Wie Gruppenverhalten die Energiekosten bei Fischen senkt

Viele Tiere, darunter auch Spitzenprädatoren, bewegen sich in Gruppen. Wir wissen, dass dieses kollektive Verhalten für die Fähigkeit des Tieres, sich in komplexen Umgebungen zu bewegen, von grundlegender Bedeutung ist, aber es ist weniger darüber bekannt, was dieses Verhalten antreibt, da seiner Entwicklung viele Faktoren zugrunde liegen. Wissenschaftler fragen sich jedoch, ob alle diese Tiere einen grundlegenden Antrieb haben, etwa nach Paarung, nach Sicherheit oder vielleicht sogar nach Energiesparen.

„Das Schlüsselwort ist vielleicht“, sagte Yangfan Zhang, ein Postdoktorand in der Abteilung für Organismische und Evolutionsbiologie (OEB) in Harvard, „weil niemand dies tatsächlich gemessen und direkt über alle Tiergruppen hinweg verglichen hat, hauptsächlich weil es schwierig ist.“ Wir verfügen über ein System, das nicht nur eine Gruppe, sondern auch Einzelpersonen in dieser Gruppe messen kann. Aber wir wissen, dass evolutionär ein gewisser Druck besteht, die Effizienz der Energienutzung zu optimieren.“

In einer neuen Studie veröffentlicht in eLifeZhang und Co-Autor Professor George Lauder, ebenfalls am OEB und Kurator für Ichthyologie am Museum für Vergleichende Zoologie, stellten die Frage, ob koordinierte Gruppenbewegungen von Tieren, die sich durch eine Flüssigkeit bewegen, die Energiekosten der Fortbewegung senken könnten.

Durch die Kombination von Biomechanik und Bioenergetik (gleichzeitige Messung des metabolischen Energieverbrauchs und der Tierbewegung in einer hochspezialisierten experimentellen Plattform) stellten die Forscher nicht nur eine erhebliche Energieeinsparung fest, sondern identifizierten auch den verringerten Energieverbrauch pro Schwanzschlag.

Landwirbeltiere entwickelten sich aus Fischen, gingen von Flossen zu Gliedmaßen über und veränderten die Atmungsorgane von der Wasseratmung zur Luft. Trotz unterschiedlicher Umgebungen und Atmungssysteme nutzen alle Wirbeltiere und Fische die gleichen Stoffwechselwege zur Energieerzeugung. Ein Weg nutzt Sauerstoff, der als aerober Stoffwechsel bezeichnet wird. Der andere Weg, der als anaerob bezeichnet wird, wird verwendet, wenn der Sauerstoff begrenzt ist oder nicht genügend Energie liefern kann, um sich mit hohen Geschwindigkeiten fortzubewegen.

Zusammengenommen tragen sie zum gesamten Energieaufwand der Bewegung bei. Fische haben jedoch ein größeres Bedürfnis, ihre Fortbewegung zu optimieren als Tiere, die sich in der Luft oder an Land bewegen. Dies liegt daran, dass Wasser eine 50-mal viskosere Flüssigkeit als Luft ist und erhebliche Energie benötigt, um den Flüssigkeitswiderstand während der Bewegung zu überwinden.

Außerdem enthält Wasser im Vergleich zu Luft fünfmal weniger Sauerstoff pro Kilogramm; Das bedeutet, dass Wassertiere durch eine niedrigere Obergrenze der Sauerstoffverfügbarkeit „ausgequetscht“ werden und einen höheren Energiebedarf haben.

Um die Energiekosten der Fortbewegung bei Fischen zu testen, entwickelten Zhang und Lauder ein versiegeltes Wasser-„Laufband“, das die Wassergeschwindigkeit kontrollierte. Durch die Messung der Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff aus dem versiegelten „Laufband“ entfernt wird, konnten die Forscher die Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme durch die Tiere unterscheiden.

„Das System ist so konzipiert, dass es über eine Messempfindlichkeit verfügt, um die Energiekosten eines einzelnen Fisches direkt im Vergleich zu den Kosten einer Gruppe von acht Fischen zu erfassen“, sagte Zhang. „Durch die Standardisierung der Biomasse der Fische im Wasserlaufband mit kontrollierter Wassergeschwindigkeit können wir die Schwimmkosten zwischen Fischschwärmen und einem einzelnen Fisch direkt vergleichen.“

Das „Laufband“ nutzte außerdem zwei orthogonale Hochgeschwindigkeitskameras, um einzigartige Fortbewegungsmerkmale zu erfassen – eine aus der Seitenansicht, die andere von unten. Dies half bei der Messung der dreidimensionalen Positionen der Fische und ermöglichte es den Forschern, den Abstand zwischen den Fischen im Schwarm zu messen.

„Wir haben herausgefunden, dass die Gesamtkosten für die Bewegung der Gruppe als Ganzes pro Biomasse im Vergleich zu einem Individuum viel geringer sind und dass die Gruppe bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von einer Körperlänge pro Sekunde die geringste Energiemenge verbraucht“, sagte Zhang . „Wenn wir uns Studien anschauen, die Wildtiere verfolgen, stellen wir fest, dass viele Tiere mit einer Geschwindigkeit von etwa einer Körperlänge pro Sekunde wandern.“

Die Forscher fanden heraus, dass schnelles Bewegen mehr Energie erforderte, langsames Bewegen jedoch auch. Bei einer mittleren Geschwindigkeit von einer Körperlänge pro Sekunde stellten sie jedoch einen Abfall in der Energiekurve fest, bei dem das Schwimmen mit minimalen Kosten verbunden war, der sowohl bei schnelleren als auch bei langsameren Geschwindigkeiten zunahm, was einen J-förmigen Zusammenhang darstellt.

Als vielfältigste Wirbeltiergruppe haben Fischarten einen enormen kulturellen und kommerziellen Wert für die menschliche Gesellschaft. Doch der Klimawandel stellt eine direkte Herausforderung für die Artenvielfalt der Fische dar.

„Prognosen über den künftigen Bestand an Fischarten können nicht nur auf der Biologie der Individuen basieren“, sagte Lauder, „wir brauchen auch ein grundlegendes Verständnis der kollektiven Bewegung, das die Interaktionen zwischen den Individuen innerhalb einer Gruppe berücksichtigt.“

„Die Untersuchung der Energetik der Fortbewegung im Wasser unter Umweltbedingungen bietet Einblicke nicht nur in hochkonservierte Merkmale der Physiologie von Wirbeltieren, sondern auch in das Innenleben der Prinzipien der Fluiddynamik und der Fortbewegung von Tieren.“

„Ich denke, das Schöne an dieser Studie ist, dass wir das gesamte Spektrum des Energieaufwands auf ganzheitliche Weise erfasst haben, was es uns ermöglichte, die Energiekosten bei hohen Geschwindigkeiten zu berücksichtigen“, sagte Zhang. „Wissenschaftler beschäftigen sich seit Jahrzehnten mit dieser Frage, aber wir haben herausgefunden, dass der Schlüssel darin liegt, nicht nur die aeroben, sondern auch die anaeroben Kosten zu messen. Das ist ein großer Teil jedes Organismus, und wenn man nicht beides misst, bekommt man nur die halbe Wahrheit.“ .“