Ciência

Encontrando a batida do movimento animal coletivo

Experimentos de Realidade Virtual iluminaram a cola rítmica que poderia manter os animais se movendo em sincronia

Peixe-zebra adulto nadando com membros da mesma espécie

Em toda a natureza, animais, desde insetos em enxame até mamíferos pastores, podem se organizar em movimentos aparentemente coreografados. Nas últimas duas décadas, os cientistas descobriram que estes movimentos coordenados surgem quando cada animal segue regras simples sobre a localização dos seus vizinhos. Agora, os cientistas que estudam o peixe-zebra mostraram que os vizinhos também podem estar seguindo o mesmo ritmo. A equipe revelou que os peixes que nadavam aos pares se revezavam para se mover; e sincronizaram o tempo desses movimentos em um processo bidirecional conhecido como reciprocidade. Depois, em experiências de realidade virtual, a equipa pôde confirmar que a reciprocidade era a chave para impulsionar o movimento colectivo: ao implementar esta regra rítmica, puderam recriar o comportamento natural de escolarização em peixes e co-específicos virtuais. O estudo publicado em Comunicações da Natureza foi liderado por cientistas do Cluster of Excellence Collective Behavior da Universidade de Konstanz e do Instituto Max Planck de Comportamento Animal da Alemanha (MPI-AB).

Os resultados fornecem mais detalhes mecanicistas para a nossa compreensão de como os animais se auto-organizam em coletivos móveis. -Mostramos que são necessários dois peixes para dançar o tango,- diz o primeiro autor Guy Amichay, que conduziu o trabalho enquanto era doutorando no MPI-AB. -Os peixes coordenam o tempo dos seus movimentos com o do vizinho e vice-versa. Este acoplamento rítmico bidirecional é uma força importante, mas negligenciada, que mantém os animais em movimento.-

A sincronia do enxame

Os animais que se movem em sincronia são os exemplos mais evidentes de comportamento coletivo na natureza; no entanto, muitos colectivos naturais sincronizam-se não no espaço, mas no tempo – os vaga-lumes sincronizam os seus flashes, os neurónios sincronizam os seus disparos e os humanos nas salas de concertos sincronizam o ritmo das palmas.

Amichay e a equipe estavam interessados ​​na intersecção dos dois; eles estavam curiosos para ver que sincronia rítmica poderia existir no movimento animal. -Há mais ritmo no movimento dos animais do que você poderia esperar,- diz Amichay, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Northwestern University, EUA. -No mundo real, a maioria dos peixes não nada em velocidades fixas, eles oscilam.-

Usando pares de peixes-zebra como sistema de estudo, Amichay analisou sua natação para descrever o padrão preciso de movimento. Ele descobriu que os peixes, embora se movessem juntos, não nadavam ao mesmo tempo. Em vez disso, eles se alternavam de tal forma que um se movia e depois o outro se movia, -como duas pernas andando”, diz ele.

A equipe então analisou como os peixes conseguiam se alternar. Eles geraram um modelo computacional com uma regra simples: dobre o atraso do seu vizinho.

A regra da reciprocidade

O próximo passo foi testar este modelo computacionalmente, ou em sílico. Eles definiram um agente para bater com movimentos fixos, como um metrônomo. O outro agente respondeu ao primeiro implementando a regra -double the delayrhythmic. Mas nesta interação unidirecional, os agentes não se moviam no padrão alternado observado nos peixes reais. Quando ambos os agentes responderam um ao outro, porém, reproduziram o padrão de alternância natural. -Esta foi a primeira indicação de que a reciprocidade era crucial,- diz Amichay.

Mas a reprodução do comportamento natural em um computador não foi o fim do estudo. A equipe recorreu à realidade virtual para confirmar que o princípio descoberto também funcionaria em peixes reais. -A realidade virtual é uma ferramenta revolucionária nos estudos do comportamento animal porque nos permite contornar a maldição da causalidade,- diz Iain Couzin, palestrante do Cluster de Excelência em Comportamento Coletivo da Universidade de Konstanz e diretor do MPI-AB.

Na natureza, muitas características estão interligadas e por isso é extremamente difícil identificar a causa do comportamento de um animal. Mas usando a realidade virtual, Couzin diz que é possível perturbar o sistema com precisão para testar o efeito de uma característica específica no comportamento de um animal.

Um único peixe foi colocado em um ambiente virtual com um avatar de peixe. Em alguns testes, o avatar foi configurado para nadar como um metrônomo, ignorando o comportamento do peixe real. Nestes testes o peixe real não nadou no padrão natural alternado com o avatar. Mas quando o avatar foi configurado para responder ao peixe real, numa relação recíproca de mão dupla, eles recuperaram seu comportamento natural alternado.

Parceiros que se revezam

-É fascinante ver que a reciprocidade está a impulsionar este comportamento de troca de turnos nos peixes nadadores,- diz o co-autor Máté Nagy, que lidera o Grupo de Investigação do Comportamento Colectivo MTA-ELTE na Academia Húngara de Ciências, -porque nem sempre é o caso. em osciladores biológicos.- Os vaga-lumes, por exemplo, sincronizarão mesmo em interações unidirecionais.

-Mas para os humanos, a reciprocidade entra em jogo em quase tudo que fazemos em pares, seja na dança, no esporte ou na conversa,- diz Nagy.

A equipa também forneceu evidências de que os peixes que estavam acoplados no momento dos movimentos tinham laços sociais mais fortes. -Em outras palavras, se você e eu estivermos casados, estaremos mais sintonizados um com o outro,- diz Nagy.

Os autores dizem que esta descoberta pode mudar drasticamente a forma como entendemos quem influencia quem nos grupos de animais. -Costumávamos pensar que num grupo ocupado, um peixe poderia ser influenciado por qualquer outro membro que pudesse ver,- diz Couzin. -Agora, vemos que os laços mais salientes poderiam ser entre parceiros que optam por sincronizar ritmicamente.-

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