Освещенность

Биология связи, том 6, Номер статьи: 585 (2023) Цитировать эту статью

743 доступа

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Экспериментально исследовано влияние освещения на коллективную динамику большой стаи (около 50 особей) Hemigrammus rhodostomus. Структура группы, определенная с использованием двух параметров порядка, определяется количественно при постепенном изменении зрительного диапазона рыбы посредством контролируемых циклов интенсивности окружающего света. Мы показываем, что при низком уровне освещенности особи внутри группы не могут сформировать сплоченную группу, тогда как при более высокой освещенности степень выравнивания стаи коррелирует с интенсивностью света. При увеличении освещенности структура школы последовательно характеризуется поляризованным состоянием, за которым следует высокорегулярная и устойчивая вращательная конфигурация (фрезерование). Наше исследование показывает, что зрение необходимо для достижения сплоченного коллективного движения свободно плавающих косяков рыб, в то время как зондирование боковой линии на близком расстоянии в этой ситуации недостаточно. Таким образом, настоящий эксперимент дает новое понимание механизмов взаимодействия, которые управляют возникновением и интенсивностью коллективного движения в биологических системах.

Коллективное поведение во время передвижения — удивительное явление, наблюдаемое во многих живых системах: от бактериальных колоний1,2 до человеческих толп3,4 и ропота скворцов5,6. Эти движения характеризуются синхронизированными движениями в больших масштабах времени и пространства7, возникающими в результате локальных, короткодействующих взаимодействий между ближайшими соседями8.

Рыбы представляют собой типичный пример такой самоорганизации с естественной тенденцией образовывать упорядоченные группы, известные как стаи или стаи9. Более 50% видов рыб демонстрируют стайное поведение10, что дает группе такие преимущества, как защита от хищников11, улучшение поиска пищи12 и снижение затрат на передвижение13,14.

С практической точки зрения школьное обучение предполагает для каждого человека в группе знание как положения в пространстве, так и кинематики ближайших соседей15,16. Чтобы получить эту информацию, рыбы полагаются на зрение, ощущение гидродинамических возмущений и хемо-обонятельные сигналы17,18. Роль каждого из этих чувств сегодня четко не выяснена19, но общепринято считать, что зрение и гидродинамическое восприятие являются наиболее преобладающими20,21.

Чтобы почувствовать гидродинамические возмущения, рыбы используют систему боковой линии22. Предполагается, что эта способность является фактором формирования рыбных косяков23. Возможно нарушение функционирования боковой линии рыб, что приводит к изменению стайного поведения23,24,25. Однако такого рода инвазивная процедура может неожиданным образом изменить поведение рыбы.

Другой способ количественной оценки основных сенсорных механизмов взаимодействия при плавании — оценить роль зрения. Например, уровень окружающего освещения может изменить коллективную реакцию стайных рыб в различных ситуациях26,27. Недавно Макки и др.28 сравнили роль боковой линии и зрения у стайных рыб. На основании экспериментов с пятью рыбами они предположили, что, хотя во взаимодействии между особями участвуют и боковая линия, и зрение, зрения должно быть достаточно для стайного обучения.

Предыдущие исследования20,29 также рассматривали проблему зрения у более крупных косяков (20–30 рыб) и показали, что рыбы с непрозрачными глазными покрытиями были способны поддерживать коллективное движение, используя только систему боковой линии. Однако в этих экспериментах только одну рыбу ослепили и поместили обратно в нормальный косяк, что ограничивает выводы с точки зрения коллективного движения.

Было обнаружено, что рыбы снижают или полностью подавляют стайное поведение ниже определенного порога освещенности, который может варьироваться у разных видов30,31. Однако эти эксперименты проводились на 4–6 рыбах и поэтому не предоставили доказательств конкретного поведения, которое может возникнуть при увеличении числа особей в стае. Более того, вопрос решался с точки зрения резкого ограничения между когезионным и несвязным состояниями, без учета эффекта увеличения уровня освещенности в широком диапазоне после превышения этих порогов.