När paniken sprider sig en hel stim (kollektiv) fisk reagerar på ett inkommande hot på några sekunder, till synes som en enda kropp, att ändra kurs och undvika ett hotfullt rovdjur. Inom de få sekunderna den panikinfunderade informationen-mer tekniskt känd som häpnadsväckande svar-sprids genom kollektivet, varningsfisk inom gruppen som annars inte skulle kunna upptäcka ett sådant hot. Sätten på vilken denna information sprids och rollen som positionsdynamiken spelar kan hjälpa oss att bättre planera för nödsituationer.

Amanda Chicoli är en postdoktorell biolog vid Carnegie Institution for Science i Baltimore, och hon slog sig ihop med Derek Paley, professor vid institutionen för rymdteknik vid University of Maryland, College Park, att studera och modellera denna informationsöverföring. Deras arbete visas i veckans Kaos .

"Den första idén för detta projekt härrörde från min doktorandforskning inom kollektivt beteende, min egen expertis inom fiskens sensoriska biologi, och Dr Paleys expertis inom kopplade oscillatorsystem, " sa Chicoli. System av kopplade oscillatorer, som bunden pendel eller anslutna fjädrar till exempel, används ofta för att modellera mer komplexa system inom vetenskapen, från molekyler till stim fisk.

Ytligt, en enda fiskstim - eller till och med bara ett nätverk av matchande källor - kan tyckas vara enkelt. Men de faktorer som spelar en roll i gruppsvaret kan mycket lätt bli komplexa. I den här studien, Chicoli och Paley tittade på fiskens orientering i samlingen, och det inflytande det kan ha på hur väl hela gruppen slipper ett hot.

"Ett av huvudmålen med den här studien var att undersöka vilken roll polarisering (alignment) spelar för informationsöverföring och kollektivt svar på ett hot. Modellen förutsäger snabbare spridning av hotinformation i grupper som är starkt samordnade, och långsammare men mer exakta svar i grupper som anpassar sig först efter att ett hot har upptäckts, sa Chicoli.

Faktiskt, det är denna anpassning (under simning) som kännetecknar en social sammankomst av fiskar, eller en fiskstim, som en fiskskola. Även om det kan kännas intuitivt att en fiskskola skulle ha en gemensam anpassning för sådana ändamål som snabb undandragning, men att bevisa detta är inte så tydligt.

"Justering i fiskstimmar anses i allmänhet vara involverad i rovdjursförsvar, men det är svårt att direkt testa detta med experimentella metoder, sa Chicoli, beskriver deras metoder. "Modellen innehåller flera teoretiska beslutsprocesser:beslutet i vilken riktning, om man överhuvudtaget ska reagera på ett hot, och med vem man ska interagera. "

Den specifika modellen som används, kallas en susceptible-infected-removed (SIR) modell, var faktiskt en som användes vanligare vid beräkning av hur sjukdomar sprider sig och visade sig vara exakt tillämpliga på fiskstimmen.

"SIR -modellen valdes eftersom det är en sannolikhetsmodell för sjukdom (eller information) överföring genom en grupp. Många biologiska processer, inklusive skräck från ett rovdjur, är sannolikhetsartade, "Sade Chicoli." Det finns en viss sannolikhet att lägga märke till rovdjuret, viss sannolikhet att svara, och viss sannolikhet att fly. Dessa sannolikheter kan också observeras experimentellt på fysiologiska beteendenivåer."

"Så vitt jag vet ... är detta den första studien som direkt modellerar informationsöverföring i skolan, "Chicoli sa också." Resultaten från att testa vår modell tyder på att graden av anpassning i grupper av fiskar kan innebära en avvägning mellan hastigheten och noggrannheten. de kan också tolkas i form av beslutsprocesser i grupper. "

Specifikt, deras arbete avslöjade och kvantifierade sambandet mellan olika orienteringskonfigurationer och noggrannheten och hastigheten på svaren. De hittade några överraskande korrelationer.

"Vi förväntade oss inte att hitta mer exakta svar i de grupper som ursprungligen var slumpmässigt orienterade. Vi förväntade oss inte heller att den högsta sannolikheten för att svara på det externa hotet som undersöktes skulle motsvara färre individer som svarade, "sa Chicoli." Detta resultat beror på naturen hos vår häpnadsväckande modell, som bygger på att sjukdomen sprids. Eftersom individer inte förvånas igen, om för många agenter skrämmer utan att sprida informationen, skrämmningarna dör ut innan de sprider sig och färre individer reagerar totalt sett."

När det gäller den potentiella effekten för människor, särskilt i nödsituationer, dessa och framtida resultat kan ge värdefull information vid utformning och planering av sådana evenemang.

Chicoli sa, "Viktigt, modellen kan vara relevant för att undersöka hur individer kommer att reagera på andras rörelser i en grupp för att bestämma vilken riktning de ska resa eller vilken utfartsväg de ska följa. Till exempel, om du hade en stor folkmassa som alla gick till en utgångsdörr, när två dörrar är tillgängliga, skulle en individ följa gruppen eller välja den tillgängliga dörren utan folkmassa? "

Funderar på vidare arbete, modellens relativa enkelhet erbjuder många sätt på vilka den kan skalas och förbättras, både i samband med fiskstim och mer allmänt när det gäller djurens beteende. Information, trots allt, är naturens mest grundläggande valuta.

"I framtida versioner, det skulle vara användbart att inkludera sensoriska förmågor och begränsningar för olika arter av intresse för att bedöma hur detta påverkar resultaten, och att undersöka rollen för olika sensoriska metoder vid informationsöverföring, "Sa Chicoli.

"Modellen kan användas för att variera gruppstorlek och antalet informerade individer över parameterutrymmet för att bedöma under vilka förhållanden kunniga individer har mest inflytande. Ett litet antal kunniga individer har tidigare visat sig locka fram ett svar från både små och stort. "

I en tid som lånar mer och mer fokus inte bara på att öka volymen tillgänglig information, men också på hur den informationen rör sig, det kan finnas ännu mer tillämpningspotential för dessa ansträngningar som kommer.