Травоядные животные африканской саванны, такие как зебры и импалы, живут быстро и умирают жестоко. Когда они тихо пасутся под жарким солнцем, им приходится часто останавливаться, чтобы оценить ситуацию вокруг. Их большие глаза, расположенные по бокам головы для максимальной видимости, могут видеть более километра пастбищ, стараясь при этом разглядеть любое странное движение. Их огромные уши-радары слышат треск ветки, на которую кто-то наступил. Или низкое, мягкое рычание. Что-то не так. Хищник прыгает, пускается в отчаянный бег, и начинается гонка со смертью.
На широких и открытых равнинах негде спрятаться. Выживание преследующих хищников, таких как львы и гепарды, и их жертв зависит от способности успешно преследовать пищу и умения уклоняться от прыжков соответственно. Хищник и жертва скованны эволюционной гонкой вооружения, стараясь всегда быть быстрее, сильнее и умнее, чем их противник. И нет другого места, где это происходит более драматично, чем африканская саванна, где живут самые быстрые и самые подвижные наземные животные на Земле.
Новое исследование Nature использует биомеханику, данные дистанционного зондирования и компьютерное моделирование, чтобы исследовать динамику этой гонки, а также влияние животных и их стратегий на победителей и проигравших. Оказывается, выживание сводится к поединку между силой и ловкостью – животные-жертвы используют превосходную скорость и мощь хищников против них самих: хотя зебры бегают медленнее, их скорость позволяет им совершать непредсказуемые маневры, которые выматывают преследователей.
Чтобы увидеть хищников и добычу в действии, Алан Уилсон, профессор Королевского ветеринарного колледжа Лондонского университета, и его коллеги отправились на сафари в северной Ботсване. Они были связаны с экспертами из Университета Ботсваны для проведения наблюдений за двумя наиболее известными парами хищника-жертвы саванны: лёгкие и быстрые гепарды и импалы, а также мускулистые львы и зебры.
Они исследовали саванну с помощью вертолета и грузовика, чтобы найти необходимых животных, каждое из которых имеет популяции в северной Ботсване. Как только какое-либо животное было замечено, его временно обездвиживали транквилизатором, а затем учёные устанавливали на нём лёгкий ошейник со сложной системой GPS, что позволило авторам узнавать местоположение, движение и бег животного с точностью до метра. Это означало, что исследователи могли буквально отслеживать каждый шаг каждого животного. Таким образом были отобрали девять львов, пять гепардов, семь зебр и семь импал и записали впечатляюще подробный набор данных из 726 забегов для львов, 520 для гепардов, 1801 для зебр и 515 для импал. Далее биологи использовали эту информацию для отслеживания максимальной скорости, ускорения, способности поворота и частоты шага (которая определяет, как быстро животные могут корректировать движение) своих пар жертв-хищников.
В то время как животные были под действием транквилизатора, команда также взяла маленький образец мышцы задней конечности. Образцы были отправлены в лабораторию в Великобритании, обработаны и подключены к силовому преобразователю, который заставляет мышцы подергиваться и сокращаться внезапными изменениями температуры. Датчик давления позволил исследователям записывать информацию о функции мышц, например, насколько сильно и насколько быстро они могут сокращаться. Команда использовала эту физиологическую информацию для нахождения абсолютного предела показателей у исследуемых животных.
Львы и гепарды повсеместно были более «спортивными», чем их жертвы, зебры и импалы. Мышечные волокна хищников смогли выработать на 20 процентов больше энергии на единицу массы при сокращении. Это позволяет не только развивать более высокие максимальные скорости, но также ускоряться и замедляться намного быстрее, чем их добыча (соответственно на 37 и 72 процента). Из-за их мощных мышц и когтей большие кошки были также немного (на 10-15 процентов) более маневренными, чем зебры и импалы.
В то время как у травоядных отсутствует сила и скорость своих преследователей, у них есть преимущество в начальном старте и контроле над темпом охоты, ведь именно они решают, когда ускориться, замедлиться или повернуть. Хищники должны реагировать и предсказывать решения своей жертвы «на лету», чтобы сократить расстояние и выпустить когти.
Модель, по существу, рассчитала вероятность того, что животное-жертва сможет убежать от хищника, принимая во внимание, насколько быстро и как долго каждое животное может двигаться в любом направлении во время погони. Основное предположение заключалось в том, что первый шаг хищника всегда использовался для продвижения вперед к добыче. Такую гонку можно буквально нарисовать на листке бумаги в клетку: каждый шаг хищника будет отображаться точкой одного цвета, а каждый шаг жертвы – другого. Чем больше точек хищника и жертвы будут совпадать, тем больше вероятность того, что жертва будет поймана.
Борясь за своё выживание в гонке, нужно быть непредсказуемым – точно поворачивать, ускоряться или замедляться. Спринт по прямой линии будет плохой идеей, потому что хищники могут легко опередить свою добычу. Высокая скорость делает животных менее маневренными, потому что их заносит, и они вынуждены использовать больше силы для переориентации своего тела. Забеги, в которых жертва быстро поворачивалась (используя свою достаточно высокую маневренность), и бежала с умеренной скоростью, в итоге имеют наименьшее количество совпадений между траекторий хищника и жертвы. С другой стороны, хищники наиболее успешны, когда они бегут чуть быстрее, чем добыча, из-за чего они способны поддерживать свою маневренность, чтобы реагировать на решения жертвы.
В обоих случаях легкая атлетика каждого представителя пары «хищник-жертва» была тесно связана, подчеркивая сильное эволюционное давление на продуктивность как у хищников, так и у их жертв – существует гонка вооружений для улучшения двигательных способностей у крупных плотоядных животных и их травоядной добычи. Помимо экологических и эволюционных открытий, это исследование также продвигает технологическую составляющую абсолютной сложностью и объёмом данных. Такая подробная информация может быть применена к тому, как животные справляются с другими проблемами в своей среде обитания, например, когда и как они потребляют пищу, или какие быстрые решения им необходимо принимать для бегства от хищников или при изменениях окружающей среды.