In natura, gli animali, dagli sciami di insetti ai mammiferi da pastore, possono organizzarsi in movimenti apparentemente coreografati. Negli ultimi vent'anni, gli scienziati hanno scoperto che questi movimenti coordinati derivano da ciascun animale che segue semplici regole relative alla posizione dei suoi vicini.
Ora, gli scienziati che studiano il pesce zebra hanno dimostrato che anche i suoi vicini potrebbero muoversi allo stesso ritmo. Il team ha rivelato che i pesci che nuotavano in coppia si muovevano a turno; e hanno sincronizzato i tempi di questi movimenti in un processo bidirezionale noto come reciprocità. Quindi, negli esperimenti di realtà virtuale, il team ha potuto confermare che la reciprocità era la chiave per guidare il movimento collettivo:implementando questa regola ritmica, hanno potuto ricreare il comportamento naturale del branco nei pesci e nei conspecifici virtuali.
Lo studio pubblicato su Nature Communications è stato guidato da scienziati del Cluster of Excellence Collective Behavior dell'Università di Costanza e dell'Istituto Max Planck per il comportamento animale in Germania (MPI-AB).
I risultati forniscono ulteriori dettagli meccanicistici alla nostra comprensione di come gli animali si auto-organizzano in collettivi in movimento. "Abbiamo dimostrato che ci vogliono due pesci per ballare il tango", afferma il primo autore Guy Amichay, che ha condotto il lavoro mentre era studente di dottorato presso MPI-AB.
"I pesci coordinano i tempi dei loro movimenti con quelli dei loro vicini e viceversa. Questo accoppiamento ritmico bidirezionale è una forza importante, ma trascurata, che lega gli animali in movimento."
Gli animali che si muovono in sincronia sono gli esempi più evidenti di comportamento collettivo in natura; eppure molti collettivi naturali si sincronizzano non nello spazio, ma nel tempo:le lucciole sincronizzano i loro lampi, i neuroni sincronizzano le loro attivazioni e gli esseri umani nelle sale da concerto sincronizzano il ritmo degli applausi.
Amichay e il team erano interessati all'intersezione dei due; erano curiosi di vedere quale sincronia ritmica potesse esistere nel movimento degli animali.
"Il movimento degli animali è più ritmico di quanto ci si potrebbe aspettare", afferma Amichay, che ora è ricercatore post-dottorato presso la Northwestern University, negli Stati Uniti. "Nel mondo reale la maggior parte dei pesci non nuota a velocità fisse, ma oscilla."
Utilizzando coppie di pesci zebra come sistema di studio, Amichay ha analizzato il loro nuoto per descrivere il modello preciso di movimento. Scoprì che i pesci, pur muovendosi insieme, non nuotavano contemporaneamente. Piuttosto, si alternavano in modo tale che prima si muoveva l'una, poi si muoveva l'altra, "come due gambe che camminano", dice.
Il team ha poi esaminato il modo in cui i pesci riuscivano ad alternarsi. Hanno generato un modello computazionale con una semplice regola pratica:raddoppiare il ritardo del tuo vicino.
Il passo successivo è stato testare questo modello computazionalmente o in silico. Hanno impostato un agente da battere con periodi di movimento fissi, come un metronomo. L'altro agente ha risposto al primo implementando la regola ritmica del "raddoppia il ritardo".
Ma in questa interazione unidirezionale, gli agenti non si muovevano secondo lo schema alternato osservato nei pesci reali. Quando entrambi gli agenti rispondevano tra loro, tuttavia, riproducevano il modello di alternanza naturale. "Questa è stata la prima indicazione che la reciprocità era cruciale", afferma Amichay.
Ma la riproduzione del comportamento naturale in un computer non era il punto in cui lo studio si è concluso. Il team si è rivolto alla realtà virtuale per confermare che il principio scoperto funzionerebbe anche nei pesci reali.
"La realtà virtuale è uno strumento rivoluzionario negli studi sul comportamento animale perché ci consente di aggirare la maledizione della causalità", afferma Iain Couzin, relatore del Cluster of Excellence Collective Behavior dell'Università di Costanza e direttore dell'MPI-AB.
In natura molti tratti sono collegati tra loro e quindi è estremamente difficile individuare la causa del comportamento di un animale. Ma utilizzando la realtà virtuale, Couzin afferma che è possibile "perturbare con precisione il sistema" per testare l'effetto di un tratto particolare sul comportamento di un animale.
Un singolo pesce è stato inserito in un ambiente virtuale con un avatar di pesce. In alcune prove, l'avatar nuotava come un metronomo, ignorando il comportamento del pesce reale. In queste prove, il vero pesce non nuotava seguendo lo schema naturale alternato con l'avatar. Ma quando l'avatar è stato impostato per rispondere al pesce reale, in una relazione reciproca bidirezionale, ha recuperato il suo naturale comportamento alternato.
Partner a turno
"È affascinante vedere che la reciprocità sta guidando questo comportamento di cambio di turno nei pesci che nuotano", afferma il coautore Máté Nagy, che guida il gruppo di ricerca sul comportamento collettivo MTA-ELTE presso l'Accademia ungherese delle scienze, "perché non è sempre così negli oscillatori biologici." Le lucciole, ad esempio, si sincronizzeranno anche nelle interazioni unidirezionali.
"Ma per gli esseri umani, la reciprocità entra in gioco in quasi tutto ciò che facciamo in coppia, che si tratti di danza, sport o conversazione", afferma Nagy.
Il team ha inoltre fornito prove del fatto che i pesci accoppiati durante i movimenti avevano legami sociali più forti. "In altre parole, se tu ed io siamo accoppiati, siamo più in sintonia l'uno con l'altro", afferma Nagy.
Gli autori affermano che questa scoperta può cambiare drasticamente il modo in cui comprendiamo chi influenza chi nei gruppi di animali. "Pensavamo che in un gruppo impegnato, un pesce potesse essere influenzato da qualsiasi altro membro che potesse vedere", dice Couzin. "Ora, vediamo che i legami più importanti potrebbero essere tra partner che scelgono di sincronizzarsi ritmicamente."
Ulteriori informazioni: Guy Amichay et al, Rivelare il meccanismo e la funzione alla base dell'accoppiamento temporale a coppie nel movimento collettivo, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48458-z
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
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