Lindude parv. Jaanitirtsud vuravad. Kalakool. Organismide kooslustes, mis näivad muutuvat kaootiliseks, tekib kuidagi kord. Loomade kollektiivne käitumine erineb liigiti oma üksikasjade poolest, kuid nad järgivad suuresti kollektiivse liikumise põhimõtteid, mille füüsikud on sajandite jooksul välja töötanud. Nüüd, kasutades tehnoloogiaid, mis alles hiljuti kättesaadavaks said, on teadlased saanud neid käitumismustreid uurida lähemalt kui kunagi varem.

Selles episoodis evolutsiooniline ökoloog Iain Couzin räägib kaassaatejuhiga Steven Strogatz selle kohta, kuidas ja miks loomad käituvad kollektiivselt, flokkides kui bioloogilise arvutuse vormis, ja mõningaid varjatud sobivuse eeliseid, mis tulenevad elamisest pigem iseorganiseerunud rühma kui üksikisikuna. Samuti arutletakse selle üle, kuidas parem arusaamine sülemlevatest kahjuritest, nagu jaaniussikad, võiks aidata kaitsta ülemaailmset toiduga kindlustatust.

Kuulake edasi Apple Podcastid, Spotify, Google Podcastid, Häälestama või oma lemmik taskuhäälingusaadete rakenduse või saate seda teha voogesitage seda Quanta.

Ümberkirjutus

[Teemaesitused]

STEVEN STROGATZ: Kogu loomariigis, alates pisikestest sääskedest kuni kaladeni, lindude, gasellide ja isegi meiesuguste primaatideni, kipuvad olendid organiseeruma suurteks liikumismustriteks, mis taotlevad näiliselt spontaanset ühist eesmärki. Sageli ei näi ükski olend olevat juht, kes neid massilisi liikumisi korraldab. Pigem langevad loomad lihtsalt sujuvalt ühte ritta.

Ja kuigi tundub, et sellised süsteemid kalduvad kaosesse või ebastabiilsusse, suudavad need kollektiivid kuidagi liikuda viisil, mis näib olevat erakordselt hästi koordineeritud ja sihikindel, nagu võib kinnitada igaüks, kes on vaadanud kuldnokkade või kalaparve mühinat. Kuid mis on selle käitumise liikumapanev jõud?

Mina olen Steve Strogatz ja see on taskuhäälingusaade "The Joy of Why". Quanta Magazine kus mu kaassaatejuht Jana Levin ja uurin kordamööda mõningaid tänapäeva suurimaid vastamata küsimusi matemaatikas ja loodusteadustes.

[Teema lõpeb]

Selles osas uurime, miks loomad kogunevad, sülemlevad ja koolitavad. Kuidas pakuvad uusimad tehnoloogiad, nagu tehisintellekt ja 3D-kaamerad, uut teavet? Ja mida võib loomade rühmadünaamika uurimine meile meie endi kohta nii individuaalselt kui ka kollektiividena rääkida?

Siin on nende saladuste valgustamiseks evolutsiooniline ökoloog Iain Couzin. Iain on Max Plancki loomade käitumise instituudi kollektiivse käitumise osakonna direktor ja Konstanzi ülikooli korraline professor. Paljude talle osaks saanud tunnustuste hulgas on National Geographic Emerging Explorer Award, Lagrange'i auhind, kõrgeim auhind keerukuseteaduse valdkonnas ja Leibnizi auhind, Saksamaa kõrgeim teadustöö auhind. Iain, meil on nii hea meel, et oled täna meiega.

IAIN COUZIN: Siin on hea olla, Steve.

STROGATZ: Noh, mul on väga hea meel teid jälle näha. Oleme vanad sõbrad ja see on tõeline maiuspala kuulda kollektiivse käitumise viimastest. Aga alustame – ma arvan, et peaksime rääkima sellest, kes on teie isendid? Kas saaksite meile veidi rääkida mõnest loomast ja nende kollektiivse käitumise erinevatest vormidest teie uuritud süsteemides?

COUZIN: Noh, see on üks hämmastavamaid asju kollektiivse käitumise uurimisel. Just see, et see on meie planeedi eluprotsessis nii paljude protsesside keskne, et me sõna otseses mõttes uurime mitmesuguseid organisme, alates planeedi kõige lihtsamast loomast – seda nimetatakse plakoosoaks; see on basaalhõimkond, võib-olla lihtsaim mitmerakuline loom planeedil; see on rakuparv, tuhanded rakud, mis liiguvad paljuski nagu linnuparv või kalaparv – läbi selgrootute, nagu sipelgad, kellel on hämmastavalt koordineeritud käitumine, või jaaniussikad, kes moodustavad ühed suurimatest ja kõige laastavamatest sülemitest, kuni selgroogseteni, näiteks koolis. kalad, karjatavad linnud, kabiloomade karjatamine ja primaadid, sealhulgas meie ise – inimesed.

STROGATZ: Tundub, et see tõesti juhib kogu vahemikku – pean tunnistama, et ma polnud sellest kunagi kuulnud, kas ma sain õigesti aru: placozoa?

COUZIN: Placozoa, jah. See väike olend leiti akvaariumi, troopilise akvaariumi, klaasil ringi roomamas. Seda näete palja silmaga. See on umbes millimeeter, võib-olla poolteist millimeetrit, kui see on väga suur. Ja teate, selle tähelepanuväärse olendi uurimine on teadlaste tähelepanu pälvinud alles hiljuti.

Ja seda suuresti seetõttu, et sellel kummalisel väikesel omapärasel rakuparvel on tegelikult geneetiline keerukus, mida võiks seostada palju keerukama organismiga. Näiteks on sellel suur hulk neurotransmittereid, kuid sellel ei ole neuroneid.

[STROGATZ naerab]

Sellel on nn Hox geenid. Hox geenid on arengubioloogias seotud keerukate kehaplaanidega. Sellel pole keerulist kehaplaani. Ja nii võib-olla võite arvata, et see olend võis areneda keerulisemaks ja seejärel uuesti areneda, et ennast lihtsustada, ja seetõttu säilitas ta need keerukuse omadused.

Kuid geeniteadlased avaldasid ajakirjas omamoodi olulise paberi loodus mis näitas, ei, tegelikult on see üks neist enamik ürgseid rakurühmi. Ja muidugi kollektiivne käitumine, mis oleks ilusam näide kui rakkude ühinemine organismi moodustamiseks. Sa tead? See on üks põhjusi, miks me seda uurime: püüda mõista, kuidas kollektiivne käitumine oli meie planeedi keerulise elu tekke keskmes.

STROGATZ: Mees, see on intervjuu varajases staadiumis ja sa oled juba mu meelest. Sa tõmbad mu rööpast välja ka sellest, millest arvasin, et hakkan sinuga rääkima. See on minu jaoks nii huvitav ja nii uus, et ma olen hämmingus. Ma tahan selle loo osa juurde tagasi tulla, sest see on nii – ma mõtlen, et on tõesti üllatav, et neil oleks… Kas ma kuulsin õigesti, et neil on asju, mis on seotud närvisüsteemiga, aga neil puudub närvisüsteem? Ja kas neil on bioloogilised arengugeenid, nagu oleks neil vaja välja töötada terve keeruline kehaplaan nagu äädikakärbsel, aga neil pole sellist keha?

COUZIN: Täpselt, täpselt. Ja nii, nad võiksid meile tõesti anda vihje intelligentsuse päritolu kohta. Meie konkreetne uuring, mille sel aastal avaldasime, näitasime, et nende kehaplaan käitub tõesti väga sarnaselt linnuparve või kalaparvega, kusjuures rakud suhtlevad teistega kohapeal ja kipuvad oma liikumissuunda ühtlustama.

Nii et nad tõmbavad teineteise poole. Need on omavahel nagu elastne leht, kuid kipuvad olema ka liikuvad. Neil on ripsmed, väikesed ripsmed, nii et nad saavad mööda keskkonda voolata. Ja jõud, mida nad oma lähinaabrite suhtes rakendavad, panevad nad üksteisega joonduma.

Ja kui me jälgime neid rakke mikroskoobi all ja vaatame joondamist ja indiviidide külgetõmbejõudu, siis kasutame väga palju samu tehnoloogiaid, samu mudeleid, sama mõtlemist, mida me kasutame. kollektiivne käitumine linnuparvedes või kalaparved või muud tüüpi rühmad kuid rakendage seda nende loomade puhul.

Ja nii, see on üks asi, mida ma kollektiivse käitumise juures kõige tähelepanuväärsemaks pean, on see, et kuigi süsteemi omadused, olenemata sellest, kas sa oled rakk või kas sa oled lind, on väga erinevad, kui vaadata kollektiivne tegevus, kollektiivsed omadused, matemaatika, mis selle aluseks on, tegelikult saab osutuvad väga sarnaseks. Ja nii võime leida need omamoodi universaalsed omadused, mis ühendavad neid erinevaid, ilmselt erinevaid süsteeme.

STROGATZ: Muidugi, sa räägid nüüd minu keelt, kuna tead, see tõmbas mind kollektiivse käitumise vastu minu lummusesse, kuna on universaalsed matemaatilised põhimõtted, mis näivad kehtivat skaalal üles ja alla rakkudest , no muidugi, meile meeldib alati end tippu seada.

Aga nii, okei, te olete tõstatanud meile nii palju erinevaid küsimusi, mille üle mõelda. Lubage mul proovida minna tagasi algusesse, nii nagu mulle meeldiks teiega siin Placozoa juures viibida.

Näiteks mainisite selliseid sõnu nagu "karjad" ja "koolid" ning mõnikord kuuleme inimesi rääkimas "sülemitest", näiteks putukatest. Kas on põhjust, miks meil on sama asja jaoks kolm erinevat sõna? Kas need pole tõesti samad asjad, kui räägime kollektiivsetest rühmadest? Kas on põhjust, miks me ei peaks rääkima, näiteks lindudest või sülemlevatest kaladest?

COUZIN: Ei, ma arvan, et oleme need sõnad välja töötanud ja erinevates keeltes on erinevad sõnad. Saksa keeles, mis on paljude sõnadega keel, on neil tegelikult suhteliselt vähe. Samas kui inglise keeles on meil palju-palju erinevaid sõnu. Nagu teate, näiteks vareste rühma nimetatakse vareste mõrvaks.

[STROGATZ naerab]

Sa ise kasutasid varem imelist sõna, kuldnokkade “murinat”. Ja ma arvan, et just see ilu, kogunemise, koolimineku ja sülemlemise kütkestav ilu on andnud alust need imelised sõnad, mida võib konkreetsete näidetega seostada.

Ja nii ma arvan, et see on väga kasulik asi, sest varem rõhutasin ühisjooni, matemaatilisi ühiseid jooni, kuid on ka erinevusi. Rakuparvel ja linnuparvel on vahe. Nende süsteemide mõistmiseks peame mõlemad arvestama ühiste, aga ka süsteemide vahel erinevate põhimõtetega. Ja teatud mõttes haarab keel sellest osa meie jaoks nii, nagu inimesed on need loomulikult eraldanud või jaganud erinevatesse kategooriatesse.

STROGATZ: Huvitav. Niisiis, te mainisite "rakuparv" ja "putukate sülem", ma arvan, et see oli nii ja ütlesite, et seal võib olla erinevusi, kuigi me kasutame sama sõna. Mis on need asjad, mida peaksime nende näidete vahel eristama?

COUZIN: Jah, ma arvan, et tõeliselt põnev on see, miks on ühisosa, sest erinevused on nii sügavad. Loomal on aju. See võtab vastu keeruka sensoorse teabe ja püüab oma keskkonna kohta otsuseid teha. Loomad on keskmiselt võimelised palju keerulisemaks ja keerukamaks käitumiseks kui rakud.

Kuid rakkudel on loomulikult keerulised sisemised protsessid. Kuid nende interaktsioonis domineerivad suuremal määral füüsilised jõud, nende tegutsemise skaala ja tekkivad pinged, füüsilised pinged, mis tekivad rakusagregaadi sees.

Kui loomad, lindude vastasmõju karjas, on nad nähtamatud. Neil pole füüsilist vormi. Ja nii võib esialgu arvata, et noh, siis on see vaid analoogia. Tegelikult, ma ütleksin, et veel umbes viis kuni kümme aastat tagasi arvasin, et see on ka lihtsalt analoogia. Arvasin, et need erinevused peavad olema väga olulised. Kuid me hakkame mõistma, et nende ühine omadus on arvutamine.

Need elemendid kogunevad kokku, et arvutada oma keskkonna kohta viisil, mida nad ise ei suuda arvutada. Iga inimene, isegi kui teil on väga keeruline inimaju ja te kõnnite maailmas ringi, välja arvatud juhul, kui teil on teistega sotsiaalne suhtlus, või veelgi enam, tead, et see tugineb kultuurilisele keerukusele, mille me pärime, kui me sünnime oma ellu, siis oleme väga piiratud.

Ja nii, siin on need sügavad, omamoodi väga põnevad küsimused, mida me alles hakkame käsitlema arvutuste ja keeruka elu tekkimise kohta.

STROGATZ: Selline huvitav vaatenurk. Ma ei teadnud, mis sõna sa ütled, kui ütlesid, et neil kõigil on midagi ühist. Ma olin — ei osanud arvata, aga mulle meeldib: arvutamine.

Nii et teate, see paneb mind mõtlema kuulsale asjale, mille kohta inimesed võivad olla YouTube'is või televisioonis filme näinud ja kus on linnuparv – võib-olla on see kuldnokk – ja kull või pistrik või midagi suumib. kari. Võib-olla peaksite meile visuaalselt kirjeldama, mis järgmisena juhtub, ja miks ma arvan, et selles näites on arvutamisega midagi pistmist?

COUZIN: Noh, ma mõtlen, et kui te vaatate neid rühmi, siis teate, et kui need röövloomad on kohal ja ründavad neid rühmi, olgu see siis kalaparv või linnuparv, näete, et rühm käitub sellise lainelise vedelikuna. Näete neid valguse lainetust, mis ületab rühma, või tiheduse lainetust, mis ületab rühma.

Ja see viitab sellele, et indiviidid saavad tegelikult levitada teavet selle kiskja asukoha kohta sotsiaalse suhtluse kaudu väga kiiresti. Nii et isendid, kes näevad näiteks kiskjat - võib-olla ainult vähesed neist näevad esialgu kiskjat. Kuid keerates, siis seda käitumist teiste poolt kopeerides levib tiheduse muutus, pöörde muutumine ülikiiresti.

Ja kui me kasutame – olen kindel, et jõuame selleni hiljem –, kui kasutame nende pöördelainete kvantifitseerimiseks ja mõõtmiseks täiustatud pilditööriistu, on tulemuseks levilaine, mis on maksimaalsest kiirusest umbes 10 korda kiirem. kiskja enda kohta. Nii saavad inimesed reageerida kiskjale, keda nad isegi ei näe.

Niisiis, rühm ja rühmas olevad indiviidid – kuna valik, looduslik valik toimib indiviididele –, võivad nad tavaliselt reageerida stiimulitele, mida nad ei tuvasta.

See on natuke nagu neuron, mis edastab teavet elektriliste signaalide kaudu. Sel juhul pole tegemist elektriliste signaalidega. See on tegelikult indiviidide tihedus ja pöördumine, mis imbub üle grupi, kuid see annab neile inimestele kaugelt teavet ohu kohta, nii et nad võivad hakata sellest väga kiiresti eemalduma.

STROGATZ: Nii et see on minu arvates väga ilus visuaalne näide sellest, mida arvutamine selles kontekstis tähendaks. Et me näeme neid paanika või vältimise laineid läbi karja voolamas. See on nii huvitav, et see on palju kiirem, kui isendid suudaksid iseseisvalt hakkama saada, ja ma arvan, et kiiremini kui see, mida kiskja üksinda suudab.

COUZIN: Üks põhjusi, miks see tõenäoline on, miks me seda arvame, on see, et rühm – looduslik valik, kuigi see mõjub indiviididele, on oluline nende sobivus, sellest on igaühele selline kollektiivne kasu, kui nad käituvad. teatud viisil.

See on jällegi seotud sellega, mida oleme õppinud füüsilistest süsteemidest, täpsemalt füüsilistest süsteemidest faasisiirde lähedal. Niisiis, süsteem, mis on lähedal üleminekule erinevate olekute, näiteks tahke ja vedeliku vahel, teate, kui külmutate vett ja see muutub järsku tahkeks, on selle süsteemi kollektiivne käitumine selle lähedal üsna tähelepanuväärne. üleminekupunkt, see hargnemine, mis on loomulikult teie enda uurimisvaldkond. Ja see on midagi, mida me nüüd teame, meil on nüüd väga tugevaid tõendeid selle kohta, et looduslik valik surub süsteemid nendele bifurkatsioonipunktidele lähedale nende kollektiivsete omaduste, tähelepanuväärsete kollektiivsete omaduste tõttu, mida eksponeeritakse.

Kui me neid omadusi esimest korda mõõtsime, tundus, et inimesed eiravad füüsikaseadusi. Teave imbus nii kiiresti.

Ja omamoodi 1900. aastate alguses, Edmund Selous, kes oli kinnitatud darvinist, kuid oli ka viktoriaanlikul ajastul telepaatia vaimustuses, eeldas ta, et seal peab olema mõtete ülekandmine, kirjeldas ta, või telepaatia lindude vahel, mis võimaldas neil nii kiiresti suhelda.

Ja muidugi inimesed, teate, mõtlevad: "Noh, see on naeruväärne, loomulikult ei saa telepaatia olla." Kuid tegelikult ja see on võib-olla pisut vastuoluline, kuid tegelikult arvan, et me ei mõista ikka veel hästi sensoorseid modaalsusi ja viisi, kuidas see teave nii peenelt kiiresti läbi süsteemi imbub.

Ma ei väida muidugi, et seal on telepaatia. Kuid ma väidan, et häälestades süsteemi, häälestades kollektiivset süsteemi selle kriitilise punkti lähedale, selle hargnemispunkti lähedale, võib see esile kutsuda märkimisväärseid kollektiivseid omadusi, mis vaatleja jaoks näivad fantastilised, vaatleja jaoks. veider. Sest füüsika nendes režiimides on veider, fantastiline, hämmastav, kuigi see on teadusele arusaadav.

STROGATZ: Nii et ma lihtsalt mõtlen nüüd kollektiivse käitumise puhul, kas loodus häälestab karja mingi ebastabiilsuse või kriitilisuse punkti lähedale. Kas arvate, et see on osa sellest, mis teeb selle nii tõhusaks?

COUZIN: Jah, just seda ma soovitan. Ja nii näiteks teate jällegi väga viimastel paber viimase paari aasta jooksul, mille me avaldasime, küsisime, kuidas on lood kõigi maailmade parima saamisega? Mis siis, kui tead, et üldistes tingimustes tahad olla stabiilne, tahad olla jõuline. Kuid mõnikord soovite muutuda ülitundlikuks. Ja nii peavad bioloogilised süsteemid looduslikus valikus tasakaalustama seda hämmastavat, näiliselt vastuolulist olekut, mis on nii tugev kui ka tundlik. Kuidas olla samaaegselt jõuline ja tundlik?

Ja nii me arvame, et süsteemi häälestamine selle kriitilise punkti lähedale võimaldab sellel tegelikult juhtuda, sest kui süsteem kaldub kõrvale, stabiliseerub see tegelikult ise. Kuid kui see kriitilise punkti poole surutakse, muutub see uskumatult paindlikuks ja tundlikuks sisendite, näiteks selle kiskjaga seotud sisendite suhtes. Nii et kui kalaparv on sellest kriitilisest punktist kaugel – näiteks kui nad on üksteisega väga tugevalt joondatud – ja nad avastavad röövlooma, siis tegelikult nõuab kõigi nende isendite pööramine palju pingutusi. Nad reageerivad üksteisele nii tugevalt, et välisel sisendil on raske nende käitumist muuta.

Teisest küljest, kui nad on väga segased ja liiguvad kõik eri suundades, siis ei suuda teised indiviidi muutuvat suunda tajuda ja seega ei levi see läbi süsteemi.

Ja nii saavad nad sellises vahepunktis optimeerida oma võimet rühmana käituda ja olla paindlikud, kuid edastada teavet. Ja see on füüsikast pärit teooria, mis on olnud pikaajaline, kuid alles viimastel aastatel on arvutinägemistehnoloogia abil võimalik jälgida loomi rühmades ja küsida, kuidas te muudate oma suhtlust, kui näiteks maailm muutub riskantsemaks?

Bioloogidena mõtleksime alati: "Noh, kui maailm muutub riskantsemaks ja ohtlikumaks, muutun ma sisendite suhtes tundlikumaks. Olen närvilisem, teen tõenäolisemalt valehäire. Ja see kehtib isoleeritud loomade kohta. See kehtib inimeste kohta, kui me käitume isoleeritult. Kuid me katsetasime seda loomarühmades, rühmades, mis on arenenud kollektiivi kontekstis, ja leiame, et see ei kehti nende kohta.

Nad muudavad võrku, ühenduvusvõrku, seda, kuidas teave süsteemi kaudu liigub. Ja nad häälestavad seda nii, et optimeerida seda tüüpi paindlikkuse ja vastupidavuse kompromissi, st nad võtavad selle sellesse kriitilisse režiimi, nagu me ennustasime.

STROGATZ: Milliste loomadega neid uuringuid tehti?

COUZIN: Seega töötame enamasti väikeste parvekaladega, sest nad peavad lahendama samu probleeme – vältima kiskjaid, leidma sobivat elupaika –, kuid nad on laborikeskkonnas kontrollitavad. Nii et kaladel on tegelikult kemikaal, mida nimetatakse schreckstoff, mis saksa keeles tähendab sõna-sõnalt lihtsalt "hirmutavat asja". Ja schreckstoff vabaneb loomulikult, kui kiskja ründab kala, peab ta selle kemikaali vabastama.

Nii et saame panna schreckstoff vees, seega pole kiskja asukohta, kuid üksikisikute hinnang selle keskkonna kohta muutub, maailm on muutunud riskantsemaks.

Mida sa siis teed, kas muudad oma ajus toimuvat? Kas muudate seda, kuidas te keskkonnaga suhtlete? Kas hakkate rohkem kartma, mis on loomulik asi, mida me arvame, et loomad teevad?

Või kui kujutate ette, kas te võrgusüsteemis, kollektiivses süsteemis muudate selle võrgu topoloogiat, sotsiaalvõrgustikku, seda, kuidas te teistega suhtlete? Sest see võib muuta ka reageerimisvõimet ohtudele selle pöördelaine tõttu, millest me varem rääkisime.

Seega leidsime, et inimesed ei muutu. Mis juhtub, on võrgu muutus. Üksikisikud liiguvad selle võrgustiku struktuuri muutmiseks ja just see põhjustab grupi äkitselt tundlikumaks ja paindlikumaks muutumist.

Inimestel oli näiteks puhverserver, mis tähendab, et üksteisega lähedased isikud peavad tugevamalt suhtlema. Kuid nagu võite oma igapäevaelus mõelda, võite istuda bussis täiesti võhivõõra inimese kõrval ega ole tegelikult temaga keskmiselt tugevalt seotud. Seega võib üksikisikute kogetav sotsiaalne võrgustik väga erineda sellest, mida on lihtne mõõta.

Nii et see, mida me oleme teinud, on see, et see on üsna keeruline. Kuid mida me saame teha, on see, et me rekonstrueerime maailma nende vaatenurgast. Ja me kasutame tehnikat, mis pärineb videomängudest ja arvutigraafikast, mida nimetatakse raycasting'iks, kus me heidame valguskiiri üksikisikute võrkkestale, et saaksime näha omamoodi arvutipõhist esitust sellest, mida nad igal ajahetkel näevad. Aga mida me ei tea, on see, kuidas kuradil nad seda töötlevad?

Ja jällegi saame kasutada masinõppe meetodeid, sest iga aju on arenenud tegema sama asja. See hõlmab keerulist sensoorset teavet – nagu inimesed, kes meid täna kuulavad. See on keeruline akustiline teave, kuid nad võivad sõita või süüa teha, seega on neil ka keerukat visuaalset ja haistmisalast teavet, kuid nende aju peab kogu selle keerukuse üle võtma ja vähendama seda nn mõõtmete vähendamiseks, otsuseks või teemasse "Mida ma järgmisena teen?" Ja me oleme väga-väga vähe teadnud, kuidas tõelised loomad seda teevad.

Kuid me saame rekonstrueerida nende nägemisvälju ja seejärel kasutada sama tüüpi tehnikaid mõõtmete vähendamiseks, et mõista, kuidas aju vähendab seda keerukust liikumisotsustele?

Ja kaladel, mida me uurisime, on neil aju tagaosas väga väike arv neuroneid, mis määravad kõik nende liikumised. Seega peab aju kogu selle keerukuse vastu võtma ja seda vähendama ning otsuseid vastu võtma. Ja ma arvan, et bioloogias on imeline küsimus, kuidas ajud seda teevad?

STROGATZ: Esiteks võin öelda, et pean teie lehti sagedamini lugema. Rääkisite midagi kalade võrkkesta tulede säramisest, et näha, mida nad näevad, või et teil oleks tunne, et teate, mida nad vaatavad? Kas ma kuulsin seda õigesti?

COUZIN: Jah, tegelikult ei paista see sõna otseses mõttes valgust. See kõik on digitaalselt tehtud. Nii et kujutage ette, et teil on kalaparv ajahetkel, külmunud ajahetkel. Meie tarkvara jälgib iga kala asendit ja ka kehaasendit. Ja mida me saame teha, on see, et saame nüüd luua sellest stseenist kolmemõõtmelise arvutiversiooni, nagu videomängus. Seejärel võime küsida, mida igaüks näeb? Nii saame panna kaamerad üksikisikute silmadesse.

Ja nii, raycasting on natuke nagu raytracing, mida kasutatakse arvutigraafikas, mis on lihtsalt võrkkestale langeva valguse rajad. Ja me teeme seda kõike digitaalselt, et saaksime luua reaalsuse digitaalse analoogi. Seejärel saame vaadata, kuidas valgus langeks selles virtuaalses stseenis võrkkestale, omamoodi fotorealistlikule virtuaalsele stseenile. Ja see annab meile esimese kihi: milline on üksikisikule saabuv teave?

Ja siis muidugi suur küsimus, mida tahame küsida, on, kuidas aju seda töötleb? Kuidas aju seda keerukust vähendab ja kuidas ta otsuseid teeb? Kuidas liiguvad näiteks vedelad parved ja kalaparved nii väheste kokkupõrgete korral nii pingevabalt ja nii kaunilt, aga ometi kipuvad autod kiirteel ühisliikumise nimel vaeva nägema? Kas on midagi, mida saame aastatuhandeid kestnud looduslikust valikust õppida, mida saaksime seejärel sõidukite ja robotite puhul rakendada?

Nii et selle mõistmiseks on ka rakendatud element. Ma tahan sellest aru saada suures osas seetõttu, et see on minu arvates põnev, aga ka see, et teatud juhtudel on see tegelik rakendus.

STROGATZ: Me tuleme kohe tagasi.

[Paus reklaami sisestamiseks]

STROGATZ: Tere tulemast tagasi saatesse "The Joy of Why".

Tahaksin naasta millegi juurde, mida ütlesite sissejuhatuses, kui liikusite üle skaalade rakust primaatideni ja nii edasi. Inimesed ei pruugi jaanitirtsude näitega nii hästi tuttavad ja ma ei tea, kas me võiksime rääkida mõnest – nimetagem neid flokeerimise tegelikeks või isegi majanduslikeks aspektideks, sest jaaniussikad avaldavad maailmale palju suuremat mõju kui minul. aru saanud. Tähendab, ma vaatan siin oma märkmetes statistikat, et katkuaastatel vallutavad jaaniussid enam kui viiendiku maailma maakattest.

COUZIN: Jah.

STROGATZ: Kas sa suudad seda uskuda? Ja see mõjutab iga 10 inimese elatist planeedil. Nii et kas te võiksite meile natuke rääkida sellistest uuringutest ja sellest, kuidas see on seotud ülemaailmse toiduga kindlustatuse küsimustega?

COUZIN: Jah, sul on täiesti õigus. Ja see on minu arvates üsna hämmastav. Teate, nagu just ütlesite, et toidupuuduse ja toiduga kindlustatuse tõttu mõjutavad need üht inimest kümnest meie planeedil. Ja nad teevad seda sageli riikides, nagu Jeemen ja Somaalia, kus on suured probleemid, suured konfliktid ja kodusõjad jne.

Kuid ka kliimamuutuste tõttu laieneb jaanitirtsude levila suures osas levilast. Ja nii ma mõtlen, et sel aastal seisab Afganistan silmitsi suure kriisiga oma toidubasseinis. Paar aastat tagasi oli see Madagaskar. Aasta või kaks enne seda oli Keenias viimase 70 aasta suurim sülem.

Miks siis, tead, miks kõik kaasaegsed tehnoloogiad, mis meil on seireks, muutuvad metsikumaks ja karmimaks? Ja üks põhjusi on kliimamuutus. Tead, mis juhtub nende sülemidega, nii et jaaniussid, võib kuulajatele olla üllatav seda teada, kuid tegelikult ei meeldi jaaniussidele üksteise lähedal olla. Nad on häbelikud, salapärased rohelised rohutirtsud, kellele meeldib üksi jääda. Nii et kui neil on palju toitu, on nad lihtsalt üksteisest eraldatud. Nad väldivad üksteist. Alles siis, kui nad on sunnitud kokku tulema, lähevad nad üle.

Nii et nad on oma üksildase eluviisi tõttu tavaliselt üksildased. Aga kui nad on sunnitud kokku tulema, on nad arenenud üleminekuks. Nad on omamoodi putukamaailma Jekyll ja Hyde. Nad on muutunud üsna ootamatult, tunni jooksul, käitumuslikult seltskondlikuks vormiks, kus nad hakkavad üksteise poole marssima, üksteist järgides.

Teine asi, mida inimesed ei pruugi teada, on see, et jaanitirtsudel pole esimestel elukuudel tegelikult tiibu. Ja kui jaaniussid sünnivad, on nad lennuvõimetud. Need on lennuvõimetud nümfid. Alles siis, kui nad on täiskasvanud, on neil tiivad.

Ja nii, mis siin toimub, on see, et kui vihmad satuvad näiteks Aafrikasse, Indiasse või muudesse piirkondadesse, võib teil olla lopsakas taimestik ja väike jaaniussipopulatsioon võib vohada, kuna sellised salapärased rohutirtsud võivad kasvada. populatsiooni suuruses. Nüüd, kui rahvastik kasvab, söövad nad üha rohkem ja rohkem ja sageli võib tulla ka põud.

Nüüd, kui teil on suur asustustihedus ja siis järsku toit kaob, siis jaanitirtsud on arenenud üleminekuks sellesse seltskondlikku vormi, kus nad hakkavad koos marssima. Nad hakkavad kõik koos liikuma. Need sülemid võivad koosneda miljarditest isenditest – niipalju kui näete, marsivad jaaniussikad kõik üheskoos, justkui ühise eesmärgi nimel. Ja kui neil on tiivad kasvanud, saavad nad lendu tõusta. Ja siis läheb veelgi hullemaks, sest nad pääsevad ligi passaattuultele või muudele, teate, keskkonnatingimustele, kus nad võivad end massiivsete sülemidena kanda sadade või isegi tuhandete kilomeetrite kaugusele. Ja nii, see on üks suurimaid ja laastavamaid kollektiivseid käitumisviise meie planeedil.

STROGATZ: Oeh, ma ei saa öelda, et ma jaaniussi marssimise ideega väga kursis oleks. Oleme harjunud neid pidama õhus kubisevateks pilvedeks. Aga räägi meile marssimisest natuke lähemalt, sest ma mäletan ähmaselt mõned hämmastavad uuringud kas teie jaoks on jaanitirtsude kannibalistliku aspektiga see õige sõna?

COUZIN: Jah, see oli aastal 2008 ja – aga sul on õigus, tead, need tohutud parved või parved või jaaniussipilved, mis liiguvad üle suurte vahemaade, teate, me ei tea neist palju, sest meil polnud tehnoloogia selle uurimiseks. Tegelikult pole meil ikka veel tehnoloogiat selle uurimiseks. Nii et asi pole selles, et see poleks oluline, see on uskumatult oluline.

Kuid me teame ka seda, mis eelneb neile lendavatele sülemidele – ma mõtlen, et lendav sülem on natuke nagu kulutulekahju, mis on juba kontrolli alt väljunud. Nüüd on teil tõesti probleeme selle kontrollimisega. Aga kui te suudate seda kontrollida enne, kui neil tiivad kasvavad, siis teate, kui nad kõrbes või nendes keskkondades enne seda sülemeid moodustavad, siis on seal suur potentsiaal.

Ja nii keskendusimegi praktilistel põhjustel nendele tiibadeta sülemidele. Ja tegelikult, teate, kuigi teil on õigus, hakkasin ma neid uurima 2000. aastate keskel, me oleme nüüd, nüüd pöördun tagasi jaaniusside juurde ja nüüd uurin neid uuesti.

Lõime äsja selle aasta alguses laborikeskkonnas maailma esimese korraliku sülemi, kus jälgisime 10,000 15 jaaniussi 15 x 8 x XNUMX-meetrises pildikeskkonnas, mille me siin spetsiaalselt selleks otstarbeks ehitasime. Konstanzis. Nii et on naljakas, et te seda mainite, sest minu uurimused pöörduvad nüüd tagasi selle sama süsteemi juurde.

Aga jah, nagu sa ütlesid, me avastasime need putukad, miks nad marsivad koos? Miks nad on - teate ja me arvasime alguses, et see peab olema nagu kalaparved ja linnuparved. See peab puudutama teavet. See peab puudutama kollektiivset intelligentsust. Noh, me eksisime. Ja see on suur oht. Kui näete, teate, sipelgaparv, mis liigub ringis, liigub omamoodi veskis, ja näete näiteks kalaparve, mis pöörleb torus või mingis sõõrikutaolises mustris, või näete keeristorm, need on kõik mustrid, mis näevad välja ühesugused, kuid neid võivad juhtida väga-väga erinevad nähtused.

Ja ma arvan, et mind eksitati mõtlemises. Teate, kui näete kollektiivset liikumist, peavad selle aluseks olema sarnased protsessid. Kuid jaanitirtsude puhul ei olnud see selline teabe edastamise hüpotees. See oli tegelikult tõsiasi, et nendes kõrbekeskkondades, kui toit järsku napiks jääb, on teil hädasti puudus olulistest toitainetest, eriti kõrbes: valk, sool ja vesi.

Ja mis on teie jaoks sellises karmis keskkonnas parem kui mõni teine ​​inimene? Kuna need on ideaalselt tasakaalustatud toiteväärtusega. Nii et indiviidid tõmbavad üksteist ja kipuvad üksteist kannibaliseerima. Nii et nad on arenenud järgima neid, kes eemalduvad, püüdma neid hammustada oma tagaosas, kõhu tagaosas, mille eest on väga raske kaitsta. Pea on tugevalt soomustatud, aga kõhu tagumine osa on arusaadavatel põhjustel nõrk koht, seal peab olema ava.

Ja nii nad sihivad seda, kuid väldivad ka teiste sihikule sattumist. Ja nende järgimine, kes teist eemalduvad ja teie poole liikujatest eemalduvad, toob kaasa selle, et kogu sülem hakkab üheskoos marssima üle selle kõrbekeskkonna.

Ja nad saavad kasu ka advektsioonist, üheskoos toitainevaestest piirkondadest välja kolides. Sest teate, kui paned inimese kõrbesse, kipub inimene orienteeruma ja kipub ringi liikuma. Sama jaaniussiga. Aga kui panna nad sülemi, kollektiivne joondumine, indiviidide sünkroonsus, teate, sajad miljonid isendid joonduvad üksteisega, saavad nad väga sihitult välja marssida nendest toitainetevaestest keskkondadest. Ja nad võivad ka röövloomi rabada. Teate, kiskjad lihtsalt ei saa siin suurt taanet teha.

STROGATZ: Kui me kõigist nendest näidetest räägime, paneb mind mõtlema, kuidas tekkis teil vanasti selle kõige vastu huvi? Kas mainisite, et see oli 2008. aastal?

COUZIN: Jah, see oli see paber 2008. aastal.

STROGATZ: Jah, sa olid sellega hõivatud juba enne seda, eks?

COUZIN: Jah, ma tegin oma doktorikraadi. üheksakümnendate lõpus sipelgatel. Mind paelus sipelgate käitumine. Ja ausalt öeldes sai see alguse kirest looduse vastu ja kinnisideest lihtsalt loodusloo ja meid ümbritseva jälgimise vastu.

Mõtlesin, et lapsena peab olema asjatundja, kes mõistab, miks sülemid tekivad, miks kalaparv, miks linnud parvetavad. Arvasin, et see peab olema midagi, mida kõik uurivad.

Olin lapsena kunstnik. Olin väga huvitatud loomingulisest kirjutamisest ning luulest ja kunstist. Ja nii tõmbas mind alguses nende puhas ilu, võlu nende ilust.

Ja keskkoolis ei olnud ma loodusteadustes kuigi suur õpilane. Tegelesin keraamikaga ja maalisin. Ja kui ma ülikooli läksin, mäletan, et isa ütles mulle: "Tead, poeg, sa peaksid tegema seda, milles sa hea oled. Tehke inglise keelt või kunsti. Sa ei ole teadlane, sa oled loodusteadlane, tead? Ja tal oli õigus. Tal oli täiesti õigus.

Ja see oli siis hiljem, kui ma bioloogia kraadi omandasin ja ma lihtsalt teadsin oma bioloogialoengu esimeses loengus, et ma teadsin, et see on minu jaoks õige asi, ma lihtsalt teadsin seda. Ja ma avastasin, et seal on kogu see statistilise füüsika maailm. Need paberid ilmusid selle aja jooksul ja need läksid mu meelest, sest nad olid autorid, kes nägid süsteemides sügavaid matemaatilisi põhimõtteid.

Minu Ph.D. nõunik ütles, et tead, et tööd saada, peaksid saama ühe sipelgaliigi maailmaeksperdiks ja siis saad olla väärtuslik. Kuid ma lugesin seda teadlaste tööd, kes tegid täpselt vastupidist. Nad uurisid kõike, alates füüsilistest süsteemidest kuni bioloogiliste süsteemideni, ja nägid neid põhimõtteid. Ja ka mustrid ja struktuurid ning nende leitud tulemused olid lihtsalt loomulikult ilusad. Ja nii ma arvasin, et see peab õige olema. See peab olema õige viis teadust teha. Ja nii tõmbasin mind sel ajal lihtsalt füüsikamaailma.

STROGATZ: Kas teil on kunagi olnud rõõm pärast isaga oma suunamuutusest rääkida?

COUZIN: Ma pole kunagi arvanud, et mu isa mäletab seda. Ja siis, kui mind Princetoni ülikooli dotsendist korraliseks professoriks ülendati, helistas mulle osakonna juhataja ja ütles: "Palju õnne, professor Couzin." Ja tead, ma olin lihtsalt täiesti löödud, nii et loomulikult ma helistasin oma emale ja isale, isa vastas telefonile ja siis ta ütles: "Ja kui mõelda, et ma kutsusin sind loodusteadlaseks." See on ainus kord, see on aastakümneid hiljem. Ma ei teadnud, et ta seda arutelu isegi mäletas.

STROGATZ: Noh, see on hea lugu, see on tõesti hea lugu. Meile meeldib selles saates rääkida suurtest vastuseta küsimustest ja mis on teie arvates üks suurimaid vastuseta küsimusi karjade ja koolide ning kollektiivse käitumise kohta üldiselt?

COUZIN: No absoluutselt teen. Ja see viib mind teema juurde, millest olen praegu nii põnevil. Nii et jälle, ma arvasin oma karjääri alguses, et aju on muidugi suurepärane kollektiivne arvutusüksus, üks ilusamaid näiteid, teate. Kuidas aju otsuseid teeb? Ja see on neuronite kogum ja loomulikult on meil sipelgaparved või jaaniussiparved või linnuparved või kalaparved, kõik need erinevad komponendid toimivad koos. Niisiis, kas neid erinevaid süsteeme ühendab midagi sügavalt või mitte? Ja see, mis mind hetkel paelub, on kollektiivne otsustamine ja eriti kollektiivne otsustamine ruumis.

Niisiis, kuidas aju esindab aegruumi? Ja kuidas on sellel otsuste tegemisel tähtsust? Ja mis pagan on sellel pistmist loomade kollektiivse käitumisega? Mida ma mõistsin umbes viis aastat tagasi, on see, et ma arvan, et seal on sügav matemaatiline sarnasus ja minu arvates on olemas sügavad geomeetrilised põhimõtted selle kohta, kuidas aju esindab ruumi ja ka aega.

Ja üks põnevamaid asju siin on jälle matemaatika kasutamine. Teate, ma jätsin matemaatika pooleli, kui olin 16-aastane, ja veetsin äsja Cambridge'i ülikooli Isaac Newtoni matemaatikateaduste instituudis austatud stipendiaadina hingamispäeva. Samas, ma ei suuda võrrandit lahendada, tead?

Nii ma olen, aga mulle meeldib see, et saan töötada koos suurepäraste matemaatikutega. Ja tehes koostööd füüsikute, matemaatikute ja bioloogidega ning tehes virtuaalreaalsuses loomadega katseid – oleme siin loonud tehnoloogiakomplekti. Seega ei saa me alla sentimeetri pikkusele kalale sellist peakomplekti nagu Meta Quest 3 panna. Kuid me saame luua virtuaalseid, ümbritsevaid holograafilisi keskkondi, et saaksime sisendit täielikult juhtida. Me saame põhjuslikke seoseid täielikult kontrollida.

Kui tead, et mina mõjutan sind ja sina mõjutad mind ja siis on veel kolmas isik, kas nad mõjutavad mind otse või sinu kaudu? Või mõlemad? Või neljas isik või viies? Ja oma virtuaalreaalsuse keskkondades saame panna need isikud maatriksiks, nagu filmis, kus iga inimene on oma holograafilises maailmas ja suhtleb reaalajas teiste inimeste hologrammidega.

Kuid siin maailmas saame füüsikareeglitega ringi mängida. Saame mängida ruumi ja aja reeglitega, et paremini mõista, kuidas aju neid integreerib?

Ja nii, see ajab mu meelt tõsiselt, sest saame näidata, et aju ei esinda ruumi eukleidilisel viisil. See kujutab ruumi mitteeukleidilises koordinaatsüsteemis. Ja siis saame matemaatiliselt näidata, miks see nii oluline on, st kui hakkate tegelema kolme või enama võimalusega, võib aegruumi väänamine, muutes ruumi mitteeukleidiliseks, dramaatiliselt vähendada maailma keerukust kaheks hargnemiskohaks. Ja iga bifurkatsiooni lähedal võimendab see ülejäänud valikute erinevusi. Nii et seal on see ilus sisemine struktuur.

Ja nii, me arvame, et meil on universaalne teooria selle kohta, kuidas aju teeb ruumilisi otsuseid, mida me poleks kunagi saanud teha, kui ei oleks vaadelnud mitmesuguseid organisme, nagu kalad, jaaniussid ja kärbsed seda tüüpi virtuaalreaalsuse keskkondades. millest ma olen ülimalt põnevil.

[Teemaesitused]

STROGATZ: Noh, ma ei jõua ära oodata, et kuulen sellest kõigest, kui te selle välja töötate. Ma võiksin teiega terve päeva jätkata, kuid arvan, et on aeg tänada. Oleme rääkinud evolutsioonilise ökoloogi Iain Couziniga flokeerimisest, sülemlemisest, koolitamisest ja igasugusest kollektiivsest käitumisest. Iain, on olnud nii meeldiv teada saada, mida sa teed ja looduse imesid, mida oled aidanud meie kõigi jaoks lahti harutada. Tänan väga.

COUZIN: See on olnud rõõm. Aitäh, Steve.

[Teema esitamist jätkatakse]

STROGATZ: Aitah kuulamast. Kui naudite "The Joy of Why" ja te pole seda veel tellinud, vajutage kuulamiskohas tellimis- või jälgimisnuppu. Saatele saate ka arvustuse jätta. See aitab inimestel seda podcasti leida.

"The Joy of Why" on taskuhäälingusaade Quanta Magazine, toimetuslikult sõltumatu väljaanne, mida toetab Simons Foundation. Simonsi fondi rahastamisotsused ei mõjuta teemade valikut, külalisi ega muid toimetusotsuseid selles taskuhäälingus ega Quanta Magazine.

“The Joy of Why” on produtseerinud PRX Productions. Tootmismeeskond on Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler ja Merritt Jacob. PRX Productionsi tegevprodutsent on Jocelyn Gonzales. Morgan Church ja Edwin Ochoa pakkusid täiendavat abi.

alates Quanta Magazine, John Rennie ja Thomas Lin andsid toimetusjuhiseid, keda toetasid Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana ja Madison Goldberg.

Meie teemamuusika pärineb APM Musicust. Julian Lin mõtles välja taskuhäälingusaate nime. Episoodi kunst on Peter Greenwoodilt ja meie logo autorid Jaki King ja Kristina Armitage. Eriline tänu Columbia ajakirjanduskoolile ja Bert Odom-Reedile Cornell Broadcast Studios'is.

Ma olen teie võõrustaja, Steve Strogatz. Kui teil on meile küsimusi või kommentaare, saatke meile e-kiri aadressil [meiliga kaitstud]. Aitah kuulamast.