조도

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 585(2023) 이 기사 인용

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우리는 Hemigrammus rhodostomus의 대규모 학교(약 50명)의 집단 역학에 대한 조명의 역할을 실험적으로 조사합니다. 두 가지 차수 매개변수를 사용하여 정의된 그룹의 구조는 주변 광 강도의 제어된 주기를 통해 물고기의 가시 범위를 점진적으로 변경하면서 정량화됩니다. 우리는 낮은 조명 수준에서는 그룹 내의 개인이 응집력 있는 그룹을 형성할 수 없는 반면, 높은 조도에서는 학교의 정렬 정도가 빛의 강도와 관련이 있음을 보여줍니다. 조도를 높이면 학교 구조는 편광 상태에 이어 매우 규칙적이고 안정적인 회전 구성(밀링)으로 연속적으로 특성화됩니다. 우리의 연구에 따르면 자유 수영 물고기 떼를 위한 응집력 있는 집단 운동을 달성하려면 비전이 필요하지만, 이 상황에서는 단거리 측면 선 감지가 충분하지 않습니다. 따라서 본 실험은 생물학적 시스템에서 집단 운동의 출현과 강도를 지배하는 상호 작용 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

운동 중 집단적 행동은 박테리아 식민지1,2 인간 군중3,4 및 찌르레기 중얼거림5,6에 이르기까지 많은 생명체에서 관찰되는 매혹적인 현상입니다. 이러한 동작은 가장 가까운 이웃 간의 로컬, 단거리 상호 작용에서 나타나는 대규모 시간과 공간에서 동기화된 움직임이 특징입니다.

물고기는 떼나 학교로 알려진 질서 있는 그룹을 형성하는 자연스러운 경향을 지닌 이러한 자기 조직화의 전형적인 예를 제공합니다9. 어류 종의 50% 이상이 군집 행동10을 나타내며, 이는 포식자로부터 보호11, 채집 개선12, 그룹 이동 비용 절감13,14과 같은 이점을 제공합니다.

실용적인 관점에서 볼 때, 학교 교육은 그룹의 각 개인에 대해 공간에서의 위치와 가까운 이웃의 운동학에 대한 지식을 포함합니다15,16. 이 정보를 얻기 위해 물고기는 시력, 유체 역학적 장애 감지 및 화학 후각 단서17,18에 의존합니다. 이러한 각 감각의 역할은 오늘날 명확하게 밝혀지지 않았지만19 시각과 유체역학적 감지가 가장 우세한 것으로 일반적으로 받아들여지고 있습니다20,21.

유체역학적 교란을 감지하기 위해 물고기는 측면 라인 시스템을 사용합니다. 이 능력은 물고기 떼 형성의 요인이 되는 것으로 제안되었습니다23. 물고기의 측면 라인 기능을 손상시켜 학교 생활이 수정될 수 있습니다23,24,25. 그러나 이러한 종류의 침습적 절차는 예상치 못한 방식으로 물고기의 행동을 변화시킬 수 있습니다.

수영 상호작용의 주요 감각 메커니즘을 정량화하는 또 다른 방법은 시각의 역할을 평가하는 것입니다. 예를 들어, 주변 조명 수준은 다양한 상황에서 학교 물고기의 집단적 반응을 수정할 수 있습니다. 최근 McKee 등28은 떼를 짓는 물고기의 옆줄과 시력의 역할을 비교했습니다. 그들은 5마리의 물고기를 대상으로 한 실험을 바탕으로 측선과 시력이 모두 개인 간의 상호 작용에 관여하지만 학교 교육에는 시력이 충분해야 한다고 제안했습니다.

이전 연구20,29는 또한 더 큰 학교(20-30마리의 물고기)의 시력 문제를 다루었으며 불투명한 눈 덮개를 착용한 물고기가 측면 라인 시스템만 사용하여 집단 동작을 유지할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이 실험에서는 단 한 마리의 물고기만 눈이 멀었고 일반 학교에 다시 배치되었으므로 집단 운동 측면에서 결론이 제한됩니다.

물고기는 종에 따라 다를 수 있는 특정 광역치 이하에서 군집 행동을 감소시키거나 완전히 억제하는 것으로 밝혀졌습니다30,31. 그러나 이러한 실험은 4~6마리의 물고기를 대상으로 수행되었으므로 학교의 개인 수를 늘릴 때 발생할 수 있는 특정 행동에 대한 증거를 제공하지 않습니다. 더욱이 이 문제는 응집성 상태와 비응집성 상태 사이의 급격한 한계라는 측면에서 다루어졌는데, 이러한 임계값을 초과하면 넓은 범위에 걸쳐 광도 증가의 영향을 고려하지 않았습니다.