RoofdierenOnderzoek

De rover is sneller, en toch ontkomt zijn prooi (meestal)

Vissen op het Groot Barrièrerif, voor de kust van Australië. Beeld REUTERS
Vissen op het Groot Barrièrerif, voor de kust van Australië.Beeld REUTERS

De rover is groter, sterker en sneller dan zijn prooi. Dat is regel in de natuur. En toch: van de aanvallen die hij onderneemt slaagt maar 10 procent. In 90 procent van de gevallen weet de prooi te ontkomen. Hoe kan dat?

Willem Schoonen

“Als je bij een koraalrif onder water gaat, zie je enorme aantallen vissen”, zegt Ben Martin. “Grote vissen, en kleine visjes die hun prooi zijn. Maar je ziet die grote rovers niet de hele tijd toehappen, hoewel er prooi zat is. Ze weten dat hun kans van slagen niet al te groot is.”

Ben Martin is een Amerikaanse ecoloog, die sinds twee jaar verbonden is aan de Universiteit van Amsterdam. Hij heeft nu van onderzoeksfinancier NWO een subsidie gekregen om te onderzoeken hoe de prooi aan zijn rover ontkomt.

Hij vertrekt binnenkort naar Curaçao, waar hij een geschikte plek heeft gevonden om de strijd tussen rover en prooi te volgen. Een stuk koraalrif enkele meters onder de zeespiegel, waar nog volop daglicht kan komen. “We willen geen kunstlicht gebruiken.” Samen met enkele collega’s zal Martin er tien stereocamera’s installeren die een gebied van 6 bij 6 meter in de gaten houden.

Met hulp van een slimme computer

De camera’s maken geen opnamen die door de menselijke onderzoekers beeld voor beeld geanalyseerd moeten worden. Ze zijn verbonden met een slimme computer die kan zien wanneer er iets gebeurt dat de wetenschappers zal interesseren.

Die computer is zo slim geworden door ‘machine learning’, inmiddels een basistechniek in vele takken van wetenschap. De computer is gevoed met voorbeelden van gedrag van rovers en prooidieren die Martin zelf bij het koraalrif met een handcamera heeft geschoten.

Hij laat op zijn computerscherm een voorbeeld zien van de capriolen die een klein visje uithaalt om aan de veel grotere rover te ontkomen. Je kunt de bewegingen van beide dieren uitzetten in een figuur, die doet denken aan een luchtgevecht, of vreedzamer: een pas de deux.

Martin: “Ja, je kunt dat prachtig volgen. Maar alleen als je de film sterk vertraagt.” Hij laat dezelfde beelden zien op ware snelheid; de vissen schieten over het scherm, de jacht is niet meer te volgen.

Minder dan een seconde duurt de scène in werkelijkheid, zegt Martin. Maar de computergestuurde camera en slimme computer hebben daar geen enkel probleem mee. Ze zullen op het koraalrif van Curaçao precies de beelden opvissen die de onderzoekers willen analyseren.

De visjes kunnen bogen op hun ervaring

Martin heeft al het nodige voorwerk gedaan en weet wat hij kan verwachten. Hij onderscheidt drie mechanismen waarmee de prooi aan zijn rover kan ontkomen. “De eerste is het risico mijden, ver genoeg van de roofvis en dicht genoeg bij een schuilplaats in het rif. Daarvoor moet dat visje verschillende schattingen maken. Hoe snel is de jager? Hoe snel ben ik? Hoe ver ben ik van die schuilplaats? Kan ik er eerder zijn dan hij? We weten niet precies hoe zo’n visje dat doet. Als wij die berekeningen moeten maken is dat voor de meeste mensen behoorlijk ingewikkelde wiskunde. Ik denk niet dat die visjes dat wiskundig berekenen. Ze kunnen bogen op hun ervaring, wat het eenvoudiger maakt.”

Grafische weergave van een gefilmde ontmoeting op het koraalrif. De paden van rover en prooi beginnen onderin de figuur. Hier is mooi te zien hoe de prooi, als de roofvis dichtbij komt, een draai maakt van 180 graden, die de rover alleen met vertraging kan volgen. Beeld Bart Friso
Grafische weergave van een gefilmde ontmoeting op het koraalrif. De paden van rover en prooi beginnen onderin de figuur. Hier is mooi te zien hoe de prooi, als de roofvis dichtbij komt, een draai maakt van 180 graden, die de rover alleen met vertraging kan volgen.Beeld Bart Friso

De tweede manier die de kleine vis heeft om aan de rover te ontkomen is een snelle koerswijziging, een duikvlucht zeg maar. De grafisch uitgezette bewegingen van rover en prooi laten het mooi zien (zie figuur). Als de rover dichtbij komt draait de prooi in een oogwenk 180 graden en duikt achter de rover weer op.

Martin: “Op zo’n draai van zijn prooi moet de roofvis reageren. Dat neemt zo’n 250 milliseconden in beslag, een kwart seconde. Dat lijkt snel, maar die kleine vis maakt zo’n draai in 100 milliseconden. Je kunt een idee krijgen van die snelheid als je met de hand een vlieg uit de lucht probeert te vangen. Lukt je niet.”

Hulp van andere vissen

Het derde mechanisme waarmee de kleine prooi aan zijn veel grotere rover kan ontkomen, zijn de signalen van zijn soortgenoten. Martin: “Je zwemt rustig rond en opeens duikt er van achter het koraal een roofvis op. Die kan je te pakken krijgen als je volledig wordt verrast. Maar niet als je aan het gedrag van soortgenoten hebt kunnen zien dat er blijkbaar een rover in de buurt is, ook al kun je die zelf nog niet zien.”

Op de vraag welke van die drie mechanismen voor de prooi het belangrijkst is, zegt Martin: “Ik denk de eerste twee, risico mijden en snel wegdraaien. Ze sluiten elkaar niet uit, ze vullen elkaar aan. Maar van het derde mechanisme, sociaal contact tussen prooidieren, weten we nog niet hoe belangrijk het is voor deze vissen; er zijn nog te weinig data.”

Het onderzoek voor de kust van Curaçao moet daar duidelijkheid over scheppen. En het moet voor elk van de drie mechanismen laten zien welke wiskundige wetten eronder liggen, welke algoritmen het verloop van de strijd tussen rover en prooi bepalen.

Algoritmes en dierengedrag

En het gaat niet alleen om deze vissen, hun strijd op het koraalrif is een model voor wat Martin en zijn collega’s een ‘algoritmische benadering van diergedrag’ noemen, die past in een nieuwe tak van wetenschap: de neuro-ethologie.

“Ik was een veldecoloog. Door een ongelukkige hapering in een onderzoeksproject zat ik een jaar zonder data, en ben ik theoretisch ecoloog geworden. En nu ben ik weer terug bij het veldwerk. Wij ecologen maken modellen van diergedrag, zoals natuurwetenschappers modellen maken van fysische en chemische systemen. Maar biologische systemen zijn complex, dieren reageren op elkaar. En we begrijpen nog niet precies hoe ze dat doen. Een ecoloog kan kijken naar eigenschappen van soorten, maar hoe individuen zich gedragen, hoe een jager reageert op de bewegingen van zijn prooi bijvoorbeeld, is voor een ecoloog complex.”

Technische middelen als slimme camera’s en rekenmachines hebben een nieuwe wetenschap mogelijk gemaakt: de neuroethologie. “De neuroethologie kan ophelderen hoe informatie die een dier krijgt via zijn zintuigen wordt vertaald in beweging en gedrag. En dan blijken de onderliggende regels opmerkelijk simpel. Dieren berekenen hun gedrag met algoritmes die vergelijkbaar zijn met de algoritmes die een raket gebruikt om een andere raket te onderscheppen.”

Martin hoopt in dit onderzoeksproject die verbinding ook te leggen. Hij wil in een latere fase van zijn project gaan samenwerken met makers van drones en met makers van drones die drones moeten vangen. Want als de dans van rover en prooi is te vatten in algoritmen, kunnen zij daar nog iets van leren.

De roofvlieg Holcocephala fusca. Beeld Samuel Fabian
De roofvlieg Holcocephala fusca.Beeld Samuel Fabian
null Beeld Bart Friso
Beeld Bart Friso

Volg de vlieg

Dat eenvoud kan leiden tot doeltreffend gedrag, bewijst de roofvlieg Holcocephala fusca. Dit kleine insect, 6 millimeter groot, voedt zich niet met rottend fruit en andere zoetigheid, maar met alles wat vliegt en kleiner is dan hij. Net als de roofvissen op het koraalrif (zie hoofdverhaal) moet de H. fusca een efficiënte methode hebben ontwikkeld om zijn prooi te pakken te krijgen. En net als Ben Martin met zijn vissen, proberen onderzoekers uit te vinden hoe de vlieg dat doet.

De onderzoekers zijn in dit geval Samuel Fabian, bioloog aan Imperial College London, en Mary Sumner, van de universiteit van Minnesota in de VS. Onderzoek dat zij net hebben gepubliceerd in de Journal of Experimental Biology bevestigt het vermoeden van Martin: de onderliggende wiskunde van de roofvlucht is simpel.

Fabian en Sumner volgden de roofvlieg met extreem snelle camera’s in verschillende experimenten. Dat was niet eenvoudig met zo’n kleine en snelle hoofdrolspeler – een aanval op zijn prooi duurt minder dan een seconde – maar uiteindelijk kregen ze voldoende opnamen om de onderliggende wetten af te leiden.

Fabian had in eerder onderzoek al laten zien dat de roofvlieg een simpel navigatiesysteem gebruikt: hij ziet iets kleins vliegen, neemt aan dat het eetbaar is, en stelt zijn koers voortdurend af op de hoek waaronder hij zijn prooi ziet. De visuele hoek wordt direct omgerekend naar de vliegkoers. Proportionele navigatie, noemen de onderzoekers dat; de vlieg rekent de afstand en de snelheid van zijn prooi niet uit, maar vaart alleen op de hoek waaronder hij die waarneemt.

Dat is wat er gebeurt in een leeg luchtruim. In werkelijkheid moet de roofvlieg op jacht in een omgeving met allerlei obstakels. Om na te gaan wat dat doet met het navigatiesysteem brachten de onderzoekers roofvliegen in een experimentele omgeving, met een obstakel – een frame waarin zwarte strook was aangebracht – en een prooi – een kraaltje aan een vislijn (zie figuur).

Als de balk het zicht op de prooi lang ontneemt, breekt de rover zijn aanval af. En ‘lang’ is voor deze roofvlieg meer dan 160 milliseconden. Zit de balk minder lang in de weg dan dat, dan gaat de aanval door maar past de vlieg zijn route aan. En de manier waarop hij dat doet bleek opnieuw simpel. De vlieg reageert op de visuele waarneming van het obstakel. Iets wat snel groter wordt nader je met een rotvaart, dus: uitwijken.

Na de reeks experimenten hielden de onderzoekers dus twee simpele rekenregels (algoritmen) over die de koers van de roofvlieg volledig bepaalden. Dat is mooi, want de vlieg heeft een brein dat kleiner is dan een zandkorrel.

Het alternatief voor deze methode is dat het brein een complete 3D-afbeelding maakt van de omgeving en alles wat daarin beweegt. Roofdieren die veel groter zijn dan hun prooi, en niet zo lenig, hebben zo’n complete afbeelding nodig om überhaupt iets te vangen, zeggen de onderzoekers. Maar een klein en snel insect als de roofvlieg kan op simpele visuele signalen varen, botsingen voorkomen en toch zijn prooi te pakken krijgen.

Dat is in rekencapaciteit een stuk goedkoper dan complete kaarten maken van de omgeving. Daarom, zegt Samuel Fabian, vind je deze methode niet alleen bij de roofvlieg, maar ook bij andere insecten en bij verschillende soorten roofvogels. En sommige slimme bommen, die zelf hun weg zoeken naar hun doel, doen het zo.

Het zou ook meer gebruikt kunnen worden in de robotica, suggereren de onderzoekers. De complexere robots zijn nu vaak uitgerust met allerlei sensoren om een kaart te maken van de omgeving waarin ze bewegen. Dat vergt rekenkracht. Misschien werken eenvoudiger en goedkopere (visuele) signalen net zo goed.

Lees ook:

Wetenschappers brengen twee opmerkelijke berichten uit keverland

Over hoogvliegers. En over nooit geziene sprongen.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden