12.09.2012

Опыты с реальным хищником и виртуальными жертвами показали, что коллективное поведение защищает от нападения

Активность хищника ведет к формированию группового согласованного поведения у жертвы. Данное заключение интернациональная группа зоологов сделала на основе экспериментов, а не теоретических расчетов, как это практикуется чаще всего в рамках данной проблематики. Это означает, что коллективное поведение является результатом естественного отбора, как и любой другой полезный признак. Помимо важности выводов обращает на себя внимание изощренная техника эксперимента, проведенного исследователями: реальным хищникам — рыбам — демонстрировали на полупрозрачной стенке аквариума виртуальную жертву. Ученые наблюдали реакцию хищника в чистом виде и получили точные параметры «жертв», подвергшихся нападению, пишет Science.

Солнечник (Lepomis macrochirus) в пруду питается дафниями и другим зоопланктоном. В эксперименте солнечников кормили виртуальной пищей, но рыбки с готовностью принимали ее за излюбленных рачков. Изображение с сайта fireflyforest.net
Солнечник (Lepomis macrochirus) в пруду питается дафниями и другим зоопланктоном. В эксперименте солнечников кормили виртуальной пищей, но рыбки с готовностью принимали ее за излюбленных рачков. Изображение с сайта fireflyforest.net

Удивительные и технически изобретательные эксперименты поставила группа исследователей из США, Великобритании и Индии при изучении пищевой активности хищных рыб в зависимости от поведения добычи в группе. Целью исследователей было узнать, какие параметры социального поведения животных могут изменяться под давлением отбора. Поскольку одним из главных отбирающих агентов является хищник, в системе «хищник–жертва» признаки социальности должны отбираться особенно эффективно.

Проведенные эксперименты были бы тривиальны и, возможно, приводили бы к неоднозначным выводам, как это часто случается с поведенческими тестами, если бы не хитро выбранные объекты исследования. На роль хищника была назначена рыбка синежаберный солнечник или, по-другому, ушастый окунь (Lepomis macrochirus), излюбленный объект такого рода исследований. А вот роль жертвы исполнили рачки дафнии, но не живые, а виртуальные, имитированные с помощью компьютера и спроецированные на полупрозрачную стенку аквариума. Фальшивые дафнии представляли собой светящиеся пятнышки, формой и размерами напоминающие реальных рачков, и рыбки обманывались, принимая виртуальную добычу за настоящую и атакуя ее. Вид псевдодафний удовлетворял чаяниям голодных рыбок, но вот группировались они и двигались так, как того желали экспериментаторы.

Движение «дафний» в группе задавалось тремя параметрами. Во-первых, рачок мог плыть по направлению к ближайшему соседу. Если бы все «дафнии» поступали таким образом, то они сбились бы в одну большую группу. Во-вторых, «рачок» мог плыть в ту же сторону, в которую плыл его ближайший сосед. Если бы так поступали все «рачки», то они, не образуя плотной группы, плыли бы все вместе в одну сторону. Наконец, в-третьих, «рачок» мог совершенно игнорировать своих соседей и плыть независимо от них. Если бы так вели себя все «дафнии», то они бы не образовывали групп, не плыли бы согласованно, а совершали бы одиночные прогулки случайной траектории.

Кадр из видеоклипа, показывающий, как рыбка атакует одиночную «дафнию». Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
Кадр из видеоклипа, показывающий, как рыбка атакует одиночную «дафнию». Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

В данном исследовании использовалась группа из 16 «дафний», для каждой из которых были заданы свои, неповторяющиеся, значения трех параметров так, что в сумме все эти значения для каждой «дафнии» были равны единице. Например, для одной из «дафний» первый параметр был равен 0,2, второй — тоже 0,2, а третий – 0,6. Это означало, что вектор движения данной «дафнии», после того как она «увидит» соседнего «рачка», сложится из трех направлений: к соседу; в ту же сторону, что и сосед; и, наконец, по первоначальной траектории, по которой она двигалась до встречи с соседом. Проекции данного вектора на эти три направления составят, соответственно, 0,2, 0,2 и 0,6.

Таким образом, перед нами была группа световых пятнышек, каждое из которых обладало своим «характером», своей траекторией движения и, как следствие, имело свою вероятность быть атакованным хищником. При этом «характеры» «дафний» определяли также и вероятность возникновения групп этих «рачков», согласованность движения этих групп и даже положение отдельных «рачков» в группах.

Итак, модельные рачки с заданными параметрами проецировались на стенку аквариума, программа руководила их движением, и это кино показывали рыбкам. Эксперимент начался.

Рыбки сначала присматривались к добыче (солнечник перед броском на несколько секунд зависает перед добычей, оценивая свои шансы), затем атаковали выбранный объект. Было подсчитано число бросков и параметры движения тех «дафний», которые подверглись атаке.

Выяснилось, что рыбки выбирают «асоциальную» добычу, которая предпочитает одиночество и выбирает собственное направление движения; наименьшему же риску подвержены те дафнии, которые находятся в группах и отслеживают маневры соседей. Среди группирующихся дафний чаще всего подвергаются атакам хищника те, которые находятся с краю группы, то есть те, для которых значение второго параметра — движение вместе с соседями — выше значения первого — движение по направлению к соседям. Также рыбок привлекала прямолинейность маршрута дафнии: чем извилистей был путь виртуальной добычи, тем реже к ней бросались рыбки. Похоже, если бы дафнии двигались тесными рядами, да еще строй выбирал бы извилистый маршрут, то рыбки оставались бы голодными.

Вероятность «дафнии» быть атакованной в зависимости от параметров, задающих ее поведение: согласованности с движением соседа (ориентация движения) и сплоченности с другими «дафниями» (притяжение к соседу). Каждый кружок обозначает одну «дафнию». Площадь кружков отражает число перенесенных «дафнией» атак (максимальное число атак — четырнадцать — выпало на долю самой асоциальной «дафнии» с нулевым притяжением к соседям и нулевой согласованностью движения, то есть той, которая предпочитала двигаться независимо от остальных). Цветом показан теоретически предсказанный показатель риска; красный соответствует наибольшему риску, а белый — наименьшему. Изображение из обсуждаемой статьи в Science
Вероятность «дафнии» быть атакованной в зависимости от параметров, задающих ее поведение: согласованности с движением соседа (ориентация движения) и сплоченности с другими «дафниями» (притяжение к соседу). Каждый кружок обозначает одну «дафнию». Площадь кружков отражает число перенесенных «дафнией» атак (максимальное число атак — четырнадцать — выпало на долю самой асоциальной «дафнии» с нулевым притяжением к соседям и нулевой согласованностью движения, то есть той, которая предпочитала двигаться независимо от остальных). Цветом показан теоретически предсказанный показатель риска; красный соответствует наибольшему риску, а белый — наименьшему. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

На основе вероятности атаки возможным хищником, то есть риска быть съеденным, зоологи подсчитали параметры группового движения десятитысячной генерации «дафний». Для этого для каждой «дафнии» с теми или иными тремя параметрами передвижения и группировки подсчитывался риск быть съеденной или остаться живой и оставить потомство. Затем случайным образом из получившегося «потомства» выбирали особей для новой популяции, и процедура повторялась заново. Десятитысячное поколение отобранных таким образом виртуальных дафний вновь демонстрировали рыбкам, и снова рыбки атаковали призрачных жертв. И что же? — те же самые закономерности поведения рыбок сохранились и в новой популяции. Нацеленность рыбок на определенную добычу не зависела от частотного распределения параметров группового движения. Сбалансированное групповое движение защищало «дафний» от нападения рыбок, а одиночки или маленькие группки, двигающиеся в одном направлении, подвергались большей опасности. Таким образом, социальное поведение, смоделированное в данном случае параметрами движения виртуальных дафний, действительно защищает от хищников, поэтому образование группировок могло появиться в ходе эволюции в системе «хищник–жертва».

Это исследование, вне зависимости от полноценности выводов, демонстрирует новый подход в экспериментальной технике: соединение живого и виртуального мира. Виртуальная часть — это та, которой можно манипулировать, задавая необходимые параметры. Она исключает непредвиденную реакцию одного из объектов, позволяя отслеживать реакции второго в чистом виде. Этот принцип только-только начинает внедряться в экспериментальные технологии. Хотя тут можно вспомнить и классические поведенческие эксперименты Конрада Лоренца с подсадными утками — чем не соединение живого и неживого?

Елена Наймарк


Источники:

  1. elementy.ru



Пользовательского поиска


Диски от INNOBI.RU

© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://aqualib.ru/ "AquaLib.ru: 'Подводные обитатели' - библиотека по гидробиологии"