Synkroniseret svømning:Hvordan forskrækkede fiskestim undgår effektivt fare

Da panikken breder sig, en hel stim (kollektiv) fisk reagerer på en indkommende trussel på få sekunder, tilsyneladende som en enkelt krop, at ændre kurs og undgå en truende rovdyr. Inden for de få sekunder, den panikinfunderede information-mere teknisk kendt som skræmmende respons-spredes gennem kollektivet, advarselfisk inden for gruppen, der ellers ikke ville have mulighed for at opdage en sådan trussel. De måder, hvorpå disse oplysninger spredes, og rollen som positionsdynamikken spiller, kan hjælpe os med bedre at planlægge nødsituationer.

Amanda Chicoli er en postdoktorbiolog ved Carnegie Institution for Science i Baltimore, og hun gik sammen med Derek Paley, en professor i afdelingen for luftfartsteknik ved University of Maryland, College Park, at studere og modellere denne overførsel af information. Deres arbejde vises i denne uges Kaos .

"Den første idé til dette projekt stammer fra min ph.d. -forskning i kollektiv adfærd, min egen ekspertise inden for fiskens sensoriske biologi, og Dr. Paleys ekspertise inden for koblede oscillatorsystemer, "sagde Chicoli. Systemer med koblede oscillatorer, f.eks. bundet pendel eller tilsluttede fjedre, f.eks. bruges ofte til at modellere mere komplekse systemer inden for videnskab, fra molekyler til stimer fisk.

Overfladisk, en enkelt fiskestim - eller endda bare et netværk af matchende fjedre - kan synes at være simpelt. Men de faktorer, der spiller en rolle i gruppens respons, kan meget let blive komplekse. I dette studie, Chicoli og Paley kiggede på fiskens orientering i samlingen, og den indflydelse, den kan have på, hvor godt hele gruppen undslipper en trussel.

"Et af hovedmålene med denne undersøgelse var at undersøge polariseringens (justering) rolle for informationsoverførsel og kollektiv reaktion på en trussel. Modellen forudsiger hurtigere spredning af trusselinformation i grupper, der er stærkt tilpasset, og langsommere, men mere præcise reaktioner i grupper, der kun tilpasser sig, efter at en trussel er blevet opdaget, "sagde Chicoli.

Faktisk, det er denne justering (mens man svømmer), der kendetegner en social indsamling af fisk, eller en fiskestime, som en fiskeskole. Selvom det kan føles intuitivt, at en fiskeskole ville have fælles justering til formål som hurtig unddragelse, men at bevise, at dette ikke er så klart.

"Justering i fiskestimer menes generelt at være involveret i rovdyrsforsvar, men det er svært at teste dette direkte med eksperimentelle metoder, sagde Chicoli, beskriver deres metoder. "Modellen inkorporerer flere teoretiske beslutningsprocesser:beslutningen om hvilken retning, om man overhovedet skal reagere på en trussel, og med hvem man skal interagere. "

Den specifikke model, der bruges, kaldet en modtagelig-inficeret-fjernet (SIR) model, var faktisk en, der blev brugt mere almindeligt til at beregne, hvordan sygdomme spredte sig og viste sig at være nøjagtigt gældende for fiskestimerne.

"SIR -modellen blev valgt, fordi den er en sandsynlig model for sygdom (eller information) overførsel gennem en gruppe. Mange biologiske processer, herunder forskrækkelse fra et rovdyr, er sandsynlige i naturen, "Sagde Chicoli." Der er en vis sandsynlighed for at lægge mærke til rovdyret, en vis sandsynlighed for at svare, og en vis sandsynlighed for at flygte. Disse sandsynligheder kan også observeres eksperimentelt på de fysiologiske adfærdsmæssige niveauer. "

"Så vidt jeg ved ... er dette den første undersøgelse, der direkte modellerer informationsoverførsel i skolegangen, "Chicoli sagde også." Resultaterne fra afprøvning af vores model tyder på, at graden af ​​tilpasning i grupper af fisk kan indebære en afvejning af hastighedsnøjagtighed; de kan også tolkes i form af beslutningsprocesser i grupper. "

Specifikt, deres arbejde afslørede og kvantificerede forholdet mellem forskellige orienteringskonfigurationer og svarets nøjagtighed og hastighed. De fandt nogle overraskende sammenhænge.

"Vi forventede ikke at finde mere præcise svar i de grupper, der oprindeligt var tilfældigt orienterede. Vi havde heller ikke forventet, at den største sandsynlighed for at reagere på den undersøgte eksterne trussel ville svare til færre personer, der reagerede, "sagde Chicoli." Dette resultat skyldes karakteren af ​​vores overraskende model, som er baseret på spredning af sygdomme. Da enkeltpersoner ikke skræmmer igen, hvis for mange agenter skræmmer uden at sprede informationen, forskrækkelserne dør ud, før de formerer sig, og færre individer reagerer generelt. "

Hvad angår den potentielle indvirkning for mennesker, især i nødsituationer, disse og fremtidige resultater kan give værdifuld information, når de designer og planlægger sådanne begivenheder.

Chicoli sagde, "Det er vigtigt, modellen kan være relevant for at undersøge, hvordan enkeltpersoner vil reagere på andres bevægelser i en gruppe for at beslutte, hvilken retning de skal rejse eller hvilken afslutningsrute de skal følge. For eksempel, hvis du havde en stor skare alle på vej til en udgangsdør, når to døre er tilgængelige, ville en person følge gruppen eller vælge den tilgængelige dør uden mængde? "

På udkig efter yderligere arbejde, modellens relative enkelhed tilbyder masser af måder, hvorpå den kan skaleres og forbedres, både i forbindelse med fiskestim og mere bredt med hensyn til dyrs adfærd. Information, trods alt, er naturens mest fundamentale valuta.

"I fremtidige versioner, det ville være nyttigt at inkludere sensoriske evner og begrænsninger for forskellige arter af interesse for at vurdere, hvordan dette påvirker resultaterne, og at undersøge forskellige sansemetoders rolle i informationstransmission, "Sagde Chicoli.

"Modellen kan bruges til at variere gruppestørrelse og antallet af informerede personer over parameterrummet for at vurdere de betingelser, som kyndige individer har størst indflydelse på. Et lille antal kyndige personer har tidligere vist sig at fremkalde et svar fra både små og stort. "

I en æra, der låner mere og mere fokus, ikke kun på at øge mængden af ​​tilgængelig information, men også til måderne, hvorpå disse oplysninger bevæger sig, der kan være endnu mere anvendelsespotentiale for disse bestræbelser endnu.