Моделирование плавающих рыб показывает, что рыбы могут предпочитать конкуренцию, а не кооперацию

Исследователи показали, как различные построения при плавании могут экономить энергию рыб, и предполагают, что они меняются позициями для экономии энергии группы только под давлением.

Исследование, опубликованное как рецензируемая препринт-версия в eLife, редакторы описывают как имеющее фундаментальную важность, предоставляющее новые данные о параметрах сохранения энергии в стаях рыб. Убедительными названы доказательства, подтверждающие наблюдения о динамике ведущих и следующих рыб.

"Полагают, что взаимодействия с потоком позволяют плавающим и летающим животным экономить энергию при движении в группах, но измерить эту экономию сложно", — говорит соавтор Сина Хейдари, постдокторант кафедры аэрокосмического и машиностроения Университета Южной Калифорнии, США.

"Хотя исследователи предлагали механизмы, объясняющие, как каждое конкретное построение экономит энергию, до сих пор не было сравнения эффективности разных конфигураций относительно друг друга".

Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали вычислительную модель, которая учитывала гидродинамические особенности одиночных рыб и пар, представляя каждую рыбу как свободно плавающий гидропрофиль, совершающий колебания передней кромкой. Модель использовали для анализа того, как взаимодействия с потоком заставляют плывущих в одном направлении рыб самоорганизовываться.

Когда рыбы в стае движутся "в фазе", их движения синхронизированы, и они выглядят как единое целое. Когда рыбы движутся "в противофазе", их движения не синхронны, создавая волнообразный рисунок в стае, где движение одной рыбы уравновешивается движением другой. Оба паттерна, как предполагалось, помогают эффективному плаванию в зависимости от условий среды.

Команда обнаружила, что когда стаи рыб самоорганизуются в построение бок о бок и машут хвостами в фазе, они поровну делят гидродинамические преимущества. Однако, вопреки некоторым предыдущим сообщениям, они выяснили, что когда рыбы машут в противофазе, это повышает затраты энергии до уровня выше, чем при одиночном плавании.

В отличие от этого, в тандемных построениях (в линию или по диагонали), где есть лидер и ведомый, гидродинамические преимущества полностью достаются ведомому.

Моделируя динамику потока в разных построениях, модель предоставляет информацию, которую можно использовать как прогностический инструмент для симуляционных и экспериментальных данных. Команда использовала этот подход, чтобы объяснить механизмы, ведущие к рассеиванию в больших группах плывущих в линию, и предсказать, когда след (wake) ведущей группы рыб не даёт энергетических преимуществ следующим за ними рыбам.

Они обнаружили, что с увеличением числа пловцов построение бок о бок остаётся стабильным, а построение в линию становится нестабильным после превышения критического числа рыб.

Симуляции вместе с данными предыдущих экспериментов также указывают на интригующую связь между физикой потока и социальными чертами, такими как жадность и кооперация. Эксперименты показали, что при необходимости поддерживать высокую скорость плавания рыбы перестраиваются в построение бок о бок по мере роста скорости.

Это исследование показало, что построение бок о бок обеспечивает наиболее справедливое распределение усилий, что говорит о том, что рыбы вынуждены кооперироваться, когда сталкиваются с сильным встречным течением.

При отсутствии такого вызова они располагаются в пространстве как хотят, без особого учёта равного распределения гидродинамических выгод. Более того, в тандемных построениях в линию создаваемые потоки представляют серьёзное препятствие для присоединения дополнительных рыб к линии сзади.

"Мы можем назвать эти построения жадными, не оставляющими ресурсов в окружающей среде для следующих сзади пловцов", — говорит соавтор Хаотян Хан, аспирант кафедры аэрокосмического и машиностроения Университета Южной Калифорнии. "Это, вместе с нашей интерпретацией, что кооперация для достижения справедливого распределения гидродинамических выгод является вынужденной, а не врождённой, порождает интересную гипотезу: динамическое изменение позиций членов внутри стаи движимо жадностью и конкуренцией, а не кооперацией".

Редакторы eLife заключают, что это исследование даёт захватывающее понимание энергетической связи в динамике группового плавания, но дальнейшее уточнение степеней свободы и диапазонов параметров в модели укрепит выводы.

"Понимание того, как пространственное расположение особей в группе влияет на энергетические затраты при движении, даёт представление об эволюции социальных структур, распределении ресурсов и приспособленности каждой особи в контексте добычи пищи, размножения и уклонения от хищников", — говорит старший автор Ева Кансо, стипендиат инженерного факультета имени Зограба А. Каприеляна и профессор аэрокосмического и машиностроения Университета Южной Калифорнии.

"Это также может быть использовано для разработки биоинспирированных инженерных систем, таких как рои автономных подводных или летающих роботов, которые взаимодействуют для наиболее эффективного выполнения задачи".