In der Natur können sich Tiere, vom Schwarm aus Fischen bis hin zu in Herden lebenden Säugetieren, in scheinbar choreografierten Bewegungen organisieren.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden, dass diese koordinierten Bewegungen dadurch entstehen, dass jedes Tier einfachen Regeln folgt, indem es sich nach seinen Nachbarn ausrichtet. Nun haben Forscher bei Zebrafischen nachgewiesen, dass sich benachbarte Tiere auch im gleichen Takt bewegen. Das Team fand heraus, dass Fisch-Paare sich immer abwechselnd bewegen. Zweitens synchronisieren sie das Timing dieser Bewegungen wechselseitig (sog. Reziprozität). In Virtual-Reality-Experimenten konnte das Team dann bestätigen, dass diese Reziprozität der Schlüssel zum Verstehen kollektiver Bewegung im Schwarm ist: Durch die Umsetzung dieser rhythmischen Regel gelang es ihnen, das natürliche Schwarmverhalten von Fischen bei virtuellen Artgenossen im Computer nachzubilden.
Die in Nature Communications veröffentlichte Studie wurde von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Exzellenzclusters Kollektives Verhalten der Universität Konstanz und des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie (MPI-AB) geleitet.
Wechselseitige Kopplung der Bewegungen
Durch diese Ergebnisse verstehen wir nun besser, wie Tiergruppen ihre Bewegungen koordinieren. „Wir zeigen, dass es immer zwei Fische braucht“, sagt Guy Amichay, der die Arbeit als Doktorand am MPI-AB durchführte. „Die Fische koordinieren das Timing ihrer Bewegungen mit denen ihres Nachbarn und umgekehrt. Diese wechselseitige rhythmische Kopplung ist eine wichtige, aber bisher übersehene Kraft, die die Tiere in Bewegung hält”.
Synchronität im Schwarm
Tiere, die sich synchron bewegen, sind die auffälligsten Beispiele für kollektives Verhalten in der Natur. Doch viele natürliche Kollektive synchronisieren sich nicht im Raum, sondern in der Zeit – Glühwürmchen synchronisieren ihr Leuchten, Neuronen synchronisieren ihre Erregungsleitung und Menschen in Konzertsälen synchronisieren den Rhythmus des Klatschens.
Amichay und sein Team interessierten sich für die Überschneidung dieser beiden Phänomene; sie waren neugierig darauf, welche rhythmische Synchronität in der Tierbewegung existieren könnte. „Es gibt mehr Rhythmus in der Tierbewegung, als man erwarten würde“, sagt Amichay. „In der realen Welt schwimmen die meisten Fische nicht mit einer festen Geschwindigkeit, sondern sie oszillieren.“
Fische im Schwarm bewegen sich abwechselnd
Anhand von Zebrafischpaaren analysierte Amichay deren Schwimmen, um das genaue Bewegungsmuster zu beschreiben. Er stellte fest, dass sich die Fische zwar gemeinsam bewegten, aber nicht gleichzeitig schwammen. Sie bewegten sich vielmehr abwechselnd, so dass sich erst der eine und dann der andere bewegte, „wie zwei Beine beim Gehen“, sagt er.
Das Team untersuchte dann, wie Fische es schaffen, sich abzuwechseln. Sie erstellten ein Berechnungsmodell mit einer einfachen Faustregel: Verdopple die Verspätung deines Nachbarn.
Test im Computer
Der nächste Schritt bestand darin, dieses Modell im Computer zu testen. Sie programmierten einen „Fisch“ auf einen Takt mit festen Bewegungsabläufen, wie ein Metronom. Der andere Fisch reagierte auf den ersten, indem er die rhythmische Regel „doppelte Verzögerung“ umsetzte. Bei dieser einseitigen Interaktion bewegten sich die Computer-Fische jedoch nicht in dem Muster, das bei echten Fischen zu beobachten ist. Wenn beide jedoch aufeinander reagierten, zeigten sie das natürliche Abwechslungsmuster.
Die Autoren sagen, dass dieses Ergebnis die Art und Weise, wie wir verstehen, wer wen in Tiergruppen beeinflusst, drastisch verändern kann. „Früher dachten wir, dass ein Fisch in einer geschäftigen Gruppe von jedem anderen Mitglied, das er sehen kann, beeinflusst werden kann“, sagt Couzin. „Jetzt sehen wir, dass die auffälligsten Bindungen zwischen Partnern bestehen könnten, die sich für eine rhythmische Synchronisation entscheiden.“
