve come misura indiretta del contenuto medio di grassi e delle riserve di energia dei pinguini.
"Invece di pesare ogni singolo pinguino, è come se pesassimo 25.000 pinguini allo stesso tempo", ha detto.
Il suo team sta ora lavorando per determinare se la temperatura iniziale di rannicchiarsi rivela anche cambiamenti nella salute della colonia nel tempo. Gli uccelli che hanno accesso a quantità di cibo stabili per molti anni dovrebbero arrivare nei loro luoghi di riproduzione annuale con le stesse riserve di energia e isolamento dal grasso ogni anno. Pertanto, anche la temperatura apparente alla quale si stringono (a seconda del punto del ciclo di riproduzione) dovrebbe essere costante nel tempo. Questo offre un potente strumento di osservazione. Zitterbart offre un'ipotesi: se i pinguini iniziassero a rannicchiarsi a temperature apparenti più alte del previsto, potrebbe significare che un'alterazione della fornitura di cibo o il cambiamento climatico ha avuto un impatto negativo sul loro successo nel foraggiamento.
"Tutto quello che dovremmo fare è scattare foto di pinguini rannicchiati, che, rispetto a prendere una nave da ricerca e andare in giro e pescare, sarebbe molto meno denaro", ha detto Zitterbart. “Abbiamo un decennio di dati su cui stiamo cercando di elaborare per ottenere queste informazioni. Questa è un'area di scienza attiva ".
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/math-of-the-penguins-20200817/ in data Mon, 17 Aug 2020 16:00:07 +0000.