Lo studio, pubblicato come preprint revisionato in eLife , è descritto come di fondamentale importanza dagli editori, poiché fornisce nuove informazioni sui parametri di conservazione dell'energia tra i pesci in branco. Si dice che la forza delle prove a sostegno delle osservazioni sulle dinamiche dei pesci in anticipo e in ritardo sia convincente.

"Si pensa che le interazioni di flusso permettano agli animali che nuotano e volano di risparmiare energia quando si muovono in gruppo, ma misurare questi risparmi energetici è impegnativo", afferma la co-autrice principale Sina Heydari, ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica, Università di California meridionale, Stati Uniti.

"Sebbene i ricercatori abbiano proposto meccanismi su come ciascuna diversa configurazione di nuoto consente di risparmiare energia, fino ad oggi non è stato effettuato alcun confronto tra l'efficienza delle diverse configurazioni."

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato un modello computazionale che ha catturato le caratteristiche idrodinamiche di pesci singoli e di coppie di pesci che nuotano, rappresentando ciascun pesce come un aliscafo che nuota liberamente e che subisce oscillazioni sul bordo anteriore. Il modello è stato poi utilizzato per analizzare il modo in cui le interazioni del flusso fanno sì che i nuotatori che sbattono le ali si dirigano tutti nella stessa direzione ad auto-organizzarsi.

Quando i pesci in un banco si muovono "in fase", i loro movimenti sono sincronizzati in modo tale da sembrare che si muovano come un'unica unità coesa. Quando i pesci in branco si muovono "in controfase", i loro movimenti non sono sincronizzati, creando uno schema ondulatorio all'interno del banco, in cui il movimento di ciascun pesce è controbilanciato dal movimento di un altro. È stato suggerito che entrambi i modelli aiutano a nuotare in modo efficiente, in base alle condizioni ambientali.

Il team ha scoperto che quando i banchi di pesci si auto-organizzano in una formazione affiancata e sbattono le ali in fase, condividono equamente i benefici idrodinamici. Tuttavia, contrariamente ad alcuni rapporti precedenti, hanno scoperto che quando i pesci sbattono le ali in modo antifase, la richiesta di energia aumenta a un livello più elevato rispetto a quando nuotavano da soli.

Al contrario, nelle formazioni tandem (in linea o diagonali) dove c'è un leader e un inseguitore, i benefici idrodinamici sono ottenuti interamente da chi segue.

Simulando la dinamica del flusso di diverse formazioni, il modello fornisce informazioni che possono essere applicate come strumento predittivo sia ai dati di simulazione che a quelli sperimentali. In effetti, il team ha utilizzato questo approccio per spiegare i meccanismi che portano alla dispersione in gruppi più grandi di nuotatori in linea e per prevedere quando la scia di un gruppo di nuotatori in testa non offre benefici energetici ai pesci che seguono.

Hanno scoperto che all'aumentare del numero di nuotatori, le formazioni affiancate rimangono robuste, ma le formazioni in linea diventano instabili oltre un numero critico di nuotatori.

Le simulazioni, insieme ai dati di esperimenti precedenti, suggeriscono anche un’interessante connessione tra la fisica dei flussi e tratti sociali come l’avidità e la cooperazione. Gli esperimenti hanno dimostrato che, quando vengono sfidati a sostenere velocità di nuoto elevate, i pesci si riorganizzano affiancati man mano che la velocità aumenta.

Questo studio ha rilevato che le formazioni affiancate forniscono la distribuzione più equa dello sforzo, suggerendo che i pesci sono costretti a cooperare quando sfidati da una forte corrente di fondo.

In assenza di questa sfida, si posizionano spazialmente come preferiscono, senza molta considerazione per l’equa condivisione dei benefici idrodinamici. Infatti, nelle formazioni in tandem in linea, i flussi generati presentano seri ostacoli affinché altri nuotatori si uniscano alla linea a valle.

"Potremmo definire queste formazioni avide, poiché non lasciano risorse nell'ambiente per i nuotatori che seguono", afferma il co-autore principale Haotian Hang, Ph.D. candidato presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica, University of Southern California. "Questo, insieme alla nostra interpretazione secondo cui la cooperazione per raggiungere un'equa condivisione dei benefici idrodinamici è forzata, non innata, solleva un'ipotesi interessante:che il riposizionamento dinamico dei membri all'interno della scuola sia guidato dall'avidità e dalla competizione, piuttosto che dalla cooperazione."

eLife I redattori di concludono che questo studio fornisce spunti interessanti sull'accoppiamento energetico rispetto alle dinamiche di nuoto di gruppo, ma che ulteriori chiarimenti sui gradi di libertà e sugli intervalli di parametri nel modello rafforzerebbero ulteriormente i risultati.

"Capire come la disposizione spaziale degli individui all'interno di un gruppo influenza i costi energetici del movimento fornisce informazioni sull'evoluzione delle strutture sociali, sull'allocazione delle risorse e sulla forma fisica di ciascun individuo quando si tratta di cercare cibo, accoppiarsi e sfuggire ai predatori", afferma l'autrice senior Eva Kanso , Zohrab A. Kaprielian Fellow in Ingegneria e professore di ingegneria aerospaziale e meccanica presso la University of Southern California.

"Potrebbe anche essere utilizzato per guidare la progettazione di sistemi ingegneristici bioispirati come sciami di veicoli robotici autonomi sott'acqua o in volo, che collaborano per raggiungere un compito desiderato nel modo più efficiente."