Wetenschap
Het vinden van het ritme van collectieve beweging van dieren:wetenschappers tonen aan dat wederkerigheid de sleutel is tot het aansturen van gecoördineerde bewegingen
In de natuur kunnen dieren, van zwermen insecten tot hoedende zoogdieren, zich organiseren in schijnbaar gechoreografeerde bewegingen. De afgelopen twintig jaar hebben wetenschappers ontdekt dat deze gecoördineerde bewegingen ontstaan doordat elk dier eenvoudige regels volgt over waar zijn buren zich bevinden.
Nu hebben wetenschappers die zebravissen bestuderen aangetoond dat buren misschien ook op hetzelfde ritme bewegen. Het team onthulde dat vissen die in paren zwommen om beurten bewogen; en ze synchroniseerden de timing van deze bewegingen in een tweerichtingsproces dat bekend staat als wederkerigheid. Vervolgens kon het team in virtual reality-experimenten bevestigen dat wederkerigheid de sleutel was tot het aandrijven van collectieve beweging:door deze ritmische regel te implementeren, konden ze natuurlijk schoolgedrag nabootsen bij vissen en virtuele soortgenoten.
De studie gepubliceerd in Nature Communications werd geleid door wetenschappers van de Cluster of Excellence Collective Behavior aan de Universiteit van Konstanz en het Max Planck Institute of Animal Behavior in Duitsland (MPI-AB).
De resultaten bieden nog meer mechanistische details voor ons begrip van hoe dieren zichzelf organiseren in bewegende collectieven. "We laten zien dat er twee vissen nodig zijn voor de tango", zegt eerste auteur Guy Amichay, die het werk uitvoerde toen hij doctoraalstudent was aan MPI-AB.
"Vissen coördineren de timing van hun bewegingen met die van hun buurman, en vice versa. Deze ritmische tweerichtingskoppeling is een belangrijke, maar over het hoofd geziene, kracht die dieren in beweging bindt."
De synchronie van de zwerm
Dieren die synchroon bewegen zijn de meest opvallende voorbeelden van collectief gedrag in de natuur; toch synchroniseren veel natuurlijke collectieven niet in de ruimte, maar in de tijd:vuurvliegjes synchroniseren hun flitsen, neuronen synchroniseren hun vuren, en mensen in concertzalen synchroniseren het ritme van het klappen.
Amichay en het team waren geïnteresseerd in het kruispunt van de twee; ze waren nieuwsgierig om te zien welke ritmische synchronie er zou kunnen bestaan in de beweging van dieren.
"Er zit meer ritme in de beweging van dieren dan je zou verwachten", zegt Amichay, die nu postdoctoraal onderzoeker is aan de Northwestern University, VS. "In de echte wereld zwemmen de meeste vissen niet met een vaste snelheid, ze oscilleren."
Met behulp van zebravissenparen als studiesysteem analyseerde Amichay hun zwemmen om het precieze bewegingspatroon te beschrijven. Hij ontdekte dat vissen, hoewel ze samen bewogen, niet tegelijkertijd zwommen. In plaats daarvan wisselden ze elkaar zo af dat de ene bewoog en de andere bewoog, 'als twee benen die lopen', zegt hij.
Vervolgens onderzocht het team hoe vissen elkaar wisten af te wisselen. Ze genereerden een rekenmodel met een simpele vuistregel:verdubbel de vertraging van je buurman.
De regel van wederkerigheid
De volgende stap was om dit model computationeel of in silico te testen. Ze lieten één agent verslaan met aanvallen met vaste bewegingen, zoals een metronoom. De andere agent reageerde op de eerste door de ritmische regel 'dubbele vertraging' toe te passen.
Maar in deze eenrichtingsinteractie bewogen de agenten niet in het afwisselende patroon dat je bij echte vissen ziet. Toen beide agenten echter op elkaar reageerden, reproduceerden ze het natuurlijke afwisselingspatroon. "Dit was de eerste indicatie dat wederkerigheid cruciaal was", zegt Amichay.
Maar het reproduceren van natuurlijk gedrag in een computer was niet waar het onderzoek eindigde. Het team wendde zich tot virtual reality om te bevestigen dat het principe dat ze ontdekten ook zou werken in echte vissen.
"Virtuele realiteit is een revolutionair hulpmiddel in het onderzoek naar gedrag bij dieren, omdat het ons in staat stelt de vloek van causaliteit te omzeilen", zegt Iain Couzin, spreker bij de Cluster of Excellence Collective Behavior aan de Universiteit van Konstanz en directeur bij MPI-AB.
In de natuur zijn veel eigenschappen met elkaar verbonden en daarom is het uiterst moeilijk om de oorzaak van het gedrag van een dier te achterhalen. Maar met behulp van virtual reality is het volgens Couzin mogelijk om “het systeem precies te verstoren” om het effect van een bepaalde eigenschap op het gedrag van een dier te testen.
Eén enkele vis werd in een virtuele omgeving geplaatst met een visavatar. In sommige tests was de avatar ingesteld om te zwemmen als een metronoom, waarbij hij het gedrag van de echte vis negeerde. Bij deze proeven zwom de echte vis niet in het natuurlijke afwisselende patroon met de avatar. Maar toen de avatar werd ingesteld om op de echte vis te reageren, in een wederkerige relatie, hervonden ze zijn natuurlijke afwisselende gedrag.
Partners die hun beurt nemen
“Het is fascinerend om te zien dat wederkerigheid dit beurtgedrag bij zwemmende vissen aanstuurt”, zegt medeauteur Máté Nagy, hoofd van de MTA-ELTE Collective Behavior Research Group aan de Hongaarse Academie van Wetenschappen, “omdat dit niet altijd het geval is. in biologische oscillatoren." Vuurvliegjes synchroniseren bijvoorbeeld zelfs bij eenrichtingsinteracties.
"Maar voor mensen speelt wederkerigheid een rol bij bijna alles wat we met z'n tweeën doen, of het nu gaat om dansen, sporten of gesprekken", zegt Nagy.
Het team leverde ook bewijs dat vissen die gekoppeld waren aan de timing van hun bewegingen sterkere sociale banden hadden. "Met andere woorden:als jij en ik een koppel zijn, zijn we beter op elkaar afgestemd", zegt Nagy.
De auteurs zeggen dat deze bevinding de manier waarop we begrijpen wie wie beïnvloedt in diergroepen drastisch kan veranderen. "Vroeger dachten we dat een vis in een drukke groep beïnvloed kon worden door elk ander lid dat hij kon zien", zegt Couzin. "Nu zien we dat de meest opvallende banden zouden kunnen bestaan tussen partners die ervoor kiezen om ritmisch te synchroniseren."