Животные эволюционировали, чтобы защищаться от холода множеством способов. Киты утепляются салом. Зубры собираются возле геотермальных источников. Черные медведи прячутся в пещерах. А императорские пингвины, столкнувшись с отрицательными температурами Антарктиды и ураганным ветром, сбиваются в кучу.
Кучка пингвинов похожа на организованный хаос. Каждый пингвин действует индивидуально, но конечным результатом является справедливое распределение тепла для всего сообщества.
Оказывается, пингвины заполняют свои кучки с высокой степенью математической эффективности. На "дне" мира сотни тысяч императорских пингвинов выходят из моря каждый апрель, чтобы преодолеть более 80 километров до своих внутренних колоний.
После размножения самки возвращаются в море за пищей, а самцы остаются, каждый высиживает одно яйцо. Без гнезд и пищи они противостоят стихиям, сбившись в кучу на устойчивом паковом льду, чтобы максимизировать температуру окружающей среды и минимизировать её воздействие.
Птицы не двигаются в унисон. Пингвины в центре скопления, где температура достигает 38 градусов по Цельсию, в основном стоят на месте. Птица, оказавшаяся на наветренной стороне скопления, вскоре вынуждена перебраться на более теплую, подветренную сторону.
По мере того, как все больше птиц покидает наветренную сторону, пингвины в центре вскоре оказываются незащищенными. Со временем эти пингвины тоже уходят с подветренной стороны.
Скучивание обычно длится несколько часов, в течение которых пингвины могут совершать несколько циклов вращения от холодной внешней части скопления к его теплой внутренней части. При этом каждый уделяет первоочередное внимание своему собственному теплу, но тепло в кучке разделяют все.
Пингвины, кажется, знают то, что математики давно узнали: самая плотная упаковка фигур на плоскости - это шестиугольная сетка. Птицы располагаются так, как если бы каждая из них стояла на своем собственном шестиугольнике в сетке.
Большинство скоплений начинаются как деформированные капли. Ветровой поток и температура вокруг скопления побуждают первого пингвина - обычно самого холодного с наветренной стороны - переместиться. Этот пингвин, известный как подвижник, ковыляет в поисках новых соседей в относительной теплоте с подветренной стороны скопления.
Движущийся выбирает пингвинов с подветренной стороны с наименьшими потерями тепла в качестве своих новых соседей, занимая свое новое место, не мешая другим. (Он может выбрать или не выбрать место, которое максимизирует его новое количество соседей - в этой модели для него важно только найти пингвинов с наименьшими потерями тепла.)
По мере того, как все больше пингвинов отправляются на поиски тепла, границы скопления постоянно меняются. Со временем в скоплении становятся четкие очертания. Первоначальная капля трансформируется в обычный геометрический объект: продолговатую форму с прямыми сторонами и закругленными концами.
Но что в первую очередь побуждает пингвинов сбиваться в кучу?
Важно понимать как пингвин чувствует себя, потому что то, как он себя чувствует, определяет его поведение. Для этого существует понятие «кажущейся температуры», которое отражает, как температура окружающей среды, влажность, скорость ветра и солнечная радиация влияют на восприятие температуры пингвином - концепция, аналогичная фактору охлаждения ветром для человека.
Скопления пингвинов настолько математически точны, что кажущаяся температура, при которой они переходят в скопление, служит косвенной мерой среднего содержания жира и запасов энергии у пингвинов.
Птицы, у которых есть доступ к стабильному количеству корма в течение многих лет, должны приходить на свои ежегодные нерестилища с одинаковыми запасами энергии и жира каждый год.