_ Deblocarea secretelor energetice ale colectivului mișcarea animalelor: modul în care comportamentul de grup reduce costurile energetice la pești

Multe animale, inclusiv prădătorii de vârf, se mișcă în grupuri. Știm că acest comportament colectiv este fundamental pentru capacitatea animalului de a se mișca în medii complexe, dar se știe mai puțin despre ceea ce determină comportamentul, deoarece mulți factori stau la baza evoluției sale. Oamenii de știință se întreabă, totuși, dacă toate aceste animale au o dorință fundamentală, cum ar fi pentru împerechere, siguranță sau poate chiar pentru a economisi energie.

„Cuvântul cheie este probabil”, a spus Yangfan Zhang, cercetător postdoctoral în Departamentul de Biologie Organismică și Evoluționară (OEB) de la Harvard, „pentru că nimeni nu a măsurat efectiv acest lucru și a comparat-o direct la toate grupurile de animale, în principal pentru că este dificil să existe un sistem care să poată măsura nu doar un grup, ci și indivizi din acel grup. Dar, știm că, din punct de vedere evolutiv, există o anumită presiune pentru optimizarea pentru eficiența utilizării energiei.”

Într-un nou studiu publicat în eLife, Zhang și co-autor, profesorul George Lauder, de asemenea, în OEB și Curator de Ihtiologie în Muzeul de Zoologie Comparată, au pus la îndoială dacă mișcările coordonate de grup ale animalelor care se deplasează printr-un fluid ar putea reduce costul energetic al locomoției.

Prin combinarea biomecanicii și bioenergeticii (măsurarea consumului de energie metabolică și a animalelor). mișcare simultană într-o platformă experimentală înalt specializată), cercetătorii au descoperit nu numai o cantitate semnificativă de conservare a energiei, dar au identificat și consumul redus de energie per bătaie de coadă.

Vertebratele terestre au evoluat din pești, trecând de la aripioare la membre. și modificarea organelor respiratorii de la respirația acvatică la aer. În ciuda diferitelor medii și sisteme de respirație, toți vertebratele și peștii au aceleași căi metabolice pentru a produce energie. O cale folosește oxigenul numit metabolism aerob. Cealaltă cale, numită anaerobă, este utilizată atunci când oxigenul este limitat sau nu poate furniza suficientă energie pentru a se deplasa la viteze mari.

Combinate, ele contribuie la cheltuiala totală de energie a mișcării. Peștii, însă, au o nevoie mai mare de a-și optimiza locomoția decât pentru animalele care se deplasează în aer sau pe uscat. Acest lucru se datorează faptului că apa este un fluid de 50 de ori mai vâscos decât aerul și necesită energie considerabilă pentru a depăși rezistența fluidelor în timpul mișcării.

Apa conține, de asemenea, de cinci ori mai puțin oxigen pe kilogram în comparație cu aerul; ceea ce înseamnă că animalele acvatice sunt „strânse” de un plafon mai scăzut de disponibilitate a oxigenului și au o presiune mai mare asupra cererii energetice.

Pentru a testa costul energetic al locomoției la pești, Zhang și Lauder au conceput o „bandă de alergare” cu apă sigilată. care controla viteza apei. Măsurând viteza cu care oxigenul este îndepărtat din „banda de alergare” sigilată, cercetătorii au reușit să distingă rata de absorbție a oxigenului de către animale.

„Sistemul este proiectat să aibă sensibilitatea de măsurare pentru a capta. costul energetic al unui pește individual în comparație directă cu costul unui grup de opt pești”, a spus Zhang. „Prin standardizarea biomasei peștilor din banda de alergare cu apă cu viteza controlată a apei, putem compara în mod direct costul înotului între bancurile de pești și un pește individual.”

„Marea de alergare” a folosit, de asemenea, două mari dimensiuni. camere ortogonale de viteză pentru a captura caracteristici unice de locomoție — una dintr-o vedere laterală, cealaltă din jos. Acest lucru a ajutat la măsurarea pozițiilor tridimensionale ale peștilor și a permis cercetătorilor să măsoare distanța dintre peștii din școală.

„Ceea ce am descoperit este că costul total pentru deplasarea grupului în ansamblu este mult mai mic pe biomasă în comparație cu un individ, iar grupul a cheltuit cea mai mică cantitate de energie la viteza medie a unui corp. lungime pe secundă”, a spus Zhang. „Când ne uităm la studiile care urmăresc animale sălbatice, constatăm că multe animale migrează cu o viteză de aproximativ o lungime a corpului pe secundă.”

Cercetătorii au descoperit că mișcarea rapidă necesită mai multă energie, dar așadar s-a mișcat încet. Cu toate acestea, la o viteză medie de o lungime a corpului pe secundă, ei au văzut o scădere a curbei energetice în care înotul era la un cost minim, care a crescut atât la viteze mai rapide, cât și mai lente, prezentând o relație în formă de J.

Fiind cel mai divers grup de vertebrate, speciile de pești au o imensă valoare culturală și comercială pentru societatea umană. Cu toate acestea, schimbările climatice reprezintă o provocare directă pentru biodiversitatea peștilor.

„Proiecțiile privind abundența viitoare a speciilor de pești nu se pot baza doar pe biologia indivizilor”, a spus Lauder, „avem nevoie și de o înțelegerea fundamentală a mișcării colective care ține seama de interacțiunile dintre indivizii dintr-un grup."

"Studiul energetic al locomoției acvatice sub constrângerile de mediu oferă o perspectivă nu numai asupra caracteristicilor foarte conservate ale fiziologiei vertebratelor, ci și asupra funcționarea interioară a principiilor dinamicii fluidelor și a locomoției animalelor."

"Cred că lucrul frumos la acest studiu este că am surprins întregul spectru al consumului de energie într-un mod holistic care ne-a permis să luăm în considerare o energie costă deplasarea la viteze mari”, a spus Zhang. „Oamenii de știință s-au uitat la această întrebare de zeci de ani, dar am descoperit că cheia constă în măsurarea nu doar a costurilor aerobe, ci și a anaerobei. Aceasta este o parte uriașă a oricărui organism și, fără a le măsura pe ambele, obțineți doar jumătate din poveste. ."

(Fluierul)