為應對南極洲酷寒，企鵝表現出了過於驚人的數學「天分」（圖）

2020-09-05 全現在

在不自覺的情況下，企鵝群完成了一個近乎完美的排序。「我們想不出比這更好的群聚方法。」

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和人類一樣，面對寒冬，動物同樣有無數種抵禦寒冷的方式。比如鯨魚用厚厚的鯨脂隔絕寒冷；野牛會聚集於地熱溫泉附近；黑熊則躲進洞穴之中。至於帝企鵝們，它們面對南極洲的酷寒和強風時會抱團取暖。

美國加州大學默塞德分校的數學家弗朗索瓦·布蘭切特說：「企鵝的群聚看似混亂，卻充滿組織性。雖然每隻企鵝都在單獨行動，但整個企鵝群的熱量卻因此得到了平均分配。」

正如布蘭切特及其團隊發現的那樣，企鵝在群聚時數學效率極高。前不久，在南極洲阿特卡海灣，美國伍茲霍爾海洋研究所專家丹尼爾·齊特巴特設計並安裝了高解析度攝像機，用來觀察企鵝在不受人類幹擾的情況下的群聚行為。

圖片：視覺中國


每年4月，成千上萬隻帝企鵝會浮出海面，跋涉50多英裡，前往它們在南極洲內陸的領地。繁殖之後，雌企鵝身體儲存的能量就會消耗殆盡，必須立即返回大海捕食。雄企鵝會接過孵化任務，把蛋放在腳掌上，用育兒袋包裹起來。孵化時間大約65天，而在這種沒有巢穴和食物的情況下，雄企鵝們會站在浮冰上，緊緊地擠在一起，最大限度地增加周圍的熱量，減少暴露，一起抵抗這糟糕的天氣。

此時，盛行風（風速大、風向總是不變的「南極下降風」）會把企鵝群腳下的浮冰往前推，企鵝們則會沿著冰面向前移動。布蘭切特及其團隊的模型清楚地表明，不同位置的企鵝的運動並不一致。群體中心的溫度達到100華氏度（約等於37.7攝氏度）時，站在中心的企鵝大多數一動不動。而發現自己站在迎風面的企鵝也快速移至溫暖的背風面。當離開迎風面的企鵝越來越多，身處中心的企鵝很快發現自己已經暴露在外，於是在適當的時候，這些企鵝也會前往背風面取暖。

通常情況下，企鵝「抱團」會持續幾個小時。在此期間，它們會從寒冷的外部轉到溫暖的內部，進行多次輪換。這個過程中，每隻企鵝都會優先考慮自己的溫暖，但企鵝群的熱量卻能共同享有。

圖片：Samuel Velasco / Susan D&39;Agostino / Quanta雜誌；基於研究人員建模


在不自覺的情況下，企鵝群完成了一個近乎完美的排序。「我們想不出比這更好的群聚方法。」布蘭切特說。

那是什麼促使企鵝群聚在一起呢？

齊特巴特說：「『企鵝感覺如何？』是很重要的，因為企鵝的感覺決定了它的行為，而我們需要測量企鵝的行為。」為了做到這一點，他的團隊發明了「表觀溫度」的概念。這個概念類似於人類的風寒效應（與風速相關的冷卻作用），能反映周圍的溫度、溼度、風速，以及太陽輻射如何影響企鵝對溫度的感知。

此外，他們還必須考慮企鵝進入繁殖周期的時間。因為在繁殖周期的早期，企鵝由於之前的覓食而變得豐滿，這讓它們可以在相對較冷的溫度下抱團取暖。而在繁殖周期的末期，企鵝會變得瘦弱，它們的脂肪儲備會在寒冷的幾個月中逐漸消耗殆盡，所以它們傾向於在更溫暖的溫度下開始抱團取暖。

齊特巴特的團隊已經收集了足夠的數據，並且可以根據這些因素做出越來越精確的預測。例如，根據繁殖周期時不同的時間點，他們預測−44.5華氏度的表觀溫度是一個臨界點，在這個溫度下，企鵝有50%的可能性會擠在一起。也就是說，在這個溫度下，企鵝群將從鬆散的形態過渡到密集的群聚。

圖片：視覺中國


齊特巴特認為，企鵝群聚在數學上非常精確，因此它們過渡到群聚時的表觀溫度可以間接衡量企鵝的平均脂肪含量和能量儲備：「我們不是給每隻企鵝稱重，而是同時給兩萬五千隻企鵝稱重。」

現在，他的團隊正在努力確定最初的群聚溫度是否能揭示企鵝群的健康狀況會隨時間而變化——能長期獲得穩定食物量的企鵝，每年到達它們的繁殖地時，其能量儲備和脂肪應該是相同的。因此，它們擠在一起時的表觀溫度（取決於繁殖周期中的時間點）也應該隨著時間的推移保持一致。齊特巴特提出一個假設：如果企鵝在高於預期的表觀溫度下開始擠在一起，這可能意味著食物供應的改變或氣候變化對它們覓食會產生負面影響。

「我們只需要拍下企鵝群聚的照片。與乘坐研究船、開車兜風和釣魚相比，這項花費要少得多。」齊特巴特說，「我們正在努力處理十年來的數據。」

參考資料：

https://www.theatlantic.com/science/archive/2020/08/penguins-huddle-math/615595/

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0050277

https://www.quantamagazine.org/math-of-the-penguins-20200817/

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352711019302018

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