Ученые математически доказали оптимальность поведения мальков при нападении на них хищников. Изогнутая форма, которую они принимают на старте, оказалась лучшей из возможных для развития максимального ускорения. Работа опубликована в журнале Journal of Fluid Mechanics, краткое ее описание можно прочитать на сайте Высшей технической школы Цюриха.
При нападении хищников (или попытке поймать их руками) мальки прежде всего сильно сгибаются, принимая C-образную форму. Это можно хорошо рассмотреть на опубликованном видео модели. Ученые предполагали, что С-образный изгиб позволяет малькам развивать значительное ускорение, однако не было понятно, как именно и почему это происходит.
Авторы статьи решили проверить используемую стратегию на оптимальность. Для этого они создали две взаимодействующие модели - гидродинамическую модель движения малька и модель их эволюции. Расчеты проводились в течение нескольких дней на суперкомпьютере "Monte Rosa" (34 место в списке самых высокопроизводительных систем на ноябрь 2011 года).
Виртуальные рыбы проходили циклы симулированной эволюции, в которых преимущество получали те пловцы, которые развивали максимальную скорость за минимальное время. При этом развиваемое ускорение рассчитывалось для каждой виртуальной рыбы в гидродинамической модели. Рабочий материал для эволюции поставляло исходное разнообразие поведения - разные рыбы по-разному изгибали тело (было использовано восемь разных параметров движения).
Ученые установили, что С-образный изгиб действительно дает максимальное ускорение, хотя и является энергетически очень невыгодным. Впрочем, понятно, что когда речь идет о долях секунды, экономией энергии можно пожертвовать.
Оказалось, что образуемые в ходе движения вихри, вопреки распространенным представлениям, не имеют существенного значения для развития скорости. Значение имеет максимизация скорости и объема отбрасываемой воды. Именно в этом им помогает С-образный изгиб. Моделирование показало, что если бы анатомия рыб позволяла изогнуться на старте еще сильнее, то ускорение было бы еще больше.
Ученые надеются, что полученные модели можно будет применить не только в биомеханике, но и для разработки и оптимизации деталей гидротурбин.
Моделирование тела и передвижения рыб не первый раз выявляет их оптимальное устройство. Недавно была опубликована работа, в которой ученые показали, что форма тела многих рыб является оптимальной по соотношению скорости и энергетических затрат.