(a) Illustrazione di un agente (raffigurato qui come un pesce) con un orientamento casuale al primo passo temporale (=0, blu) e passando allo stato di sorpresa (=1, rosso). Quando spaventato direttamente da una minaccia, gli agenti reagiscono riorientando istantaneamente verso una direzione di riferimento, con un po' di rumore (2). Senza perdita di generalità, la direzione di riferimento è impostata a zero gradi. (b) Illustrazione di due agenti. Quando sorpreso indirettamente da segnali sociali, gli agenti si muovono nella direzione media dei loro vicini spaventati. In questa illustrazione, viene mostrata solo la differenza di orientamento tra due agenti, insieme al rumore (1) che si aggiunge alla differenza di orientamento, che rappresenta il rumore nella capacità dell'agente di percepire l'orientamento del vicino. Credito:Istituto americano di fisica (AIP)
Mentre il panico si diffonde, un intero banco (collettivo) di pesci risponde a una minaccia in arrivo in pochi secondi, apparentemente come un corpo unico, cambiare rotta ed evitare un minaccioso predatore. In quei pochi secondi, l'informazione infusa di panico - più tecnicamente nota come risposta di spavento - si diffonde attraverso il collettivo, avvertendo i pesci all'interno del gruppo che altrimenti non avrebbero modo di rilevare una tale minaccia. Le modalità di diffusione di queste informazioni e il ruolo svolto dalle dinamiche di posizione possono aiutarci a pianificare meglio le emergenze.
Amanda Chicoli è una biologa post-dottorato presso il Carnegie Institution for Science di Baltimora, e ha collaborato con Derek Paley, professore nel dipartimento di ingegneria aerospaziale dell'Università del Maryland, Parco dell'università, studiare e modellare questa trasmissione di informazioni. Il loro lavoro appare in questa settimana Caos .
"L'idea iniziale per questo progetto è nata dalla mia ricerca di dottorato in comportamenti collettivi, la mia esperienza in biologia sensoriale dei pesci, e l'esperienza del Dr. Paley nei sistemi di oscillatori accoppiati, " disse Chicoli. Sistemi di oscillatori accoppiati, come pendoli legati o molle collegate per esempio, sono usati spesso per modellare sistemi più complessi nella scienza, dalle molecole ai banchi di pesci.
Superficialmente, un singolo banco di pesci – o anche solo una rete di sorgenti abbinate – può sembrare semplice. Ma i fattori che giocano un ruolo nella risposta del gruppo possono diventare complessi molto facilmente. In questo studio, Chicoli e Paley hanno esaminato l'orientamento dei pesci all'interno della collezione, e l'influenza che può avere sul modo in cui l'intero gruppo sfugge a una minaccia.
"Uno degli obiettivi principali di questo studio era studiare il ruolo della polarizzazione (allineamento) sulla trasmissione delle informazioni e sulla risposta collettiva a una minaccia. Il modello prevede una diffusione più rapida delle informazioni sulle minacce in gruppi fortemente allineati, e risposte più lente ma più accurate in gruppi che si allineano solo dopo che è stata rilevata una minaccia, ", disse Chicoli.
Infatti, è questo allineamento (durante il nuoto) che caratterizza un raduno sociale di pesci, o un banco di pesci, come un banco di pesci. Sebbene possa sembrare intuitivo che un banco di pesci abbia un allineamento comune per scopi come l'evasione rapida, ma dimostrare questo non è così chiaro.
"Si ritiene generalmente che l'allineamento nei banchi di pesci sia coinvolto nella difesa dei predatori, tuttavia è difficile verificarlo direttamente con metodi sperimentali, "disse Chicoli, descrivendo i loro metodi. "Il modello incorpora diversi processi decisionali teorici:la decisione su quale direzione prendere, se rispondere a una minaccia del tutto, e con chi interagire."
Il modello specifico utilizzato, chiamato modello suscettibile-infetto-rimosso (SIR), era in realtà uno usato più comunemente per calcolare come si diffondono le malattie e ha dimostrato di applicarsi con precisione ai banchi di pesci.
"Il modello SIR è stato scelto perché è un modello probabilistico di trasmissione di malattie (o informazioni) attraverso un gruppo. Molti processi biologici, compreso lo spavento di un predatore, sono di natura probabilistica, " Disse Chicoli. "C'è qualche probabilità di notare il predatore, una certa probabilità nel rispondere, e qualche probabilità di fuga. Queste probabilità possono anche essere osservate sperimentalmente a livelli comportamentali fisiologici".
"Per quanto ne so... questo è il primo studio a modellare direttamente la trasmissione delle informazioni nella scuola, Chicoli ha anche detto. "I risultati dei test sul nostro modello suggeriscono che il grado di allineamento in gruppi di pesci può comportare un compromesso velocità-precisione; potrebbero anche essere interpretati in termini di processi decisionali nei gruppi".
Nello specifico, il loro lavoro ha rivelato e quantificato la relazione tra le varie configurazioni di orientamento e l'accuratezza e la velocità delle risposte. Hanno trovato alcune correlazioni sorprendenti.
"Non ci aspettavamo di trovare risposte più accurate nei gruppi inizialmente orientati in modo casuale. Inoltre, non ci aspettavamo che la più alta probabilità di rispondere alla minaccia esterna indagata corrispondesse a un minor numero di individui che rispondono, " ha detto Chicoli. "Questo risultato è dovuto alla natura del nostro modello startle, che si basa sulla diffusione della malattia. Dal momento che gli individui non si riaccendono, se troppi agenti si spaventano senza diffondere l'informazione, gli startles si estinguono prima di propagarsi e un minor numero di individui reagisce in generale."
Per quanto riguarda il potenziale impatto per le persone, soprattutto in situazioni di emergenza, questi e futuri risultati possono fornire preziose informazioni durante la progettazione e la pianificazione di tali eventi.
Chicoli ha detto, "È importante che il modello può essere rilevante per indagare su come gli individui risponderanno al movimento degli altri in un gruppo al fine di decidere quale direzione viaggiare o quale via di uscita seguire. Per esempio, se avessi una grande folla che si dirigeva verso una porta di uscita, quando sono disponibili due porte, un individuo seguirebbe il gruppo o sceglierebbe la porta disponibile senza folla?"
In attesa di ulteriori lavori, la relativa semplicità del modello offre molti modi in cui può essere ridimensionato e migliorato, sia nel contesto dei banchi di pesci sia, più in generale, in termini di comportamento animale. Informazione, Dopotutto, è la valuta più fondamentale della natura.
"Nelle versioni future, sarebbe utile includere le capacità sensoriali e le limitazioni per le diverse specie di interesse per valutare come ciò influisca sui risultati, e sondare il ruolo delle diverse modalità sensoriali nella trasmissione delle informazioni, " ha detto Chicco.
"Il modello può essere utilizzato per variare la dimensione del gruppo e il numero di individui informati nello spazio dei parametri per valutare le condizioni in cui gli individui informati hanno la maggiore influenza. In precedenza è stato dimostrato che un piccolo numero di individui informati suscita una risposta da entrambi i piccoli e grande."
In un'epoca che presta sempre più attenzione non solo all'aumento del volume di informazioni disponibili, ma anche ai modi in cui tali informazioni si muovono, potrebbe esserci ancora più potenziale applicativo di questi sforzi a venire.
