Wie viele Fische machen einen Schwarm?

Schon drei Fische bewegen sich ähnlich wie große Fischschwärme, zwei Fische dagegen zeigen ein ganz anderes Verhalten. Das fand ein Team von Physikern heraus, das das Schwarmverhalten von Zebrafischen mit Methoden der Vielteilchenphysik untersuchte.

„Three is a Crowd“ – dieser englische Spruch scheint nicht nur für „Die drei ???“ und die Drei Musketiere zu gelten. Auch bei verschiedenen Phänomene in den Naturwissenschaften – wie den Grundfarben oder den Raumdimensionen – genügen drei Zahlen, um verschiedene Zustände zu charakterisieren.

Physikerinnen und Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität Bristol untersuchten nun, wie sich verschieden große Gruppen von Lebewesen verhalten. Sie wollten wissen, ab welcher Größe sich die Bewegungsmuster der einzelnen Mitglieder zu einer koordinierten Gruppenbewegung ändern. Tatsächlich scheint für Zebrafische die Drei die entscheidende Zahl zu sein.

Ein Aquarium in Bristol bestückten die Physiker dazu mit synchronisierten Kameras, um so die dreidimensionalen Schwimmtrajektorien ihrer Zebrabärblinge (Danio rerio) zu messen. Sie nahmen diese Bahnen systematisch für verschiedene Gruppengrößen – zwei, drei, vier und fünfzig Fische – auf.

In den Schwimmtrajektorien suchten sie dann in einem nächsten Schritt Ordnungseffekte. Sie fanden verschiedene Bewegungsmuster: Entweder schwammen die Fische alle in dieselbe Richtung, oder sie drehten sich gemeinsam im Kreis. Bewegten sie sich in dieselbe Richtung, dann schwammen sie entweder neben- oder hintereinander.

Zwei Fische machen eine Polonaise

Ein isoliertes Paar aus zwei Fischen bewegt sich vorzugsweise hintereinander – ein Fisch führt, der andere folgt. Drei Fische schwimmen aber nebeneinander; anscheinend will keiner von ihnen der letzte sein. Und: Solches Nebeneinanderschwimmen charakterisiert auch einen großen Fischschwarm.

Im großen Schwarm markierten die Forschenden anschließend auch kleine Teilgruppen. Sie stellten fest, dass sich Dreiergruppen innerhalb des Schwarm sehr ähnlich wie eine isolierte Dreiergruppe bewegen. Markierten sie dagegen nur zwei Nachbarn, dann verhielten sich diese im Schwarm anders als in einer isolierten Zweiergruppe. Dr. Alexandra Zampetaki aus Düsseldorf (jetzt Wien), die zusammen mit Dr. Yushi Yang Erstautorin der nun in Nature Communications erschienenen Studie ist, stellt fest: „Drei Fische bilden praktisch einen Schwarm, aber zwei reichen dafür nicht.“

„Dieses einfache Ergebnis gilt erst einmal nur für Zebrafische. Die Konzepte können aber auch auf andere Beispiele der Fauna übertragen werden“, betont der Korrespondenzautor Prof. Dr. C. Patrick Royall von der Universität Bristol, der jetzt an der EPSCI in Paris arbeitet. „Dazu zählen andere Fischschwärme wie solche aus Goldfischen oder Sardinen, aber auch Vogel- und Insektenschwärme wie fliegende Stare und tanzende Mücken.“

Thermodynamisches Gleichgewicht als Impulsgeber

Die Idee zu dem gemeinsamen Forschungsprojekt entstand während mehrerer Besuche des von der Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichneten Bessel-Preisträgers Prof. Royall an der HHU bei Prof. Dr. Hartmut Löwen. „Es war eine neue Herausforderung, traditionelle Methoden und Konzepte aus der Theorie der Flüssigkeiten wie Paar- und Triplettkorrelationen auf Fische anzuwenden. Denn diese Konzepte stammen aus dem thermodynamischen Gleichgewicht, aber ein lebender Fischschwarm ist weit von einem Gleichgewichtszustand entfernt“, so Löwen, der das Institut für Theoretische Physik II der HHU leitet.

In Düsseldorf wurde die grundlegende Klassifizierung der Vielteilcheneffekte vorgenommen. Darüber hinaus simulierte Dr. Alexandra Zampetaki die Fischtrajektorien: „Wir haben unser Modell so modifiziert, dass die Schwimmbewegung der Fische realistisch nachgebildet wird. Die Simulation bestätigte das experimentelle Ergebnis ‚Drei machen einen Schwarm‘.“

In die Zukunft gedacht, wollen die Forschenden ihre Erkenntnis auf das Gruppenverhalten von Menschen anwenden, wie diese sich zum Beispiel bei Partys oder Massenveranstaltungen verhalten. Löwen: „Ob dafür dann auch die einfache Grenze der Zahl Drei Bestand hat, muss sich zeigen.“