Рыбьи косяки способны двигаться настолько слаженно, что напоминают единый живой организм. Тысячи особей одновременно меняют направление, ускоряются и обходят препятствия, практически не сталкиваясь друг с другом. Но как им удается поддерживать такую координацию? Неужели в каждой стае есть несколько лидеров, за которыми следуют остальные?
Новое исследование ученых предлагает неожиданный ответ: для согласованного движения рыбе достаточно ориентироваться преимущественно на одну другую особь. Причем эта особь постоянно меняется — в среднем 2,8 раза в секунду.
Результаты работы, опубликованной в научном журнале PRX Life, позволяют по-новому взглянуть на механизмы коллективного поведения животных.
Как ученые изучали поведение рыб?
Для эксперимента исследователи выбрали красноносых тетр (Hemigrammus rhodostomus) — небольших пресноводных рыб, известных своей склонностью собираться в плотные косяки.
Вместо того чтобы наблюдать за естественным поведением целой стаи, ученые использовали систему виртуальной реальности с обратной связью. В аквариуме диаметром 52,2 сантиметра и объемом 15 литров находились настоящие рыбы, взаимодействовавшие с цифровыми сородичами.
Изображения виртуальных рыб проецировались на стенки аквариума, а специальная камера отслеживала перемещения настоящих особей в трехмерном пространстве. При этом поведение цифровых рыб можно было программировать, создавая различные сценарии взаимодействия.
Исследователи подготовили несколько вариантов эксперимента. В каждом из них виртуальные рыбы ориентировались на разное количество наиболее влиятельных соседей: одну, двух или четырех особей. Для каждого сценария провели по восемь часовых испытаний.
Ученые анализировали скорость плавания, расстояние между рыбами, согласованность направления движения, пространственное расположение и особенности поворотов.
Одна рыба вместо нескольких: неожиданный механизм координации
Результаты эксперимента показали интересную закономерность. Чем больше соседей учитывали виртуальные рыбы, тем более сплоченным становился косяк. Траектории движения делались плавнее, а настоящие рыбы реже отклонялись от виртуальной группы.
Однако более подробный анализ поведения живых особей выявил неожиданную особенность: их движения лучше всего объяснялись моделью, в которой каждая рыба ориентировалась преимущественно на одного наиболее влиятельного соседа.
Причем этот сосед не обязательно находился ближе всех.
Иными словами, для поддержания согласованного движения рыбе, по всей видимости, не требуется одновременно отслеживать множество окружающих особей и обрабатывать информацию о каждой из них. Достаточно реагировать на одного наиболее значимого соседа.
Но здесь возникает следующий вопрос: если у каждой рыбы есть такой ориентир, почему косяк не распадается на отдельные группы, следующие за разными лидерами?
2,8 смены лидера каждую секунду
Самое интересное открытие исследования связано с тем, насколько быстро меняется наиболее влиятельный сосед.
По мере движения рыб взаимное расположение особей постоянно меняется. Поэтому рыба, которая в определенный момент служила ориентиром для остальных, вскоре уступает эту роль другой.
В среднем такая смена происходила около 2,8 раза в секунду. Между двумя последовательными самостоятельными разворотами на 180 градусов исследователи зафиксировали примерно 40 подобных переключений.
Это означает, что в косяке фактически нет постоянного лидера. Роль ведущей особи непрерывно переходит от одной рыбы к другой в зависимости от их взаимного положения и движения.
Ученые описывают этот механизм как динамическое перераспределение социального влияния. Отдельные особи постоянно меняются местами в своеобразной сети взаимодействий, но при этом группа сохраняет общую согласованность.
Таким образом, коллективное движение может возникать не благодаря единому центру управления или одновременному учету множества сигналов, а за счет множества быстро меняющихся локальных связей.
Почему это открытие важно?
Ранее ученые предполагали, что для согласованного движения больших групп животных необходимо учитывать информацию сразу от нескольких соседей. Новое исследование показывает, что механизм может быть значительно проще: каждая особь ориентируется преимущественно на одного наиболее влиятельного партнера, а общая структура взаимодействий постоянно перестраивается.
Подобный принцип представляет интерес не только для изучения поведения животных. Он может помочь в разработке алгоритмов коллективного управления автономными роботами и беспилотными аппаратами, которым необходимо согласованно двигаться без единого центрального управляющего устройства.
Если каждая машина будет учитывать поведение одного наиболее значимого участника группы, а связи между участниками смогут быстро перестраиваться, это потенциально позволит создавать гибкие и устойчивые системы коллективного управления.
Что еще предстоит выяснить?
Несмотря на интересные результаты, у эксперимента есть важное ограничение. Виртуальные рыбы взаимодействовали с настоящими исключительно визуально.
В естественных условиях рыбы используют не только зрение, но и другие сенсорные механизмы. В частности, они воспринимают движение воды и возникающие вокруг них колебания давления благодаря специальному органу — боковой линии.
Виртуальные изображения, разумеется, не могли воспроизводить такие гидродинамические сигналы. Поэтому пока остается неизвестным, насколько сильно дополнительные сенсорные каналы влияют на выбор наиболее значимого соседа и координацию всей группы.
В дальнейшем исследователи планируют провести эксперименты с более многочисленными группами рыб и усовершенствовать виртуальную модель, включив в нее недостающие условия взаимодействия.
Пока же результаты позволяют сделать важный вывод: для удивительной согласованности рыбьего косяка необязательно наличие постоянного лидера. Иногда достаточно того, чтобы каждая особь умела вовремя выбрать нового соседа, за которым стоит следовать.
