A madarak csapata. Sáskák nyüzsögnek. Haliskola. Azon organizmusok halmazain belül, amelyek úgy tűnnek, mintha kaotikussá válnának, valahogy rend alakul ki. Az állatok kollektív viselkedése fajonként különbözik részleteiben, de nagyrészt betartják a kollektív mozgás elveit, amelyeket a fizikusok évszázadok óta dolgoztak ki. Mostanra a nemrégiben elérhető technológiák segítségével a kutatók minden eddiginél alaposabban tanulmányozhatták ezeket a viselkedési mintákat.

Ebben az epizódban az evolúciós ökológus Iain Couzin beszélget a műsorvezető társával Steven Strogatz arról, hogyan és miért tanúsítanak kollektív viselkedést az állatok, amelyek a biológiai számítások egyik formája a nyáj, valamint az önszerveződő csoport részeként, nem pedig egyénként való élet néhány rejtett fitnesz előnye. Azt is megvitatják, hogy a rajzó kártevők, például a sáskák jobb megértése hogyan segíthet a globális élelmezésbiztonság védelmében.

Figyelj Apple Podcastok, Spotify, Google Podcastok, TuneIn vagy kedvenc podcast-alkalmazását, vagy megteheti onnan streamelni Quanta.

Másolat

[Témajátékok]

STEVEN STROGATZ: Az állatvilágban, az apró szúnyogoktól a halakig, madarakig, gazellákig, még a hozzánk hasonló főemlősökig is, a lények hajlamosak nagy mozgási mintákká szerveződni, amelyek látszólag spontán kollektív célt követnek. Gyakran úgy tűnik, hogy egyetlen lény sem lép fel vezetőként, és irányítja ezeket a tömegmozgalmakat. Inkább az állatok zökkenőmentesen illeszkednek a sorba.

És bár úgy tűnik, hogy az ilyen rendszerek káoszba vagy instabilitásba torkollnak, ezek a kollektívák valahogy rendkívül jól koordináltnak és céltudatosnak tűnő módon mozognak, amint azt bárki tanúsíthatja, aki nézte a seregélyek zúgását vagy a halrajokat. De mi a hajtóereje ennek a viselkedésnek?

Steve Strogatz vagyok, és ez a „The Joy of Why”, egy podcast a következőtől Quanta Magazine ahol a műsorvezetőtársam Janna Levin és felváltva vizsgálom a matematika és a természettudomány mai legnagyobb megválaszolatlan kérdéseit.

[A téma véget ér]

Ebben az epizódban annak a lényegéhez fogunk jutni, hogy miért nyüzsögnek, rajnak és iskoláznak az állatok. Hogyan nyújtanak új betekintést a legújabb technológiák, mint például a mesterséges intelligencia és a 3D kamerák? És mit árulhat el az állatcsoport-dinamika tanulmányozása önmagunkról, mind egyénileg, mind kollektívaként?

Ezekre a rejtélyekre az evolúciós ökológus rávilágít Iain Couzin. Iain a Max Planck Állatviselkedési Intézet Kollektív Viselkedés Tanszékének igazgatója és a Konstanzi Egyetem rendes professzora. A számos kitüntetés között szerepel a National Geographic Emerging Explorer Award, a Lagrange-díj, a legmagasabb kitüntetés a komplexitástudomány területén, valamint a Leibniz-díj, Németország legmagasabb kutatási kitüntetése. Iain, nagyon örülünk, hogy velünk lehetsz ma.

IAIN COUZIN: Nagyon jó itt lenni, Steve.

STROGATZ: Nos, nagyon örülök, hogy újra látlak. Régi barátok vagyunk, és ez egy igazi csemege lesz hallani a kollektív viselkedés legújabb eredményeiről. De kezdjük – azt hiszem, beszélnünk kellene arról, kik a te példányaid? Mesélne egy kicsit néhány állatról, és arról, hogy kollektív viselkedésük milyen sokféle formát ölt az Ön által vizsgált rendszerekben?

COUZIN: Nos, ez az egyik legcsodálatosabb dolog a kollektív viselkedés tanulmányozásában. Arról van szó, hogy ez központi szerepet játszik a bolygónkon zajló élet számos folyamatában, hogy szó szerint számos organizmust tanulmányozunk, a bolygó legegyszerűbb állataitól kezdve – ezt nevezik placozoának; ez egy bazális törzs, esetleg a legegyszerűbb többsejtű állat a bolygón; ez van sejtrajsejtek ezrei, amelyek úgy mozognak, mint egy madárraj vagy egy halraj – a gerinctelen állatokon, például a hangyákon keresztül, amelyek csodálatosan összehangolt viselkedést mutatnak, vagy a sáskákon, amelyek a legnagyobb, legpusztítóbb rajokat alkotják, egészen a gerincesekig, például az iskolázásig. halak, állományba vevő madarak, patás állatok terelése és főemlősök, beleértve magunkat – az embereket is.

STROGATZ: Szóval tényleg úgy tűnik, hogy a teljes skálát lefuttatja – be kell vallanom, még sosem hallottam erről, jól értelmeztem: placozoa?

COUZIN: Placozoa, igen. Ezt a kis lényt az akváriumok, trópusi akváriumok üvegén mászva találták. Szabad szemmel láthatod. Körülbelül egy milliméter, esetleg másfél milliméter, ha nagyon nagy. És tudod, ennek a figyelemre méltó lénynek a vizsgálata csak mostanában keltette fel a tudósok figyelmét.

És ez nagyrészt azért van, mert ez a furcsa kis, furcsa sejtraj valójában olyan genetikai összetettséggel rendelkezik, amelyet egy sokkal kifinomultabb organizmushoz társíthatnánk. Például számos neurotranszmitterrel rendelkezik, de nincsenek benne neuronok.

[STROGATZ nevet]

Megvan az úgynevezett Hox géneket. Hox A gének a fejlődésbiológiában összetett testtervekkel kapcsolatosak. Nincs összetett testterve. És így talán azt gondolhatja, hogy ez a lény bonyolultabbá fejlődhetett, majd újra fejlődött, hogy leegyszerűsítse önmagát, és ezért megőrizte az összetettség ezen jellemzőit.

A genetikai kutatók azonban egyfajta mérföldkőnek számító tanulmányt tettek közzé a folyóiratban Természet ez azt mutatta, nem, valójában ez az egyik a legtöbb elsődleges sejtcsoport. És persze a kollektív viselkedés, mi lenne szebb példa, mint a sejtek, amelyek összeállnak egy szervezetté. Tudod? Tehát ez az egyik oka annak, hogy ezt tanulmányozzuk: megpróbáljuk megérteni, hogy a kollektív viselkedés miként központi szerepet játszott bolygónk összetett életének eredetében.

STROGATZ: Ember, ez még az interjú korai szakaszában van, és máris kiakad a fejem. Kiszakítasz abból is, amiről azt hittem, hogy beszélni fogok veled. Ez annyira érdekes és annyira új számomra, hogy megdöbbentem. Szeretnék visszatérni a történetnek ehhez a részéhez, mert annyira – úgy értem, nagyon meglepő, hogy… Jól hallottam, hogy vannak olyan dolgok, amelyek az idegrendszerükhöz kapcsolódnak, de nincs idegrendszerük? És vannak olyan fejlődési biológiai génjeik, mintha egy egész bonyolult testtervet kellene kidolgozniuk, mint egy gyümölcslégynek, de nincs ilyen testük?

COUZIN: Pontosan, pontosan. És így valóban tippet adhatnak nekünk az intelligencia eredetére. Külön tanulmányunk, amit idén tettünk közzé, tudod, megmutattuk, hogy a testterv, amivel rendelkeznek, nagyon úgy viselkedik, mint egy madárraj vagy egy halraj, ahol a sejtek helyben kölcsönhatásba lépnek másokkal, és hajlamosak az utazási irányuk összehangolására.

Tehát vonzódnak egymáshoz. Valahogy össze vannak kötve, mint egy rugalmas lap, de általában mozgékonyak is. Csillók, kis csillók vannak az alapjukon, így végig tudnak áramlani a környezetben. És azok az erők, amelyeket közeli szomszédaikra alkalmaznak, egymáshoz igazodásra késztetik őket.

Tehát, ha mikroszkóp alatt követjük ezeket a sejteket, és megnézzük az elrendezést és az egyedek vonzerejét, akkor nagyon is ugyanazokat a technológiákat, modelleket és gondolkodásmódot használjuk. kollektív viselkedés a madárrajokban vagy haliskolák ill más típusú csoportok hanem alkalmazza ezekre az állatokra.

És hát ez az egyik legfigyelemreméltóbb dolog a kollektív viselkedésben, hogy bár a rendszer tulajdonságai, akár sejt, akár madár, nagyon eltérőek, ha megnézzük a kollektív cselekvés, az ennek hátterében álló kollektív tulajdonságok, a matematika valójában képes nagyon hasonlónak bizonyulnak. És így megtalálhatjuk ezeket az úgynevezett univerzális tulajdonságokat, amelyek összekapcsolják ezeket a különböző, látszólag eltérő rendszereket.

STROGATZ: Nos, persze, most az én nyelvemen beszélsz, mert tudod, ez az, ami vonzott engem a kollektív viselkedés iránti rajongásomba, hogy vannak olyan univerzális matematikai alapelvek, amelyek a sejtektől a skálán felfelé és lefelé érvényesek. , hát persze, mi mindig szeretjük magunkat a csúcsra helyezni.

De, oké, annyi különböző kérdést vetettél fel, hogy elgondolkodjunk rajta. Hadd próbáljak vissza az elejére, bár szívesen maradnék veled a Placozoa mellett.

Így például olyan szavakat említett, mint „nyájak” és „iskolák”, és néha hallunk embereket „rajokról” beszélni, mint például a rovarokról. Van valami oka, hogy három különböző szavunk van ugyanarra a dologra? Valóban nem ugyanaz, ha kollektív csoportokról beszélünk? Van valami ok, amiért nem szabad beszélnünk a madarakról vagy a rajzó halakról?

COUZIN: Nem, azt hiszem, kifejlesztettük ezeket a szavakat, és a különböző nyelveknek különböző szavai vannak. A németben, amely egy sok szóval teli nyelv, valójában viszonylag kevés van. Míg az angolban sok-sok különböző szavunk van. Tudod, például egy csoport varjat varjak gyilkosságának hívnak.

[STROGATZ nevet]

Maga korábban egy csodálatos szót használt, a seregélyek „mormolását”. És azt hiszem, hogy ez a szépség, a nyüzsgés, iskoláztatás és rajzás magával ragadó szépsége az, amiből ezek a csodálatos szavak születtek, amelyek konkrét példákkal társíthatók.

Szóval szerintem ez egy nagyon hasznos dolog, mert korábban a közös vonásokat, a matematikai közös pontokat hangsúlyoztam, de vannak különbségek is. Különbség van a sejtraj és a madárraj között. Tehát ahhoz, hogy megértsük ezeket a rendszereket, mindkettőnknek figyelembe kell vennie a közös elveket, de azokat is, amelyek különböznek a rendszerek között. És bizonyos értelemben a nyelv úgy ragad meg nekünk ezek egy részét, ahogyan az emberek természetüknél fogva elkülönítették vagy különböző kategóriákba osztották ezeket.

STROGATZ: Érdekes. Szóval, említetted a „sejtrajt” és a „rovarrajt”, azt hiszem, így volt, és azt mondtad, hogy lehetnek eltérések, még akkor is, ha ugyanazt a szót használjuk. Mik azok a dolgok, amelyeket meg kell különböztetnünk e példák között?

COUZIN: Igen, azt hiszem, az az igazán izgalmas, hogy miért van valami közös, mert a különbségek olyan mélyek. Az állatnak van agya. Bonyolult érzékszervi információkat vesz fel, és próbál döntéseket hozni a környezetével kapcsolatban. Az állatok átlagosan sokkal összetettebb, kifinomultabb viselkedésre képesek, mint a sejtek.

De a sejteknek természetesen magukban is vannak összetett belső folyamatai. De kölcsönhatásaikat nagyobb mértékben a fizikai erők uralják, a hatás mértéke és a kialakuló feszültségek, a sejthalmazban kialakuló fizikai feszültségek.

Míg az állatok, a madarak közötti interakciók egy nyájban, láthatatlanok. Nincs fizikai formájuk. És így az ember először azt gondolhatja, hát ez csak egy hasonlat. Valójában, úgy mondanám, körülbelül 10-XNUMX évvel ezelőttig azt hittem, ez is csak analógia. Úgy gondoltam, hogy ezek a különbségek nagyon fontosak. De kezdjük megérteni, hogy közös jellemzőjük a számítás.

Arról van szó, hogy ezek az elemek összegyűlnek, hogy számításokat végezzenek a környezetükről oly módon, amit önmagukban nem tudnak kiszámítani. Minden egyén, még akkor is, ha nagyon összetett emberi agya van, és körbe-körbe jár a világban, hacsak nincs társas interakciója másokkal, vagy még inkább, ha tudja, építsen arra a kulturális komplexitásra, amelyet öröklünk, amikor beleszületünk az életünkbe, akkor nagyon korlátozottak vagyunk.

És hát ott vannak ezek a mély, egyfajta nagyon lenyűgöző kérdések, amelyekkel most kezdünk foglalkozni a számításokkal és az összetett élet kialakulásával kapcsolatban.

STROGATZ: Ilyen érdekes nézőpont. Nem tudtam, milyen szót fogsz mondani, amikor azt mondod, hogy van valami közös bennük. Én – nem tudtam kitalálni, de tetszik: számítás.

Szóval, tudod, eszembe jut egy híres dolog, amiről az emberek láthattak filmeket a YouTube-on vagy a televízióban, ahol van egy madárcsapat – talán egy seregély – és egy sólyom, egy sólyom vagy valami közeledik felé. a raj. Talán vizuális leírást kellene adnia arról, hogy mi történik ezután, és miért gondolom, hogy ebben a példában bármi köze van a számításokhoz?

COUZIN: Nos, úgy értem, ha megnézi ezeket a csoportokat, akkor tudja, hogy amikor ezek a ragadozók jelen vannak, és megtámadják ezeket a csoportokat, legyen szó haliskoláról vagy madárrajról, akkor azt látja, hogy a csoport egy hullámzó folyadékként viselkedik. Látod ezeket a fényhullámokat átszelni a csoporton, vagy a sűrűség hullámait átszelni a csoporton.

És ez arra utal, hogy az egyedek társadalmi interakciókon keresztül nagyon gyorsan tudnak információkat terjeszteni a ragadozó helyéről. Tehát azok az egyedek, akik látják például a ragadozót – talán csak néhányan látják először a ragadozót. De az elfordulással, majd ezt a viselkedést mások lemásolják, a sűrűségváltozás, az elfordulás változása rendkívül gyorsan terjed.

És ha használunk – biztos vagyok benne, hogy erre később fogunk rátérni –, ha fejlett képalkotó eszközöket használunk az elfordulási hullámok számszerűsítésére, mérésére, az a terjedési hullám körülbelül 10-szer gyorsabb, mint a maximális sebesség. magáról a ragadozóról. Így az egyének reagálhatnak egy olyan ragadozóra, amelyet nem is látnak.

Tehát a csoport és a csoportban lévő egyedek – mivel a szelekció, a természetes szelekció az egyénekre hat – jellemzően olyan ingerekre is képesek reagálni, amelyeket nem észlelnek.

Ez egy kicsit olyan, mint egy neuron, amely elektromos jeleken keresztül továbbít információt. Ebben az esetben nem elektromos jelekről van szó. Valójában az egyedek sűrűsége és elfordulása az, ami átszivárog a csoporton, de ezeknek az egyéneknek információt ad, hogy hol van a fenyegetés, így nagyon gyorsan el tudnak távolodni tőle.

STROGATZ: Szóval szerintem ez egy nagyon szép vizuális példa arra, hogy mit jelentene a számítás ebben az összefüggésben. Hogy láthatjuk a pánik vagy elkerülés eme hullámait átfolyni a nyájban. Annyira érdekes, hogy sokkal gyorsabb, mint amennyire az egyedek egyedül képesek lennének, és azt hiszem, gyorsabban is, mint amit a ragadozó egyedül tud összegyűjteni.

COUZIN: Az egyik ok, amiért ez valószínűleg így van, és miért gondoljuk így, az az, hogy a csoport – a természetes szelekció, bár az egyénekre hat, de a rátermettségük számít, mindenkinek kollektív haszna van, ha viselkedik. egy bizonyos módon.

Ez ismét arra vonatkozik, amit a fizikai rendszerektől tanultunk, különösen a fizikai rendszerektől közel egy fázisátalakuláshoz. Tehát egy rendszer, amely közel áll a különböző állapotok közötti átmenethez, például szilárd és folyékony halmazállapot között, tudod, ha vizet fagyasztasz, és az hirtelen szilárd halmazállapotúvá válik, akkor ennek a rendszernek a kollektív viselkedése egészen figyelemre méltó. átmeneti pont, ez az elágazás, ami természetesen a saját tanulmányi területe. És ez egy olyan dolog, amit ma már tudunk, nagyon erős bizonyítékaink vannak arra, hogy a természetes szelekció ezekhez a bifurkációs pontokhoz szorítja a rendszereket a feltárt kollektív tulajdonságok, figyelemre méltó kollektív tulajdonságok miatt.

Amikor először megmértük ezeket a tulajdonságokat, úgy tűnt, hogy az egyének dacolnak a fizika törvényeivel. Az információ olyan gyorsan terjedt.

És az 1900-as évek elején, Edmund Selous, aki megerősített darwinista volt, de a viktoriánus korszakban a telepátia iránti vonzalom is elbűvölte, feltételezte, hogy a gondolatátvitelnek kell lennie, vagy a madarak közötti telepátiának, amely lehetővé tette számukra, hogy olyan gyorsan kommunikáljanak.

És persze az emberek, tudod, azt gondolják: „Nos, ez nevetséges, persze, hogy nem létezhet telepátia.” De valójában, és ez talán egy kicsit ellentmondásos, de valójában azt hiszem, még mindig nem tudjuk jól az érzékszervi módozatokat és azt, ahogyan ez az információ olyan kitűnően gyorsan átszivárog a rendszeren.

Természetesen nem állítom, hogy létezik telepátia. De azt javaslom, hogy ha egy rendszert hangolunk, ha egy kollektív rendszert ehhez a kritikus ponthoz közel hangolunk, közel ehhez a bifurkációs ponthoz, akkor ez olyan figyelemre méltó kollektív tulajdonságokat eredményezhet, amelyek egy megfigyelő számára fantasztikusnak tűnnek, a megfigyelőnek pedig bizarr. Mert ezekben a rendszerekben a fizika bizarr, fantasztikus, csodálatos, még ha a tudomány számára is érthető.

STROGATZ: Tehát most már a kollektív viselkedés esetében azon tűnődöm, hogy a természet úgy hangolja-e a nyájat, hogy közel legyen valamiféle instabilitási vagy kritikus ponthoz. Azt állítja, hogy ez egy része annak, ami miatt olyan hatékony?

COUZIN: Igen, pontosan ezt javaslom. És így például tudod, megint egy nagyon friss papír az elmúlt néhány évben, amit publikáltunk, megkérdeztük, tudod, mi a helyzet azzal, hogy a világ legjobbját hozzuk ki? Mi van akkor, ha általános körülmények között stabil, robusztus akar lenni. De néha túlérzékeny akar lenni. Így a természetes szelekció során a biológiai rendszereknek egyensúlyba kell hozniuk ezt a csodálatos, ellentmondásosnak tűnő státuszt, amely egyszerre robusztus és érzékeny. Hogyan lehetsz egyszerre robusztus és érzékeny?

És így azt gondoljuk, hogy ha a rendszert ehhez a kritikus ponthoz közel hangoljuk, akkor ez valóban megtörténik, mert ha a rendszer eltér, akkor valójában önmagát stabilizálja. De ahogy a kritikus pont felé tolódik, hihetetlenül rugalmassá válik, és érzékeny lesz a bemenetekre, így például az adott ragadozóval kapcsolatos inputokra. Tehát ha egy halraj messze van ettől a kritikus ponttól – például ha nagyon erősen illeszkednek egymáshoz – és ragadozót észlel, valójában sok erőfeszítést igényel, hogy megfordítsa ezeket az egyedeket. Olyan erősen reagálnak egymásra, hogy ez a külső bemenet nehezen tudja megváltoztatni a viselkedésüket.

Ha viszont nagyon rendezetlenek, és mindannyian más-más irányba mozognak, akkor az egyén változó irányát aligha érzékelik mások, és így nem terjed át a rendszeren.

És így ezen a fajta köztes ponton ténylegesen optimalizálhatják képességüket, hogy csoportként viselkedjenek és rugalmasak legyenek, de információt továbbítsanak. És ez egy olyan elmélet a fizikából, amely régóta fennáll, de ez csak az elmúlt néhány évben valósult meg, amikor számítógépes látástechnológiát használnak az állatok csoportos nyomon követésére, és arra a kérdésre, hogy hogyan változtatja meg az interakcióit, amikor például a világ kockázatosabb lesz?

Biológusként mindig azt gondolnánk: „Nos, ha a világ kockázatosabbá és veszélyesebbé válik, érzékenyebb leszek a bemenetekre. Izgatottabb leszek, nagyobb valószínűséggel téves riasztást adok.” És ez az elszigetelt állatokra igaz. Ez igaz az emberekre, amikor elszigetelten viselkedünk. De teszteltük ezt állatcsoportokon, olyan csoportokon, amelyek a kollektíva kontextusában fejlődtek ki, és úgy találtuk, hogy ez nem igaz rájuk.

Amit csinálnak, az az, hogy megváltoztatják a hálózatot, a kapcsolódási hálózatot, az információáramlást a rendszeren. És úgy hangolják, hogy optimalizálják ezt a fajta rugalmasság-robusztusság kompromisszumot, azaz beleveszik ebbe a kritikus rendszerbe, ahogy azt előre megjósoltuk.

STROGATZ: Milyen állatokon végezték ezeket a vizsgálatokat?

COUZIN: Tehát leginkább kisméretű, ivarozó halakkal dolgozunk, mert nekik is ugyanazokat a problémákat kell megoldaniuk – a ragadozók elkerülése, a megfelelő élőhely megtalálása –, de laboratóriumi környezetben is kezelhetők. Tehát a halaknak van egy vegyi anyaguk, amelyet az ún schreckstoff, ami németül szó szerint csak azt jelenti, hogy „ijesztő dolog”. És schreckstoff természetesen kiszabadul, ha egy ragadozó megtámad egy halat, ki kell engednie ezt a vegyszert.

Tehát feltehetjük schreckstoff a vízben, így nincs egy ragadozó helye, de megváltozik az egyének megítélése erről a környezetről, kockázatosabbá vált a világ.

Szóval mit csinálsz, megváltoztatod azt, ami az agyadban zajlik? Változtatsz a környezettel való interakciódon? Egyre félsz, amiről azt gondolhatjuk, hogy az állatok csinálják?

Vagy ha elképzeled, egy hálózati rendszerben, egy kollektív rendszerben megváltoztatod annak a hálózatnak a topológiáját, a közösségi hálózatot, a másokkal való kommunikáció módját? Mert ez megváltoztathatja a fenyegetésekre való reagálást is, ennek a fordulatnak a hulláma miatt, amiről korábban beszéltünk.

És így azt tapasztaltuk, hogy az egyének nem változnak. Ami történik, az a hálózat megváltozása. Az egyének azért költöznek, hogy megváltoztassák ennek a hálózatnak a szerkezetét, és ez az oka annak, hogy a csoport hirtelen érzékenyebbé és rugalmasabbá válik.

Az embereknek például korábban volt egy proxyjuk, ami azt jelenti, hogy az egymáshoz közel álló egyéneknek erősebben kell kölcsönhatásba lépniük. De ahogy a mindennapi életében elgondolkodhat, lehet, hogy egy teljesen idegen mellett ül a buszon, és átlagosan nem kötődik hozzájuk társadalmilag. Tehát az egyének által tapasztalt közösségi hálózat nagyon eltérhet a könnyen mérhetőtől.

Szóval, amit tettünk, az – nos, ez elég bonyolult. De amit tehetünk, az az, hogy az ő szemszögükből rekonstruáljuk a világot. És egy olyan technikát használunk, amely a videojátékokból és a számítógépes grafikákból származik, az úgynevezett raycastingot, ahol fénysugarakat vetünk az egyének retinájára, hogy egyfajta számítógépes ábrázolást lássunk annak, amit az idő minden pillanatában látnak. De azt nem tudjuk, hogy a fenébe dolgozzák fel ezt?

És így ismét használhatunk gépi tanulási módszereket, mert minden agy ugyanarra fejlődött. Összetett érzékszervi információkra van szükség – mint például az emberek, akik ma hallgatnak minket. Ez egy összetett akusztikus információ, de lehet, hogy vezetnek, vagy esetleg főznek, tehát összetett vizuális és szaglási információkkal is rendelkeznek, de az agyuknak fel kell vennie ezt a komplexitást, és le kell redukálnia az úgynevezett dimenziócsökkentésre, döntésre vagy döntésre. a "mit fogok csinálni legközelebb?" És nagyon-nagyon keveset tudunk arról, hogyan csinálják ezt a valódi állatok.

De rekonstruálhatjuk a látómezőket, majd ugyanazokat a technikákat alkalmazhatjuk a dimenzionalitás csökkentésére, hogy megértsük, hogyan redukálja az agy ezt a komplexitást mozgási döntésekké?

És az általunk vizsgált halaknak nagyon kevés idegsejtje van az agy hátsó részében, amelyek minden mozgásukat diktálják. Tehát az agynak fel kell vennie ezt az egész komplexitást, csökkentenie kell, és döntéseket kell hoznia. És szerintem csodálatos kérdés a biológiában, hogy az agy hogyan csinálja ezt?

STROGATZ: Először is elmondhatom, hogy gyakrabban kell olvasnom az újságokat. Mondott valamit arról, hogy a halak retináján világítanak fényt, hogy lássák, mit látnak, vagy hogy úgy érezze, tudja, mit néznek? Jól hallottam?

COUZIN: Igen, valójában nem szó szerint világít. Mindez digitálisan történik. Képzelje el tehát, hogy van egy haliskolája az idő pillanatában, egy megfagyott pillanatban. Szoftverünk nyomon követi az egyes halak helyzetét és testtartását. És amit tehetünk, az az, hogy most egy háromdimenziós számítógépes változatot készíthetünk a jelenetről, mint egy videojátékban. Ezután megkérdezhetjük, hogy mit lát az egyén? Így a kamerákat az egyének szemébe helyezhetjük.

Tehát a raycasting egy kicsit olyan, mint a sugárkövetés, amelyet a számítógépes grafikában használnak, ami csak a retinára eső fény útvonala. Mindezt digitálisan tesszük, hogy létrehozzuk a valóság digitális analógját. Ezután megnézhetjük, hogyan esne fény a retinára abban a virtuális jelenetben, egyfajta fotorealisztikus virtuális jelenetben. Ez adja az első réteget: Mi az az információ, amely az egyénhez érkezik?

És akkor természetesen a nagy kérdés, amit fel akarunk tenni, hogy az agy hogyan dolgozza fel ezt? Hogyan csökkenti az agy ezt a komplexitást, és hogyan hoz döntéseket? Hogyan mozognak például a folyékony állományok és halrajok olyan könnyedén és gyönyörűen, ilyen kevés ütközéssel, miközben az autópályákon közlekedő autók általában küzdenek a közös mozgásért? Úgy értem, tanulhatunk valamit az évezredek óta tartó természetes szelekcióból, amit aztán alkalmazni tudunk a járművekre és a robotokra?

Tehát van egy alkalmazott eleme is annak, hogy megpróbáljuk megérteni ezt. Nagyrészt azért szeretném megérteni, mert lenyűgözőnek találom, de bizonyos esetekben ténylegesen is lefordítható valódi alkalmazásokra.

STROGATZ: Visszajövünk.

[Szünet a hirdetés beszúrásához]

STROGATZ: Üdvözöljük újra a „The Joy of Why” című filmben.

Szeretnék visszatérni valamihez, amit a bevezetőben mondott, amikor a sejtektől a főemlősökig és így tovább haladt a mérlegen. Lehet, hogy az emberek nem ismerik annyira a sáskák példáját, és azon tűnődöm, beszélhetnénk-e a sáskák néhány – nevezzük ezeket a falkázás valós vagy akár gazdasági vonatkozásairól –, mert a sáskáknak nagy hatása van a világra, nagyobb, mint én. rájött. Úgy értem, néhány statisztikát nézek itt a jegyzeteimben, amelyek szerint a pestisévekben a sáskák megszállják a világ felszínborításának több mint egyötödét.

COUZIN: Igen.

STROGATZ: El tudod hinni? És befolyásolja a bolygón élő 10 emberből egy megélhetését. Szóval beszélne nekünk egy kicsit az ilyen jellegű kutatásokról, és arról, hogy ez hogyan kapcsolódik a globális élelmezésbiztonság kérdéséhez?

COUZIN: Igen, teljesen igazad van. És ezt egészen elképesztőnek találom. Tudja, ahogy az imént mondta, bolygónkon minden tizedik embert érintenek az élelmiszerhiány és az élelmezésbiztonság miatt. És gyakran megteszik ezt olyan országokban, mint például Jemen és Szomália, ahol komoly problémák vannak, nagy konfliktusok, polgárháborúk és így tovább.

De az éghajlatváltozás miatt is, a sáskák elterjedése elterjedési területének nagy részén bővül. Tehát, úgy értem, ebben az évben Afganisztán jelentős válsággal néz szembe élelmiszermedencéjében. Pár éve Madagaszkár volt. Egy-két évvel előtte Kenyában volt a legnagyobb raj az elmúlt 70 évben.

Akkor miért, tudod, az összes modern technológiánkkal, amivel a megfigyeléshez rendelkezünk, miért válnak egyre vadabbá és súlyosabbá a rajok, tudod? Az egyik ok pedig a klímaváltozás. Tudod, ez az, ami ezekkel a rajokkal történik – szóval a sáskák, a hallgatók számára meglepő lehet, ha ezt tudják, de a sáskák valójában nem szeretnek egymás közelében lenni. Félénk, rejtélyes zöld szöcskék, akik szeretnek egyedül maradni. Tehát ha bőven van ennivalójuk, egyszerűen el vannak szigetelve egymástól. Kerülik egymást. Csak akkor váltanak át, ha kénytelenek összefogni.

Tehát általában magányosnak nevezik őket magányos életmódjuk miatt. De ha kénytelenek összefogni, átmenetre fejlődtek. Olyanok, mint a rovarvilág Jekyll és Hyde. Úgy fejlődtek, hogy egészen hirtelen, egy órán belül viselkedésileg átalakultak egy csoportos formába, ahol elkezdenek masírozni egymás felé, követve egymást.

Egy másik dolog, amit az emberek nem tudnak, az az, hogy a sáskáknak valójában nincs szárnyuk életük első néhány hónapjában. Így amikor a sáskák megszületnek, röpképtelenek. Ezek a röpképtelen nimfák. Csak felnőtt korukban vannak szárnyaik.

Tehát, ami itt történik, az az, hogy amikor eső érkezik például Afrikába, Indiába vagy más területekre, akkor buja növényzet alakulhat ki, és a kis sáskapopuláció elszaporodhat, ahogy ezek a rejtélyes szöcskék, növekedhetnek. lakosságszámban. Most, ahogy ez a népesség növekszik, egyre többet és többet esznek, és gyakran jöhet a szárazság is.

Nos, ha nagy a népsűrűség, és hirtelen eltűnik a táplálék, akkor a sáskák azt csinálják, hogy átállnak ebbe a csoportos formába, ahol elkezdenek együtt vonulni. Elkezdenek együtt mozogni. Ezek a rajok egyedek milliárdjai lehetnek – amennyire láthatja, a sáskák egyhangúan menetelnek, mintha egy közös célt szolgálnának. És amint szárnyakat növesztenek, repülhetnek. És akkor még rosszabb lesz, mert hozzájuthatnak a passzátszelekhez vagy más, ugye, környezeti feltételekhez, ahol hatalmas rajokként szállhatnak át több száz vagy akár több ezer kilométerre. Tehát ez az egyik legnagyobb és legpusztítóbb kollektív viselkedés a bolygónkon.

STROGATZ: Hú, nem mondhatnám, hogy nagyon ismerem a sáskák vonulását. Hozzászoktunk, hogy úgy gondoljunk rájuk, mint ezekre a felhőkre, amelyek a levegőben nyüzsögnek. De mesélj egy kicsit többet a menetelésről, mert homályosan emlékszem néhány elképesztő kutatás a tiéd a sáskák kannibál aspektusával, ez a megfelelő szó?

COUZIN: Igen, ez 2008-ban volt, és – de igazad van, tudod, ezek a hatalmas rajok vagy sáskafelhők, amelyek nagy távolságokra vándorolnak át, tudod, nem sokat tudunk róluk, mert nem rendelkeztünk technológia ennek tanulmányozására. Valójában még mindig nincs meg a technológiánk ennek tanulmányozására. Tehát nem arról van szó, hogy nem fontos, hanem hihetetlenül fontos.

De azt is tudjuk, hogy ami megelőzi ezeket a repülő rajokat – úgy értem, a repülő raj egy kicsit olyan, mint egy futótűz, amely már kikerült az irányítás alól. Most tényleg gondjai lesznek az ellenőrzésével. De ha tudod irányítani, mielőtt szárnyakat növesztenek, tudod, amikor még ezt megelőzően kialakítják ezeket a rajokat a sivatagban vagy ezekben a környezetekben, akkor nagy lehetőségek rejlenek.

Ezért gyakorlati okokból ezekre a szárnyatlan rajokra összpontosítottunk. És valójában tudod, bár igazad van, a 2000-es évek közepén kezdtem el ezeket tanulmányozni, most tartunk, most visszatérek a sáskákhoz, és most újra tanulmányozom őket.

Még az év elején létrehoztuk a világ első megfelelő raját a laboratóriumi környezetben, ahol 10,000 15 sáskát követtünk nyomon egy 15 x 8 x XNUMX méteres képalkotó környezetben, amelyet kifejezetten erre a célra építettünk itt. Konstanzban. Szóval vicces, hogy megemlíti, mert a kutatásaim mostanra ugyanarra a rendszerre nyúlnak vissza.

De igen, ahogy mondtad, azt fedeztük fel, tudod, ezek a rovarok, miért masíroznak együtt? Miért vannak – tudod, és kezdetben azt hittük, hogy olyanok, mint a halrajok és a madárrajok. Biztos információról szól. A kollektív intelligenciáról kell szólnia. Nos, tévedtünk. És hát ez a nagy veszély. Ha látsz egy hangyarajt, amely körben mozog, egyfajta malomban mozog, és látod például egy halrajt, amely egy tóruszban vagy egy fánkszerű mintázatban forog, vagy látod egy forgószél, ezek mind egyforma minták, de lehet, hogy nagyon-nagyon különböző jelenségek vezérlik őket.

És azt hiszem, félrevezettek a gondolkodásban. Tudja, ha kollektív mozgást lát, annak hasonló folyamatoknak kell lennie. De a sáskák esetében nem ez a fajta információátadási hipotézis volt. Valójában az volt a tény, hogy ezekben a sivatagi környezetben, amikor az étel hirtelen megfogyatkozik, kétségbeejtően hiányzik az alapvető tápanyagok, különösen a sivatagban: fehérje, só és víz.

És mi a jobb neked ebben a fajta zord környezetben, mint egy másik ember? Mert tökéletesen kiegyensúlyozott táplálkozási összetételűek. Tehát az egyének az, hogy vonzódnak egymáshoz, és hajlamosak kannibalizálni egymást. Így úgy fejlődtek, hogy kövessék azokat, akik távolodnak, és megpróbálják megharapni őket a hátukban, a has hátsó részében, ami ellen nagyon nehéz védekezni. A fej erősen páncélozott, de a has hátsó része érthető okokból gyenge pont, ott kell lennie egy nyílásnak.

Így ezt célozzák meg, de akkor azt is elkerülik, hogy mások célpontjai legyenek. És ha követed azokat, akik távolodnak tőled, és távolodsz a feléd haladóktól, az azt eredményezi, hogy az egész raj elkezd együtt vonulni ezen a sivatagi környezetben.

És abból is profitálnak, hogy advekálnak, együtt költöznek ki a tápanyagszegény területekről. Mert tudod, ha egy embert a sivatagba helyezel, az ember hajlamos lesz a tájékozódást zavarni, és hajlamos körbe-körbe mozogni. Ugyanez a sáskával. De ha egy rajba helyezzük őket, a kollektív igazodás, az egyedek közötti szinkron, tudod, százmillió egyedek igazodnak egymáshoz, akkor nagyon irányítottan tudnak kivonulni ezekből a tápanyagszegény környezetekből. És a ragadozókat is elmocskolhatják. Tudod, a ragadozók egyszerűen nem tudnak itt sokat behúzni.

STROGATZ: Valójában eltűnődöm, miközben ezekről a példákról beszélünk, hogyan kezdett érdekelni ez az egész, a régi időkben? Említetted, hogy ez még 2008-ban volt?

COUZIN: Igen, ez volt az a papír 2008-ban.

STROGATZ: Igen, már előtte is ezzel volt elfoglalva, igaz?

COUZIN: Igen, doktoráltam. a kilencvenes évek végén a hangyákon. Lenyűgözött a hangyák viselkedése. És hogy őszinte legyek, a természet iránti szenvedélyből, valamint a természettörténet és a körülöttünk lévő dolgok megfigyelésének megszállottságából indult ki.

Azt hittem, gyerekként kell lennie egy szakembernek, aki megérti, miért alakulnak ki rajok, miért halásznak, miért vonulnak a madarak. Azt hittem, ezt biztosan mindenki tanulmányozza.

Gyerekkoromban művész voltam. Nagyon érdekelt a kreatív írás, a költészet és a művészet. És így kezdetben vonzott a tiszta szépség, az elbűvölés ezek szépségétől.

A középiskolában pedig nem voltam túl jó természettudományos tanuló. Kerámiáztam és festettem. És amikor egyetemre jártam, emlékszem, apám azt mondta nekem: „Tudod fiam, azt kell tenned, amiben jó vagy. Angolul vagy művészettel. Te nem tudós vagy, hanem természettudós, tudod? És igaza volt. Teljesen igaza volt.

És akkor később, amikor megcsináltam a biológiát, és a biológia előadásom legelső előadásán tudtam, hogy ez a megfelelő dolog számomra, csak tudtam. És rájöttem, hogy létezik a statisztikai fizika egész világa. Ezek a dolgozatok akkoriban jelentek meg, és feldúlták a fejemet, mert olyan szerzők voltak, akik mély matematikai elveket láttak a rendszerekben.

A Ph.D. A tanácsadó azt mondta, tudod, ahhoz, hogy munkát kapj, világszakértővé kell válnod egy hangyafajban, és akkor értékes lehetsz. De olyan tudósok munkáját olvastam, akik pont az ellenkezőjét csinálták. Mindent tanulmányoztak, a fizikai rendszerektől a biológiai rendszerekig, és látták ezeket az elveket. És emellett a minták, a struktúrák és az általuk talált eredmények természetesen gyönyörűek voltak. És így gondoltam, ennek helyesnek kell lennie. Ez kell, hogy legyen a tudomány helyes módja. És hát akkoriban csak a fizika világába kerültem.

STROGATZ: Volt már szerencséd utána beszélni apáddal az irányváltásodról?

COUZIN: Soha nem gondoltam volna, hogy apám emlékszik erre. Aztán amikor a Princeton Egyetemen adjunktusból professzorrá léptettek elő, telefonhívást kaptam a tanszéki elnöktől, és azt mondta: „Gratulálok, Couzin professzor.” És tudod, teljesen el voltam ragadtatva, úgyhogy természetesen felhívtam anyámat és apámat, és apám felvette a telefont, majd azt mondta: "És ha azt hinném, hogy természettudósnak neveztelek." Ez az egyetlen alkalom, évtizedekkel később. Nem tudtam, hogy egyáltalán emlékszik erre a beszélgetésre.

STROGATZ: Nos, ez egy jó történet, ez egy nagyon jó történet. Szeretünk nagy megválaszolatlan kérdésekről beszélni ebben a műsorban, és így mit lát a legnagyobb megválaszolatlan kérdések között a nyájakkal, iskolákkal és általában a kollektív viselkedéssel kapcsolatban?

COUZIN: Nos, abszolút én. Ez pedig rávezet engem arra a témára, ami miatt most annyira izgatott vagyok. Szóval, pályafutásom elején, azt hittem, az agy természetesen egy csodálatos kollektív számítási egység, az egyik legszebb példa, tudod. Hogyan hoz döntéseket az agy? És ez neuronok gyűjteménye, és természetesen vannak hangyarajaink, vagy sáskarajaink, vagy madárrajaink, vagy halrajaink, amelyek mindegyike kölcsönhatásba lép egymással. Tehát van valami, ami mélyen összeköti ezeket a különböző rendszereket, vagy nem? És ami most lenyűgözött, az a kollektív döntéshozatal, és különösen a kollektív döntéshozatal a térben.

Tehát hogyan reprezentálja az agy a téridőt? És mit számít ez a döntések szempontjából? És mi a francnak köze van ennek az állatok kollektív viselkedéséhez? Körülbelül öt éve rájöttem, hogy szerintem mély matematikai hasonlóság van, és mély geometriai alapelvek vannak arról, hogyan ábrázolja az agy a teret és az időt is.

És itt az egyik legizgalmasabb dolog ismét a matematika használata. Tudod, 16 éves koromban abbahagytam a matekot, és most töltöttem egy szabadnapot a Cambridge-i Egyetem Isaac Newton Matematikai Tudományok Intézetében, mint kitüntetett munkatárs. Mégsem tudok egy egyenletet megoldani, tudod?

Így vagyok, de szeretem, hogy csodálatos matematikusokkal dolgozhatok együtt. Fizikusokkal, matematikusokkal és biológusokkal együttműködve, valamint állatokon a virtuális valóságban végzett kísérletekkel technológiai csomagot építettünk ki. Egy centiméternél rövidebb halra tehát nem tehetünk egy Meta Quest 3-hoz hasonló headsetet. De létrehozhatunk virtuális, magával ragadó, holografikus környezeteket, így teljes mértékben ellenőrizhetjük a bemenetet. Az ok-okozati összefüggéseket teljesen kontrollálni tudjuk.

Ha tudod, én befolyásolok téged, te pedig engem, és akkor van egy harmadik személy, akkor ők közvetlenül vagy rajtad keresztül befolyásolnak engem? Vagy mindkettő? Vagy egy negyedik vagy ötödik személy? A virtuális valóságos környezetünkben pedig ezeket az egyéneket behelyezhetjük az általunk Mátrixnak nevezett személybe, mint a filmben, ahol minden egyén a saját holografikus világában van, és valós időben interakcióba lép más egyének hologramjaival.

De ebben a világban játszhatunk a fizika szabályaival. Játszhatunk a tér és idő szabályaival, hogy jobban megértsük, hogyan integrálja ezeket az agy?

És hát ez nagyon feldobja a fejemet, mert megmutathatjuk, hogy az agy nem euklideszi módon reprezentálja a teret. Nem euklideszi koordinátarendszerben ábrázolja a teret. És akkor matematikailag meg tudjuk mutatni, hogy ez miért olyan fontos, vagyis hogy amikor elkezdünk foglalkozni három vagy több lehetőséggel, akkor a téridő elvetemítése, a tér nem euklideszivé tétele drámaian lecsökkentheti a világ összetettségét egy sor bifurkációvá. És közel minden bifurkációhoz, felerősíti a fennmaradó lehetőségek közötti különbségeket. Szóval van ez a gyönyörű belső szerkezet.

Tehát azt gondoljuk, hogy megvan ez az univerzális elméletünk arról, hogy az agy miként hoz olyan térbeli döntéseket, amelyeket soha nem tudtunk volna meghozni anélkül, hogy nem néznénk meg egy sor organizmust, például halakat, sáskákat és legyeket az ilyen típusú virtuális valóság környezetében. amitől nagyon izgatott vagyok.

[Témajátékok]

STROGATZ: Nos, alig várom, hogy halljak erről az egészről, ahogy kidolgozod. Egész nap folytathatnám veled, de azt hiszem, ideje megköszönni. Iain Couzin evolúciós ökológussal beszélgettünk a nyájzásról, rajzásról, iskoláztatásról és mindenféle kollektív viselkedésről. Iain, nagy öröm volt megtudni, hogy mire készülsz, és a természet csodáiról, amiket mindannyiunk számára segítettél megfejteni. Nagyon szépen köszönöm.

COUZIN: Örömömre szolgált. Köszönöm, Steve.

[A téma lejátszása folytatódik]

STROGATZ: Köszönöm, hogy meghallgattak. Ha élvezi a „The Joy of Why”-t, és még nem iratkozott fel, nyomja meg a feliratkozás vagy a követés gombot ott, ahol hallgat. Véleményt is írhat az előadásról. Segít az embereknek megtalálni ezt a podcastot.

A „The Joy of Why” egy podcast a következőtől Quanta Magazineáltal támogatott, szerkesztőileg független kiadvány Simons Alapítvány. A Simons Alapítvány finanszírozási döntései nincsenek hatással a témák kiválasztására, a vendégekre vagy más szerkesztői döntésekre ebben a podcastban vagy a Quanta Magazine.

A „The Joy of Why” producere PRX produkciók. A produkciós csapat Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler és Merritt Jacob. A PRX Productions ügyvezető producere Jocelyn Gonzales. Morgan Church és Edwin Ochoa további segítséget nyújtott.

Tól től Quanta Magazine, John Rennie és Thomas Lin nyújtott szerkesztői útmutatást Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana és Madison Goldberg támogatásával.

Főcímzenéink az APM Music-tól származnak. Julian Lin találta ki a podcast nevét. Az epizód grafikáját Peter Greenwood, a logónkat pedig Jaki King és Kristina Armitage készítette. Külön köszönet a Columbia Journalism School-nak és Bert Odom-Reednek a Cornell Broadcast Studios-tól.

Én vagyok a házigazdád, Steve Strogatz. Ha bármilyen kérdése vagy észrevétele van velünk kapcsolatban, kérjük, írjon nekünk a címre [e-mail védett]. Köszönöm, hogy meghallgattak.