Математики разгадали загадку природы, над которой безуспешно думал Дарвин
Крутые склоны холмов и гор по всему миру часто покрыты характерными ступенчатыми узорами, напоминающими миниатюрные террасы. Эти повторяющиеся формы рельефа, известные в геоморфологии как террассеты, интриговали ученых более ста лет. Исследователи выдвигали две основные гипотезы: медленное сползание грунта под воздействием гравитации или постоянное вытаптывание склонов копытными животными (овцами, коровами и козами). Недавно биофизики из Технологического института Джорджии (США) разгадала эту вековую загадку. Их исследование, опубликованное в Journal of the Royal Society Interface, доказало, что даже простейшее поведение животных способно кардинально менять ландшафты планеты, создавая масштабные геометрические узоры.
Математика и симуляция копыт
Примечательно, что происхождением этих ступеней интересовался еще знаменитый естествоиспытатель Чарльз Дарвин. В своей последней книге, изданной в 1881 году, он описывал эти горизонтальные уступы на травянистых склонах Англии, которые по его просьбе измерял его сын Фрэнсис. Дарвин был уверен, что к их созданию причастен скот, однако его современники сомневались, что хаотично бродящие животные способны сформировать настолько регулярные и параллельные линии.
Чтобы проверить это, авторы работы создали компьютерную модель и симулировали движение виртуальных травоядных на крутых склонах. Поведение цифровых моделей коров подчинялось двум простым математическим правилам: животное хочет есть и стремится тратить как можно меньше энергии на перемещение.
Поскольку подъем в гору сжигает много калорий, энергетически выгодной стратегией для скота оказалось движение поперек склона, а не вверх или вниз.
Стигмергия: как хаос создает порядок
В модели была учтена обратная связь: каждый шаг виртуального копытного уплотнял почву и уничтожал траву. Это незначительно меняло рельеф и предопределяло то, где наступит следующее животное. Ученые отпустили виртуальное стадо и зафиксировали, что после тысяч хаотичных шагов на склоне сами собой начали проступать четкие лестничные узоры.
Авторы объясняют этот феномен процессом стигмергии — механизмом, при котором живые организмы косвенно взаимодействуют друг с другом, меняя общую окружающую среду. Один шаг не решает ничего, но миллионы шагов превращают случайные тропинки в регулярную структуру. Физика этого процесса аналогична тому, как муравьи прокладывают свои тропы или как люди вытаптывают газоны.
Проведенный учеными анализ показал идеальное совпадение геометрии смоделированных террас с фотографиями реальных козьих и коровьих троп со всего мира.
