At finde takten til kollektive dyrebevægelser:Forskere viser, at gensidighed er nøglen til at drive koordinerede bevægelser

På tværs af naturen kan dyr fra sværmende insekter til hyrdepattedyr organisere sig i tilsyneladende koreograferede bevægelser. I løbet af de sidste to årtier har videnskabsmænd opdaget, at disse koordinerede bevægelser opstår fra hvert dyr efter enkle regler om, hvor deres naboer befinder sig.

Nu har forskere, der studerer zebrafisk, vist, at naboer måske også bevæger sig i samme takt. Holdet afslørede, at fisk, der svømmede i par, skiftedes til at bevæge sig; og de synkroniserede timingen af ​​disse bevægelser i en tovejsproces kendt som gensidighed. Derefter kunne holdet i virtual reality-eksperimenter bekræfte, at gensidighed var nøglen til at drive kollektiv bevægelse:Ved at implementere denne rytmiske regel kunne de genskabe naturlig skoleadfærd hos fisk og virtuelle artsfæller.

Undersøgelsen offentliggjort i Nature Communications blev ledet af forskere fra Cluster of Excellence Collective Behavior ved University of Konstanz og Max Planck Institute of Animal Behavior i Tyskland (MPI-AB).

Resultaterne giver yderligere mekanistiske detaljer til vores forståelse af, hvordan dyr selvorganiserer sig til bevægende kollektiver. "Vi viser, at der skal to fisk til at tango," siger førsteforfatter Guy Amichay, der ledede arbejdet, mens han var doktorand ved MPI-AB.

"Fiske koordinerer timingen af ​​deres bevægelser med deres nabos og omvendt. Denne to-vejs rytmiske kobling er en vigtig, men overset kraft, der binder dyr i bevægelse."

Sværmens synkronisering

Dyr, der bevæger sig synkront, er de mest iøjnefaldende eksempler på kollektiv adfærd i naturen; alligevel synkroniserer mange naturlige kollektiver ikke i rummet, men i tiden – ildfluer synkroniserer deres blink, neuroner synkroniserer deres affyring, og mennesker i koncertsale synkroniserer rytmen af ​​klappen.

Amichay og holdet var interesserede i krydsfeltet mellem de to; de var nysgerrige efter at se, hvilken rytmisk synkroni der kunne eksistere i dyrs bevægelse.

"Der er mere rytme i dyrs bevægelser, end du kunne forvente," siger Amichay, som nu er postdoktor ved Northwestern University, USA. "I den virkelige verden svømmer de fleste fisk ikke med faste hastigheder, de svinger."

Ved at bruge zebrafiskpar som et studiesystem analyserede Amichay deres svømning for at beskrive det præcise bevægelsesmønster. Han fandt ud af, at fisk, selvom de bevægede sig sammen, ikke svømmede på samme tid. Snarere vekslede de sådan, at det ene bevægede sig, så bevægede det andet sig, "som to ben der gik," siger han.

Holdet undersøgte derefter, hvordan fisken formåede at veksle. De genererede en beregningsmodel med en simpel tommelfingerregel:fordoble din nabos forsinkelse.

Regelen om gensidighed

Det næste skridt var at teste denne model beregningsmæssigt eller i silico. De sætter en agent til at slå med faste bevægelseskampe, som en metronom. Den anden agent reagerede på den første ved at implementere den rytmiske regel "double the delay".

Men i denne envejs-interaktion bevægede agenterne sig ikke i det vekslende mønster, der ses hos rigtige fisk. Når begge midler reagerede på hinanden, reproducerede de imidlertid det naturlige vekselmønster. "Dette var den første indikation af, at gensidighed var afgørende," siger Amichay.

Men at gengive naturlig adfærd i en computer var ikke der, hvor undersøgelsen sluttede. Holdet henvendte sig til virtual reality for at bekræfte, at det princip, de afslørede, også ville fungere i rigtige fisk.

"Virtuel virkelighed er et revolutionerende værktøj i dyreadfærdsstudier, fordi det giver os mulighed for at omgå kausalitetens forbandelse," siger Iain Couzin, taler ved Cluster of Excellence Collective Behavior ved University of Konstanz og direktør hos MPI-AB.

I naturen er mange egenskaber forbundet, og det er derfor ekstremt svært at udpege årsagen til et dyrs adfærd. Men ved at bruge virtual reality siger Couzin, at det er muligt at "præcis forstyrre systemet" for at teste effekten af ​​en bestemt egenskab på et dyrs adfærd.

En enkelt fisk blev sat ind i et virtuelt miljø med en fiskeavatar. I nogle forsøg blev avataren sat til at svømme som en metronom og ignorerede den rigtige fisks opførsel. I disse forsøg svømmede den rigtige fisk ikke i det naturlige vekslende mønster med avataren. Men da avataren var indstillet til at reagere på den rigtige fisk, i et to-vejs gensidigt forhold, genfandt de sin naturlige vekslende adfærd.

Turtagende partnere

"Det er fascinerende at se, at gensidighed driver denne vendingsadfærd hos svømmende fisk," siger medforfatter Máté Nagy, som leder MTA-ELTE Collective Behavior Research Group ved det ungarske videnskabsakademi, "fordi det ikke altid er tilfældet. i biologiske oscillatorer." Ildfluer, for eksempel, vil synkronisere selv i envejs-interaktioner.

"Men for mennesker spiller gensidighed ind i næsten alt, hvad vi gør i par, hvad enten det er dans, sport eller samtale," siger Nagy.

Holdet fremlagde også bevis for, at fisk, der blev koblet sammen i tidspunktet for bevægelser, havde stærkere sociale bånd. "Med andre ord, hvis du og jeg er koblet sammen, er vi mere tilpasset hinanden," siger Nagy.

Forfatterne siger, at denne opdagelse drastisk kan ændre, hvordan vi forstår, hvem der påvirker hvem i dyregrupper. "Vi plejede at tro, at i en travl gruppe kunne en fisk blive påvirket af ethvert andet medlem, som den kan se," siger Couzin. "Nu ser vi, at de mest fremtrædende bånd kunne være mellem partnere, der vælger at synkronisere rytmisk."

Flere oplysninger: Guy Amichay et al., Afsløring af mekanismen og funktionen, der ligger til grund for parvis tidsmæssig kobling i kollektiv bevægelse, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48458-z

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Max Planck Society