Jak ryby morskie nawigują: modele oparte na agentach migracji

Migracja, której nie planuje nikomu, ale która follows everyone

Grzęzle przepływają około 16 000-20 000 km w trakcie podróży między polarnymi terenami zjazdowymi a lagonami rozmnażania na Bajce Kalifornii co roku — jedno z najdłuższych migracji wśród zwierząt — a humpback, błękitne i prawe grzęzle prowadzą własne równie długie i równie regularne sezonowe cykle między chłodnymi, bogatymi w pokarm terenami wysokolatkowymi a ciepłymi, przyjaznymi dla młodych wodami niskolatkowymi rozmnażającymi się. Nikoła grzęzla nie urodzi się z mapą; każda generacja podąża ścieżkami, które wydają się być nauczone i potraktowane jako ważne w grupach, śledząc rzeczywisty kompromis między dostępnością pokarmu (skoncentrowanego blisko pól polarnych) a przetrwanie młodych (lepszym w ciepłej wodzie z mniejszym liczebnie orka).

Podpowiedzi: magnetyczne, kosmiczne i nauczone

Nie ma jednej pełna metody, która wyjaśnia, jak krowy zachowują kurs przez tysiące kilometrów otwartego, niemal pustego oceanu, ale kilka potencjalnych podpowiedzi jest dobrze wspierane. Wiele morskich zwierząt nosi krystale magnetyczne lub białkowe czucie światła, które pozwala im prawdopodobnie zauważać pola magnetyczne Ziemi, które się zmieniają w zależności od szerokości geograficznej i długości geograficznej, co pozwala im na użycie ich jako przybliżonego kompasu i nawet siatki pozycyjnej. Krowy wydaje się również korzystać z położenia słońca i gwiazd, przypomnianych lini wybrzeża i topografii dna morskiego przenoszonych wewnątrz grup rodzinnych, a być może dźwięków niskofrekwenckowych, które mogą przeszły ogromne odległości pod wodą i przynosić informacje o oddalonym wybrzeżu. Różne gatunki zwierząt, nawet różne jednostki, prawdopodobnie oceniają te podpowiedzi inaczej, co jest częścią powodu, dla którego ścieżki migracyjne, choć ogólnie zgodne, nie są idealnie identyczne rok po roku.

Dlaczego "model oparty na agentach" jest właściwym rodzajem modelu

Moglibyście spróbować opisać migrację jednym dużym równaniem dla średniej pozycji całościowej populacji w czasie, ale takie podejście zignorowałoby dokładnie to, co sprawia, że migracja jest interesująca: indywidualne organizmy koordynujące się lokalnie tworzą wzorzec na poziomie grupy. Model oparty na agentach zamiast tego przypisuje każdemu orliczmu własny prosty zestaw zasad — sterować w kierunku zapamiętanego celu, pozostawać blisko partnerów podwodnych, unikać przeszkód i nadmiernych dźwięków, dostosowywać prędkość do oszczędzania energii — aż na poziomie podwodnego droga grupowa wyjdzie z tysiąca indywidualnych decyzji powtarzanych w każdym kroku symulowanym czasu. Jest to taka sama rodzina technik używana do modelowania skupienia ptaków (model boidów Reynolds'a) i ryb (model boidów), dostosowana tutaj z dodatkowym warunkiem celu na długim zakresie nałożonym na standardowe zasady połączenia się i oddzielenia.

for each whale agent, each simulated step:
  v_goal      = bearing toward the seasonal destination      (long-range pull)
  v_cohesion  = steer toward the local pod centre             (stay together)
  v_separation= steer away from whales that are too close     (avoid collision)
  v_avoid     = steer away from noise sources / obstacles     (shipping lanes)

  velocity = weighted_sum(v_goal, v_cohesion, v_separation, v_avoid)
  position += velocity * dt

Zawodnicze dźwięki jako dyscyplinujące wejście

Dzięki temu, że komunikacja i nawigacja ślimaków są tak zależne od dźwięku — niektóre niskofrekansowe wywołania mogą dotrzeć do kilkuset kilometrów przez głęboki kanał dźwiękowy — jednym z najprostszych elementów do dodania do modelu migracji jest sztuczny dźwięk, głównie związany z silnikami i propelnerami statków handlowych. W symulacji ten dźwięk modelowany jest jako pole przestrzenne dźwięku, które zwiększa wagę "unikania" w pobliżu intensywnych kanałów transportowych i zdegradowuje zakres, w jakim członkowie podu mogą koordynować się ze sobą, co widocznie fragmentuje spójne pody, opóźnia termin migracji i wymusza detury w innych, wydajniejszych trasach — to prawie wiarygodna subsztancja dla tego, czego badacze polowe dokumentowali u rzeczywistych populacji ślimaków blisko głównych portów i kanałów.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Whale Migration — Agent-Based Navigation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.