Forskare har visat hur olika simformationer kan spara fiskenergi och föreslår att de bara byter position för att spara energi för gruppen när de är under press.
Studien, publicerad som ett Reviewed Preprint i eLife , beskrivs som av grundläggande betydelse av redaktionen, vilket ger nya insikter om energibevarande parametrar bland skolfisk. Styrkan hos bevis som stöder observationerna om ledande och eftersläpande fiskdynamik sägs vara övertygande.
"Flödesinteraktioner tros göra det möjligt för simmande och flygande djur att spara energi när de rör sig i grupp, men att mäta dessa energibesparingar är utmanande", säger medförfattaren Sina Heydari, postdoktor vid institutionen för rymd- och maskinteknik, University of Södra Kalifornien, USA.
"Även om forskare har föreslagit mekanismer för hur olika simkonfigurationer sparar energi, har det hittills inte gjorts någon jämförelse mellan effektiviteten hos olika konfigurationer i förhållande till varandra."
För att ta itu med detta använde forskarna en beräkningsmodell som fångade de hydrodynamiska egenskaperna hos enstaka och par simmande fiskar, som representerade varje fisk som en frisimmande bärplan som genomgår svängningar vid sin framkant. Modellen användes sedan för att analysera hur flödesinteraktioner gör att flaxande simmare som alla är på väg åt samma håll organiserar sig själv.
När fiskar i en skola rör sig "i fas" synkroniseras deras rörelser så att de ser ut att röra sig som en enda, sammanhängande enhet. När stimfiskar rör sig "motfas" är deras rörelser osynkroniserade, vilket skapar ett vågliknande mönster i stimmet, där varje fisks rörelse uppvägs av en annans rörelse. Båda mönstren har föreslagits för att hjälpa till med effektiv simning, baserat på miljöförhållandena.
Teamet fann att när fiskstim organiserar sig i en sida vid sida formation och klaffar i fas, delar de de hydrodynamiska fördelarna lika. Men i motsats till vissa tidigare rapporter fann de att när fisken flaxar på ett anti-fas sätt ökar det energibehovet till en högre nivå än om de simmade ensamma.
Däremot, i tandemformationer (antingen inline eller diagonal) där det finns en ledare och en följare, uppnås de hydrodynamiska fördelarna helt och hållet av följaren.
Genom att simulera flödesdynamiken i olika formationer ger modellen information som kan användas som ett prediktivt verktyg för både simulerings- och experimentdata. I själva verket använde teamet detta tillvägagångssätt för att förklara mekanismerna som leder till spridning i större grupper av inlinesimmare och för att förutsäga när kölvattnet av en ledande grupp simmare inte ger några energimässiga fördelar för fiskarna som följer.
De fann att när antalet simmare ökar förblir sida vid sida formationer robusta, men inlineformationer blir instabila bortom ett kritiskt antal simmare.
Simuleringarna, tillsammans med data från tidigare experiment, antyder också ett spännande samband mellan flödesfysik och sociala egenskaper som girighet och samarbete. Experiment har visat att fiskar, när de utmanas att hålla höga simhastigheter, ordnar om sig i ett sida vid sida-mönster när hastigheten ökar.
Denna studie fann att formationer sida vid sida ger den rättvisaste fördelningen av ansträngningen, vilket tyder på att fisken tvingas samarbeta när de utmanas av en stark bakgrundsström.
I avsaknad av denna utmaning positionerar de sig rumsligt som de vill, utan större hänsyn till lika delning av hydrodynamiska fördelar. Faktum är att i tandem, inline-formationer, utgör de genererade flödena allvarliga hinder för ytterligare simmare att ansluta sig till linjen nedströms.
"Vi skulle kunna kalla dessa formationer giriga och lämnar inga resurser i miljön för eftersimmare", säger medförfattaren Haotian Hang, doktor. kandidat vid Institutionen för rymd- och maskinteknik, University of Southern California. "Detta, tillsammans med vår tolkning att samarbete för att uppnå en rättvis delning av hydrodynamiska fördelar är påtvingad, inte medfödd, väcker en intressant hypotes:att dynamisk ompositionering av medlemmar inom skolan drivs av girighet och konkurrens snarare än samarbete."
eLife s redaktörer drar slutsatsen att denna studie ger spännande insikter om energisk koppling med avseende på gruppsimdynamik, men att ytterligare förtydliganden angående frihetsgrader och parameterintervall i modellen skulle stärka resultaten ytterligare.
"Att förstå hur det rumsliga arrangemanget av individer inom en grupp påverkar energikostnaderna för rörelse ger insikter i utvecklingen av sociala strukturer, resursallokering och varje individs lämplighet när det gäller att söka föda, para sig och undvika rovdjur", säger seniorförfattaren Eva Kanso , Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering, och professor i rymd- och maskinteknik vid University of Southern California.
"Det kan också användas för att vägleda utformningen av bioinspirerade tekniska system som svärmar av autonoma robotfordon under vattnet eller under flygning, som samarbetar för att uppnå en önskad uppgift på det mest effektiva sättet."
Mer information: Sina Heydari et al, Mapping Spatial Patterns to Energetic Benefits in Groups of Flow-coupled Swimmers, eLife (2024). DOI:10.7554/eLife.96129.1
Journalinformation: eLife
Tillhandahålls av eLife
