Wetenschap
Simulaties van zwemmende vissen suggereren dat vissen er van nature de voorkeur aan geven om te concurreren – en niet om samen te werken – tijdens het zwemmen
Onderzoekers hebben laten zien hoe verschillende zwemformaties vissen energie kunnen besparen en suggereren dat ze alleen van positie wisselen om energie te besparen voor de groep als ze onder druk staan.
Het onderzoek is gepubliceerd als een beoordeelde preprint in eLife , wordt door de redactie beschreven als van fundamenteel belang en biedt nieuwe inzichten in de parameters voor energiebehoud bij scholenvissen. Er wordt gezegd dat de kracht van het bewijsmateriaal dat de observaties over de dynamiek van leidende en achterblijvende vissen ondersteunt, overtuigend is.
“Er wordt gedacht dat stroominteracties ervoor zorgen dat zwemmende en vliegende dieren energie kunnen besparen wanneer ze zich in groepen verplaatsen, maar het meten van deze energiebesparingen is een uitdaging”, zegt co-hoofdauteur Sina Heydari, een postdoctoraal onderzoeker aan de afdeling Luchtvaart- en Werktuigbouwkunde van de Universiteit van New York. Zuid-Californië, VS.
"Hoewel onderzoekers mechanismen hebben voorgesteld voor de manier waarop elke verschillende zwemconfiguratie energie bespaart, is er tot nu toe geen vergelijking geweest tussen de efficiëntie van verschillende configuraties ten opzichte van elkaar."
Om dit aan te pakken, gebruikten de onderzoekers een computermodel dat de hydrodynamische kenmerken van enkele en paren zwemmende vissen vastlegde, waarbij elke vis werd voorgesteld als een vrijzwemmende draagvleugelboot die oscillaties ondergaat aan de voorrand. Het model werd vervolgens gebruikt om te analyseren hoe stromingsinteracties ervoor zorgen dat flapperende zwemmers die allemaal in dezelfde richting gaan, zichzelf organiseren.
Wanneer vissen in een school 'in fase' bewegen, worden hun bewegingen zodanig gesynchroniseerd dat het lijkt alsof ze als één samenhangend geheel bewegen. Wanneer scholenvissen 'tegenfase' bewegen, zijn hun bewegingen niet synchroon, waardoor er een golfachtig patroon binnen de school ontstaat, waarbij de beweging van elke vis wordt gecompenseerd door de beweging van een andere. Er is voorgesteld dat beide patronen helpen bij efficiënt zwemmen, op basis van de omgevingsomstandigheden.
Het team ontdekte dat wanneer scholen vissen zichzelf organiseren in een zij-aan-zij formatie en in fase flappen, ze de hydrodynamische voordelen gelijkelijk delen. In tegenstelling tot sommige eerdere rapporten ontdekten ze echter dat wanneer de vissen in tegenfase flapperen, dit de energiebehoefte naar een hoger niveau verhoogt dan wanneer ze alleen zouden zwemmen.
In tandemformaties (inline of diagonaal) waar er een leider en een volger is, worden de hydrodynamische voordelen echter volledig door de volger behaald.
Door de stromingsdynamiek van verschillende formaties te simuleren, biedt het model informatie die als voorspellend hulpmiddel kan worden toegepast op zowel simulatie- als experimentele gegevens. Het team gebruikte deze aanpak om de mechanismen te verklaren die leiden tot verspreiding in grotere groepen inline-zwemmers en om te voorspellen wanneer het zog van een leidende groep zwemmers geen energetische voordelen biedt voor de vissen die volgen.
Ze ontdekten dat naarmate het aantal zwemmers toeneemt, zij-aan-zij-formaties robuust blijven, maar dat inline-formaties onstabiel worden boven een kritisch aantal zwemmers.
De simulaties, samen met gegevens uit eerdere experimenten, duiden ook op een intrigerend verband tussen stromingsfysica en sociale eigenschappen zoals hebzucht en samenwerking. Experimenten hebben aangetoond dat vissen, wanneer ze worden uitgedaagd om hoge zwemsnelheden aan te houden, zichzelf in een zij-aan-zij patroon herschikken naarmate de snelheid toeneemt.
Uit dit onderzoek is gebleken dat zij-aan-zij formaties de eerlijkste verdeling van de inspanning opleveren, wat erop wijst dat de vissen gedwongen worden samen te werken wanneer ze worden uitgedaagd door een sterke achtergrondstroming.
Bij gebrek aan deze uitdaging positioneren ze zichzelf ruimtelijk zoals ze willen, zonder veel aandacht voor een gelijke verdeling van de hydrodynamische voordelen. In combinatie met inline-formaties vormen de gegenereerde stromingen ernstige belemmeringen voor extra zwemmers om zich stroomafwaarts aan de lijn aan te sluiten.
"We zouden deze formaties hebzuchtig kunnen noemen, waardoor er geen middelen in de omgeving achterblijven voor achtervolgende zwemmers", zegt co-hoofdauteur Haotian Hang, een Ph.D. kandidaat bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, University of Southern California. "Dit, samen met onze interpretatie dat samenwerking om een eerlijke verdeling van hydrodynamische voordelen te bereiken gedwongen is en niet aangeboren, roept een interessante hypothese op:dat de dynamische herpositionering van leden binnen de school wordt aangedreven door hebzucht en concurrentie, in plaats van door samenwerking."
eLife De redactie van dit onderzoek concludeert dat deze studie opwindende inzichten biedt in energetische koppeling met betrekking tot de groepszwemdynamiek, maar dat verdere verduidelijking met betrekking tot vrijheidsgraden en parameterbereiken in het model de bevindingen verder zou versterken.
"Inzicht in hoe de ruimtelijke ordening van individuen binnen een groep de energetische kosten van beweging beïnvloedt, biedt inzicht in de evolutie van sociale structuren, de toewijzing van hulpbronnen en de geschiktheid van elk individu als het gaat om het foerageren, paren en ontwijken van roofdieren", zegt senior auteur Eva Kanso , Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering en hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek en werktuigbouwkunde aan de University of Southern California.
"Het zou ook kunnen worden gebruikt om het ontwerp van bio-geïnspireerde technische systemen te begeleiden, zoals zwermen autonome robotvoertuigen onder water of tijdens de vlucht, die samenwerken om een gewenste taak op de meest efficiënte manier te bereiken."