Первый в группе — первый в пасть: оценка рисков лидерства в самоорганизованных группах животных

в 8:00, , рубрики: Алгоритмы, Биотехнологии, Блог компании ua-hosting.company, группы, добыча, коллективизм, математика, поведенческие факторы, рыбы, самоорганизация, хищники, экология

Первый в группе — первый в пасть: оценка рисков лидерства в самоорганизованных группах животных - 1

Связку прутьев сломать гораздо сложнее, чем один прутик. Эта метафора в разных ее вариациях говорит нам, что справиться с чем-то в одиночку будет гораздо сложнее, чем в группе. И во многом это правда, но не все так просто. В дикой природе животные, хищные и травоядные, часто собираются в группы, стаи, косяки и т.д. Но в отличие от метафорических прутьев, все участники группы не равнозначны, ибо есть ведущие и ведомые: кто-то рьяно бежит вперед, кто-то затесался в центре, а кто-то плетется в хвосте. И тут возникает вопрос — какова цена лидерства и каковы преимущества, особенно если рассматривается вид животных, которые являются чьей-то любимой едой.

Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые провели ряд необычных экспериментов с хищными рыбами и искусственным косяком рыб, что позволило определить положительные и отрицательные стороны положения в группе под призмой связи добыча-хищник. Какое место в «очереди» фатальнее, какие плюсы и минусы лидерства, как выглядит стая рыб глазами хищника? На все эти вопросы мы найдем ответы в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Как я уже сказал ранее, многие виды живых организмов на планете собираются в группы. Так проще бороться со всеми невзгодами жизни в дикой природе: пингвины могут пережить жуткий холод собираясь в плотные группы и согревая друг друга теплом своих тел; прайд львов совместно охотится, выслеживая, окружая и перехватывая добычу, чем повышает шансы на успех; хаотичное (но не беспорядочное) движение стаи мелких птиц сильно мешает хищным птицам в охоте на них и т.д.

Императорские пингвины, противостоящие ужасному холоду, ветру и многомесячной ночи.

И, опять же, во многих группах присутствует одна особь, которая ведет за собой всех остальных, хоть и не всегда осознанно. В самоорганизованных группах (птицы или рыбы) такая особь располагается во главе группы, то есть спереди. Подобное положение дает лидеру возможность первому получать информацию об окружающей среде (наличие пищи, преград, опасностей и т.д.), посему он может принимать решения, которые могут влиять на действия всей группы. Основная выгода для лидирующей особи заключается именно в массовости ведомой ею группы, которая выполняет необходимые действия для поддержания жизни лидера и группы одновременно.

Основным недостатком лидерства у движущихся групп животных ученые всегда называли хищников, ибо фронтальная часть стаи/косяка может сталкиваться с опасностью гораздо чаще, а по лидирующей особи хищникам проще ориентироваться во время охоты. Однако ранее не проводилось никаких экспериментов дабы подтвердить или опровергнуть эту теорию.

Самоорганизованная стая скворцов: зрелище невероятной красоты.

Наблюдения же, которые могут подтвердить теорию лидерства, очень неоднозначны. Исследователи отмечают, что определения ведущих и ведомых в самоорганизованных группах животных происходит именно за счет самоорганизации всей группы, а вот лидерство и следование (за лидером) связано с другими факторами. Чаще всего склонность к лидерству ассоциируют с целеустремленностью, движимой большей информацией или большей потребностью. То есть, позицию во главе группы чаще всего занимают более крупные, более голодные, менее рисковые и менее социальные особи. Подобные черты могут быть опасны и для индивидуальных особей. Другими словами, сложно оценить что опаснее — лидерство в группе или же просто фронтальная часть группы.

Также возникает вопрос: если быть лидером так опасно, то может стоит покинуть группу? Возможно одиночество будет безопаснее, чем жизнь в стае. И в первом, и во втором варианте есть преимущества и недостатки, которые касаются хищников. Однако, чтобы покинуть группу, особь должна полностью изменить свои приоритеты с социальных на целенаправленные (т.е. выживание). С другой стороны, если быть лидером в группе все же немного безопаснее, чем плавать самому по себе, то социальное поведение становится приоритетным.

Много вопросов, мало наблюдений, как мы уже поняли. Посему ученые решили расставить все на свои места и понять что да как работает в социальной сфере групп животных, подвергающихся нападению со стороны хищников. Для этого была разработана специальная система искусственной виртуальной добычи. Имея полный контроль над поведением каждой из единиц в данной группе, ученые смогли понять действия хищника по отношению к ведущим и ведомым, а также к отделенным от группы единицам.

Подготовка к исследованию

В качестве живых участников эксперимента выступили хищные рыбы колюшки, пойманные в реке Кэри (Англия). В лаборатории они были помещены в стеклянные аквариумы (40х70х35 см) с проточной рециркуляционной системой и температурой 15-16 °C. В каждом из аквариумов обитало примерно по 40 особей, которых исправно кормили дважды в день (кроме дней, когда проводились тесты).

В качестве добычи выступила проекция агентного моделирования* на передней стенке аквариума, что позволяло полноценно наблюдать за проведением тестов. В качестве основы своей поведенческой модели ученые использовали уже существующую, которую они изменили посредством Netlogo 5.0.5.

Агентное моделирование* — метод имитационного моделирования, который изучает поведение децентрализованных агентов и влияние такого поведения на поведение системы в целом.

Группа искусственной добычи состояла из 1 лидера, 4 ведомых и 2 асоциальные единицы. Лидер и ведомые были запрограммированы таким образом, чтобы не реагировать на поведение асоциальных единиц.

Каждая ведомая единица была привязана к лидеру и другим ведомым так, чтобы расстояние между ними было 6.5 см. Ведомые единицы также могли выступать в роли лидера, если того не было рядом. Таким образом движение группы всегда было с головы к хвосту, то есть всегда был лидер и 1-2 ведомых единиц.

Первый в группе — первый в пасть: оценка рисков лидерства в самоорганизованных группах животных - 2
Изображение №1: А — колюшка атакует спроектированную точку (искусственную добычу) на стенке аквариума; В — положение и траектория движения искусственной добычи (цвет определяет тип единицы).

Небольшое пояснение касательно цветового распределения типов единиц на изображении :

  • фиолетовый — уединенная (асоциальная) единица (отсутствие других единиц в пределах порогового расстояния);
  • черный — неверное направление (присутствуют соседние единицы в пределах порогового расстояния, но движутся по траектории, не совпадающей с черной единицей);
  • синий — ведущая (лидирующая) единица;
  • зеленый — единица в середине группы;
  • желтый — единица в хвосте группы.

Были применены поведенческие правила, которые регулировали типы единиц добычи, что позволяло получить разные варианты поведения всей системы. Таким образом у хищника (рыбы) была возможность выбирать между лидером, ведомой или асоциальной единицей. Изначальное положение всех единиц было рандомизированно. Все единицы были представлены на экране в виде красных точек (2.5 мм), напоминающих, по мнению ученых, дафний (планктонное ракообразное).

Первый в группе — первый в пасть: оценка рисков лидерства в самоорганизованных группах животных - 3Дафнии

Когда система была полностью готова, в тестовый аквариум помещалась одна рыба (как мы помним, голодная). Фактом нападения на единицу являлось ускорение рыбы в ее сторону, открытие пасти и контакт с экраном, на котором проецировалась данная единица.

Результаты экспериментов

Суммарно 133 из 201 рыбы атаковали искусственную добычу хотя бы один раз во время испытательных заходов, продолжительность каждого составляла 10 минут. В целях минимизации поведенческих изменений у хищника, связанных с невозможностью съесть виртуальную добычу, ученые учитывали в дальнейших расчетах только одну атаку за тест.

Чтобы определить, какое поведение виртуальной жертвы было определяющим в вопросах добыча-хищник, ученые сравнили восемь биномиальных обобщенных линейных моделей, которые предсказывали на какую именно жертву нападала хищная рыба в зависимости от различных объясняющих переменных.

Первый в группе — первый в пасть: оценка рисков лидерства в самоорганизованных группах животных - 4

Выше представлена таблица объясняющих переменных, то есть таблица моделей, использующих в расчетах ту или иную переменную: положение (position), число соседствующих единиц (number of near neighbors), уединенность единицы или нет (whether solitary or nor), общая численность группы (total pray size), добыча с привлечением (prey with attraction), тип добычи (prey type), добыча кажется социальной (prey appears social) и нулевая модель / нет объясняющих переменных (null model / no explanatory variables).

AICc* — информационный критерий Акаике, измененный под небольшой размер выборки.

Анализ показал, что наличие хоть какой-то переменной, естественно, лучше отсутствия их вообще. Модели, в которых использовалось разделение добычи на типы (ведомые, лидеры и асоциальные) показала, что лидеры и «отшельники» подвергаются более частым нападениям хищников. А вот модель, в которой лидер и ведомые находились в одной категории не получила подтверждения реальными наблюдениями, то есть риск со стороны хищников варьируется от типа единицы в группе (лидер, в середине группы или в хвосте).

Самой же показательной была модель, учитывающая поведение жертвы (единицы модели) во время нападения в совокупности с разделением добычи по типам. Другими словами, каждая единица изначально была запрограммирована на определенное поведение, то есть тип (быть впереди, следовать за лидером или оставаться в стороне от всей группы). Однако фактическое поведение во время самого теста имела куда больший вес.

Увеличение числа группы снижало риск нападения хищников. При этом модель, учитывающая не только число, но и положение отдельной единицы относительно других, оказалась более вероятной. Также вероятной была и модель, в которой важную роль играло не столько численность группы, сколько ее плотность, то есть расстояние между отдельными единицами.

Проанализировав все возможные модели, ученые пришли к выводу, что необходимо учитывать все возможные факторы, как бы странно это не звучало. Больше всего внимания необходимо уделять именно поведенческим переменным, нежели численности и расстоянию между хищником и добычей.

Первый в группе — первый в пасть: оценка рисков лидерства в самоорганизованных группах животных - 5
Изображение №2: степень риска нападения в зависимости от положения добычи (фиолетовый — асоциальные; черный — в группе, но не в том же направлении; синий — ведущие (лидеры); зеленый — в середине группы и желтый — в хвосте группы).

Наибольший риск быть атакованным был у асоциальных единиц (фиолетовый круг на графике выше). Этот показатель подтверждает теорию, что лидерство все же безопаснее, чем полная изоляция от группы. Даже единица, движущаяся не как вся группа, находится в большей безопасности, чем асоциальная.

Если же рассматривать идеальную группу, когда все единицы выровнены в одном направлении, то ученые увидели четкую градацию степени риска (от большего к меньшему) — в начале группы, в хвосте и в середине. Ученые ожидали, что степень риска для единиц в середине группы и в хвосте будет значительно отличаться, однако это было не так.

Можно предположить, что быть в хвосте не менее опасно, чем во главе группы. Не даром же во многих фильмах ужасов монстр частенько нападает на группу людей с хвоста. Однако данные исследования говорят о том, что и в хвосте и в середине группы риск быть съеденным примерно одинаков, хоть и значительно меньше, чем в начале.

Стоит отметить, что в используемой симуляции добычи поведение единиц было стохастическим и менялось со временем, когда единица покидала или присоединялась к группе. Таким образом во время симуляций атаки хищника было достаточно много вариаций добычи. Для учета всех этих вариаций ученые разработали специальный тест, в котором симулировался случайный хищник, выбирающий добыч во время каждой симуляции в равной степени вероятности. Интересно то, что учитывая такую рандомизацию модель добычи на базе ее положения в/вне группы оказалась самой приемлемой по сравнению с другими.

Далее ученым необходимо было выяснить механизм выбора жертвы у хищника. Для этого рассчитывался риск атаки в зависимости от расстояния до цели атаки, разницы траекторий движения и пеленг* на ближайшую соседнюю единицу добычи спереди (от всей добычи с пеленгом <90) и сзади (от всей добычи с пеленгом >90).

Пеленг* — горизонтальный угол между северной частью меридиана наблюдателя и направлением из точки наблюдения на объект.

Среди всех переменных наибольшую объяснительную силу в прогнозировании риска атаки имело именно расстояние до ближайшей единицы перед добычей (целью атаки), следом по важности шел фактор расстояния до ближайшей единицы за добычей и разница направления движения с ближайшей единицей впереди.

Видео наблюдений нескольких вариантов атаки хищника на определенную добычу.

Риск стать жертвой нападения хищника был минимален, если единица находилась в середине группы, расстояние между ней и соседствующими единицами спереди и сзади было достаточно мало, а направление движения всех единиц было одинаковое. Пеленг соседствующих единиц не имел особого влияния на риск атаки. Другими словами, достаточно быть между двумя единицами добычи, чтобы повысить свои шансы не быть съеденным.

В результате по данным моделирования хищник нападает на определенную добычу не случайно, а риск для добычи обусловлен ее положением в группе, разницей в направлении движения и пеленгом соседей (мало влияющий фактор).

Кроме того, хищники могут выбирать на кого напасть, то есть не нападать сразу. Выбор жертвы будет зависеть не только от доступной информации о группе на данный момент, но и при учете возможных изменений ее конфигурации в будущем. То есть, хищник может выждать подходящий момент для атаки, основываясь на паттерне поведения группы или отдельной особи добычи.

Чтобы проверить эту теорию, ученые проанализировали результаты симуляций с участием живых хищников и искусственной добычи. Необходимо было вычислить какие паттерны поведения добычи были чаще всего использованы хищником для атаки или же он атаковал в случайном порядке.

Анализ данных (более 19000 образцов) показал, что хищник выбирает определенный момент для атаки, когда вокруг него больше одиночных единиц.

Первый в группе — первый в пасть: оценка рисков лидерства в самоорганизованных группах животных - 6
Изображение №3

На графике выше показаны пропорции атак в зависимости от позиции добычи. Круги это показатели атак во время экспериментальных наблюдений. Цветные области на графике показывают распределение ожидаемой доли атак на каждую позицию добычи: если хищник атаковал жертву случайным образом в тех же случаях, что и в наблюдаемых атаках (более темные области) или в отобранных образцах симуляции (более светлые области).

Если наблюдаемые атаки (круги) находятся за пределами цветной области, значит нацеливание хищником на определенную жертву было избирательным и неслучайным.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данное исследование представляет собой первое реальное доказательство теории, утверждающей, что особь во главе группы подвержена большему риску нападения хищников. При этом риск можно снизить, если лидер будет находиться на достаточно малом расстоянии от ведомых за ним особей. Также ученые подтвердили факт того, что быть в группе (даже в позиции лидера) куда безопаснее, чем двигаться индивидуально.

Таким образом лидер группы не только должен заботиться о достижении цели (например, поиск пищи), но и следить за целостностью группы, то есть о ее построении, что крайне важно уже не столько для ведомых им особей, сколько для его собственного выживания. В дальнейшем исследователи намерены узнать какие именно действия должен предпринимать лидер группы для достижения вышеописанных целей.

Данный труд, конечно, нельзя назвать откровением, однако он дал реальные данные, подтверждающие то, что ранее было лишь теорией, непроверенной на практике. Быть лидером значит знать что нужно всей группе. Быть лидером и выгодно, и опасно одновременно — можно первому добраться до еды, а можно и первому ею стать. Несмотря на риски, сопровождающие лидерство в дикой природе, животные продолжают формировать группы, где есть и ведомые и ведущие. Возможно, на каком-то генетическом уровне они понимают, что в группе шансы на выживание больше, чем порознь, даже если ты лидер.

Пятничный офф-топ:

Формирование групп в дикой природе.

Офф-топ 2.0:

Короткометражный мульт, который не имеет никакого отношения к статье (окромя наличия рыбы на ролях третьего плана).

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята. :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Автор: Dmytro_Kikot

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js