Collective fish swimming in altered environment
Dynamiques de nage collective de poissons en environnement altéré
Résumé
This thesis is focused on collective motions in schools of fish. In particular, we attempted to shed light on how variations in environmental parameters can influence interactions between individuals within a group, and consequently the organisation of that group. Using simplified laboratory experiments, we varied these environmental parameters in a controlled manner and observed the motions of groups of fish in response to these perturbations. The model species chosen for these experiments is Hemigrammus rhodostomus, a small gregarious tropical fish. We were able to show that light plays a major role in the emergence of collective motion: in the absence of lighting, schools of around 50 fish were unable to swim in a coordinated fashion. Conversely, as the light intensity gradually increases, the school goes through different behavioural phases, with an initially highly polarised organisation followed by a state of rotation (milling) that is stable over time above a light level threshold. The limits of the swimming range also play a part in determining the collective state observed for a group of interacting agents. In the case of schools of 10 to 70 fish, it has been shown that reducing the available swimming area and increasing the number of fish in the school have equivalent effects: the greater the confinement (measured by the density of fish per unit area), the greater the probability of moving from a polarised state to a rotating state. Finally, the behaviour of rheotaxis was studied, i.e. the aptitude of a fish or a group of fish to swim against the current. In particular, the ability to maintain a stable position for single fish and pairs of fish, considered as the minimum constitutive cell of a school, was measured during forced swimming experiments in a swim tunnel. The tests were repeated in illuminated and dark environments. The results suggest that flow sensing is used by fish in unlit conditions, but is not essential in lit conditions. In summary, this research underscores the role of light and spatial constraints in shaping collective behaviors but also sheds light on the interplay between environmental factors and group dynamics in schools of fish. These insights contribute to a deeper understanding of the mechanisms governing collective motion in complex biological systems.
Cette thèse est consacrée à l'étude des mouvements collectifs au sein des bancs de poissons. Plus précisément, elle cherche à décrire la manière dont les variations des paramètres environnementaux peuvent influencer les interactions entre les individus au sein d'un groupe et, par conséquent, l'organisation de ce groupe. En utilisant des expériences simplifiées en laboratoire, nous avons fait varier ces paramètres environnementaux de manière contrôlée et observé les mouvements de groupes de poissons en réponse à ces perturbations. L'espèce modèle choisie pour ces expériences est Hemigrammus rhodostomus, un petit poisson tropical grégaire. Nous avons pu démontrer que la lumière joue un rôle majeur dans l'émergence du mouvement collectif : en l'absence d'éclairage, des bancs d'environ 50 poissons sont incapables de nager de manière coordonnée. À l'inverse, à mesure que l'intensité lumineuse augmente progressivement, le banc passe par différentes phases comportementales, avec une organisation initialement fortement polarisée suivie d'un état de rotation (milling) stable au-dessus d'un seuil de luminosité. Les limites de la zone de nage jouent également un rôle dans l'émergence de l'état collectif observé pour un groupe d'agents en interaction. Dans le cas de bancs de 10 à 70 poissons, nous montrons que la réduction de la surface de nage disponible et l'augmentation du nombre de poissons dans le banc ont des effets équivalents : plus le confinement est important (mesuré par la densité de poissons par unité de surface), plus la probabilité de passer d'un état polarisé à un état de rotation est élevée.
Enfin, le comportement de rhéotaxie a été étudié, c'est-à-dire l'aptitude d'un poisson ou d'un groupe de poissons à nager à contre-courant. En particulier, la capacité à maintenir une position stable pour un poisson seul et des paires de poissons, considérées comme la cellule constitutive minimale d'un banc, est mesurée lors d'expériences de nage forcée dans un canal de nage. Les tests sont répétés dans des environnements éclairés et sombres. Les résultats suggèrent que la détection de l'écoulement est utilisée par les poissons dans des conditions non éclairées, mais n'est pas essentielle dans des conditions éclairées. En résumé, cette recherche met en lumière le rôle de la lumière et des contraintes spatiales dans la formation des comportements collectifs, mais éclaire également l'interaction entre les facteurs environnementaux et la dynamique de groupe au sein des bancs de poissons. Ces observations contribuent à une compréhension plus approfondie des mécanismes régissant le mouvement collectif dans des systèmes biologiques complexes.
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