Раскрытие энергетических секретов коллективного движения животных: как групповое поведение снижает энергозатраты у рыб
Многие животные, включая высших хищников, перемещаются группами. Это коллективное поведение фундаментально для способности животных двигаться в сложных средах, но о его движущих силах известно меньше, поскольку в его эволюции лежит множество факторов. Учёные задаются вопросом, есть ли у всех этих животных общая фундаментальная причина, например, спаривание, безопасность или, возможно, даже экономия энергии.
«Ключевое слово — "возможно"», — говорит Янфань Чжан, постдокторант кафедры организменной и эволюционной биологии (OEB) Гарварда, — «потому что никто фактически не измерял это и не сравнивал напрямую для всех групп животных, в основном из-за сложности создания системы, которая может измерять не только группу, но и отдельных особей в ней. Но мы знаем, что эволюционно существует некоторое давление, направленное на оптимизацию эффективности использования энергии».
В новом исследовании, опубликованном в eLife, Чжан и его соавтор профессор Джордж Лодер (также из OEB и куратор ихтиологии Музея сравнительной зоологии) задались вопросом, могут ли скоординированные групповые движения животных, перемещающихся в жидкости, снизить энергетическую стоимость локомоции.
Методология: измерение энергии и движения
Исследователи объединили биомеханику и биоэнергетику, одновременно измеряя метаболическое потребление энергии и движение животных на высокоспециализированной экспериментальной платформе. Они обнаружили не только значительную экономию энергии, но и выявили снижение энергозатрат на каждый удар хвоста.
Почему рыбы?
Наземные позвоночные произошли от рыб, но, несмотря на разные среды и дыхательные системы, все позвоночные и рыбы используют одинаковые метаболические пути для производства энергии:
- Аэробный метаболизм — с использованием кислорода.
- Анаэробный метаболизм — используется при нехватке кислорода или для движения на высоких скоростях.
Вместе они составляют общие энергозатраты на движение. Однако рыбы имеют большую потребность в оптимизации своей локомоции по сравнению с животными, перемещающимися по воздуху или суше. Вода в 50 раз более вязкая, чем воздух, что требует значительной энергии для преодоления сопротивления. Кроме того, вода содержит в 5 раз меньше кислорода на килограмм, что создаёт для водных животных «низкий потолок» доступности кислорода и высокое давление в плане энергетических потребностей.
Экспериментальная установка
Для проверки энергозатрат на локомоцию у рыб Чжан и Лодер создали герметичную водную «беговую дорожку», контролирующую скорость потока. Измеряя скорость удаления кислорода из этой системы, они могли определить скорость потребления кислорода животными.
«Система разработана так, чтобы иметь чувствительность, достаточную для измерения энергетической стоимости одной рыбы, и напрямую сравнивать её со стоимостью для группы из восьми рыб», — пояснил Чжан. — «Стандартизируя биомассу рыб в дорожке с контролируемой скоростью воды, мы можем напрямую сравнивать стоимость плавания между стаей и отдельной рыбой».
Две высокоскоростные ортогональные камеры (вид сбоку и снизу) фиксировали уникальные особенности движения, позволяя измерять трёхмерные позиции рыб и расстояние между ними в стае.
Результаты: энергетический оптимум группы
Исследователи обнаружили, что общая стоимость перемещения для группы в расчёте на биомассу значительно ниже, чем для одной особи. Группа расходовала наименьшее количество энергии при средней скорости в одну длину тела в секунду.
«Когда мы смотрим на исследования, отслеживающие диких животных, мы обнаруживаем, что многие животные мигрируют со скоростью около одной длины тела в секунду», — отметил Чжан.
Быстрое движение требовало больше энергии, но то же самое касалось и медленного движения. При средней скорости в одну длину тела в секунду наблюдался провал на энергетической кривой, где плавание имело минимальную стоимость, которая возрастала как при более быстрых, так и при более медленных скоростях, образуя J-образную зависимость.
Значение для науки и экологии
Как самая разнообразная группа позвоночных, рыбы имеют огромную культурную и коммерческую ценность для человеческого общества. Однако изменение климата напрямую угрожает их биоразнообразию.
«Прогнозы будущей численности видов рыб не могут основываться только на биологии отдельных особей, — сказал Лодер. — Нам также необходимо фундаментальное понимание коллективного движения, учитывающее взаимодействия между особями в группе».
«Изучение энергетики водной локомоции в условиях экологических ограничений даёт представление не только о высококонсервативных особенностях физиологии позвоночных, но и о внутренних принципах гидродинамики и движения животных».
«Красота этого исследования в том, что мы зафиксировали весь спектр энергозатрат целостным образом, что позволило нам учесть стоимость энергии при движении на высоких скоростях, — заключил Чжан. — Учёные изучали этот вопрос десятилетиями, но мы обнаружили, что ключ лежит в измерении не только аэробных, но и анаэробных затрат. Это огромная часть любого организма, и без измерения обоих вы получаете только половину истории».