[논문 리뷰] Identifying differences in the rules of interaction between individuals in moving animal groups

T. M. Schaerf, James E. Herbert‐Read외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 28.

Animal Behavior and Reproduction참고 문헌 27인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 모기갈색지느러미고기(Gambusia holbrooki)의 이동 쌍에서 개개인의 동료에 대한 반응성 차이—특히 속도 조절과 회전 행동에서의 차이—가 지도력 형성의 핵심 요소임을 규명한다. 앞서 위치한 개체는 뒤에 위치한 개체보다 속도 변화가 더 크고, 파트너를 향한 회전 행동이 더 적었으며, 이러한 개체가 지도자로 기능할 경우 그룹의 이동 속도가 빨라지는 것으로 나타나, 사회적 반응성 규칙이 집단 운동에서 지도력이 어떻게 발생하는지를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 일부 개체가 크기나 지배성과 무관하게 이동 중인 물고기 쌍에서 일관되게 앞서 위치하는 이유를 규명하는 것.
• 특히 이웃의 위치와 운동에 대한 반응 규칙의 차이—즉, 상호작용 규칙의 차이—가 공간적 위치 배치에 어떻게 영향을 미치는지 확인하는 것.
• 개개인의 반응성 차이가 군집 수준의 운동 동역학과 지도력 역할에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하는 것.
• 지배성이나 체형적 특성과 무관하게 개개인의 파트너 운동에 대한 반응 방식의 내재적 차이가 자유 이동 군집에서 지도력 형성에 기여하는지 테스트하는 것.

제안 방법

• 이국적인 환경에서 쌍으로 이동하는 모기갈색지느러미고기(Gambusia holbrooki)의 움직임을 고해상도 비디오 추적 기법으로 기록하였다.
• 일관된 공간적 배치를 기반으로 '앞서 있는' 및 '뒤에 있는' 개체를 정의하였으며, 접근성을 정의하기 위해 32 mm의 횡방향 거리 임계값을 사용하였다.
• 집중된 어류의 운동 방향에 대한 파트너 위치에 따른순간적 속도 변화와 회전 각도 변화의 히트맵을 구축하였다.
• 앞서 있는 개체와 뒤에 있는 개체 간의 반응 규칙 차이에 대한 통계적 유의성을 평가하기 위해 랜덤화 절차(1000회 반복)를 적용하였다.
• 상대적 위치(x, y)와 속도 성분을 위한 수식을 사용하여 반응 함수를 계산하였으며, 시각화를 위해 극단적 값은 잘라내었다.
• 어류가 옆으로 붙어 있을 경우 횡방향 상호작용 효과를 분리하기 위해 운동 반응을 y축으로 투영하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 중인 모기갈색지느러미고기 쌍에서 일관되게 지도자 또는 따라다니는 개체로 기능하는 개체들 사이에서 어떤 행동 규칙의 차이가 존재하는가?
• RQ2 속도 조절과 회전 행동의 차이가 이동 중인 쌍에서의 공간적 배치에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 앞서 위치한 개체가 뒤에 있는 개체보다 파트너의 움직임에 더 높은 반응성을 보이는가?
• RQ4 크기나 지배성과 무관하게 개인 간의 상호작용 규칙 차이가 자유 이동 군집에서 지도력 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 그룹의 속도는 어느 개체가 지도자로 기능하는지에 따라 어떻게 달라지며, 이러한 현상의 배경이 되는 행동적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 앞서 위치한 개체는 파트너가 앞서 위치한 개체의 측면 시야에 있을 경우 특히 속도 변화 평균이 더 크게 나타났으며, 최대 ±120 mm/s²까지 증가하였다. 반면 뒤에 있는 개체는 이와 비교해 상대적으로 낮았다.
• 뒤에 있는 개체는 파트너가 앞좌측 또는 앞우측 영역에 있을 경우 더 높은 회전 속도를 보였으며, 이는 더 강한 사회적 반응성을 나타낸다.
• 어류가 옆으로 붙어 있을 경우(−32 mm < x ≤ 32 mm)에서 회전 행동의 차이는 통계적으로 유의미했으며(p < 0.05), 뒤에 있는 개체가 더 자주이고 강하게 회전하였다.
• 앞서 있는 개체는 파트너를 향한 회전 행동이 덜 빈번했으며, 이는 정렬 또는 유인 반응이 감소했음을 시사하며, 이는 앞서 있는 위치를 유지하는 데 기여할 수 있다.
• 앞서 있는 개체가 가장 자주 앞서 위치한 개체일 경우 그룹의 이동 속도가 더 빨라졌으며, 이는 지도력이 군집 운동 역학에 기능적인 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 결과적으로 지도력은 체형적 특성에서 기인하는 것이 아니라, 앞서 있는 개체에서 이웃에 대한 반응성이 감소한 내재된 상호작용 규칙의 차이에서 비롯된다는 것이 확인되었다.