在自然界中，从成群的昆虫到成群的哺乳动物，动物都可以组织成看似精心设计的动作。在过去的二十年里，科学家们发现，这些协调一致的运动源于每只动物都遵循关于邻居所在位置的简单规则。现在，研究斑马鱼的科学家发现，邻居也可能以相同的节奏移动。研究小组发现，成对游动的鱼会轮流移动；而且，它们通过一种称为互惠的双向过程同步这些动作的时间。然后，在虚拟现实实验中，研究小组可以确认互惠是驱动集体运动的关键：通过实施这种节奏规则，他们可以重现鱼类和虚拟同类的自然群居行为。发表在《自然通讯》上的这项研究由康斯坦茨大学卓越集体行为集群和德国马克斯普朗克动物行为研究所 (MPI-AB) 的科学家领导。
研究结果为我们理解动物如何自组织成移动的集体提供了进一步的机制细节。“我们表明，跳探戈需要两条鱼，”第一作者 Guy Amichay 说道，他在 MPI-AB 读博士期间进行了这项研究。“鱼会协调自己与邻居的运动时间，反之亦然。这种双向节奏耦合是一种重要但被忽视的力量，它将动物团结在一起。”
群体同步性
动物同步运动是自然界集体行为最显著的例子；然而，许多自然集体不是在空间上同步，而是在时间上同步——萤火虫同步闪光，神经元同步放电，音乐厅里的人类同步拍手的节奏。
Amichay 及其团队对两者的交集很感兴趣；他们很好奇动物运动中可能存在什么样的节奏同步性。“动物运动的节奏比你想象的要多，”Amichay 说，他现在是美国西北大学的博士后研究员。“在现实世界中，大多数鱼并不是以固定的速度游动，而是振荡游动。”
阿米切伊以成对的斑马鱼作为研究系统，分析了它们的游动情况，以描述精确的运动模式。他发现，虽然斑马鱼一起游动，但它们的游动速度却不同。它们会交替游动，一条鱼先游，另一条再游，“就像两条腿走路一样”，他说。
随后，研究小组研究了鱼类如何轮换。他们根据一个简单的经验法则建立了一个计算模型：将相邻鱼类的延迟时间加倍。
互惠原则
下一步是通过计算机或计算机模拟来测试这个模型。他们让一个代理以固定的运动节奏进行节拍，就像节拍器一样。另一个代理通过实施“双倍延迟”节奏规则来响应第一个代理。但在这种单向交互中，代理不会以真实鱼类中看到的交替模式移动。然而，当两个代理相互响应时，它们会重现自然的交替模式。“这是互惠至关重要的第一个迹象，”阿米查伊说。
但用计算机重现自然行为并不是这项研究的结束。研究小组转向虚拟现实，以确认他们发现的原理也适用于真正的鱼类。“虚拟现实是动物行为研究中的革命性工具，因为它使我们能够规避因果关系的诅咒，”康斯坦茨大学卓越集体行为集群发言人兼 MPI-AB 主任 Iain Couzin 说。
自然界中许多特征都是相互关联的，因此很难准确找出动物行为的原因。但 Couzin 表示，利用虚拟现实可以“精确扰乱系统”，以测试特定特征对动物行为的影响。
将一条鱼与一个鱼化身一起放入虚拟环境中。在一些试验中，化身被设置为像节拍器一样游动，忽略真实鱼的行为。在这些试验中，真实鱼并没有按照自然的交替模式与化身一起游动。但当化身被设置为以双向互动关系对真实鱼做出反应时，它们恢复了自然的交替行为。
轮流搭档
“看到互惠驱动着游动鱼类的轮流行为真是令人着迷，”论文合著者、匈牙利科学院 MTA-ELTE 集体行为研究小组负责人马泰·纳吉 (Máté Nagy) 说道，“因为生物振荡器并不总是如此。”例如，萤火虫即使在单向互动中也会同步。
纳吉说：“但对于人类来说，互惠几乎在我们成对进行的任何活动中发挥作用，无论是舞蹈、运动还是交谈。”
研究小组还提供了证据，表明在运动时间上配对的鱼具有更强的社会联系。“换句话说，如果你和我配对，我们就会更加协调，”纳吉说。
作者表示，这一发现可以彻底改变我们对动物群体中谁影响谁的理解。“我们过去认为，在一个忙碌的群体中，一条鱼可能会受到它能看到的任何其他成员的影响，”库津说。“现在，我们看到最显著的纽带可能是选择有节奏地同步的伙伴之间的纽带。”
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