Пение гигантов: как ветер помогает синим китам искать криль

Планета Земля служит домом для колоссального числа разнообразных видов живых организмов, каждый из которых обладает своими уникальными особенностями. Некоторые существа настолько необычны, что научное сообщество далеко не стразу поверило в их существование (привет утконосам). Открытия новых видов или новых особенностей уже открытых видов продолжается и по сей день. Но загадки, требующие ответов, по-прежнему остаются. Одной из таких загадок природы являются синие киты. И проблема не только в том, что их домом является буквально весь мировой океан, но и их малая численность, что в частности спровоцировано деятельностью человека. Дабы лучше узнать синих китов, ученые из Научно-исследовательского института аквариума Монтерей-Бей (США) проследили за их перемещением и установили несколько любопытных фактов. Как ученые следили за китами, и что им удалось выяснить? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Синие киты, относящиеся к семейству полосатиковых, являются самыми крупными существами на планете. Длина их тела может составлять порядка 33 метров, а масса 150 тонн. Обладая такими габаритами, синие киты могли бы питаться чем угодно, однако основу их рациона составляет планктон. Таким образом самое крупное животное питается одним из самых малых. И тут у китов появляется задача, решение которой напрямую влияет на их выживание — как этот планктон найти. А найти нужно много. В сутки синий кит может потреблять от 3.5 до 8 тонн (по некоторым данным до 20 тонн). Для планктона это катастрофа, а для кита необходимость.

Учитывая такие аппетиты, возникает вопрос — как киты отслеживают скопления криля. Для нас понимание того, как животные отслеживают ресурсы в пространстве и времени, является важным аспектом сохранения вымирающих видов.

Небольшое познавательное видео о синих китах.

Ученые отмечают, что для пелагических животных* в апвеллинговых* экосистемах подъем и спад биогенной продуктивности играет фундаментальную роль в передаче энергии от мелкого планктона к более крупным морским позвоночным, включая рыб, морских птиц и млекопитающих.

Пелагические животные* — те, что обитают в толще или на поверхности воды.

Апвеллинг* — подъём глубинных вод океана к поверхности.

В высокопродуктивные сезоны колебания физической среды, вызванные ветровым апвеллингом, могут быстро привести к скоплению кормовых видов, таких как криль и стайная рыба. Такие скопления крайне важны для хищных видов, в том числе и для синих китов. Но пока остается загадкой, как эти хищники предсказывают и обнаруживают эти скопления.


Изображение №1

Популяция синих китов, населяющая восточную часть северного Тихого океана и насчитывающая от 1500 до 2000 особей, ежегодно мигрирует между местами кормления (берега Калифорнии и залив Аляски) и местами размножения (побережье Мексики и Центральной Америки). Биологически важные районы для этой популяции были определены в результате многолетних наблюдений за местами скопления синих китов в поисках корма. Один из таких районов находится в Национальном морском заповеднике Монтерей-Бей (MBNMS; 1а).

MBNMS находится в центральной Калифорнийской экосистеме течений — восточной пограничной системе течений, в которой ветровой прибрежный апвеллинг переносит холодные (1b; шлейфы апвеллинга, обозначенные P), богатые питательными веществами подповерхностные воды в освещенный солнцем поверхностный слой, тем самым подпитывая обильную первичную продукцию фотосинтеза. Обогащение первичной продукции, в свою очередь, поддерживает популяции кормовых видов, от которых зависят многие другие виды.

После сезона размножения время миграции синих китов в место кормления постоянно приходится на весну, когда популяции криля развиваются после сезонного повышения первичной продуктивности. Ученые считают, что отслеживание криля во время миграции китов улучшается за счет долговременной памяти относительно стабильной и продуктивной среды для кормления. Синие киты из года в год меняют время своего ухода из места кормления на срок до 4 месяцев, что может быть стратегией максимального получения энергии перед сезоном размножения.

Пока киты находятся в области кормления, они должны постоянно находить большие скопления криля. Единственное, что нам известно, это то, что киты предпочитают искать пищу на краю континентального шельфа и в районах с подводными каньонами.

Недавно было обнаружено, что криль и другие кормовые виды скапливаются во время апвеллинга, а случайные встречи с исключительно плотными скоплениями кормящихся синих китов в районе залива Монтерей совпали с границами апвеллинга на границе шельфа. Из этого наблюдения напрашивается вывод, что киты как-то отслеживают особенности прибрежного апвеллинга, чтобы находить больше криля. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили на практике проверить эту теорию.

Подготовка к исследованию

Слежка за китами осуществлялась с помощью пассивного акустического мониторинга (PAM от passive acoustic monitoring) на базе обсерватории MARS (Monterey Accelerated Research System), расположенная в центре MBNMS. Направленный PAM через MARS был реализован с помощью датчика акустического вектора GeoSpectrum Technologies M20, развернутого в январе 2019 года. Эти датчики уже применялись на практике во время отслеживания горбатых китов.

Ученые отмечают, что хоть D песни китов связывают с кормлением, B песни являются самыми мощными и распространенными среди песен, издаваемых китами в области проведения наблюдений. Кроме того, эти песни содержат фокальные сигналы, используемые для обнаружения и отслеживания особей.

*Записи песен синих китов можно послушать тут.

Поскольку среда записи представляет собой среду обитания для поиска пищи, характер направленности всех криков синих китов важен для понимания пространственно-временных характеристик их поведения при поиске пищи.

Помимо основных методов сбора и обработки PAM данных, ученые разработали методы извлечения азимута от обсерватории MARS до источников B-песен синих китов. Были изучены периоды с июня по февраль двух последовательных лет (пронумерованные прямоугольники на 1с). Каждый ежегодный период обнаружения начинается в конце лета с усилением песенного поведения и заканчивается зимой, когда киты мигрируют в более низкие широты для размножения.


Изображение №2

Третья гармоника B сигнала (2a и 2b) обычно имеет самое высокое отношение пиковой энергии к фоновой и является главной целью этого исследования. Основой для анализа является коэффициент (индекс) песни (1c), который количественно определяет отношение максимальной спектральной плотности мощности (psd) в полосе частот энергии песни к средней psd в двух соседних фоновых полосах частот, не содержащих энергию низкочастотного пения китов.

Результаты автоматизированного анализа проверялись вручную, во-первых, чтобы определить минимальное значение индекса, для которого можно было бы четко и последовательно различать B песни, а их отношение к MARS можно было бы извлечь. Все односекундные интервалы с индексом > 1.25 четко выделяют отдельные песни и позволяют отслеживать характерное для них снижение частоты. Этот сегмент показывает песни, исходящие от устойчивых пеленгов*, а также песни, связанные с постоянно меняющимся пеленгом (пунктирная линия на 2b внизу), которые интерпретируются как исходящие от животного, движущегося относительно гидрофона. Второй целью ручного анализа было исключение ложных срабатываний, вызванных шумом кораблей. Окончательный набор данных для анализа включал в себя время и пеленг вручную проверенных секунд с индексом песен > 1.25.

Пеленг* — процесс определения углов между северным направлением меридиана и линией из точки наблюдения на объект.

Для аппроксимации географического региона, из которого можно оценить направление источника песни, ученые применили моделирование потерь акустической передачи. На основе смоделированных потерь при передаче и номинального уровня источника B-песен в 171 дБ были оценены принимаемые уровни (RL) для региона в пределах 370 км от MARS. Учитывая средний фон ~80 дБ для MARS в полосе частот ниже пиковой полосы B-песни (2a), минимальный индекс в 1.25 определяет минимальное RL для надежной оценки пеленгов песен. Область, превышающая этот минимальный RL (2c), охватывает прибрежную область между мысами Ако-Нуэво и Сур и простирается на большую часть залива Монтерей у берега MARS и до ~ 70 км от берега MARS.


Изображение №3

Чтобы проверить эффективность использования MARS для обнаружения B-песен китов, ученые использовали данные с датчиков, прикрепленных к животным с помощью присосок (изображение №3).

Гидрофон метки измерялся на частоте 24 кГц, акселерометр — на частоте 400 Гц, магнитометры и гироскопы — на частоте 50 Гц, а другие датчики — на частоте 10 Гц. В то время как гидрофон на животном может записывать сигналы как от помеченного кита, так и от ближайших сородичей, акселерометр на животном можно использовать для проверки того, какие сигналы исходили именно от помеченного кита. При сопоставлении данных метки, переносимой животными, и датчика акустического вектора в MARS было важно определить периоды, когда сигналы помеченного кита можно было точно определить по данным GPS, а сигналы, полученные на MARS, можно было отнести к меченому киту.

Темп пения и дыхания помеченного кита сравнивали с записями MARS, чтобы определить период, когда песни этого кита можно было отделить от других криков, полученных в MARS, и сравнивали направления этих песен с помощью двух методов оценки пеленга: GPS против акустики.

Наблюдения за кормовыми видами проводились почти непрерывно в течение всего периода исследования с помощью направленного на MARS научного эхолота с частотой 38 кГц. Модифицированный эхолот Simrad EK60 передавал сигнал длительностью 2.048 мс вверх по лучу 7° каждые 2.5 секунды с выходной мощностью 400 Вт. Этот прибор мог обнаруживать макрозоопланктон, микронектон и более крупных животных, начиная с глубины 890 м и заканчивая поверхностью.

Прибрежный апвеллинг был изучен с использованием нескольких источников данных. Спутниковое инфракрасное дистанционное зондирование температуры поверхности моря (SST от sea surface temperature) описывает региональные закономерности апвеллинга. В районе залива Монтерей прибрежный апвеллинг формирует холодные шлейфы (обозначены буквой P на 1b), которые берут начало в центрах апвеллинга, расположенных в прибрежных точках суши — к северу от залива в мысе Ако-Нуэво и к югу от залива в мысе Сур. Эти шлейфы имеют тенденцию течь к экватору, а вот шлейф, берущий начало в мысе Ако-Нуэво, обычно раздваивается, частично впадая в залив Монтерей.

Результаты исследования

Данные меток, прикрепленных к животным, позволили проверить точность данных акустического пеленга, полученных с помощью MARS (изображение №3). Запись метки показывает, что кит перешел от активного поиска пищи в течение светового дня к смешанному пению (поиск пищи + призывы к сородичам) в сумерках и только призывам ночью (3а). В течение приблизительно одного часа ночью среди сигналов, полученных на MARS, можно было различить ритм его призыва и интервалы поверхностного дыхания. В течение этого часа серия из двух призывов, каждая из которых следует за интервалом поверхностного дыхания, иллюстрирует критерии надежной проверки (3b). Все призывы были зарегистрированы гидрофоном и акселерометром на метке. Из этого следует, что они исходили от помеченного кита.

В то время как прием MARS первых пяти сигналов совпал с приемом сигналов от других китов, прием последних пяти сигналов не совпал (3b), что подтверждает однозначное сравнение акустических и GPS пеленгов от MARS. Размах акустических пеленгов на основе MARS для последних пяти сигналов (заштрихованный зеленым сектор на 1a) точно совпал с координатами GPS по метке кита (белый кружок на 1a).

Показанная GPS-позиция почти совпала с GPS-позицией, полученной 25 минутами ранее, и изучение перемещений кита по засчитанному пути (с использованием данных датчика-метки) показало, что в этот период кит не отклонялся от ближайших GPS-позиций.


Изображение №4

Для каждого года было проанализировано примерно одинаковое количество общего времени пения: 405 часов в 2019–2020 и 449 часов в 2020–2021. В оба года пеленги максимального кумулятивного обнаружения песен совпадали с пеленгами на регионы, где шлейфы исходят от прибрежных центров апвеллинга (4a и 4b).

В течение 2019–2020 большинство песен, содержащих сильный локальный максимум вокруг пеленга на мысе Сур (4b), приходилось на сентябрь–ноябрь 2019 года (верхняя панель на 4c). В течение 2020–2021 пики активности пения примерно равной величины совпадали с каждым центром апвеллинга/районом шлейфа (4a и 4b). Активность песен вокруг пеленга на мысе Сур была наибольшей в период с сентября по октябрь, тогда как активность песен вокруг пеленга на мысе Ако-Нуэво достигла пика в ноябре-декабре (нижняя панель на 4c).

Более узкие максимумы, выровненные с центром апвеллинга на мыс Сур, согласуются с условием, что только самая северная часть этого шлейфа будет находиться в пределах области MARS обнаружения песен в условиях апвеллинга (4a и 4b). Более широкий пик, совпадающий со шлейфом Ако-Нуэво в каждом году, согласуется с условием, что весь этот шлейф, охватывающий более широкий диапазон направлений, будет находиться в пределах области обнаружения песен в условиях апвеллинга.

Самая сильная активность вызовов из направленного сектора, охватывающего этот шлейф мыса Ако-Нуэво, наблюдалась в течение двух периодов в 2020 году: с начала-середины ноября и с конца ноября до середины декабря (белая рамка на нижней панели на 4с). Оба периода показали движение с запада от пеленга к мысу Ако-Нуэво к востоку от этого пеленга и сохранение повышенной активности пения к востоку от пеленга к мысу Ако-Нуэво в течение как минимум недели (периоды, заштрихованные серым цветом на 4с).

Паттерны движения были определены на уровне отдельных китов (наклонные максимумы в плоскости время/направление на 4d) и включали колебательные движения на запад и восток непосредственно восточнее пеленга на мыс Ако-Нуэво.


Изображение №5

Паттерны движения китов соответствовали паттернам в атмосферных, океанических и кормовых условиях (изображение №5). Два периода движения на восток через северное полушарие области обнаружения пения (белая рамка на нижней панели на 4c) очевидны ввиду увеличения процента песен, исходящих из северо-восточного квадранта (5a-5c). Оба периода совпали с наличием восходящего плюма (потока) в заливе (U1 и U2 на 5b–5d). На присутствие плюма указывает выход на поверхность изолиний плотности воды в точке М1 на карте (5a и 5d). Каждый период присутствия апвеллингового шлейфа в заливе следовал за сильными пиками индекса переноса прибрежного апвеллинга (5e), показывая, что воздействие ветра вызывает океаническую циркуляцию, с которой связано движение песен синих китов. Скопление видов животных (добычи) соответствовала коэффициенту апвеллинга (5e), который объяснял разность в рассеянии скоплений в зависимости от глубины: 49% по площади, обнаруженной в скоплениях на верхних 200 м в течение этого периода, но только 10 % рассеяния по общей площади. Во время апвеллинга (U1 и U2 на 5b–5e) более 80 % криля находилось в скоплениях, а в периоды ветровой релаксации (R1 и R2 на 5b–5e) в скоплениях находилось менее 20 %.

Первый период апвеллинга (U1 на 5b–5e) был отмечен одним большим пиком силы апвеллинга, за которым последовал выход нижележащих вод к поверхности, образование скоплений биомассы и усиление песенной активности китов, что длилось порядка 1 недели Во время второго периода апвеллинга наблюдалось уже три пика с теми же последствиями, что длилось 3 недели.

Положение китов было постоянным в течение нескольких циклов ветровой активности (5f). Во время ослабления ветра песни синих китов исходили в основном из северо-западного квадранта: 82% во время R1 и 96% во время R2. Этот квадрант охватывает прибрежную среду обитания (за континентальным шельфом), источник восходящего плюма в районе мыса Ако-Нуэво и места добычи корма вдоль границы шельфа (5a и 5f).

Во время апвеллинга процент песен из северо-восточного квадранта сильно увеличился: в 3.1 и 12 раз во время U1 и U2 соответственно. Этот квадрант охватывает место кормления, где потоки апвеллинга впадают в залив Монтерей и над каньоном Монтерей (4a, 5a и 5f).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые вполне успешно раскрыли еще один секрет самых крупных животных на планете, синих китов. Благодаря акустическим и навигационным данным ученые установили, что синие киты отлично ориентируются в метеорологии.

Сильный ветер может приводить к апвелингу, когда вода из глубин поднимается ближе к поверхности. Вместе с этой водой поднимаются и питательные вещества, которые привлекают криль и различные виды рыб, которые являются добычей для хищников. Синие киты способны распознавать, когда это происходит, а потому добыча пищи для них становится более легкой задачей.

Киты крайне говорливые создания, но вместо слов они используют звуки, называемые пением. Репертуар у них также весьма разнообразный, от песен во время кормления до песен для призыва сородичей. Ученые, отследив песни китов, их частоту и интенсивность, смогли сопоставить эти данные с данным касательно апвелинга. И они совпали, тем самым подтвердив вышеописанную теорию.

Данный труд не только показал, как синие киты повышают шансы на добычу пищи, но и лишний раз подтвердил, что они предпочитают кормиться в весьма определенных местах. Другими словами, места их кормления совершенно неслучайны, а потому мы можем использовать эти знания для регулирования маршрутов морского транспорта. Отказаться от, к примеру, морских грузоперевозок мы не можем, но во время планирования маршрутов мы хотя бы можем учитывать места кормления или размножения животных, тем самым снижая риск нанесения им вреда.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?