Över hela naturen kan djur från svärmande insekter till vallande däggdjur organisera sig i till synes koreograferade rörelser. Under de senaste två decennierna har forskare upptäckt att dessa samordnade rörelser uppstår från varje djur enligt enkla regler om var deras grannar befinner sig.
Nu har forskare som studerar zebrafisk visat att grannar också kan röra sig i samma takt. Teamet avslöjade att fiskar som simmade i par turades om att röra sig; och de synkroniserade timingen av dessa rörelser i en tvåvägsprocess som kallas reciprocitet. Sedan, i virtuell verklighetsexperiment, kunde teamet bekräfta att ömsesidighet var nyckeln till att driva kollektiva rörelser:genom att implementera denna rytmiska regel kunde de återskapa naturligt skolbeteende hos fiskar och virtuella släktingar.
Studien publicerad i Nature Communications leddes av forskare från Cluster of Excellence Collective Behavior vid universitetet i Konstanz och Max Planck Institute of Animal Behavior i Tyskland (MPI-AB).
Resultaten ger ytterligare mekanistiska detaljer till vår förståelse av hur djur självorganiserar sig till rörliga kollektiv. "Vi visar att det krävs två fiskar för att tango", säger förstaförfattaren Guy Amichay, som ledde arbetet medan han var doktorand vid MPI-AB.
"Fiskarna samordnar tidpunkten för sina rörelser med sin grannes, och vice versa. Denna tvåvägsrytmiska koppling är en viktig, men förbisedd, kraft som binder djur i rörelse."
Djur som rör sig synkront är de mest iögonfallande exemplen på kollektivt beteende i naturen; ändå synkroniserar många naturliga kollektiv inte i rymden, utan i tiden – eldflugor synkroniserar sina blixtar, neuroner synkroniserar sin avfyring och människor i konsertsalar synkroniserar rytmen av klappning.
Amichay och teamet var intresserade av skärningspunkten mellan de två; de var nyfikna på att se vilken rytmisk synkronisering som kan finnas i djurrörelser.
"Det finns mer rytm i djurrörelser än man kan förvänta sig", säger Amichay, som nu är postdoktor vid Northwestern University, USA. "I den verkliga världen simmar de flesta fiskar inte i fasta hastigheter, de svänger."
Med hjälp av zebrafiskpar som ett studiesystem analyserade Amichay deras simning för att beskriva det exakta rörelsemönstret. Han fann att fiskar, även om de rörde sig tillsammans, inte simmade samtidigt. Snarare växlade de så att den ena rörde sig, sedan den andra rörde sig, "som två ben som går", säger han.
Teamet undersökte sedan hur fisken lyckades växla. De genererade en beräkningsmodell med en enkel tumregel:dubbla fördröjningen av din granne.
Nästa steg var att testa denna modell beräkningsmässigt, eller i silico. De satte en agent att slå med fasta rörelser, som en metronom. Den andra agenten svarade på den första genom att implementera den rytmiska regeln "dubbel fördröjning".
Men i denna envägsinteraktion rörde sig inte agenterna i det alternerande mönstret som ses hos riktiga fiskar. När båda medlen svarade på varandra reproducerade de det naturliga växlingsmönstret. "Detta var den första indikationen på att ömsesidighet var avgörande", säger Amichay.
Men att återge naturligt beteende i en dator var inte där studien slutade. Teamet vände sig till virtuell verklighet för att bekräfta att principen de avslöjade också skulle fungera i riktiga fiskar.
"Virtuell verklighet är ett revolutionerande verktyg i djurbeteendestudier eftersom det tillåter oss att kringgå kausalitetens förbannelse", säger Iain Couzin, en talare vid Cluster of Excellence Collective Behavior vid University of Konstanz och en direktör vid MPI-AB.
I naturen är många egenskaper sammanlänkade och det är därför extremt svårt att peka ut orsaken till ett djurs beteende. Men med hjälp av virtuell verklighet säger Couzin att det är möjligt att "precis störa systemet" för att testa effekten av en viss egenskap på ett djurs beteende.
En enda fisk placerades i en virtuell miljö med en fiskavatar. I vissa försök var avataren inställd på att simma som en metronom, och ignorerade beteendet hos den riktiga fisken. I dessa försök simmade inte den riktiga fisken i det naturliga alternerande mönstret med avataren. Men när avataren var inställd på att svara på den riktiga fisken, i en tvåvägs ömsesidig relation, återställde de sitt naturliga alternerande beteende.
Turntagande partner
"Det är fascinerande att se att ömsesidighet driver det här vändningsbeteendet hos simmande fiskar", säger medförfattaren Máté Nagy, som leder MTA-ELTE Collective Behavior Research Group vid Ungerska vetenskapsakademin, "eftersom det inte alltid är fallet. i biologiska oscillatorer." Eldflugor, till exempel, kommer att synkronisera även i envägsinteraktioner.
"Men för människor spelar ömsesidighet in i nästan allt vi gör i par, vare sig det är dans, sport eller konversation", säger Nagy.
Teamet gav också bevis på att fiskar som kopplades ihop i tidpunkten för rörelser hade starkare sociala band. "Med andra ord, om du och jag är kopplade är vi mer inställda på varandra", säger Nagy.
Författarna säger att detta fynd drastiskt kan förändra hur vi förstår vem som påverkar vem i djurgrupper. "Vi brukade tro att i en upptagen grupp kunde en fisk påverkas av vilken annan medlem som helst som den kan se", säger Couzin. "Nu ser vi att de mest framträdande banden kan vara mellan partners som väljer att synkronisera rytmiskt."
Mer information: Guy Amichay et al, Avslöjande av mekanismen och funktionen bakom parvis temporal koppling i kollektiv rörelse, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48458-z
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Max Planck Society
