Simuleringer af svømmende fisk tyder på, at fisk naturligvis foretrækker at konkurrere - ikke samarbejde - under svømning

Forskere har vist, hvordan forskellige svømmeformationer kan spare fiskeenergi og foreslår, at de kun skifter position for at spare energi for gruppen, når de er under pres.

Undersøgelsen, udgivet som et Reviewed Preprint i eLife , beskrives som af fundamental betydning af redaktionen, hvilket giver ny indsigt i energibevarelsesparametrene blandt stimefisk. Styrken af ​​beviser, der understøtter observationerne om førende og haltende fiskedynamik, siges at være overbevisende.

"Flow-interaktioner menes at give svømmende og flyvende dyr mulighed for at spare energi, når de bevæger sig i grupper, men det er udfordrende at måle disse energibesparelser," siger medforfatter Sina Heydari, en postdoc-forsker ved Institut for Luftfarts- og Maskinteknik, University of Det sydlige Californien, USA.

"Selvom forskere har foreslået mekanismer for, hvordan hver anden svømmekonfiguration sparer energi, har der hidtil ikke været nogen sammenligning af effektiviteten af ​​forskellige konfigurationer i forhold til hinanden."

For at løse dette brugte forskerne en beregningsmodel, der fangede de hydrodynamiske egenskaber ved enkelte og par svømmende fisk, der repræsenterer hver fisk som en fritsvømmende hydrofoil, der gennemgår svingninger ved sin forkant. Modellen blev derefter brugt til at analysere, hvordan flow-interaktioner får flagrende svømmere til at organisere sig selv.

Når fisk i en stim bevæger sig 'i-fase', er deres bevægelser synkroniseret, så de ser ud til at bevæge sig som en enkelt sammenhængende enhed. Når stimefisk bevæger sig 'modfase', er deres bevægelser ude af sync, hvilket skaber et bølgelignende mønster i stimen, hvor hver fisks bevægelse modsvares af en andens bevægelse. Begge mønstre er blevet foreslået for at hjælpe med effektiv svømning, baseret på miljøforholdene.

Holdet fandt ud af, at når fiskestimer selv organiserer sig i en side-om-side formation og klapper i-fase, deler de de hydrodynamiske fordele ligeligt. Men i modsætning til nogle tidligere rapporter fandt de ud af, at når fiskene flakser på en anti-fase måde, øger det energibehovet til et højere niveau, end hvis de svømmede alene.

I modsætning hertil, i tandemformationer (enten inline eller diagonale), hvor der er en leder og en følger, opnås de hydrodynamiske fordele udelukkende af følgeren.

Ved at simulere flowdynamikken i forskellige formationer giver modellen information, der kan anvendes som et forudsigelsesværktøj til både simulering og eksperimentelle data. Faktisk brugte holdet denne tilgang til at forklare de mekanismer, der fører til spredning i større grupper af inline-svømmere og til at forudsige, hvornår kølvandet på en førende gruppe af svømmere ikke giver nogen energimæssige fordele for de fisk, der følger efter.

De fandt ud af, at efterhånden som antallet af svømmere stiger, forbliver side-by-side-formationer robuste, men inline-formationer bliver ustabile ud over et kritisk antal svømmere.

Simuleringerne, sammen med data fra tidligere eksperimenter, antyder også en spændende sammenhæng mellem flowfysik og sociale træk som grådighed og samarbejde. Eksperimenter har vist, at fisk, når de udfordres til at opretholde høje svømmehastigheder, omarrangerer sig i et side-om-side-mønster, efterhånden som hastigheden stiger.

Denne undersøgelse viste, at side-by-side formationer giver den mest retfærdige fordeling af indsatsen, hvilket tyder på, at fiskene er tvunget til at samarbejde, når de udfordres af en stærk baggrundsstrøm.

I mangel af denne udfordring positionerer de sig rumligt, som de vil, uden meget hensyn til ligelig deling af hydrodynamiske fordele. Faktisk udgør de genererede strømme i tandem-inline-formationer alvorlige hindringer for yderligere svømmere at slutte sig til linjen nedstrøms.

"Vi kunne kalde disse formationer grådige, der ikke efterlader nogen ressourcer i miljøet til efterslæbende svømmere," siger medforfatter Haotian Hang, en Ph.D. kandidat ved Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Southern California. "Dette, sammen med vores fortolkning af, at samarbejde for at opnå retfærdig deling af hydrodynamiske fordele er tvunget, ikke medfødt, rejser en interessant hypotese:at dynamisk repositionering af medlemmer inden for skolen er drevet af grådighed og konkurrence snarere end samarbejde."

eLife 's redaktører konkluderer, at denne undersøgelse giver spændende indsigt i energetisk kobling med hensyn til gruppesvømmedynamik, men at yderligere afklaring vedrørende frihedsgrader og parameterområder i modellen vil styrke resultaterne yderligere.

"Forståelse af, hvordan den rumlige indretning af individer inden for en gruppe påvirker energiomkostningerne ved bevægelse, giver indsigt i udviklingen af ​​sociale strukturer, ressourceallokering og det enkelte individs egnethed, når det kommer til fouragering, parring og unddragelse af rovdyr," siger seniorforfatter Eva Kanso , Zohrab A. Kaprielian Fellow i ingeniørvidenskab og professor i rumfarts- og maskinteknik ved University of Southern California.

"Det kan også bruges til at guide design af bioinspirerede ingeniørsystemer såsom sværme af autonome robotkøretøjer under vandet eller under flyvning, som samarbejder om at opnå en ønsket opgave på den mest effektive måde."

Flere oplysninger: Sina Heydari et al., Mapping Spatial Patterns to Energetic Benefits in Groups of Flow-koblede svømmere, eLife (2024). DOI:10.7554/eLife.96129.1

Journaloplysninger: eLife

Leveret af eLife