[論文レビュー] Identifying differences in the rules of interaction between individuals in moving animal groups

T. M. Schaerf, James E. Herbert‐Read+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2016

Animal Behavior and Reproduction参考文献 27被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、モスキートフィッシュ（Gambusia holbrooki）の移動ペアにおけるリーダーシップの発生が、個体ごとの同種個体への反応性の違い——特に速度調整と旋回行動の違い——に起因することを特定した。前方に位置する個体は、速度の変動が大きく、パートナーに向かって旋回する傾きが小さい一方、後方の個体はそれらの特徴を示さない。その結果、こうした個体がリーダーを務める場合、群れ全体の移動速度が速くなり、社会的反応性のルールが集団的移動におけるリーダーシップの出現を規定していることが示された。

ABSTRACT

Collective movement can be achieved when individuals respond to the local movements and positions of their neighbours. Some individuals may disproportionately influence group movement if they occupy particular spatial positions in the group, for example, positions at the front of the group. We asked, therefore, what led individuals in moving pairs of fish (Gambusia holbrooki) to occupy a position in front of their partner. Individuals adjusted their speed and direction differently in response to their partner's position, resulting in individuals occupying different positions in the group. Individuals that were found most often at the front of the pair had greater mean changes in speed than their partner, and were less likely to turn towards their partner, compared to those individuals most often found at the back of the pair. The pair moved faster when led by the individual that was usually at the front. Our results highlight how differences in the social responsiveness between individuals can give rise to leadership in free moving groups. They also demonstrate how the movement characteristics of groups depend on the spatial configuration of individuals within them.

研究の動機と目的

• 特定の個体が移動する魚のペアにおいて、サイズや優位性ではなく、なぜ一貫して前方位置を占めるのかを調査すること。
• 特に隣接個体の位置や運動に対する反応の違い（相互作用ルールの差異）が、空間的位置の違いを生じるかどうかを特定すること。
• 反応性の個体差が、群れ全体の運動ダイナミクスとリーダーシップの役割にどのように影響するかを定量すること。
• リーダーシップが、形態的特徴とは独立して、個体がパートナーの運動に反応する方法の本質的差異に起因するかどうかを検証すること。

提案手法

• 未熟なアリーナ内でペア化されたモスキートフィッシュ（Gambusia holbrooki）の移動を、高時間分解能のビデオトラッキングで記録した。
• 一貫した空間的位置に基づき、「前方」および「後方」の魚を定義し、近接性を定義するための32 mmの横方向距離閾値を用いた。
• 焦点となる個体の運動方向を基準とした、パートナーの位置に応じた瞬時の速度変化および旋回角のヒートマップを構築した。
• 前方魚と後方魚の間の反応ルールの差異の統計的有意性を評価するため、ランダマイゼーション手順（1000反復）を適用した。
• 相対的位置（x, y）および速度成分の式を用いて応答関数を計算し、可視化のため極端な値を切り詰めた。
• 魚が横並びに近い状態での側面的相互作用の影響を分離するために、運動反応をy軸に投影した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 移動するモスキートフィッシュのペアにおいて、一貫してリーダーまたはフォロワーを務める個体の間で、どのような行動ルールの違いがあるのか？
• RQ2 速度調整と旋回行動の違いが、移動ペアにおける空間的位置にどのように寄与しているのか？
• RQ3 前方位置にいる個体は、フォロワーに比べて、パートナーの動きに対してより高い反応性を示すのか？
• RQ4 サイズや優位性とは無関係な、個体ごとの相互作用ルールの差異が、自由に移動する群れにおけるリーダーシップをどの程度説明できるのか？
• RQ5 群れの速度は、誰がリーダーであるかにどのように依存するのか？その背後にある行動的メカニズムは何か？

主な発見

• 前方に位置する個体は、特にパートナーが前方個体の側方視野内にいる場合、後方個体よりも顕著に速度変化の平均値が大きかった（最大±120 mm/s²）。
• 後方個体は、パートナーが前方左または前方右の領域にいる場合、前方個体よりも高い旋回速度を示した。これは、より強い社会的反応性を示している。
• 魚が横並びに近い領域（−32 mm < x ≤ 32 mm）では、旋回行動の差が統計的に有意であった（p < 0.05）。後方個体はより頻繁かつ強く旋回していた。
• 前方個体はパートナーに向かって旋回する傾向が低く、これは整列や引きつけ反応が弱いことを示唆しており、前方位置を維持する要因となっている可能性がある。
• リーダーを一貫して占める個体がリーダーを務める場合、群れ全体の移動速度が速くなった。これは、リーダーシップが群れのダイナミクスに機能的影響を及ぼしていることを示している。
• 結果から、リーダーシップは形態的特徴に起因するのではなく、前方個体が周囲の個体に対して反応性を示しにくくなるという、本質的な相互作用ルールの差異に起因して出現することが明らかになった。