Fugle flokkes. Græshopper sværmer. Fiskeskole. Inden for samlinger af organismer, der virker som om de kunne blive kaotiske, opstår der orden på en eller anden måde. Dyrenes kollektive adfærd adskiller sig i deres detaljer fra en art til en anden, men de overholder stort set principper for kollektiv bevægelse, som fysikere har udarbejdet gennem århundreder. Nu, ved hjælp af teknologier, der først for nylig blev tilgængelige, har forskere været i stand til at studere disse adfærdsmønstre nærmere end nogensinde før.

I denne episode, den evolutionære økolog Iain Couzin samtaler med medvært Steven Strogatz om hvordan og hvorfor dyr udviser kollektiv adfærd, flok som en form for biologisk beregning og nogle af de skjulte fitnessfordele ved at leve som en del af en selvorganiseret gruppe frem for som individ. De diskuterer også, hvordan en forbedret forståelse af sværmende skadedyr som græshopper kan hjælpe med at beskytte den globale fødevaresikkerhed.

Lyt til Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, TuneIn eller din foretrukne podcasting-app, eller du kan stream det fra Quanta.

Transcript

[Temaspil]

STEVEN STROGATZ: I hele dyreriget, fra små myg til fisk, fugle, gazeller, selv primater som os, har væsner en tendens til at organisere sig i store bevægelige mønstre, der forfølger et tilsyneladende spontant kollektivt mål. Ofte ser ingen individuel skabning ud til at fungere som lederen og orkestrere disse massebevægelser. I stedet falder dyrene bare problemfrit ind i køen.

Og selvom det føles som om sådanne systemer ville vippe ind i kaos eller ustabilitet, formår disse kollektiver på en eller anden måde at bevæge sig på måder, der fremstår ekstraordinært velkoordinerede og målrettede, som enhver, der har set en mumlen af ​​stære eller en fiskestime, kan bevidne. Men hvad er drivkraften bag denne adfærd?

Jeg er Steve Strogatz, og dette er "The Joy of Why", en podcast fra Quanta Magazine hvor min medvært Jana Levin og jeg skiftes til at udforske nogle af de største ubesvarede spørgsmål inden for matematik og naturvidenskab i dag.

[Tema slutter]

I denne episode skal vi komme ind til kernen af, hvorfor dyr flokkes, sværmer og går i skole. Hvordan giver de nyeste teknologier, såsom kunstig intelligens og 3D-kameraer, ny indsigt? Og hvad kan studiet af dyregruppedynamik fortælle os om os selv, både individuelt og som kollektiver?

Her for at kaste lys over disse mysterier er evolutionær økolog Iain Couzin. Iain er direktør for afdelingen for kollektiv adfærd ved Max Planck Institute of Animal Behavior og fuld professor ved University of Konstanz. Blandt de mange hædersbevisninger, han har modtaget, er National Geographic Emerging Explorer Award, Lagrange-prisen, den højeste hæder inden for kompleksitetsvidenskab, og Leibniz-prisen, Tysklands højeste udmærkelse for forskning. Iain, vi er så glade for at have dig hos os i dag.

IAIN COUSIN: Det er dejligt at være her, Steve.

STROGATZ: Nå, jeg er meget glad for at se dig igen. Vi er gamle venner, og det bliver en rigtig god fornøjelse at høre om det seneste inden for kollektiv adfærd. Men lad os begynde - jeg formoder, at vi skulle tale om, hvem er dine eksemplarer? Kan du fortælle os lidt om nogle af dyrene og de mange forskellige former, som deres kollektive adfærd antager i de systemer, du har studeret?

FÆTTER: Nå, det er en af ​​de mest fantastiske ting ved at studere kollektiv adfærd. Det er, at det er centralt for så mange processer på livet på vores planet, at vi bogstaveligt talt studerer en række organismer, fra det simpleste dyr på planeten - det kaldes en placozoa; det er en basal phylum, muligvis simpleste flercellede dyr på planeten; det er en sværm af celler, tusindvis af celler, der meget bevæger sig som en fugleflok eller en fiskeskole - op gennem hvirvelløse dyr, som myrer, der har en fantastisk koordineret adfærd, eller græshopper, der danner nogle af de største, mest ødelæggende sværme, til hvirveldyr, såsom skolegang fisk, flokkende fugle, hyrde hovdyr og primater, inklusive os selv - mennesker.

STROGATZ: Så det ser virkelig ud til at køre hele spektret, hele vejen fra - jeg må indrømme, jeg havde aldrig hørt om dette, fik jeg det rigtigt: placozoa?

FÆTTER: Placozoa, ja. Dette lille væsen blev fundet kravlende rundt på glasset af akvarier, tropiske akvarier. Du kan se det med det blotte øje. Den er omkring en millimeter, måske halvanden millimeter, hvis den er meget stor. Og du ved, at se på dette bemærkelsesværdige væsen har først for nylig trukket videnskabsmænds opmærksomhed.

Og det er i høj grad fordi denne mærkelige lille skæve sværm af celler faktisk har den genetiske kompleksitet, som du ville forbinde med en meget mere sofistikeret organisme. For eksempel har det et stort udvalg af neurotransmittere, men det har ikke neuroner.

[STROGATZ ler]

Det har hvad man kalder Hox gener. Hox gener er i udviklingsbiologi forbundet med komplekse kropsplaner. Det har ikke en kompleks kropsplan. Og så tænker du måske, ja, denne skabning kan have udviklet sig til at blive mere kompliceret og derefter re-udviklet for at forenkle sig selv, og derfor beholdt den disse karakteristika af kompleksitet.

Men genetiske forskere publicerede en slags skelsættende papir i tidsskriftet Natur det viste, nej, faktisk er dette en af ​​de de fleste primære grupper af celler. Og selvfølgelig, kollektiv adfærd, hvilket smukkere eksempel end celler, der går sammen for at danne en organisme. Du ved? Så dette er en af ​​grundene til, at vi studerer dette: for at prøve at forstå, hvordan kollektiv adfærd var central for oprindelsen af ​​komplekst liv på vores planet.

STROGATZ: Mand, dette er et tidligt stadie i interviewet, og du er allerede ved at blæse mig op. Du afsporer mig også fra det, jeg troede, jeg ville tale med dig om. Det er så interessant og så nyt for mig, at jeg er chokeret. Jeg vil gerne vende tilbage til denne del af historien, fordi det er sådan - jeg mener, det er virkelig overraskende, at de ville have... Hørte jeg dig rigtigt, at de har ting forbundet med at have et nervesystem, men ikke har noget nervesystem? Og har udviklingsbiologiske gener, som om de skulle udvikle en hel kompliceret kropsplan som en frugtflue, men de har ikke sådan en krop?

FÆTTER: Præcis, præcis. Og så kunne de virkelig give os et hint om intelligensens oprindelse. Vores særlige undersøgelse, som vi udgav i år, du ved, vi viste, at den kropsplan, de har, virkelig opfører sig meget som en fugleflok eller en fiskeskole, hvor celler lokalt interagerer med andre og har tendens til at tilpasse deres rejseretning.

Så de er tiltrukket af hinanden. De er på en måde forbundet som et elastisk lag, men de har en tendens til også at være bevægelige. De har flimmerhår, små flimmerhår på bunden, så de kan flyde langs omgivelserne. Og de kræfter, de anvender på deres nære naboer, får dem til at tilpasse sig hinanden.

Og så, hvis vi sporer disse celler under et mikroskop, og vi ser på justeringen og vi ser på individernes tiltrækning, bruger vi meget de samme teknologier, de samme modeller, den samme tankegang, som vi bruger til kollektiv adfærd i fugleflokke eller fiskeskoler eller andre typer grupper men anvende det på disse dyr.

Og så, dette er en af ​​de ting, jeg finder mest bemærkelsesværdige ved kollektiv adfærd, er, at selvom systemegenskaberne, uanset om du er en celle eller om du er en fugl, er meget forskellige, når du ser på den kollektive indsats, de kollektive egenskaber, den matematik, der ligger til grund for dette, faktisk kan vise sig at være meget ens. Og så kan vi finde disse, en slags, hvad der kaldes universelle egenskaber, der forbinder disse forskellige, tilsyneladende forskellige systemer.

STROGATZ: Nå, selvfølgelig, nu taler du mit sprog, da, du ved, det var det, der trak mig ind i min egen fascination af kollektiv adfærd, er, at der er de universelle matematiske principper, der synes at gælde op og ned på skalaen fra celler til , ja, selvfølgelig kan vi altid godt lide at sætte os selv øverst.

Men så, okay, du har rejst så mange forskellige spørgsmål, som vi kan tænke over. Lad mig prøve at gå tilbage til begyndelsen, ligesom jeg ville elske at blive hos dig her med Placozoa.

Så du nævnte for eksempel ord som "flokke" og "skoler", og nogle gange hører vi folk tale om "sværme", som med insekter. Er der nogen grund til, at vi har tre forskellige ord for det samme? Er de ikke virkelig det samme, når vi taler om kollektive grupper? Er der en grund til, at vi ikke skal tale om f.eks. skolefugle eller sværmende fisk?

FÆTTER: Nej, jeg tror, ​​vi har udviklet disse ord, og forskellige sprog har forskellige ord. På tysk, som er et sprog fyldt med mange ord, har de faktisk relativt få. Hvorimod vi på engelsk har mange, mange forskellige ord. Som du ved, for eksempel kaldes en gruppe krager et mord på krager.

[STROGATZ ler]

Du brugte selv tidligere et vidunderligt ord, en "murren" af stære. Og jeg tror, ​​det er det, det er skønheden, den fængslende skønhed ved at flokkes og skolegang og sværmeri, der har givet anledning til disse vidunderlige ord, som kan forbindes med særlige eksempler.

Og så synes jeg, det er en meget nyttig ting, for tidligere har jeg understreget fællestræk, matematiske fællestræk, men der er også forskelle. Der er forskel på en sværm af celler og en sværm af fugle. Og så for at forstå disse systemer skal vi både overveje principperne til fælles, men også dem, der er forskellige mellem systemerne. Og på en måde indfanger sproget noget af det for os på den måde, at mennesker naturligt har adskilt eller opdelt disse i forskellige kategorier.

STROGATZ: Interessant. Så du nævnte "sværm af celler" og "sværm af insekter", jeg tror det var det, og du sagde, at der kunne være nogle forskelle, selvom vi bruger det samme ord. Hvad er de ting, vi bør skelne mellem disse eksempler?

FÆTTER: Ja, jeg synes, det virkelig spændende er, hvorfor der er et fællestræk, fordi forskellene er så dybe. Et dyr har en hjerne. Det tager kompleks sensorisk information ind og forsøger at træffe beslutninger om sit miljø. Dyr er i gennemsnit i stand til meget mere kompleks, sofistikeret adfærd end celler.

Men celler har selvfølgelig selv komplekse interne processer. Men deres interaktioner er i højere grad domineret af fysiske kræfter, af den skala, hvorpå de virker, og de spændinger, der dannes, de fysiske spændinger, der dannes i cellen, samles.

Mens dyrene, samspillet mellem fugle i en flok, er de usynlige. De har ingen fysisk form. Og så kan man i første omgang tænke, ja, så er det kun en analogi. Faktisk vil jeg sige, indtil for fem til ti år siden, troede jeg også, at det bare var en analogi. Jeg tænkte, at disse forskelle måtte være meget vigtige. Men det, vi begynder at forstå, er, at det fælles træk, som de deler, er beregning.

Det er, at disse elementer samles for at beregne deres miljø på måder, som de ikke kan beregne på egen hånd. Hvert individ, selvom du har en meget kompleks menneskelig hjerne, og du går rundt i verden, medmindre du har sociale interaktioner med andre, eller endnu mere, du ved, bygger på den kulturelle kompleksitet, som vi arver, når vi er født ind i vores liv, så er vi meget begrænsede.

Og så er der disse dybe, slags meget fascinerende spørgsmål, som vi lige er begyndt at tage fat på om beregning og fremkomsten af ​​komplekst liv.

STROGATZ: Sådan et interessant synspunkt. Jeg vidste ikke, hvilket ord du ville sige, da du sagde, at der er noget, de alle har til fælles. Jeg var - kunne ikke gætte, men jeg kan lide det: beregning.

Så du ved, det får mig til at tænke på en berømt ting, som folk måske har set film af på YouTube eller på tv, hvor der er en flok fugle - måske er det en stær - og en høg eller en falk eller noget kommer zoomende ind mod flokken. Måske skulle du give os en visuel beskrivelse af, hvad der derefter sker, og hvorfor tænker jeg, at der er noget med beregning at gøre i dette eksempel?

FÆTTER: Nå, jeg mener, hvis du ser på disse grupper, du ved, når du har disse rovdyr til stede og angriber disse grupper, uanset om det er en fiskeskole eller en fugleflok, ser du gruppen opføre sig som denne slags bølgende væske. Du ser disse krusninger af lys krydse gruppen eller krusninger af tæthed, der krydser gruppen.

Og hvad dette er et tegn på, er, at individerne faktisk kan udbrede information om det pågældende rovdyrs placering meget hurtigt via sociale interaktioner. Så individer, der for eksempel ser rovdyret - måske kun få af dem ser rovdyret i starten. Men ved at dreje, så bliver denne adfærd kopieret af andre, forplantes ændringen af ​​tæthed, ændringen af ​​drejning ekstremt hurtigt.

Og hvis vi bruger - jeg er sikker på, at vi kommer til dette senere - hvis vi bruger avancerede billedværktøjer til at kvantificere, måle disse drejningsbølger, resulterer det i en udbredelsesbølge, der er omkring 10 gange hurtigere end den maksimale hastighed af selve rovdyret. Så individer kan reagere på et rovdyr, som de ikke engang ser.

Så gruppen og individerne i gruppen - fordi selektion, naturlig selektion, virker på individerne - typisk kan de faktisk reagere på stimuli, som de ikke opdager.

Det er lidt ligesom, du ved, en neuron, der transmitterer information via elektriske signaler. I dette tilfælde er det ikke elektriske signaler. Det er i virkeligheden individernes tæthed og drejning, der trænger sig på tværs af gruppen, men det giver disse individer langt informationer, hvor truslen er, så de kan begynde at bevæge sig væk fra den meget hurtigt.

STROGATZ: Så det er, synes jeg, et meget smukt visuelt eksempel på, hvad beregning ville betyde i denne sammenhæng. At vi kan se disse bølger af panik eller undgåelse strømme gennem flokken. Det er så interessant, at det er meget hurtigere, end individer ville være i stand til at gøre på egen hånd, og jeg gætter på, hurtigere end hvad rovdyret kan mønstre på egen hånd.

FÆTTER: En af grundene til, at dette sandsynligvis er, hvorfor vi tror, ​​det er, er fordi gruppen — den naturlige selektion, selvom den virker på individerne, er det deres fitness, der betyder noget, der er sådan en kollektiv fordel for alle, hvis de opfører sig på en bestemt måde.

Dette relaterer igen til det, vi har lært af fysiske systemer, specifikt fysiske systemer tæt på en faseovergang. Så et system, der er tæt på en overgang mellem forskellige tilstande, såsom mellem et fast stof og en væske, du ved, hvis du fryser vand, og det pludselig går over i et fast stof, er den kollektive opførsel af det system ret bemærkelsesværdig i nærheden af ​​det overgangspunkt, denne bifurkation, som selvfølgelig er dit eget studieområde. Og det er noget, vi nu ved, vi har nu meget stærke beviser for, at naturlig udvælgelse skubber systemer tæt på disse bifurkationspunkter på grund af de kollektive egenskaber, de bemærkelsesværdige kollektive egenskaber, der er udstillet.

Da vi først målte disse egenskaber, virkede det som om individerne trodsede fysikkens love. Oplysningerne strømmede så hurtigt ind.

Og i begyndelsen af ​​1900-tallet, Edmund Selous, som var en bekræftet darwinist, men, du ved, også på en måde betaget af fascinationen af ​​telepati i den victorianske æra, antog han, at der måtte være tankeoverførsel, beskrev han det, eller telepati mellem fugle, der gjorde det muligt for dem at kommunikere så hurtigt.

Og selvfølgelig tænker folk, du ved, "Nå, det er latterligt, selvfølgelig kan der ikke være telepati." Men faktisk, og det er måske lidt kontroversielt, men faktisk tror jeg, at vi stadig ikke har en god forståelse af de sensoriske modaliteter og den måde, hvorpå denne information trænger så udsøgt hurtigt igennem systemet.

Jeg antyder selvfølgelig ikke, at der er telepati. Men jeg foreslår, at ved at tune et system, ved at tune et kollektivt system tæt på dette kritiske punkt, tæt på dette bifurkationspunkt, kan det give anledning til bemærkelsesværdige kollektive egenskaber, som for en iagttager ser fantastisk ud, for en iagttager, ser bizar. Fordi fysikken i disse regimer er bizar, er fantastisk, er fantastisk, selvom den er forståelig af videnskaben.

STROGATZ: Så jeg spekulerer bare på, med nu i tilfælde af kollektiv adfærd, om naturen tuner en flok til at være i nærheden af ​​et eller andet punkt af ustabilitet eller kritik. Antyder du, at det er en del af det, der gør det så effektivt?

FÆTTER: Ja, det er præcis, hvad jeg foreslår. Og så ved du for eksempel igen en meget nyligt papir inden for de sidste par år, som vi udgav, spurgte vi, du ved, hvad med at få det bedste fra alle verdener? Hvad med, hvis du ved, under generelle forhold vil du være stabil, du vil være robust. Men nogle gange vil du gerne blive overfølsom. Og så i naturlig udvælgelse skal biologiske systemer balancere denne fantastiske, slags tilsyneladende modstridende status af at være både robuste og følsomme. Hvordan kan du være både robust og følsom på samme tid?

Og så tror vi, du ved, at tuning af systemet tæt på dette kritiske punkt, faktisk tillader det at ske, fordi hvis systemet afviger, stabiliserer det sig faktisk. Men efterhånden som den bliver skubbet hen imod det kritiske punkt, bliver den utrolig fleksibel og følsom over for input, så for eksempel input vedrørende det rovdyr. Så hvis en fiskestime er langt væk fra det kritiske punkt - for eksempel hvis de er meget stærkt på linje med hinanden - og de opdager et rovdyr, kræver det faktisk en stor indsats at vende alle disse individer. De reagerer så stærkt på hinanden, at det er svært for det eksterne input at ændre deres adfærd.

Hvis de på den anden side er meget uordnede, og de alle bevæger sig i forskellige retninger, så kan en individuel skiftende retning næppe opfattes af andre, og den forplanter sig derfor ikke gennem systemet.

Og så på denne form for mellemliggende punkt kan de faktisk optimere deres evne til at opføre sig som en gruppe og være fleksible, men til at overføre information. Og dette er en teori fra fysik, der har været langvarig, men det er først rigtig inden for de sidste par år at bruge computervisionsteknologi til at spore dyr i grupper og spørge, hvordan ændrer du, du ved, dine interaktioner, når for eksempel verden bliver mere risikabelt?

Vi ville altid tænke som biologer: "Nå, hvis verden bliver mere risikabel og farligere, vil jeg blive mere følsom over for input. Jeg bliver mere nervøs, jeg vil være mere tilbøjelig til at lave en falsk alarm." Og det gælder for dyr i isolation. Det gælder for mennesker, når vi opfører os isoleret. Men vi testede dette i dyregrupper, grupper der har udviklet sig inden for rammerne af kollektivet, og vi finder ud af, at det ikke er sandt for dem.

Det, de gør, er, at de ændrer netværket, netværket af forbindelse, af hvordan informationen flyder gennem systemet. Og de tuner det sådan, at de optimerer denne form for fleksibilitet-robusthed-afvejning, dvs. de tager det ind i dette kritiske regime, som vi havde forudsagt.

STROGATZ: Hvilken slags dyr blev disse undersøgelser lavet på?

FÆTTER: Så vi arbejder for det meste med små stimefisk, fordi de skal løse den samme slags problemer - undgå rovdyr, finde passende levesteder - men alligevel er de håndterbare i et laboratoriemiljø. Så fisk har faktisk et kemikalie, som kaldes schreckstoff, som på tysk bogstaveligt talt betyder "uhyggelige ting." Og schreckstoff frigives naturligt, hvis et rovdyr angriber en fisk, skal det frigive dette kemikalie.

Så vi kan sætte schreckstoff i vandet, så der er ingen placering af et rovdyr, men individers vurdering af dette miljø ændrer sig, verden er blevet mere risikabel.

Så hvad gør du, ændrer du det, der foregår i din hjerne? Ændrer du, hvordan du interagerer med omgivelserne? Bliver du mere bange, hvilket er det naturlige, vi tror, ​​dyr gør?

Eller, hvis du forestiller dig, i et netværkssystem, i et kollektivt system, ændrer du topologien af ​​det netværk, det sociale netværk, måden du kommunikerer med andre på? For det kan også ændre reaktionen på trusler på grund af denne bølge af vending, som vi talte om før.

Så det, vi fandt, var, at individer ikke ændrer sig. Det, der sker, er, at netværket ændrer sig. Individerne flytter for at ændre strukturen i det netværk, og det er det, der får gruppen til pludselig at blive mere følsom og mere fleksibel.

Folk plejede for eksempel at have en proxy, som går ud på, at personer, der er tæt på hinanden, skal interagere stærkere. Men, som du kan tænke på i dit daglige liv, kan du sidde ved siden af ​​en fuldstændig fremmed i bussen og faktisk ikke være socialt stærkt forbundet med dem i gennemsnit. Så det sociale netværk, som individer oplever, kan være meget anderledes end det, der er nemt at måle.

Så det, vi har gjort, er - jamen, det er ret kompliceret. Men det, vi kan gøre, er, at vi rekonstruerer verden fra deres perspektiv. Og vi bruger en teknik, der kommer fra videospil og computergrafik kaldet raycasting, hvor vi kaster lysstråler ind på individernes nethinde, så vi kan se en slags computeriseret repræsentation af, hvad de ser for hvert øjeblik i tiden. Men hvad vi ikke ved er, hvordan i alverden behandler de det?

Og så igen kan vi bruge maskinlæringsmetoder, fordi hver hjerne har udviklet sig til at gøre det samme. Det har krævet kompleks sensorisk information - som folk, der lytter til os i dag. Det er en kompleks akustisk information, men de kan være kørende eller måske lave mad, så de har også kompleks visuel og olfaktorisk information, men deres hjerne skal tage al denne kompleksitet og reducere den ned i det, der kaldes dimensionalitetsreduktion, til en beslutning eller til "hvad skal jeg så gøre?" Og vi har vidst meget, meget lidt om, hvordan rigtige dyr gør dette.

Men vi kan rekonstruere deres synsfelter, og så kan vi bruge de samme typer teknikker til at reducere dimensionaliteten, for at forstå, hvordan hjernen reducerer denne kompleksitet til bevægelsesbeslutninger?

Og fiskene, som vi studerede, de har et meget lille antal neuroner bagerst i hjernen, som dikterer alle deres bevægelser. Så hjernen skal tage al denne kompleksitet ind, og den skal reducere den, og den skal træffe beslutninger. Og jeg synes, det er et vidunderligt spørgsmål i biologien om, hvordan hjerner gør det?

STROGATZ: Først og fremmest kan jeg fortælle, at jeg skal læse dine papirer oftere. Du sagde noget om at skinne lys på fiskens nethinder for derefter at se, hvad de ser, eller for at have en følelse af, at du ved, hvad de ser på? Hørte jeg det rigtigt?

FÆTTER: Ja, det skinner ikke bogstaveligt talt et lys, faktisk. Det hele foregår digitalt. Så forestil dig, at du har en fiskeskole på et øjebliksbillede i tiden, et frosset øjeblik i tiden. Vores software sporer positionen og også kropsholdningen for hver af disse fisk. Og hvad vi kan gøre er, at vi nu kan skabe en tredimensionel computerversion af den scene, som i et videospil. Vi kan så spørge, hvad ser hver enkelt? Så vi kan sætte kameraer i øjnene på de enkelte.

Og så er raycasting lidt ligesom raytracing, som bruges i computergrafik, som bare er lysets veje, der falder på nethinden. Og vi gør alt dette digitalt, så vi kan skabe en digital analog af virkeligheden. Vi kan så se for at se, hvordan lys ville falde på nethinden i den virtuelle scene, en slags fotorealistisk virtuel scene. Og så det giver os det første lag: Hvilken information kommer ind til den enkelte?

Og så er det store spørgsmål, vi gerne vil stille, selvfølgelig, hvordan hjernen behandler det? Hvordan tager hjernen den kompleksitet ned, og hvordan træffer den beslutninger? Hvordan bevæger for eksempel væskeflokke og fiskestimer sig så ubesværet og så smukt med så få kollisioner, og alligevel har biler på en motorvej en tendens til at kæmpe for at have kollektiv bevægelse? Jeg mener, er der noget, vi kan lære af årtusinders naturlig udvælgelse, som vi så kan anvende på køretøjer og robotter?

Så der er også et anvendt element til at forsøge at forstå dette. Jeg vil gerne forstå det i vid udstrækning, fordi jeg finder det fascinerende, men også, det oversætter faktisk til rigtige applikationer i visse tilfælde.

STROGATZ: Vi kommer straks tilbage.

[Pause til annonceindsættelse]

STROGATZ: Velkommen tilbage til "The Joy of Why."

Jeg vil gerne vende tilbage til noget, du sagde tilbage i introduktionen, da du gik på tværs af skalaerne fra cellulære op til primater, og så videre. Folk er måske ikke så fortrolige med græshoppeeksemplet, og jeg spekulerer på, om vi kunne tale om nogle af - lad os kalde dem virkelige eller endda økonomiske aspekter af flockning, fordi græshopper har en stor indflydelse på verden, større end jeg havde gik op for. Jeg mener, jeg kigger på nogle statistikker her i mine noter om, at græshopper i pestår invaderer mere end en femtedel af verdens landdækning.

FÆTTER: Ja.

STROGATZ: Kan du tro det? Og påvirke levebrødet for én ud af 10 mennesker på planeten. Så kunne du tale lidt med os om den slags forskning, og hvordan den relaterer sig til spørgsmål om global fødevaresikkerhed?

FÆTTER: Ja, du har fuldstændig ret. Og det synes jeg er ret forbløffende. Du ved, som du lige sagde, påvirker de én ud af 10 mennesker på vores planet gennem fødevaremangel og fødevaresikkerhed. Og det gør de ofte i lande, du ved, som Yemen og Somalia, der har store problemer, store konflikter og borgerkrige og så videre.

Men også på grund af klimaforandringerne udvides rækken af ​​græshopper over meget af dens udbredelse. Og så mener jeg i øjeblikket, at Afghanistan i år står over for en stor krise i sit fødevarebassin. For et par år siden var det Madagaskar. Et år eller to før det var det Kenya, der havde den største sværm i 70 år.

Så hvorfor, du ved, med alle de moderne teknologier, vi har til overvågning, hvorfor bliver sværmene mere voldsomme og mere alvorlige, ved du? Og en af ​​grundene er klimaforandringerne. Det er det, du ved, hvad der sker med disse sværme er - så græshopper, det kan være overraskende for lyttere at vide dette, men græshopper kan faktisk ikke lide at være i nærheden af ​​hinanden. De er generte, kryptiske grønne græshopper, der kan lide at blive ladt alene. Så hvis de har rigeligt med mad, er de bare isoleret fra hinanden. De undgår hinanden. Det er først, når de er tvunget til at komme sammen, de skifter.

Så de er normalt, hvad der kaldes ensomme på grund af deres ensomme livsstil. Men hvis de er tvunget til at komme sammen, har de udviklet sig til en overgang. De er en slags Jekyll og Hyde i insektverdenen. De har udviklet sig til at overgå ganske pludseligt, inden for en time, adfærdsmæssigt, til en selskabelig form, hvor de begynder at marchere mod hinanden og følge efter hinanden.

En anden ting, folk måske ikke ved, er, at græshopper faktisk ikke har vinger i de første måneder af deres liv. Og så når græshopper bliver født, er de flyveløse. De er disse flyveløse nymfer. Det er først, når de er voksne, de har vinger.

Og så, det, der sker her, er, at når regnen kommer ind i Afrika, for eksempel, eller ind i Indien, eller ind i andre områder, så kan du have frodig vegetation, og den lille græshoppepopulation kan formere sig, da den slags kryptiske græshopper, de kan vokse i befolkningsstørrelse. Nu hvor den befolkning vokser, spiser de mere og mere og mere, og ofte kan der også komme en tørke.

Hvis du nu har en høj befolkningstæthed, og så pludselig forsvinder maden, så er det, græshopperne gør, at de har udviklet sig til at gå over til denne selskabelige form, hvor de begynder at marchere sammen. De begynder alle at bevæge sig sammen. Disse sværme kan være milliarder af individer - så vidt du kan se, marcherer græshopper alle i forening, som om de havde et fælles formål. Og når de først får vinger, kan de flyve. Og så bliver det endnu værre, fordi de kan få adgang til passatvinden eller andre, du ved, miljøforhold, hvor de kan overføre sig selv som massive sværme over hundreder eller endda tusinder af kilometer. Og så er dette en af ​​de største og mest ødelæggende kollektive adfærd, vi har på vores planet.

STROGATZ: Puha, jeg kan ikke sige, at jeg er meget bekendt med tanken om, at græshopper marcherer. Vi er vant til at tænke på dem som disse skyer, du ved, der myldrer i luften. Men fortæl os lidt mere om marcheringen, for det kan jeg vagt huske nogle forbløffende forskning af jer med det kannibalistiske aspekt af græshopper, er det det rigtige ord at bruge?

FÆTTER: Ja, det var i 2008, og - men du har ret, du ved, disse enorme flokke eller sværme eller skyer af græshopper, der går over store afstande, du ved, vi ved ikke meget om dem, fordi vi ikke havde teknologi til at studere det. Faktisk har vi stadig ikke teknologien til at studere det. Så det er ikke fordi det ikke er vigtigt, det er utroligt vigtigt.

Men vi ved også, at det, der går forud for disse flyvende sværme - jeg mener, den flyvende sværm er lidt som en naturbrand, der allerede er kommet ud af kontrol. Nu vil du virkelig få problemer med at kontrollere det. Men hvis du kan kontrollere det, før de vokser vinger, du ved, når de danner disse sværme i ørkenen eller disse miljøer før det, så er der et stort potentiale.

Og derfor fokuserede vi af praktiske årsager på disse vingeløse sværme. Og faktisk, du ved, selvom du har ret, begyndte jeg at studere disse i midten af ​​2000'erne, vi er nu, jeg vender nu tilbage til græshopperne, og jeg studerer dem nu igen.

Vi har netop skabt verdens første ordentlige sværm i laboratoriemiljøet nogensinde, tidligere i år, hvor vi sporede 10,000 græshopper i et 15 x 15 x 8 meter billeddannelsesmiljø, som vi byggede her specifikt til formålet, her i Konstanz. Så det er sjovt, at du nævner det, for min forskning går nu på en måde tilbage til det samme system.

Men, ja, som du sagde, det vi opdagede var, du ved, disse insekter, ja, hvorfor marcherer de sammen? Hvorfor er de - du ved, og vi troede i begyndelsen, at det måtte være ligesom fiskestimer og fugleflokke. Det skal handle om information. Det skal handle om kollektiv intelligens. Nå, vi tog fejl. Og det er altså den store fare. Hvis du ser, du ved, en sværm af myrer, der bevæger sig i en cirkel, bevæger sig i en slags mølle, og du ser en fiskestime, for eksempel, der vender sig i en torus eller en slags doughnut-lignende mønster, eller du ser en hvirvelvind, det er alle mønstre, der ser ens ud, men de kan være drevet af meget, meget forskellige fænomener.

Og jeg tror, ​​jeg blev vildledt i at tro, du ved, når man ser kollektiv bevægelse, må det være lignende processer, der ligger til grund for det. Men i tilfælde af græshopper var det ikke denne form for informationsoverførselshypotese. Det var faktisk det faktum, at i disse ørkenmiljøer, når maden pludselig bliver kort, mangler du desperat essentielle næringsstoffer, især i ørkenen: protein, salt og vand.

Og hvad er bedre for dig i denne slags barske omgivelser end et andet individ? Fordi de er perfekt afbalanceret ernæringsmæssige sammensætning. Så hvad individerne gør er, at de er tiltrukket af hinanden, og de har en tendens til at kannibalisere hinanden. Så de har udviklet sig til at følge dem, der bevæger sig væk, for at prøve at bide dem bagpå, bagerst i maven, hvilket er meget svært at forsvare sig imod. Hovedet er tungt pansret, men bagsiden af ​​maven er et svagt punkt af indlysende årsager, der skal være en åbning der.

Og så målretter de det, men så undgår de også at blive målrettet af andre. Og resultatet af at følge dem, der bevæger sig væk fra dig og bevæger sig væk fra dem, der bevæger sig mod dig, resulterer i, at hele sværmen begynder at marchere sammen over dette ørkenmiljø.

Og de har også gavn af at advectere, ved at flytte ud af næringsfattige områder sammen. Fordi, du ved, hvis du sætter et menneske i ørkenen, vil et menneske have en tendens til at blive desorienteret og have tendens til at bevæge sig rundt i cirkler. Det samme med en græshoppe. Men hvis du sætter dem i en sværm, den kollektive justering, synkroniseringen mellem individerne, du ved, hundreder af millioner af individer, der tilpasser sig hinanden, kan de marchere på en meget rettet måde ud af disse næringsfattige miljøer. Og de kan også sumpe rovdyr. Du ved, rovdyr kan bare ikke gøre meget væsen af ​​sig her.

STROGATZ: Det får mig faktisk til at spekulere på, når vi taler om alle disse eksempler, hvordan blev du interesseret i alt dette, tilbage i gamle dage? Du nævnte, at dette var tilbage i 2008?

FÆTTER: Ja, det var det papir i 2008.

STROGATZ: Ja, du havde travlt med det her selv før det, ikke?

FÆTTER: Ja, jeg tog min ph.d. i slutningen af ​​halvfemserne på myrer. Jeg var fascineret af myres adfærd. Og for at være ærlig startede det med en passion for naturen og en besættelse af bare naturhistorie og at observere, hvad der var omkring os.

Jeg tænkte, at der som barn måtte være en ekspert, der forstår, hvorfor sværme dannes, hvorfor fiskeskoler, hvorfor fugle flokkes. Jeg tænkte, at det her måtte være noget, som alle studerer.

Jeg var kunstner som barn. Jeg var meget interesseret i kreativ skrivning og poesi og kunst. Og så blev jeg i starten tiltrukket af den rene skønhed, fascinationen af ​​skønheden ved disse.

Og i gymnasiet var jeg ikke nogen stor elev i naturvidenskab. Jeg lavede keramik, og jeg malede. Og da jeg gik på universitetet, kan jeg huske, at min far sagde til mig: "Du ved, søn, du skal gøre det, du er god til. Lav engelsk eller kunst. Du er ikke videnskabsmand, du er naturforsker, ved du?” Og han havde ret. Han havde fuldstændig ret.

Og det var senere, da jeg tog en biologiuddannelse, og jeg vidste bare i den allerførste forelæsning af min biologiforelæsning, at jeg vidste, at dette var det rigtige for mig, jeg vidste det bare. Og jeg opdagede, at der er hele denne verden af ​​statistisk fysik. Disse artikler udkom i den tid, og de blæste mit sind, fordi de var forfattere, der så dybe matematiske principper på tværs af systemer.

Min ph.d. rådgiver sagde, du ved, for at få et job, skal du blive verdensekspert i en art af myrer, og så kan du være værdifuld. Men jeg læste dette arbejde af videnskabsmænd, der gjorde det stik modsatte. De studerede alt, fra fysiske systemer til biologiske systemer, og de så disse principper. Og også, mønstrene og strukturerne og de resultater, de fandt, var bare naturligt smukke. Og så tænkte jeg, det her må være rigtigt. Dette skal være den rigtige måde at lave videnskab på. Og så på det tidspunkt blev jeg bare trukket ind i fysikkens verden.

STROGATZ: Har du nogensinde haft fornøjelsen af ​​at tale med din far bagefter om dit skifte i retning?

FÆTTER: Jeg troede aldrig, nogensinde, at min far huskede dette. Og da jeg så blev forfremmet fra adjunkt til fuld professor ved Princeton University, fik jeg et telefonopkald fra formanden for afdelingen, der sagde: "Tillykke, professor Couzin." Og du ved, jeg var bare helt blæst bagover, så selvfølgelig ringede jeg til min mor og far, og min far tog telefonen, og så sagde han: "Og for at tro, at jeg kaldte dig naturforsker." Det er den eneste gang, det er årtier senere. Jeg vidste aldrig, at han huskede denne diskussion.

STROGATZ: Nå, det er en god historie, det er en rigtig god historie. Vi kan godt lide at tale om store ubesvarede spørgsmål i dette show, og så, hvad ser du som nogle af de største ubesvarede spørgsmål om flokke og skoler og kollektiv adfærd generelt?

FÆTTER: Nå, det gør jeg bestemt. Og dette får mig ind på det emne, som jeg er så begejstret for nu. Så igen, tidligere i min karriere, tænkte jeg, du ved, hjernen er selvfølgelig en vidunderlig kollektiv beregningsenhed, et af de smukkeste eksempler, du ved. Hvordan træffer hjernen beslutninger? Og det er en samling af neuroner, og selvfølgelig har vi myresværme, eller græshoppesværme, eller fugleflokke eller fiskeskoler, alle disse forskellige komponenter interagerer sammen. Så er der noget, der dybt forbinder disse forskellige systemer, eller ej? Og det, jeg er fascineret af i øjeblikket, er kollektiv beslutningstagning, og især kollektiv beslutningstagning i rummet.

Så hvordan repræsenterer hjernen rum-tid? Og hvordan betyder det i forhold til beslutninger? Og hvad i alverden har det at gøre med dyrs kollektive adfærd? Det, jeg indså for fem år siden, er, at jeg tror, ​​der er en dyb matematisk lighed, og jeg tror, ​​at der er dybe geometriske principper, om hvordan hjernen repræsenterer rum og også tid.

Og noget af det mest spændende her er brugen af ​​matematik igen. Du ved, jeg droppede matematik, da jeg var 16 år gammel, og jeg har lige tilbragt et sabbatår på Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences ved Cambridge University som Distinguished Fellow. Alligevel kan jeg ikke løse en ligning, ved du det?

Så det er jeg, men jeg elsker det faktum, at jeg kan arbejde med fantastiske matematikere. Og ved at arbejde med fysikere og matematikere og biologer og ved at udføre eksperimenter på dyr i virtual reality - har vi bygget en række teknologier her. Så vi kan ikke sætte et headset som en Meta Quest 3 på en fisk, der er mindre end en centimeter lang. Men vi kan skabe virtuelle, fordybende, holografiske miljøer, så vi helt kan kontrollere inputtet. Vi kan fuldstændig kontrollere årsagssammenhængene.

Hvis, du ved, jeg påvirker dig, og du påvirker mig, og så er der en tredje person, påvirker de mig så direkte eller via dig? Eller begge? Eller en fjerde person eller femte? Og i vores virtual reality-miljøer kan vi sætte disse individer ind i det, vi kalder Matrix, som i filmen, hvor hvert individ er i sin egen holografiske verden og interagerer i realtid med hologrammer af andre individer.

Men i denne verden kan vi lege med fysikkens regler. Vi kan lege med reglerne for rum og tid for bedre at forstå, hvordan integrerer hjernen disse?

Og så, dette blæser mig virkelig, fordi vi kan vise, at hjernen ikke repræsenterer rummet på en euklidisk måde. Det repræsenterer rummet i et ikke-euklidisk koordinatsystem. Og vi kan så matematisk vise, hvorfor dette er så vigtigt, hvilket er, at når du begynder at beskæftige dig med tre eller flere muligheder, så kan faktisk fordrejning af rumtiden, hvilket gør rummet ikke-euklidisk, dramatisk reducere verdens kompleksitet til en række bifurkationer. Og tæt på hver bifurkation forstærker det forskellene mellem de resterende muligheder. Så der er denne smukke indre struktur.

Og så tror vi, at vi har denne universelle teori om, hvordan hjernen træffer rumlige beslutninger, som vi aldrig kunne have nået uden at se på en række organismer som fisk og græshopper og fluer i disse typer virtual reality-miljøer, og så er det hvad jeg er super begejstret for.

[Temaspil]

STROGATZ: Nå, jeg kan ikke vente med at høre om alt dette, mens du finder ud af det. Jeg kunne blive ved med dig hele dagen, men jeg synes, det er på tide at sige tak. Vi har talt med den evolutionære økolog Iain Couzin om flok, sværmning, skolegang og alle mulige former for kollektiv adfærd. Iain, det har været sådan en fornøjelse at lære om, hvad du har gang i, og naturens vidundere, at du har hjulpet med at optrevle for os alle. Mange tak.

FÆTTER: Det har været en fornøjelse. Tak, Steve.

[Tema fortsætter med at spille]

STROGATZ: Tak for at lytte. Hvis du nyder "The Joy of Why", og du ikke allerede er tilmeldt, skal du trykke på abonner eller følg-knappen, hvor du lytter. Du kan også skrive en anmeldelse af showet. Det hjælper folk med at finde denne podcast.

"The Joy of Why" er en podcast fra Quanta Magazine, en redaktionelt uafhængig publikation støttet af Simons Foundation. Finansieringsbeslutninger fra Simons Fonden har ingen indflydelse på valget af emner, gæster eller andre redaktionelle beslutninger i denne podcast eller i Quanta Magazine.

"The Joy of Why" er produceret af PRX Productions. Produktionsteamet er Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler og Merritt Jacob. Den udøvende producent af PRX Productions er Jocelyn Gonzales. Morgan Church og Edwin Ochoa ydede yderligere hjælp.

Fra Quanta Magazine, John Rennie og Thomas Lin leverede redaktionel vejledning med støtte fra Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana og Madison Goldberg.

Vores temamusik er fra APM Music. Julian Lin fandt på podcastnavnet. Afsnittet er af Peter Greenwood, og vores logo er af Jaki King og Kristina Armitage. Særlig tak til Columbia Journalism School og Bert Odom-Reed på Cornell Broadcast Studios.

Jeg er din vært, Steve Strogatz. Hvis du har spørgsmål eller kommentarer til os, bedes du kontakte os på [e-mail beskyttet]. Tak for at lytte.