Simulações de peixes nadando sugerem que os peixes podem naturalmente preferir competir – e não cooperar – durante a natação
Nadadores acoplados ao fluxo se auto-organizam em formações pares estáveis. Crédito: (2024). DOI:10.7554/eLife.96129.1 Os pesquisadores mostraram como diferentes formações de natação podem economizar energia dos peixes e sugerem que eles só troquem de posição para economizar energia para o grupo quando estiverem sob pressão.
O estudo, publicado como Pré-impressão revisada na eLife , é descrito como de fundamental importância pelos editores, fornecendo novos insights sobre os parâmetros de preservação de energia entre peixes de cardume. A força das evidências que apoiam as observações sobre a dinâmica dos peixes líderes e atrasados é considerada convincente.
"Acredita-se que as interações de fluxo permitem que animais nadadores e voadores economizem energia quando se movem em grupos, mas medir essas economias de energia é um desafio", diz a co-autora Sina Heydari, pesquisadora de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica da Universidade de Sul da Califórnia, EUA.
"Embora os pesquisadores tenham proposto mecanismos sobre como cada configuração diferente de natação economiza energia, não houve comparação, até o momento, das eficiências de diferentes configurações em relação umas às outras."
Para resolver isso, os pesquisadores usaram um modelo computacional que capturou as características hidrodinâmicas de peixes nadadores individuais e em pares, representando cada peixe como um hidrofólio de natação livre, submetido a oscilações em sua borda principal. O modelo foi então usado para analisar como as interações de fluxo fazem com que os nadadores agitados, todos indo na mesma direção, se auto-organizem.
Quando os peixes num cardume se movem “em fase”, os seus movimentos são sincronizados de tal forma que parecem mover-se como uma unidade única e coesa. Quando os peixes do cardume se movem em 'antifase', seus movimentos ficam fora de sincronia, criando um padrão semelhante a uma onda dentro do cardume, onde o movimento de cada peixe é contrabalançado pelo movimento do outro. Ambos os padrões foram sugeridos para ajudar na natação eficiente, com base nas condições ambientais.
A equipe descobriu que quando cardumes de peixes se auto-organizam em uma formação lado a lado e batem as asas em fase, eles compartilham igualmente os benefícios hidrodinâmicos. No entanto, ao contrário de alguns relatórios anteriores, descobriram que quando os peixes batem as asas de forma anti-fase, aumenta a necessidade de energia para um nível mais elevado do que se estivessem nadando sozinhos.
Por outro lado, em formações tandem (em linha ou diagonal) onde há um líder e um seguidor, os benefícios hidrodinâmicos são obtidos inteiramente pelo seguidor.
Ao simular a dinâmica de fluxo de diferentes formações, o modelo fornece informações que podem ser aplicadas como ferramenta preditiva tanto para simulação quanto para dados experimentais. Na verdade, a equipa utilizou esta abordagem para explicar os mecanismos que levam à dispersão em grupos maiores de nadadores em linha e para prever quando a esteira de um grupo líder de nadadores não oferece benefícios energéticos aos peixes que os seguem.
Eles descobriram que à medida que o número de nadadores aumenta, as formações lado a lado permanecem robustas, mas as formações em linha tornam-se instáveis além de um número crítico de nadadores.
As simulações, juntamente com dados de experiências anteriores, também sugerem uma ligação intrigante entre a física dos fluxos e características sociais como a ganância e a cooperação. Experimentos mostraram que, quando desafiados a sustentar altas velocidades de natação, os peixes se reorganizam lado a lado à medida que a velocidade aumenta.
Este estudo descobriu que as formações lado a lado proporcionam a distribuição de esforço mais justa, sugerindo que os peixes são forçados a cooperar quando desafiados por uma forte corrente de fundo.
Na ausência deste desafio, posicionam-se espacialmente como bem entendem, sem muita consideração pela partilha igualitária dos benefícios hidrodinâmicos. Na verdade, em formações em linha, os fluxos gerados apresentam sérios impedimentos para que mais nadadores se juntem à linha a jusante.
“Poderíamos chamar essas formações de gananciosas, não deixando recursos no ambiente para os nadadores que os seguem”, diz o coautor principal Haotian Hang, Ph.D. candidato no Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica da University of Southern California. "Isto, juntamente com a nossa interpretação de que a cooperação para alcançar a partilha equitativa dos benefícios hidrodinâmicos é forçada, e não inata, levanta uma hipótese interessante:que o reposicionamento dinâmico dos membros dentro da escola é impulsionado pela ganância e pela competição, e não pela cooperação."
eLife Os editores concluem que este estudo fornece insights interessantes sobre o acoplamento energético em relação à dinâmica de natação em grupo, mas que esclarecimentos adicionais sobre os graus de liberdade e faixas de parâmetros no modelo fortaleceriam ainda mais as descobertas.
"Compreender como o arranjo espacial dos indivíduos dentro de um grupo influencia os custos energéticos do movimento fornece insights sobre a evolução das estruturas sociais, a alocação de recursos e a aptidão de cada indivíduo quando se trata de procurar alimentos, acasalar-se e fugir de predadores", diz a autora sênior Eva Kanso. , Zohrab A. Kaprielian Fellow em Engenharia e Professor de Engenharia Aeroespacial e Mecânica na University of Southern California.
“Também poderia ser usado para orientar o projeto de sistemas de engenharia bioinspirados, como enxames de veículos robóticos autônomos subaquáticos ou em vôo, que colaboram para alcançar uma tarefa desejada da maneira mais eficiente”.
