Es gibt Fische, die schwimmen synchron. Und es gibt solche, die atmen im Gleichklang, wie eine Studie in Communications Biology unter Leitung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Zusammenarbeit mit dem Exzellenzcluster „Science of Intelligence“ zeigt. Hunderte junger Arapaima synchronisieren das Luftschnappen an der Wasseroberfläche sekundengenau. Vermutlich, um Fressfeinden zu entgehen. Das zugrundeliegende Prinzip dieses Verhaltens könnte auch bei der Entwicklung mathematischer Modelle zur Synchronisierung heterogener Robotergruppen oder Drohnenschwärme hilfreich sein.
Arapaima gehören zu den größten Süßwasserfischen der Welt und können Längen von über zwei Metern sowie Gewichte von fast 300 Kilogramm erreichen. Anders als die meisten Fische sind sie auf Luftatmung angewiesen: Erwachsene Tiere kommen etwa alle zehn Minuten an die Wasseroberfläche, Jungtiere deutlich häufiger. Diese Anpassung hilft ihnen, in den sauerstoffarmen Gewässern des Amazonasbeckens zu überleben. Die in Communications Biology veröffentlichte Studie zeigt, dass die Jungtiere dies in Gruppen von mehreren Hundert Individuen tun und dabei ihre Atemzüge sekundengenau synchronisieren.
In einer Aquakulturanlage beobachteten die Forscher*innen, dass in einem Schwarm von etwa 200 Jungfischen häufig mehr als 100 Tiere innerhalb einer Sekunde gemeinsam an die Wasseroberfläche kamen, um Luft zu schnappen. In einigen Fällen stiegen sogar alle 200 Fische gleichzeitig auf. Dieses hochgradig synchronisierte Verhalten wiederholte sich etwa alle 15 Sekunden. Einzeln beobachtete Fische wiesen hingegen unterschiedliche Intervalle zwischen den Atemzügen auf, die von etwa einer bis zu mehr als zwei Minuten reichten.
Kollektives Verhalten kann angreifende Vögel verwirren
„Erstaunlicherweise haben die einzelnen Jungtiere eigentlich ganz unterschiedlich viel Puste. Es scheint sich aber zu lohnen, immer gemeinsam mit vielen anderen an die Oberfläche zu schwimmen, denn so sind die nur wenige Zentimeter großen Jungtiere besser vor Vögeln geschützt, die nur darauf warten, dass die Tiere zum Luftschnappen nach oben kommen“, sagt Palina Bartashevitch, Erstautorin der Studie. „In großen Gruppen ist man sicherer, da die Fressfeinde hier schlechter einzelne Tiere anvisieren können – ganz besonders, wenn alles, wie bei den Arapaimas, sehr schnell geht. Außerdem verteilt sich das Risiko, gefressen zu werden, auf alle, die mitmachen. Trifft man hingegen alleine auf einen Fressfeind, ist klar, wer gefressen wird.“
Synchronisation durch „Atemgruppen“
Mithilfe von Computersimulationen haben die Forschenden herausgefunden, wie die Tiere ihre unterschiedlichen Atembedarfe synchronisieren. Demnach begeben sich die Tiere mit „Schwarmgenossen“, die ähnliche Atembedürfnisse haben, an die Oberfläche. So müssen sie weniger Kompromisse eingehen als bei einer Teilnahme aller Tiere. Wer gerade Luft geholt hat, setzt eine Runde aus. Diese „Cluster-Synchronie“ macht möglich, dass oftmals über 75 Prozent des Schwarms beim Luftholen mitmachen können, ohne dass jemand zu lange warten oder zu oft an die gefährliche Oberfläche schwimmen muss.
Dieses mathematische Prinzip der Natur als Anwendung für die Robotik
Diese Ergebnisse helfen nicht nur dabei, Schwarmdynamiken und Überlebensstrategien von Tieren zu verstehen. „Dank des generalisierten Modellierungsansatzes lässt sich dieses synchrone Verhalten, das durch mehr als 23 Millionen Jahre Evolution geprägt wurde, auch auf Schwärme von Robotern und Drohnen übertragen“, sagte Dr. David Bierbach, der die Studie leitete. „Es gibt verschiedene Drohnenmodelle, die synchron fliegen oder gemeinsam ein bestimmtes Verhalten zeigen, und die Computermodelle, die wir aus der Studie ableiten konnten, lassen sich nutzen, um ihre synchrone Leistung zu verbessern“, so David Bierbach.
Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, dass die Roboter oder Drohnen nicht alle identisch sein müssten. Selbst heterogene Gruppen könnten dennoch hochgradig synchronisierte Bewegungen oder Aktionen ausführen, ähnlich wie junge Arapaimas, die gemeinsam an die Oberfläche kommen, um Luft zu holen.“
Das macht die Erkenntnisse relevant für die Robotik der Zukunft: Wenn sich jede Maschine mit denjenigen abstimmt, die ihren eigenen Bedürfnissen am besten entsprecht, könnten gemischte Gruppen ein hochgradig synchronisiertes Verhalten mit minimalen individuellen Kompromissen erreichen. Mögliche Anwendungsbereiche sind das Umweltmonitoring, die Landwirtschaft, die Entfernung von Mikroplastik oder Such- und Rettungseinsätze.
