Forscher der Fakultät für Ingenieurwesen, Information und Systeme der Universität Tsukuba nutzten eine Computersimulation eines Vogelschwarms, um den Informationsfluss zwischen Individuen zu überwachen. Sie zeigten, dass die Gruppenkoordination sowohl von der kritischen Dynamik auf Mikro- als auch auf Makroebene abhängt. Diese Arbeit kann dazu beitragen, einen Rahmen für ein besseres Verständnis kollektiven Verhaltens ohne eine zentrale Autorität zu schaffen.
Kritizität ist ein Merkmal einiger Systeme, die einen Phasenübergang durchlaufen, beispielsweise das Schmelzen von Eis zu Wasser. Bei genau der kritischen Temperatur von null Grad Celsius ähnelt die Mischung weder Eis noch Wasser, sondern enthält Cluster unterschiedlicher Größe.
Dies wird als „skalenfreies“ Verhalten bezeichnet und ist ein Kennzeichen der Kritikalität. Kritische Phänomene kommen auch in lebenden Systemen häufig vor. Wenn der kritische Zustand erreicht oder erreicht wird, können Informationen effizient übertragen werden. Die Zusammenhänge zwischen Aktivitäten auf verschiedenen Ebenen und die funktionale Rolle der Gruppenkritikalität bleiben jedoch unklar.
Jetzt haben Forscher der Universität Tsukuba ein neues Computermodell für Vogelschwärme entwickelt. Obwohl jeder Vogel nur einfache Regeln befolgt, um in der Nähe seiner Nachbarn zu bleiben und nicht zusammenzustoßen, ist das Ergebnis ein komplexes Schwarmverhalten. Die Forscher zeigen, dass Kritikalität im kollektiven Verhalten auf mindestens zwei Ebenen auftritt – von der Mikro- bis zur Makroebene –, die sie „verschachtelte Kritikalität“ nennen.
Auf der Mikroskala kann jeder einzelne Vogel zufällige Ausflüge unterschiedlicher Länge, einen sogenannten Lévy-Spaziergang, als optimale Suchstrategie verwenden. Beim Herauszoomen können die makroskaligen Korrelationen zwischen Vogelgruppen mit übereinstimmenden Richtungen und Geschwindigkeiten auch einen skalenfreien Charakter annehmen. Das bedeutet, dass es viele kleine Cluster, weniger mittlere Cluster und nur wenige große Cluster geben wird.
„Unsere Arbeit unterstreicht, wie wichtig es für Forscher ist, die Rolle der Kritikalität in einer Vielzahl von Situationen zu erkennen, um sie richtig zu verstehen“, sagt Erstautor Professor Takayuki Niizato.
Das Team verwendete eine Methode, die es ermöglichte, den Informationsfluss zwischen zwei Subsystemen in die in jede Richtung fließende Menge zu unterteilen und zu quantifizieren, wie viele der Informationen redundant waren. Die Forscher zeigten, dass sich die Informationen zwischen zwei skalenfreien Untergruppen in beide Richtungen bewegten.
Dies ist wichtig, da das Gruppendrehen eines Vogelschwarms eines der am meisten diskutierten Themen im Bereich des kollektiven Verhaltens ist. „Entgegen dem Anschein verfügt die Herde nicht über eine Führungs-Folge-Informationsstruktur. Stattdessen ist die Gruppenkoordination eine aufkommende Eigenschaft der Dynamik“, sagt Professor Niizato.
Die Ergebnisse dieser Forschung können auf viele verschiedene biologische Situationen angewendet werden, in denen Informationen schnell und ohne eine koordinierende Führungskraft verbreitet werden müssen, wie zum Beispiel bei Signalen zwischen Gehirnregionen.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht PLOS Computational Biology.
Mehr Informationen:
Takayuki Niizato et al., Funktionale Dualität in der Gruppenkritikalität durch mehrdeutige Interaktionen, PLOS Computational Biology (2023). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1010869