Кіріспе
Жануарлардың азық іздеу мінез-құлқының математикалық моделі
Шеттік құндылық теоремасы (ШҚТ) – ресурстардың (көбінесе тағамның) ресурстарсыз аймақтармен бөлінген дискретті участақтарда орналасқан жүйедегі ең тиімді азық іздейтін жеке тұлғаның мінез-құлқын сипаттайтын ең тиімді модель. Ресурстар жоқ кеңістікке байланысты, жануарлар участақтар арасында саяхаттауға уақыт жұмсауы керек. ШҚТ организмдердің кірісі азаятын басқа да жағдайларда қолданылуы мүмкін. ШҚТ алғаш рет 1976 жылы Эрик Чарнов ұсынған. Оның түпнұсқалық тұжырымында: «Жануарлар азық іздеушілер аймақтағы шекті ұстау көрсеткіші орташа ұстау көрсеткішіне дейін төмендеген кезде қазіргі участақты қалдыруы керек».
The marginal value theorem (MVT) is an optimality model that usually describes the behavior of an optimally foraging individual in a system where resources (often food) are located in discrete patches separated by areas with no resources. Due to the resource free space, animals must spend time traveling between patches. The MVT can also be applied to other situations in which organisms face diminishing returns. The MVT was first proposed by Eric Charnov in 1976. In his original formulation: "The predator should leave the patch it is presently in when the marginal capture rate in the patch drops to the average capture rate for the habitat."
Анықтама
Барлық жануарлар энергиялық қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін азық іздеуі керек, бірақ мұндай іс-әрекет энергияны көп жұмсауға әкеледі. Табиғи іріктеу арқылы эволюция жануарлардың энергияны алу мен жұмсау арасасындағы балансты ең экономикалық және тиімді стратегия арқылы қамтамасыз етеді деп есептеледі. Маржиналды құндылық теоремасы – ресурстардың, демек, табыс деңгейінің уақыт өте келе төмендеуін ескеретін, бірлік уақыттағы табысты максималдайтын стратегияны сипаттайтын оптималды модель. Модель пайда мен шығынды салыстырады және азықты тастау уақытын және азықтың тығыздығын болжау үшін қолданылады. Азықты тастау уақыты (АТУ) – жануар соңғы рет тамақтанған сәттен бастап, азық іздейтін орынды тастап кеткенге дейінгі уақыт аралығы. Азықтың тығыздығы (АТ) – жануар басқа азық іздейтін орынға көшуді шешкен кездегі азық іздейтін орындағы азықтың тығыздығы. Егер азық көздері кеңістікте біркелкі орналаспаған жағдайда, MVT жануардың белгілі бір орынды қанша уақыт іздейтінін, содан кейін жаңа орынға көшетінін болжауға мүмкіндік береді. Әдетте, егер (1) азық іздейтін орындар бір-бірінен алыс болса немесе (2) ағымдағы орында азық аз болса, жануарлар сол орында ұзақ уақыт қалады. Екі жағдай да саяхат шығыны мен азық табудан алынған пайда арақатынасын арттырады.
Модельдеу
Жануарлар әртүрлі аймақтарда азық іздегенде, олар алынатын ресурс мөлшері, жол жүру уақыты және азық іздеу уақытын теңестіреді. Аймақтың ресурстарын қабылдау уақыт өте келе азаяды, оң жақтағы графикте көрсетілгендей. Бұл қисық осы үлгіге сәйкес келеді, себебі бастапқыда ресурс өте жылдам жұтылады, бірақ ресурс азайғанда баяулайды. Жол жүру уақыты сол жақтағы ең сол жақ тік нүктелі сызықтан y осіндегі нөлге дейінгі арақашықтықпен көрсетіледі. Оптималды азық іздеу уақыты осы нүктені x осінде ресурс қабылдау қисығына жанама түрінде қосу арқылы модельделеді. Осылай істеу ресурс мөлшері мен азық іздеуге және жолға жұмсаған уақыт арақатынасын максималды деңгейге көтереді. Жүктелу қисығының екі шетінде де жануарлар аз пайдаға көп уақыт жол жұмсайды немесе тиімсіз жүктемені алу үшін бір аймақта тым ұзақ іздейді. MVT осы екі шектің арасындағы ең тиімді нүктені анықтайды.
Қорытындылар
Жеке тұлға ресурстарды жинау мен жұмсалған уақыт арақатынасын барынша арттыру үшін өрістен қашан шығатынын өздігінен анықтайды деп есептеледі. Тұтынушы шолақтануда (фораждықтауда) болатын өрістегі ресурстар мөлшерін азайтады; демек, сол өрістегі тағамды қабылдау жылдамдығы уақытқа байланысты төмендейді. Егер өрістердің сапасында айырмашылықтар болса, MVT әртүрлі өрістердің ландшафт бойынша кездейсоқ түрде таралып орналасқанын қабылдайды.
Адамдар
MVT-ның кең таралған мысалы – адамдардың алма жинауы. Жаңа алма ағашына алғаш келгенде, минут сайын жиналатын алма саны жоғары болады, бірақ ең оңай жиналатын алмалар таусылған сайын ол тез төмендейді. Әр ағаштан тым аз алма жинау немесе әр ағашты толықтай таусылуға дейін жинау стратегиялары тиімсіз, себебі олар тиісінше ағаштар арасында уақытты жоғалтуға немесе ағаштан соңғы, табу қиын алмаларды іздеуге жұмсайды. Сондықтан, әрбір ағашта алма жинауға жұмсалатын оңтайлы уақыт – осы екі стратегия арасындағы шартты келісім, және оны MVT арқылы сандық түрде анықтауға болады.
Үлкен сиырларда азық табудың оңтайлы әдісі
Үлкен тұғырқұстар – Еуропа, Солтүстік Африка және Азияда кездесетін құс түрі. Олар "ұсақ-түйексіз" ортада азық іздейтіні белгілі, ал зерттеулер олардың мінез-құлқын оптималды азық іздеу модельдері, соның ішінде MVT арқылы модельдеуге болатынын көрсетті. 1977 жылы Р. А. Коуи жүргізген зерттеуде құстар азықтан айырылып, содан кейін екі түрлі ортадағы учаскелерде азық табуға мүмкіндік берілді (орталар тек учаскелер арасындағы қашықтық бойынша ғана ерекшеленді). Болжанылғандай, екі жағдайда да құстар учаскелер алыс болғанда немесе олардан көбірек пайда келгенде, қоршаған ортаға қарамастан, бір аймақта көбірек уақыт өткізді. Наф Дэнзердің (1999) ұқсас тәжірибесінде үлкен тұғырқұстардың азық табу тиімділігі кездейсоқ азық табудан 30% жоғары екені көрсетілді. Бұл себебі үлкен тұғырқұстар ресурстарға бай аймақтарда көбірек уақыт өткізеді, бұл туралы MVT болжады. Бұл деректер MVT-нің үлкен тұғырқұстардың азық іздеу мінез-құлқын болжауда қолданылуын қолдайды.
Түнді армадилолар мен теңіз шошқаларын тамақтандыру
Эксперименттік дәлелдер көрсеткендей, айқайлаған түкті армадиллолар мен теңіз шошқалары азық іздеген кезде MVT-ге сапалы түрде еліктейді. Зерттеушілер бірнеше параллель эксперимент жүргізді: бірін әр жануар үшін тұрақты жапсыру сапасы бойынша, екіншісін әртүрлі жапсыру сапасы бар теңіз шошқалары үшін. Сапалық жем-шөп іздеу үрдісі әр жағдайда MVT-ге сәйкес келсе, сандық талдау әрбір жапсыру күткеннен артық пайдаланылғанын көрсетті.
Өсімдіктердің тамыр өсімі
MVT өсімдіктер мен жануарларда азық іздеуді модельдеу үшін қолданылуы мүмкін. Өсімдіктер өздерінің азық іздеу органдары болып табылатын тамырларын, ресурстардың концентрациясы жоғарырақ жерлерге орналастыратыны көрсетілген. Естеріңізге сала кетейік, MVT жануарлардың жоғары сапалы ресурстар бар жерлерде ұзақ уақыт бойы азық іздейтінін болжайды. Өсімдіктер қоректік заттар мен ресурстарға бай топырақ қабаттарында/аймақтарында тамыр биомассасын арттырады, ал нашар сапалы топырақ аймақтарында тамыр өсуін азайтады. Осылайша, өсімдіктер топыраққа тамырларын ресурстардың молдығына сәйкес жаратады, бұл MVT-мен үйлеседі. Сонымен қатар, өсімдік тамырлары жоғары сапалы топыраққа қарағанда нашар сапалы топырақ арқылы жылдамырақ өседі, дәл сол сияқты, азық іздейтін жануарлардың нашар сапалы аймақтарда жоғары сапалы аймақтарға қарағанда аз уақыт өткізуі болжанады.
Құрттардағы жұптасу уақыты
MVT-ны мал азығын іздеуден өзге жағдайларда да қолдануға болады, онда жануарлардың өнімділігі төмендейді. Мысалы, сары қоңыздардың жұптасу ұзақтығын қарастырайық. Қоңыздардың жұптасу жүйесінде аталар жаңа сиыр тыңайғышының үстіне жиналады және аналықтарының кіші топта келіп жұмыртқа салуын күтеді. Аталар аналықтармен жұптасу мүмкіндігі үшін бір-бірімен бәсекелеседі – кейде бір ата басқа атаны аналықтан итеріп, оның орнына жұптасуды жалғастырады. Бұл жағдайда екінші ата жұмыртқаның шамамен 80 пайызын ұрықтандырады. Сондықтан, аталық аналықпен жұптасқаннан кейін, ол оны қорғайды, осылайша басқа аталар оның спермасын жұмыртқа салынғанша ығыстырып тастамайды. Аналық жұмыртқа салғаннан кейін, аталық қайтадан жұптасу үшін басқа аналықты іздеуге уақыт жұмсауы керек. Сұрақ мынада: қоңыздың әр аналықпен жұптасуына қанша уақыт керек? Бір жағынан, ата қоңызы неғұрлым ұзақ жұптасса, соғұрлым көп жұмыртқаны ұрықтандыра алады. Дегенмен, ұзақ жұптасу кезінде ата басқа аналықты табу мүмкіндігін жоғалтады. MVT болжамы бойынша, ең қолайлы жұптасу уақыты – жұмыртқаның 80 пайызын ұрықтандыруға жеткілікті уақыт; осы уақыттан кейін пайдасы азаяды және басқа жұптан қалуға тұрмайды.
Сын
Көптеген зерттеулер, жоғарыда келтірілген мысалдар сияқты, Маржиналды құндылық теоремасымен жасалған болжамдарды жақсы сапалы деректермен қолдайды. Дегенмен, кейбір сандық зерттеулерде MVT болжамдары толыққанды сәтті болмады, байқалған мәндер болжамдардан айтарлықтай өзгеше шықты. Осы өзгешеліктердің бір себебі – сыйақы деңгейін объективті түрде өлшеудің қиындығы. Мысалы, болжауға келмейтін ортадағы жануар үлгі алуға қосымша уақыт жұмсауы мүмкін, бұл зерттеушілерге азық іздеу уақытын анықтауды қиындатады. Бұл дәлсіздіктен өзге, кейбір зерттеушілер модельде маңызды бір элементтің жоқ екенін айтады. Атап айтқанда, жануарлар азық іздеумен ғана айналыспайды, сондай-ақ жыртқыштардан қорғану немесе жұптасу мүмкіндіктерін іздеу сияқты басқа да іс-әрекеттермен шұғылданады. Олар MVT сияқты жалпылама қолданылатын болжамдар жасауға тиімді емес, себебі олар болжамдарды нақты жағдайлар жиынтығында тексереді. Бұл модельдердің болжамдарын нақты жағдайларда сынау қажет болса да, олар MVT сияқты кең модельдерде қол жетімсіз құнды түсініктерді ұсынуы мүмкін.