Модель объясняет механизм динамической координации в стаях рыб

Рыбы в стаях выполняют сложные, скоординированные манёвры, не сталкиваясь друг с другом, и движутся синхронно без явного лидера.

Чтобы понять механизмы такого коллективного поведения, исследователи из Университета Тохоку разработали модель, симулирующую групповое движение рыб на основе визуальных сигналов. Модель, учитывающая склонность рыб фокусироваться на ближайших и быстро движущихся соседях, раскрывает механизм динамического формирования стаи.

Исследование опубликовано в журнале PNAS Nexus.

«Рыбы имеют широкий угол обзора и могут видеть многих соседей в стае, — объясняет Сусуму Ито. — Однако недавние эксперименты показали, что каждая рыба выбирает одну-единственную цель из нескольких и отслеживает её движение. Это впечатляющий пример избирательного принятия решений».

Внимание ко всем рыбам в стае потребовало бы обработки огромного объёма информации. Подобно тому, как мы фокусируемся на читаемых словах, рыбы могут концентрироваться на самой заметной цели, определяющей их следующий шаг. Хотя рыба прямо впереди кажется очевидным выбором, внимание чаще привлекают особи, находящиеся слегка сбоку.

Ито и его команда создали модель, учитывающую визуальное внимание, чтобы выяснить роль избирательного визуального взаимодействия в большой группе рыб. В неё заложена особенность ганглиозных клеток сетчатки, которые активнее реагируют на более близкие и быстро движущиеся цели. Визуальное внимание направляется в сторону самого сильного сигнала. Только рыбы, попавшие в этот «луч внимания», могут влиять на движение особи.

Численное моделирование показало, что когда рыба следует за тремя целями, плывущими в ряд, её больше привлекает левая или правая цель из-за их большего видимого размера. Стройная рыба, смотрящая прямо вперёд (при виде сзади), кажется гораздо меньше, чем рыба, показывающая свой длинный профиль. Эти результаты воспроизводят избирательное отслеживание, наблюдавшееся в предыдущих экспериментах.

Кроме того, модель воспроизвела различные коллективные паттерны стай: вращающийся вихрь, прямолинейное, случайное и поворотное движение. В режиме поворота рыбы периодически чередуют прямое и вращательное движение, что позволяет стае динамически менять форму.

«Избирательное поведение при отслеживании наблюдается также у саранчи и мух, — добавляет Ито. — Мы планируем расширить модель на групповое движение различных организмов. Трёхмерная версия модели также может объяснить формирование огромных скоплений рыб, известных как "шар-приманка"».