Auch Physiker interessieren sich für Fische – vor allem, wenn sie die Entstehung von Strukturen erforschen. Ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität Bristol (Vereinigtes Königreich) hat das Schwarmverhalten von Zebrabärblingen (Danio rerio, auch „Zebrafisch“ genannt) mit Methoden aus der Vielteilchenphysik untersucht. Sie erklären, dass sich Gruppen von nur drei Fischen bereits ähnlich wie große Schwärme bewegen, während zwei Fische dagegen ein völlig anderes Verhalten zeigen.
Der Spruch „Drei ist eine Menge“ scheint nicht nur auf „Die drei Detectives“ und die drei Musketiere zuzutreffen. Auch bei verschiedenen wissenschaftlichen Phänomenen – etwa Grundfarben oder Raumdimensionen – genügen drei Möglichkeiten, um unterschiedliche Zustände zu charakterisieren.
Physiker haben nun untersucht, wie sich verschiedene große Gruppen von Lebewesen verhalten. Sie wollten wissen, welche Mindestgruppengröße erforderlich ist, damit sich die Bewegungsmuster der einzelnen Mitglieder ändern und zu einer koordinierten Gruppenbewegung werden. Und drei scheint tatsächlich die Schlüsselzahl für Zebrafische zu sein.
Die Physiker rüsteten ein Aquarium in Bristol mit synchronisierten Kameras aus, um die dreidimensionalen Schwimmbahnen ihrer Zebrafische zu messen. Sie zeichneten diese Flugbahnen systematisch für verschiedene Gruppengrößen auf – zwei, drei, vier und fünfzig Fische.
Im nächsten Schritt suchten sie dann nach Ordnungen in den Schwimmbahnen. Dabei fanden sie verschiedene Bewegungsmuster: Die Fische schwammen entweder alle in die gleiche Richtung oder sie schwammen gemeinsam im Kreis. Wenn sie sich in die gleiche Richtung bewegten, schwammen sie entweder nebeneinander oder nacheinander.
Ein isoliertes Fischpaar zieht es vor, sich nacheinander zu bewegen – ein Fisch geht voran, der andere folgt. Doch drei Fische schwimmen nebeneinander – keiner von ihnen will offenbar der Letzte sein. Und: Diese Angewohnheit, nebeneinander zu schwimmen, ist auch charakteristisch für einen großen Fischschwarm.
Anschließend markierten die Forscher auch kleine Untergruppen innerhalb einer großen Schule. Sie stellten fest, dass sich Dreiergruppen innerhalb der Schule auf sehr ähnliche Weise bewegen wie eine isolierte Dreiergruppe. Da sie jedoch nur zwei Nachbarn markierten, verhielten sie sich in der Schule anders als als isoliertes Paar.
Dr. Alexandra Zampetaki aus Düsseldorf (heute Wien), gemeinsam mit Dr. Yushi Yang Co-Erstautorin der Studie veröffentlicht In Naturkommunikationstellt fest: „Praktisch bilden drei Fische einen Schwarm, aber zwei reichen nicht.“
„Diese einfache Erkenntnis gilt zunächst nur für Zebrafische. Die Konzepte könnten jedoch auch auf andere Exemplare der Fauna übertragen werden“, sagt korrespondierender Autor Professor Dr. C. Patrick Royall von der Universität Bristol, der heute am EPSCI in Paris arbeitet. „Dazu gehören Schwärme anderer Fische wie Goldfische oder Sardinen, aber auch Vogelschwärme wie Stare und Insektenschwärme wie tanzende Mücken.“
Die Idee für das gemeinsame Forschungsprojekt entstand im Rahmen mehrerer Besuche von Professor Royall.
„Die Anwendung traditioneller Methoden und Konzepte aus der Flüssigkeitstheorie wie Paar- und Triplettkorrelationen auf Fische war eine neue Herausforderung, da diese Konzepte aus dem thermodynamischen Gleichgewicht stammen und ein lebender Fischschwarm weit davon entfernt ist, sich in einem Gleichgewichtszustand zu befinden“, sagt er Löwen, Leiter des Instituts für Theoretische Physik II der HHU.
Die grundlegende Klassifizierung der Vielteilcheneffekte wurde in Düsseldorf vorgenommen. Darüber hinaus simulierte Dr. Alexandra Zampetaki die Flugbahnen der Fische. „Wir haben unser Modell modifiziert, um eine realistische Simulation der Schwimmbewegung der Fische zu ermöglichen. Die Simulation bestätigte die experimentelle Erkenntnis, dass ‚drei einen Schwarm bilden‘.“
Mit Blick auf die Zukunft wollen die Forscher ihre Erkenntnisse auf das Gruppenverhalten von Menschen und deren Verhalten beispielsweise auf Partys oder Massenversammlungen anwenden. Löwen sagt: „Wir werden sehen, ob dann auch die einfache Grenze der Zahl Drei gilt.“
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Alexandra Zampetaki et al., Dynamische Ordnung und Vielteilchenkorrelationen bei Zebrafischen zeigen, dass drei eine Menge sind, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46426-1