По мере распространения паники целая стая (коллектив) рыб реагирует на приближающуюся угрозу за считанные секунды, казалось бы, как единое целое, чтобы изменить курс и уклониться от угрожающего хищника. В течение этих нескольких секунд информация, наполненная паникой, более известная как реакция испуга, распространяется по всему коллективу, предупреждая рыб внутри группы, которые в противном случае не смогли бы обнаружить такую угрозу. Способы распространения этой информации и роль, которую играет динамика позиции, могут помочь нам лучше спланировать действия в чрезвычайных ситуациях.
Аманда Чиколи - биолог с докторской степенью в Научном институте Карнеги в Балтиморе, и она объединилась с Дереком Пейли, профессором кафедры аэрокосмической техники в Университете Мэриленда, Колледж-Парк, для изучения и смоделируйте эту передачу информации. Их работа опубликована в выпуске Chaos на этой неделе от издательства AIP.
«Первоначальная идея этого проекта возникла из моих докторских исследований в области коллективного поведения, моих собственных знаний в области сенсорной биологии рыб и опыта доктора Пейли в системах связанных осцилляторов», - сказал Чиколи. Системы связанных осцилляторов, такие как привязанные маятники или связанные пружины, например, часто используются для моделирования более сложных систем в науке, от молекул до косяков рыб.
На первый взгляд может показаться, что одиночная стая рыб - или даже просто сеть совпадающих пружинок - может показаться простой задачей. Но факторы, играющие роль в групповой реакции, могут очень легко усложниться. В этом исследовании Чиколи и Пейли изучили ориентацию рыб в коллекции и ее влияние на то, насколько хорошо вся группа избегает угрозы.
Одной из основных целей данного исследования было изучение роли поляризации (выравнивания) в передаче информации и коллективном реагировании на угрозу. Модель предсказывает более быстрое распространение информации об угрозах в группах, которые тесно связаны друг с другом, и более медленные, но более точные ответы в группах, которые объединяются только после обнаружения угрозы», - сказал Чиколи.
На самом деле именно это выравнивание (во время плавания) характеризует общественное скопление рыб, или косяк рыб, как косяк рыб. Хотя может показаться интуитивным, что косяк рыбы будет иметь общее мировоззрение для таких целей, как быстрое уклонение, но доказать это не так уж однозначно.
«Обычно считается, что выравнивание косяков рыб участвует в защите от хищников, однако это трудно проверить напрямую экспериментальными методами», - сказал Чиколи, описывая свои методы. «Модель включает в себя несколько теоретических процессов принятия решений: решение о том, в каком направлении двигаться, реагировать ли вообще на угрозу и с кем взаимодействовать».
Используемая конкретная модель, называемая моделью восприимчивых-инфицированных-удаленных (SIR), на самом деле была той, которая чаще использовалась для расчета распространения болезней, и оказалось, что она точно применима к косякам рыб.
«Модель SIR была выбрана потому, что это вероятностная модель передачи болезни (или информации) через группу. Многие биологические процессы, в том числе испуг от хищника, носят вероятностный характер», - сказал Чиколи. «Существует некоторая вероятность заметить хищника, некоторая вероятность отреагировать и некоторая вероятность убежать. Эти вероятности также можно наблюдать экспериментально на уровне физиологического поведения».
«Насколько мне известно… это первое исследование, напрямую моделирующее передачу информации в школе», - также сказал Чиколи. «Результаты тестирования нашей модели показывают, что степень выравнивания в группах рыб может включать компромисс между скоростью и точностью; их также можно интерпретировать с точки зрения процессов принятия решений в группах».
В частности, их работа выявила и количественно определила взаимосвязь между различными конфигурациями ориентации и точностью и скоростью ответов. Они обнаружили несколько удивительных корреляций.
«Мы не ожидали найти более точные ответы в группах, которые изначально были ориентированы случайным образом. Мы также не ожидали, что самая высокая вероятность реагирования на исследуемую внешнюю угрозу будет соответствовать меньшему количеству ответивших людей», - сказал Чиколи.. «Этот результат связан с характером нашей модели испуга, основанной на распространении болезни. Поскольку люди не вздрагивают повторно, если слишком много агентов вздрагивают, не распространяя информацию, вздрагивания затухают до того, как распространятся, и в целом меньше людей реагируют."
Что касается потенциального воздействия на людей, особенно в чрезвычайных ситуациях, эти и будущие результаты могут предоставить ценную информацию при разработке и планировании таких событий.
Чиколи сказал: «Важно то, что модель может иметь отношение к изучению того, как люди будут реагировать на движение других в группе, чтобы решить, в каком направлении двигаться или какой выходной маршрут следовать. Например, если у вас есть большая толпа, направляющаяся к одной выходной двери, когда доступны две двери, будет ли человек следовать за группой или выберет доступную дверь без толпы?"
Глядя на дальнейшую работу, относительная простота модели предлагает множество способов масштабирования и улучшения, как в контексте косяков рыб, так и в более широком плане с точки зрения поведения животных. Информация, в конце концов, является самой фундаментальной валютой природы.
«В будущих версиях было бы полезно включить сенсорные возможности и ограничения для разных интересующих видов, чтобы оценить, как это влияет на результаты, и исследовать роль различных сенсорных модальностей в передаче информации», - сказал Чиколи..
"Модель можно использовать для изменения размера группы и количества информированных лиц в пространстве параметров, чтобы оценить условия, при которых знающие люди имеют наибольшее влияние. Ранее было показано, что небольшое количество знающих людей вызывает ответ как от малого, так и от большого."
В эпоху, когда все больше и больше внимания уделяется не только увеличению объема доступной информации, но и путям, по которым эта информация перемещается, может быть еще больше потенциала применения этих усилий еще впереди.