En la naturaleza, los grupos de animales a menudo se separan y se vuelven a unir, y los subgrupos separados pueden permanecer en contacto visual. Los modelos tradicionales de movimiento colectivo suelen asumir interacciones locales entre vecinos, por lo que no describen la transmisión de información a través de espacios físicos. Este trabajo llena ese vacío al aislar la visión como el único canal de comunicación entre dos cardúmenes de peces. Junto a este trabajo en el archivo se encuentran estudios sobre sincronización en osciladores cuánticos y sistemas biológicos, pero esta investigación se destaca porque cuantifica por primera vez la relación entre la distancia entre grupos y la sincronización de fase de sus orientaciones colectivas.
El experimento se realizó en un acuario cuadrado de 100×100×40 cm, dividido por dos mamparas transparentes en tres compartimentos: los dos extremos contenían cada uno un cardumen de 10 a 20 neones negros, y el compartimento central se llenaba de agua y tenía un ancho ajustable de 0 a 40 cm. Las paredes transparentes excluían la interacción hidrodinámica y el contacto, dejando solo el canal visual. El movimiento de los peces se registró con una cámara superior a 50 fotogramas por segundo, y las trayectorias se extrajeron con el programa idtracker.ai. Para cada cardumen se calculó la orientación del vector de velocidad del centro de masa, que mostraba cambios biestables entre dos direcciones opuestas a lo largo del lado largo del compartimento. Las series temporales resultantes se compararon con la solución analítica del modelo de dos osciladores biestables acoplados, cuyos parámetros se ajustaron mediante el método de máxima verosimilitud.
En ausencia de contacto visual (mampara opaca), las orientaciones de los dos cardúmenes cambiaban de forma independiente, y la distribución de la diferencia de fase tenía dos picos iguales: alineación paralela y antiparalela. Al disminuir la distancia entre los cardúmenes, el pico del estado antiparalelo se suprimía, y con una separación nula solo quedaba un pico agudo de sincronización paralela. El parámetro de acoplamiento extraído de los datos disminuía con la distancia según una exponencial estirada con una longitud característica de 4.9±0.7 cm y un exponente de 0.44±0.04, lo que indica un decaimiento más lento que una ley exponencial simple. El orden de fase (el coseno promedio de la diferencia de fase) disminuía de 0.8 con separación nula a cero con la pared opaca, siguiendo con precisión la curva teórica. La información mutua entre las orientaciones de los cardúmenes, corregida por el sesgo de estimación, también coincidió cuantitativamente con la predicción del modelo para todas las distancias.
Este trabajo muestra que la conexión visual entre grupos de animales espacialmente separados puede describirse como un acoplamiento entre osciladores estocásticos biestables, y que la fuerza de este acoplamiento disminuye suavemente con la distancia, en lugar de cortarse en un radio determinado. Esto difiere de los estudios vecinos sobre sincronización en sistemas cuánticos, donde el acoplamiento suele imponerse artificialmente; aquí, el parámetro de acoplamiento se extrae del comportamiento de organismos vivos. El resultado es importante para comprender la ecología sensorial y la percepción colectiva: a distancias cortas, los peces parecen reaccionar a individuos concretos, mientras que a distancias mayores responden al movimiento promedio de todo el grupo lejano.
Una continuación natural sería comprobar cómo depende la sincronización del tamaño del cardumen, la iluminación y la turbidez del agua, así como añadir otros canales sensoriales, como el acústico o el químico. También se podría investigar cómo responden dos grupos acoplados a estímulos externos, como la aparición de un depredador, y cómo se propaga la información de alarma a través del espacio. En el plano teórico, sería interesante generalizar el modelo a un mayor número de grupos y a acoplamientos asimétricos, lo que podría dar lugar a nuevos estados colectivos.
Los resultados influirán en la investigación del comportamiento colectivo animal, la ecología sensorial y el desarrollo de robots biomiméticos, donde es importante la transmisión de información entre grupos sin contacto físico.
Realizar experimentos variando el tamaño del cardumen y el nivel de iluminación para determinar cómo afectan estos factores a los parámetros de acoplamiento. También conviene medir el tiempo de respuesta de un cardumen al giro del otro para estimar la velocidad de transmisión de información a través del espacio.
En la biología del movimiento colectivo sigue abierta la cuestión de cómo integran los animales la información de congéneres distantes y cómo cambian entre la percepción local y la global. Este trabajo vincula directamente esta cuestión con un parámetro de acoplamiento medible y muestra que la transición de la percepción individual a la colectiva puede ocurrir gradualmente con la distancia.
Los neones negros (Hyphessobrycon herbertaxelrodi) tienen una longitud corporal media de solo 2.5 cm, pero en el experimento sus cardúmenes se sincronizaron a distancias de hasta 40 cm, lo que equivale a 16 veces la longitud de un pez individual.