Model klasik perilaku kolektif gagal menjelaskan mekanisme yang menggerakkan kawanan belalang gurun
Gurun belalang kawanan dampak jutaan kehidupan di seluruh dunia. Namun model klasik perilaku kolektif gagal menjelaskan mekanisme yang mendorong kawanan, menurut sebuah studi baru: penelitian ini, yang dilakukan oleh para ilmuwan dari gugus “perilaku kolektif” di Universitas Konstanz dan Max Planck Institute of Animal Behavior, menawarkan perspektif baru tentang mekanisme orief kognitif dan sensorik.
Gurun belalang, hama alkitabiah yang terkenal kejam, membentuk beberapa kelompok serangga terbesar di alam dan diperkirakan mengancam mata pencaharian satu dari sepuluh orang karena dampaknya terhadap ketahanan pangan. Kawanan mulai ketika remaja tanpa penerbangan berkumpul dan mulai berbaris serempak. Memahami bagaimana serangga wabah ini mengoordinasikan gerakan mereka sangat penting untuk mengembangkan kontrol berbasis bukti, seperti memperkirakan gerakan gerombolan. Selain itu, mengungkapkan sifat interaksi antar-individu adalah kunci untuk memahami bagaimana gerakan kolektif muncul di antara spesies hewan sosial secara lebih luas.
Selama beberapa dekade, sebuah prinsip yang dipinjam dari fisika teoretis – memperlakukan individu sebagai “partikel propelled diri” – telah digunakan untuk memodelkan gerakan kolektif pada hewan. Mirip dengan partikel dalam sistem fisik seperti magnet, hipotesis ini mengasumsikan bahwa hewan secara aktif sejajar satu sama lain. Namun, tidak seperti magnet, “partikel” ini terus bergerak. Model-model semacam itu telah menunjukkan bahwa bahkan ketika individu hanya selaras dengan tetangga lokal mereka, gerakan koheren skala besar dapat muncul, dengan sejumlah besar individu bergerak ke arah yang sama.
Hipotesis lama juga menyatakan bahwa kepadatan antara hewan adalah faktor penentu untuk perubahan dari gerakan non -koheren – di mana individu bergerak dalam arah acak – ke gerakan kolektif skala besar yang koheren. Ketika cukup banyak hewan berkumpul di ruang, mereka diprediksi akan transisi secara spontan dari gangguan ke gerak gerombolan yang dipesan. Prediksi ini kemudian tampaknya dikuatkan oleh eksperimen laboratorium dengan kelompok belalang besar, sehingga memperkuat klaim model klasik ini.
Menguji hipotesis lama
Melalui kombinasi kerja lapangan selama wabah belalang Afrika Timur tahun 2020, studi laboratorium, eksperimen realitas virtual, dan evaluasi ulang data masa lalu, para peneliti dari gugus “perilaku kolektif” keunggulan di University of Konstanz telah menyimpulkan bahwa mekanisme perilaku yang mengatur gerak kolektif dalam kerang belalang tidak dapat dikeluarkan oleh keranjang mekanisme ini. Temuan mereka menantang pandangan tradisional di mana gerakan kolektif dianggap muncul dalam kelompok hewan. “Menyimpulkan mekanisme interaksi dalam kelompok hewan seluler sangat sulit. Individu keduanya mempengaruhi, dan dipengaruhi oleh, perilaku orang lain dalam interaksi yang kompleks,- kata Iain Couzin, penulis senior studi-s.
Untuk mengatasi tantangan ini, tim Konstanz memanfaatkan realitas virtual 3D yang mendalam, memungkinkan mereka untuk mempelajari bagaimana belalang yang bergerak secara bebas berinteraksi dengan kawanan virtual “holografik” yang dihasilkan komputer. “Pendekatan ini memungkinkan kami untuk menguji hipotesis dengan ketat tentang apa yang mendorong perilaku mereka dengan cara yang tidak mungkin di kawanan alami,” tambah penulis pertama Sercan Sayin. Kontrol yang tepat dari informasi visual yang diberikan oleh realitas virtual berarti bahwa para peneliti dapat menetapkan bagaimana input sensorik diterjemahkan ke dalam keputusan gerakan oleh belalang. Berlawanan dengan asumsi sebelumnya, tim mengamati bahwa “respons optomotor” – refleks bawaan di mana belalang (dan banyak spesies lainnya) mengikuti isyarat gerak – tidak bertanggung jawab untuk mengoordinasikan gerakan kolektif. Memang, mereka tidak menemukan bukti bahwa belalang secara eksplisit selaras dengan arah gerakan orang lain sama sekali.
Dalam satu percobaan realitas virtual, misalnya, belalang fokal ditempatkan di antara dua kawanan virtual, satu di sebelah kiri dan satu di sebelah kanan mereka, keduanya bergerak ke arah yang sama. Model klasik memperkirakan bahwa dalam keadaan seperti itu, belalang harus “mengikuti aliran”. Namun, tim Konstanz melihat bahwa belalang akan berubah menghadapi satu segerombolan, atau yang lain, dan bergerak ke arahnya.
Selain itu, para peneliti menemukan bahwa pesanan kelompok bukan hanya produk dari peningkatan kepadatan, seperti yang diperkirakan sebelumnya. Penyelarasan terjadi sebagai respons terhadap isyarat visual yang koheren, hampir seluruhnya independen dari kepadatan. “Ini benar -benar tentang kualitas informasi, bukan kuantitasnya,” kata Sayin. Analisis ulang dari sejumlah besar percobaan laboratorium sebelumnya, yang berpendapat untuk transisi yang bergantung pada kepadatan ke gerakan yang koheren, mengkonfirmasi temuan tim-tim Konstanz, menantang asumsi sebelumnya tentang mekanisme perilaku yang mendasari berkerumun dalam belalang.
Kerangka kerja kognitif baru untuk kolektif
Untuk menjelaskan hasil mereka, penting bagi tim Konstanz untuk memikirkan kembali pendekatan pemodelan kolektif dari bawah ke atas. “Belalang tidak berperilaku seperti partikel sederhana yang selaras satu sama lain,” kata Couzin. “Kami menyadari bahwa kami perlu memodelkan mereka sebagai agen kognitif – memproses lingkungan mereka dan membuat keputusan tentang ke mana harus pindah selanjutnya.”
Tim peneliti mengembangkan model kognitif sederhana, diinformasikan oleh neurobiologi sirkuit saraf yang digunakan oleh hewan untuk navigasi spasial, disebut jaringan saraf “cincin penarik”. Dalam model ini, individu memiliki representasi saraf sederhana dari bantalan terhadap, tetapi bukan orientasi tubuh atau arah gerak, tetangga. Keputusan gerakan muncul melalui proses dinamis di mana representasi saraf bersaing atau bertemu berdasarkan posisi relatif, pada akhirnya mencapai konsensus yang menentukan arah gerak. “Model kami didasarkan pada prinsip-prinsip neurobiologis yang diketahui dan kami menemukan itu dapat menjelaskan semua temuan eksperimental utama kami,- kata Sayin.
Studi ini mewakili perubahan paradigma dalam penelitian Swarm. Dengan memberikan wawasan baru yang mendasar tentang bagaimana perilaku belalang menghasilkan kawanan yang menghancurkan, penelitian Konstanz dapat memberikan pengetahuan penting untuk peningkatan strategi kontrol belalang, seperti untuk pemodelan gerakan kawanan yang efektif. Selain itu, konsekuensi dari temuan ini kemungkinan akan melampaui belalang ke aplikasi yang lebih luas dalam memahami koordinasi gerak pada spesies lain, serta robotika, kecerdasan buatan dan studi kecerdasan kolektif. Koordinasi robotika dan koordinasi kendaraan otonom, misalnya, dapat mengambil manfaat dari algoritma yang terinspirasi oleh strategi kognitif yang sangat efektif untuk gerakan kolektif.
