Gli uccelli si affollano. Sciame di locuste. Scuola di pesce. All’interno di gruppi di organismi che sembrano poter diventare caotici, in qualche modo emerge l’ordine. I comportamenti collettivi degli animali differiscono nei dettagli da una specie all’altra, ma aderiscono in gran parte ai principi del movimento collettivo che i fisici hanno elaborato nel corso dei secoli. Ora, utilizzando tecnologie rese disponibili solo di recente, i ricercatori sono stati in grado di studiare questi modelli di comportamento più da vicino che mai.

In questo episodio, l'ecologista evoluzionista Ian Couzin parla con il co-conduttore Steven Strogatz su come e perché gli animali esibiscono comportamenti collettivi, raggruppandosi come una forma di calcolo biologico, e su alcuni dei vantaggi nascosti del vivere come parte di un gruppo auto-organizzato piuttosto che come individuo. Discutono anche di come una migliore comprensione degli sciami di parassiti come le locuste potrebbe aiutare a proteggere la sicurezza alimentare globale.

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Trascrizione

[Giochi a tema]

STEVEN STROGATZ: In tutto il regno animale, dai minuscoli moscerini ai pesci, agli uccelli, alle gazzelle e persino ai primati come noi, le creature tendono a organizzarsi in grandi schemi di movimento che perseguono un obiettivo collettivo apparentemente spontaneo. Spesso nessuna creatura individuale sembra agire come leader, orchestrando questi movimenti di massa. Piuttosto, gli animali si allineano perfettamente.

E anche se sembra che tali sistemi finiscano nel caos o nell’instabilità, questi collettivi riescono in qualche modo a muoversi in modi che appaiono straordinariamente ben coordinati e propositivi, come può testimoniare chiunque abbia osservato un mormorio di storni o un banco di pesci. Ma qual è la forza trainante di questo comportamento?

Sono Steve Strogatz e questo è "The Joy of Why", un podcast di Quanta Magazine dove il mio co-conduttore Janna Levi e a turno esploro alcune delle più grandi domande senza risposta in matematica e scienze oggi.

[Il tema termina]

In questo episodio entreremo nel vivo del motivo per cui gli animali si radunano, sciamano e vanno a scuola. In che modo le tecnologie più recenti, come l’intelligenza artificiale e le telecamere 3D, forniscono nuove informazioni? E cosa può dirci lo studio delle dinamiche dei gruppi animali su noi stessi, sia individualmente che come collettività?

Qui a far luce su questi misteri è l'ecologista evoluzionista Ian Couzin. Iain è direttore del Dipartimento di comportamento collettivo presso l'Istituto Max Planck di comportamento animale e professore ordinario presso l'Università di Costanza. Tra i tanti riconoscimenti che ha ricevuto ci sono il National Geographic Emerging Explorer Award, il Premio Lagrange, la più alta onorificenza nel campo della scienza della complessità, e il Premio Leibniz, la più alta onorificenza tedesca per la ricerca. Iain, siamo così felici di averti con noi oggi.

IAIN COUZIN: È fantastico essere qui, Steve.

STROGATZ: Bene, sono molto felice di rivederti. Siamo vecchi amici e sarà un vero piacere conoscere le ultime novità sul comportamento collettivo. Ma cominciamo: suppongo che dovremmo parlare di chi sono i tuoi esemplari? Potresti parlarci un po' di alcuni animali e della varietà di forme che il loro comportamento collettivo assume nei sistemi che hai studiato?

CUCININO: Bene, questa è una delle cose più sorprendenti dello studio del comportamento collettivo. Il fatto è che è fondamentale per così tanti processi della vita sul nostro pianeta che studiamo letteralmente una serie di organismi, dall'animale più semplice del pianeta: si chiama placozoa; è un phylum basale, forse il animale pluricellulare più semplice sul pianeta; suo uno sciame di cellule, migliaia di cellule, molte delle quali si muovono come uno stormo di uccelli o un banco di pesci, passando per gli invertebrati, come le formiche, che hanno un comportamento sorprendentemente coordinato, o le locuste, che formano alcuni degli sciami più grandi e devastanti, fino ai vertebrati, come i banchi pesci, stormi di uccelli, allevamenti di ungulati e primati, compresi noi stessi: gli esseri umani.

STROGATZ: Quindi, sembra davvero coprire l'intera gamma, da - devo ammettere, non ne avevo mai sentito parlare, ho capito bene: placozoi?

CUCININO: Placozoi, sì. Questa piccola creatura è stata trovata mentre gattonava sul vetro degli acquari tropicali. Puoi vederlo ad occhio nudo. È circa un millimetro, forse un millimetro e mezzo se è molto grande. E, si sa, l'osservazione di questa straordinaria creatura ha attirato l'attenzione degli scienziati solo di recente.

E questo è in gran parte dovuto al fatto che questo strano sciame di cellule ha in realtà la complessità genetica che assoceresti a un organismo molto più sofisticato. Ad esempio, ha una vasta gamma di neurotrasmettitori, ma non ha neuroni.

[STROGATZ ride]

Ha quelli che vengono chiamati hox geni. hox nella biologia dello sviluppo i geni sono associati a piani corporei complessi. Non ha una pianta corporea complessa. E quindi forse potresti pensare, beh, questa creatura potrebbe essersi evoluta per diventare più complicata e poi rievolversi per semplificarsi, e quindi ha mantenuto queste caratteristiche di complessità.

Ma i ricercatori genetici hanno pubblicato una sorta di articolo fondamentale sulla rivista Natura quello ha dimostrato, no, in realtà, questo è uno dei la maggior parte dei gruppi cellulari primari. E, naturalmente, il comportamento collettivo, quale esempio più bello delle cellule che si uniscono per formare un organismo. Sai? Quindi questo è uno dei motivi per cui lo studiamo: cercare di capire come il comportamento collettivo sia stato centrale nelle origini della vita complessa sul nostro pianeta.

STROGATZ: Cavolo, questa è la fase iniziale dell'intervista e mi stai già facendo impazzire. Mi stai anche allontanando da ciò di cui pensavo ti avrei parlato. Questo è così interessante e così nuovo per me che sono sbalordito. Voglio tornare su questa parte della storia perché è così... voglio dire, è davvero sorprendente che loro abbiano... ho sentito bene, che hanno cose associate all'avere un sistema nervoso, ma non hanno un sistema nervoso? E hanno geni biologici dello sviluppo come se avessero bisogno di evolvere un intero piano corporeo complicato come un moscerino della frutta, ma non hanno un corpo del genere?

CUCININO: Esatto, esatto. E quindi potrebbero davvero darci un indizio sulle origini dell’intelligenza. Il nostro studio particolare, che abbiamo pubblicato quest'anno, abbiamo dimostrato che la loro struttura corporea si comporta davvero in modo molto simile a uno stormo di uccelli o a un banco di pesci, con le cellule che interagiscono localmente con le altre e tendono ad allineare la loro direzione di viaggio.

Quindi sono attratti l'uno dall'altro. Sono collegati insieme come un lenzuolo elastico, ma tendono anche ad essere mobili. Hanno ciglia, piccole ciglia alla base, così possono fluire nell'ambiente. E le forze che applicano ai loro vicini più vicini li spingono ad allinearsi tra loro.

E così, se seguiamo queste cellule al microscopio, e osserviamo l'allineamento e l'attrazione degli individui, usiamo più o meno le stesse tecnologie, gli stessi modelli, lo stesso modo di pensare che usiamo per comportamento collettivo negli stormi di uccelli o banchi di pesci o altri tipi di gruppi ma applicalo a questi animali.

E quindi, questa è una delle cose che trovo più notevole del comportamento collettivo, è che anche se le proprietà del sistema, che tu sia una cellula o un uccello, sono molto diverse, quando guardi l'azione collettiva, le proprietà collettive, la matematica che sta alla base di tutto ciò, in realtà possono farlo risultano molto simili. E così possiamo trovare queste, in un certo senso, quelle che vengono chiamate proprietà universali che collegano questi sistemi diversi, apparentemente disparati.

STROGATZ: Beh, certo, ora parli la mia lingua, dato che, sai, è questo che mi ha attirato nella mia fascinazione per il comportamento collettivo, è che ci sono quei principi matematici universali che sembrano applicarsi su e giù lungo la scala, dalle cellule alle cellule. , beh, ovviamente, ci piace sempre metterci al top.

Ma, quindi, okay, ci hai sollevato così tante questioni diverse su cui riflettere. Lasciatemi provare a tornare all'inizio, per quanto mi piacerebbe restare qui con voi con i Placozoa.

Quindi, per esempio, hai menzionato parole come “stormi” e “scuole”, e a volte sentiamo parlare di “sciami”, come con gli insetti. C'è qualche ragione per cui abbiamo tre parole diverse per la stessa cosa? Non sono proprio la stessa cosa quando parliamo di gruppi collettivi? C'è una ragione per cui non dovremmo parlare, ad esempio, di mandare in branco gli uccelli o di sciamare i pesci?

CUCININO: No, penso che abbiamo sviluppato queste parole e lingue diverse hanno parole diverse. In tedesco, che è una lingua ricca di parole, in realtà ne hanno relativamente poche. Mentre in inglese abbiamo tantissime parole diverse. Ad esempio, sai, ad esempio, un gruppo di corvi è chiamato omicidio di corvi.

[STROGATZ ride]

Tu stesso prima hai usato una parola meravigliosa, un “mormorio” di storni. E penso che sia proprio questo, la bellezza, l'affascinante bellezza dello stormire, dell'ammassarsi e dello sciamare, a dare origine a queste parole meravigliose che possono essere associate a esempi particolari.

E quindi, penso che sia una cosa molto utile, perché prima enfatizzavo i punti in comune, i punti in comune matematici, ma ci sono anche delle differenze. C'è differenza tra uno sciame di cellule e uno sciame di uccelli. E quindi, per comprendere questi sistemi, dobbiamo considerare entrambi i principi comuni, ma anche quelli che differiscono tra i sistemi. E in un certo senso, il linguaggio cattura parte di questo per noi nel modo in cui gli esseri umani li hanno naturalmente segregati o divisi in diverse categorie.

STROGATZ: Interessante. Quindi, hai menzionato “sciame di cellule” e “sciame di insetti”, immagino di sì, e hai detto che potrebbero esserci alcune differenze anche se usiamo la stessa parola. Quali sono le cose che dovremmo distinguere tra questi esempi?

CUCININO: Sì, penso che ciò che è veramente emozionante sia il motivo per cui c'è qualcosa in comune, perché le differenze sono così profonde. Un animale ha un cervello. Raccoglie informazioni sensoriali complesse e cerca di prendere decisioni sul suo ambiente. Gli animali sono capaci di comportamenti molto più complessi e sofisticati, in media, rispetto alle cellule.

Ma le cellule stesse, ovviamente, hanno processi interni complessi. Ma le loro interazioni sono dominate in misura maggiore dalle forze fisiche, dalla scala con cui agiscono e dalle tensioni che si formano, le tensioni fisiche che si formano all'interno dell'aggregato cellulare.

Mentre gli animali, le interazioni tra gli uccelli in uno stormo, sono invisibili. Non hanno forma fisica. E quindi inizialmente si potrebbe pensare, beh, allora è solo un'analogia. In effetti, direi che fino a circa 10-XNUMX anni fa, pensavo che anch'io fosse solo un'analogia. Ho pensato che queste differenze dovessero essere molto importanti. Ma quello che stiamo cominciando a capire è che la caratteristica comune che condividono è il calcolo.

È che questi elementi si uniscono per elaborare calcoli sul loro ambiente in modi che non potrebbero elaborare da soli. Ogni individuo, anche se ha un cervello umano molto complesso, e va in giro per il mondo, a meno che non abbia interazioni sociali con gli altri, o ancora di più, si basa sulla complessità culturale che ereditiamo quando nasciamo nelle nostre vite, quindi siamo molto limitati.

E quindi, ci sono queste domande profonde e molto affascinanti che stiamo appena iniziando ad affrontare riguardo al calcolo e all'emergere della vita complessa.

STROGATZ: Un punto di vista così interessante. Non sapevo quale parola avresti detto quando hai detto che c'è qualcosa che hanno tutti in comune. Ero... non potevo indovinare, ma mi piace: il calcolo.

Quindi, sai, mi fa pensare a una cosa famosa di cui la gente potrebbe aver visto film su YouTube o in televisione, dove c'è uno stormo di uccelli - forse è uno storno - e un falco o un falco o qualcosa che si avvicina sfrecciando verso il gregge. Forse dovresti darci una descrizione visiva di ciò che accade dopo, e perché penso che ci sia qualcosa a che fare con il calcolo in questo esempio?

CUCININO: Beh, voglio dire, se guardi questi gruppi, sai, quando hai questi predatori presenti e attaccano questi gruppi, che si tratti di un banco di pesci o di uno stormo di uccelli, vedi il gruppo che si comporta come questa sorta di fluido ondulato. Vedete queste increspature di luce che attraversano il gruppo o increspature di densità che attraversano il gruppo.

E ciò che questo è indicativo è che gli individui possono effettivamente propagare le informazioni sulla posizione di quel predatore molto rapidamente attraverso le interazioni sociali. Quindi gli individui che vedono il predatore, ad esempio, forse solo pochi di loro inizialmente vedono il predatore. Ma girando, e poi copiando questo comportamento da altri, il cambiamento di densità, il cambiamento di svolta, si propaga in modo estremamente rapido.

E se usiamo - sono sicuro che ne parleremo più avanti - se usiamo strumenti di imaging avanzati per quantificare, misurare, queste onde di rotazione, il risultato è un'onda di propagazione che è circa 10 volte più veloce della velocità massima del predatore stesso. Quindi gli individui possono rispondere a un predatore che non vedono nemmeno.

Quindi, il gruppo e gli individui nel gruppo – poiché la selezione, la selezione naturale, agisce sugli individui – in genere, possono effettivamente rispondere a stimoli che non rilevano.

È un po' come un neurone che trasmette informazioni tramite segnali elettrici. In questo caso non si tratta di segnali elettrici. In realtà è la densità e il cambiamento degli individui che si diffonde all'interno del gruppo, ma fornisce a quegli individui da lontano informazioni su dove si trova la minaccia, in modo che possano iniziare ad allontanarsene molto rapidamente.

STROGATZ: Quindi questo è, penso, un bellissimo esempio visivo di cosa significherebbe il calcolo in questo contesto. Che possiamo vedere queste ondate di panico o di fuga scorrere attraverso il gregge. È così interessante che è molto più veloce di quanto gli individui sarebbero in grado di fare da soli e, immagino, più veloce di quello che il predatore può mettere insieme da solo.

CUCININO: Uno dei motivi per cui è probabile che ciò accada, perché pensiamo che sia così, è perché il gruppo - la selezione naturale, anche se agisce sugli individui, è la loro forma fisica che conta, c'è un vantaggio collettivo per tutti se si comportano bene In un certo modo.

Anche questo si riferisce a ciò che abbiamo imparato dai sistemi fisici, in particolare dai sistemi fisici vicino ad una transizione di fase. Quindi, un sistema che è vicino a una transizione tra stati diversi, come tra un solido e un liquido, sai, se stai congelando l'acqua e improvvisamente passa allo stato solido, il comportamento collettivo di quel sistema è piuttosto notevole vicino a quello punto di transizione, questa biforcazione, che ovviamente è la tua area di studio. E questo è qualcosa che ora sappiamo, ora abbiamo prove molto forti, che la selezione naturale spinge i sistemi vicino a questi punti di biforcazione a causa delle proprietà collettive, delle notevoli proprietà collettive, che vengono esibite.

Quando abbiamo misurato per la prima volta queste proprietà, sembrava che gli individui sfidassero le leggi della fisica. Le informazioni filtravano così velocemente.

E all'inizio del 1900, più o meno, Edmund Selous, che era un darwiniano convinto, ma, sapete, anche affascinato dal fascino della telepatia in epoca vittoriana, supponeva che dovesse esserci un trasferimento di pensiero, lo descrisse, o telepatia tra uccelli che permetteva loro di comunicare così velocemente.

E ovviamente le persone pensano: "Beh, è ​​ridicolo, ovviamente non può esserci telepatia". Ma in realtà, e questo forse è un po' controverso, ma in realtà, penso che non abbiamo ancora una buona conoscenza delle modalità sensoriali e del modo in cui queste informazioni si diffondono così rapidamente attraverso il sistema.

Non sto suggerendo che ci sia la telepatia, ovviamente. Ma sto suggerendo che sintonizzando un sistema, sintonizzando un sistema collettivo vicino a questo punto critico, vicino a questo punto di biforcazione, si potrebbero dare origine a notevoli proprietà collettive che, a un osservatore, sembrano fantastiche, a un osservatore sembrano fantastiche. bizzarro. Perché la fisica in questi regimi è bizzarra, fantastica, sorprendente, anche se comprensibile dalla scienza.

STROGATZ: Quindi mi sto solo chiedendo, nel caso del comportamento collettivo, se la natura adatti uno stormo a stare vicino a qualche tipo di punto di instabilità o criticità. Stai suggerendo che questo sia parte di ciò che lo rende così efficace?

CUCININO: Sì, è esattamente quello che sto suggerendo. E quindi, per esempio, sai, ancora una volta, molto carta recente negli ultimi due anni che abbiamo pubblicato, ci siamo chiesti, sai, che ne dici di ottenere il meglio da tutti i mondi? Che dire se, in condizioni generali, vuoi essere stabile, vuoi essere robusto? Ma a volte vuoi diventare ipersensibile. E così, nella selezione naturale, i sistemi biologici devono bilanciare questo sorprendente e apparentemente contraddittorio status di essere robusti e sensibili. Come puoi essere robusto e sensibile allo stesso tempo?

E quindi, pensiamo che, regolando il sistema vicino a questo punto critico, in realtà permetta che ciò accada perché se il sistema devia, in realtà si stabilizza. Ma quando viene spinto verso quel punto critico, diventa incredibilmente flessibile e sensibile agli input, quindi, ad esempio, agli input riguardanti quel predatore. Quindi, se un banco di pesci è lontano da quel punto critico - ad esempio, se sono fortemente allineati tra loro - e rilevano un predatore, in realtà ci vuole molto sforzo per trasformare tutti questi individui. Rispondono così fortemente l'uno all'altro che è difficile per quell'input esterno cambiare il loro comportamento.

Se invece sono molto disordinati e si muovono tutti in direzioni diverse, allora un cambiamento di direzione individuale difficilmente può essere percepito dagli altri e quindi non si propaga nel sistema.

E così, in questa sorta di punto intermedio, possono effettivamente ottimizzare la loro capacità di comportarsi in gruppo e di essere flessibili, ma di trasmettere informazioni. E questa è una teoria della fisica che esiste da molto tempo, ma solo negli ultimi anni è stata utilizzata la tecnologia della visione artificiale per tracciare gli animali in gruppi e per chiedersi, come si cambiano le proprie interazioni quando, ad esempio, il mondo diventa più rischioso?

Come biologi penseremmo sempre: “Bene, se il mondo diventa più rischioso e pericoloso, diventerò più sensibile agli input. Sarò più nervoso, avrò maggiori probabilità di fare un falso allarme. E questo vale anche per gli animali isolati. È vero per gli esseri umani quando ci comportiamo in isolamento. Ma lo abbiamo testato su gruppi di animali, gruppi che si sono evoluti nel contesto collettivo, e abbiamo scoperto che non è vero per loro.

Ciò che fanno è cambiare la rete, la rete di connettività, di come le informazioni fluiscono attraverso il sistema. E lo mettono a punto in modo da ottimizzare questa sorta di compromesso flessibilità-robustezza, cioè lo portano in questo regime critico come avevamo previsto.

STROGATZ: Su quali tipi di animali sono stati condotti questi studi?

CUCININO: Quindi lavoriamo principalmente con piccoli pesci di branco perché devono risolvere lo stesso tipo di problemi - evitare i predatori, trovare un habitat adatto - ma sono trattabili in un ambiente di laboratorio. Quindi i pesci in realtà hanno una sostanza chimica, che si chiama schreckstoff, che in tedesco significa letteralmente “roba spaventosa”. E schreckstoff viene rilasciato naturalmente, se un predatore attacca un pesce, deve rilasciare questa sostanza chimica.

Quindi possiamo mettere schreckstoff nell'acqua, quindi non esiste la posizione di un predatore, ma il giudizio degli individui su questo ambiente cambia, il mondo è diventato più rischioso.

Allora cosa fai, cambi quello che succede nel tuo cervello? Cambia il modo in cui interagisci con l'ambiente? Diventi più spaventato, che è la cosa naturale che potremmo pensare che facciano gli animali?

Oppure, se immagini, in un sistema di rete, in un sistema collettivo, cambi la topologia di quella rete, la rete sociale, il modo in cui comunichi con gli altri? Perché ciò può anche cambiare la reattività alle minacce, a causa di quest’onda di svolta di cui abbiamo parlato prima.

E quindi quello che abbiamo scoperto è che gli individui non cambiano. Ciò che accade è che la rete cambia. Gli individui si muovono per cambiare la struttura di quella rete, ed è questo che fa sì che il gruppo diventi improvvisamente più sensibile e più flessibile.

Le persone, ad esempio, hanno un proxy, ovvero gli individui vicini tra loro devono interagire in modo più forte. Ma, come puoi pensare nella tua vita quotidiana, potresti essere seduto accanto a un perfetto sconosciuto sull'autobus, e in media non avere un legame socialmente forte con lui. Pertanto, la rete sociale sperimentata dagli individui potrebbe essere molto diversa da quella facile da misurare.

Quindi quello che abbiamo fatto è... beh, è ​​piuttosto complicato. Ma quello che possiamo fare è ricostruire il mondo dalla loro prospettiva. E usiamo una tecnica che deriva dai videogiochi e dalla computer grafica chiamata raycasting, in cui proiettiamo raggi di luce sulla retina degli individui in modo che possiamo vedere una sorta di rappresentazione computerizzata di ciò che vedono in ogni momento nel tempo. Ma quello che non sappiamo è: come diavolo riescono a elaborarlo?

E quindi, ancora una volta, possiamo usare metodi di apprendimento automatico, perché ogni cervello si è evoluto per fare la stessa cosa. Ci sono volute informazioni sensoriali complesse, come le persone che ci ascoltano oggi. Si tratta di informazioni acustiche complesse, ma potrebbero guidare o magari cucinare, quindi hanno anche informazioni visive e olfattive complesse, ma il loro cervello deve prendere tutta questa complessità e ridurla in quella che viene chiamata riduzione della dimensionalità, in una decisione o in “cosa farò dopo?” E sappiamo molto, molto poco su come gli animali reali facciano questo.

Ma possiamo ricostruire i loro campi visivi, e poi possiamo usare gli stessi tipi di tecniche per ridurre la dimensionalità, per capire come fa il cervello a ridurre questa complessità alle decisioni di movimento?

I pesci che abbiamo studiato hanno un numero molto piccolo di neuroni nella parte posteriore del cervello che determinano tutti i loro movimenti. Quindi il cervello deve assorbire tutta questa complessità, deve ridurla e deve prendere decisioni. E penso che sia una domanda meravigliosa in biologia: come fa il cervello a farlo?

STROGATZ: Prima di tutto, posso dire che ho bisogno di leggere i tuoi articoli più frequentemente. Hai detto qualcosa riguardo al puntare luci sulle retine dei pesci per poi vedere quello che vedono, o per avere la sensazione di sapere cosa stanno guardando? Ho sentito bene?

CUCININO: Sì, in realtà non sta letteralmente facendo luce. È tutto fatto digitalmente. Quindi immagina di avere un banco di pesci in un'istantanea nel tempo, un momento congelato nel tempo. Il nostro software tiene traccia della posizione e anche della postura del corpo di ciascuno di questi pesci. E quello che possiamo fare è creare una versione computerizzata tridimensionale di quella scena, come in un videogioco. Possiamo quindi chiederci: cosa vede ogni individuo? Quindi possiamo mettere le telecamere negli occhi delle persone.

Quindi, il raycasting è un po' come il raytracing, utilizzato nella computer grafica, che consiste semplicemente nei percorsi della luce che cadono sulla retina. E facciamo tutto questo digitalmente, così possiamo creare un analogo digitale della realtà. Possiamo quindi osservare come la luce cadrebbe sulla retina in quella scena virtuale, una sorta di scena virtuale fotorealistica. E questo ci dà il primo livello: quali sono le informazioni che arrivano all'individuo?

E poi, ovviamente, la grande domanda che vogliamo porci è: come lo elabora il cervello? In che modo il cervello elimina questa complessità e come prende decisioni? Come fanno, ad esempio, stormi fluidi e banchi di pesci a muoversi così facilmente e così bene con così poche collisioni, e tuttavia le auto in autostrada tendono a faticare ad avere un movimento collettivo? Voglio dire, c'è qualcosa che possiamo imparare da millenni di selezione naturale e che possiamo poi applicare ai veicoli e ai robot?

Quindi c'è anche un elemento applicato nel cercare di capirlo. Voglio capirlo in gran parte perché lo trovo affascinante, ma in alcuni casi si traduce anche in applicazioni reali.

STROGATZ: Torneremo presto.

[Pausa per l'inserimento dell'annuncio]

STROGATZ: Bentornati a "The Joy of Why".

Vorrei ritornare su qualcosa che hai detto nell'introduzione quando stavi attraversando la scala dal cellulare fino ai primati, e così via. Le persone potrebbero non avere molta familiarità con l'esempio delle locuste, e mi chiedo se potremmo parlare di alcuni degli... chiamiamoli aspetti reali o anche economici dello stormo, perché le locuste hanno un grande impatto sul mondo, più grande di quanto avessi io realizzato. Voglio dire, sto guardando alcune statistiche qui nei miei appunti secondo cui, durante gli anni di peste, le locuste invadono più di un quinto della copertura terrestre del mondo.

CUCININO: Sì.

STROGATZ: Potete crederci? E influenzano il sostentamento di una persona su 10 sul pianeta. Potresti quindi parlarci un po’ di questo tipo di ricerca e di come si collega alle questioni della sicurezza alimentare globale?

CUCININO: Sì, hai assolutamente ragione. E questo lo trovo davvero sorprendente. Sai, come hai appena detto, hanno un impatto su una persona su 10 sul nostro pianeta a causa della carenza di cibo e della sicurezza alimentare. E spesso lo fanno in paesi, come lo Yemen e la Somalia, che hanno grossi problemi, grandi conflitti, guerre civili e così via.

Ma anche a causa dei cambiamenti climatici, l’areale delle locuste si sta espandendo su gran parte del suo areale. E quindi, al momento, quest’anno l’Afghanistan sta affrontando una grave crisi nel suo bacino alimentare. Un paio di anni fa era il Madagascar. Un anno o due prima, era stato il Kenya ad avere lo sciame più grande degli ultimi 70 anni.

Allora perché, con tutte le moderne tecnologie di cui disponiamo per il monitoraggio, perché gli sciami stanno diventando sempre più feroci e più violenti? E uno dei motivi è il cambiamento climatico. Quello che succede con questi sciami è che... quindi locuste, potrebbe essere sorprendente per gli ascoltatori saperlo, ma alle locuste in realtà non piace stare vicine l'una all'altra. Sono cavallette verdi timide e criptiche a cui piace essere lasciate sole. Quindi, se hanno cibo in abbondanza, sono semplicemente isolati gli uni dagli altri. Si evitano a vicenda. La transizione avviene solo quando sono costretti a riunirsi.

Quindi normalmente sono cosiddetti solitari, a causa del loro stile di vita solitario. Ma se sono costretti a riunirsi, si sono evoluti per la transizione. Sono una specie di Jekyll e Hyde del mondo degli insetti. Si sono evoluti per passare all'improvviso, nel giro di un'ora, a livello comportamentale, in una forma gregaria, dove iniziano a marciare l'uno verso l'altro, seguendosi l'un l'altro.

Un'altra cosa che le persone potrebbero non sapere è che le locuste in realtà non hanno ali per i primi mesi della loro vita. E così quando nascono le locuste, sono incapaci di volare. Sono queste ninfe incapaci di volare. È solo quando sono adulti che hanno le ali.

E quindi, quello che sta succedendo qui è che quando le piogge arrivano in Africa, per esempio, o in India, o in altre aree, allora si può avere una vegetazione lussureggiante, e la piccola popolazione di locuste può proliferare come queste specie di cavallette misteriose, possono crescere nella dimensione della popolazione. Ora, man mano che la popolazione cresce, mangiano sempre di più, e spesso può arrivare anche la siccità.

Ora, se abbiamo un'alta densità di popolazione, e poi all'improvviso il cibo scompare, allora quello che fanno le locuste è che si sono evolute per passare a questa forma gregaria, dove iniziano a marciare insieme. Cominciano a muoversi tutti insieme. Questi sciami possono essere costituiti da miliardi di individui: per quanto puoi vedere, locuste che marciano tutte all'unisono, come se avessero uno scopo comune. E una volta che gli sono cresciute le ali, possono prendere il volo. E poi diventa ancora peggio, perché possono accedere agli alisei o ad altre condizioni ambientali, dove possono trasferirsi come enormi sciami per centinaia o addirittura migliaia di chilometri. E quindi, questo è uno dei comportamenti collettivi più grandi e devastanti che abbiamo sul nostro pianeta.

STROGATZ: Wow, non posso dire di avere molta familiarità con l'idea delle locuste in marcia. Siamo abituati a pensarli come queste nuvole, sai, che sciamano nell'aria. Ma raccontaci qualcosa di più della marcia, perché la ricordo vagamente alcune ricerche sorprendenti dei tuoi con l'aspetto cannibalistico delle locuste, è la parola giusta da usare?

CUCININO: Sì, era il 2008, e... ma hai ragione, sai, questi enormi stormi o sciami o nubi di locuste che si spostano su grandi distanze, sai, non sappiamo molto di loro perché non avevamo il tecnologia per studiarlo. In effetti, non abbiamo ancora la tecnologia per studiarlo. Quindi non è che non sia importante, è incredibilmente importante.

Ma sappiamo anche che ciò che precede questi sciami volanti... voglio dire, lo sciame volante è un po' come un incendio che è già fuori controllo. Ora avrai davvero problemi a controllarlo. Ma se riesci a controllarlo prima che gli spuntino le ali, quando formano questi sciami nel deserto o in questi ambienti prima ancora, allora c'è un grande potenziale.

E così, per ragioni pratiche, ci siamo concentrati su questi sciami senza ali. E in realtà, sai, anche se hai ragione, ho iniziato a studiarli a metà degli anni 2000, ora siamo, sto tornando alle locuste, e ora le sto studiando di nuovo.

Abbiamo appena creato il primo vero e proprio sciame al mondo all'interno dell'ambiente di laboratorio, all'inizio di quest'anno, dove abbiamo monitorato 10,000 locuste in un ambiente di imaging di 15 x 15 x 8 metri che abbiamo costruito qui appositamente per lo scopo, qui a Costanza. Quindi è divertente che tu ne parli, perché la mia ricerca ora sta tornando indietro a questo stesso sistema.

Ma sì, come hai detto tu, quello che abbiamo scoperto sono stati questi insetti, beh, perché marciano insieme? Perché sono - lo sai, e inizialmente pensavamo che dovessero essere come banchi di pesci e stormi di uccelli. Deve trattarsi di informazioni. Deve riguardare l’intelligenza collettiva. Ebbene, ci sbagliavamo. E quindi questo è il grande pericolo. Se vedete uno sciame di formiche che si muove in cerchio, come una specie di mulino, e vedete un banco di pesci, per esempio, che gira in un toro o in una sorta di disegno a forma di ciambella, o vedete un turbine, questi sono tutti modelli che sembrano uguali, ma possono essere guidati da fenomeni molto, molto diversi.

E penso di essere stato fuorviato nel pensare, sai, quando vedi il movimento collettivo, devono esserci processi simili alla base. Ma nel caso delle locuste, non si trattava di questo tipo di ipotesi di trasferimento di informazioni. In realtà il fatto è che in questi ambienti desertici, quando il cibo improvvisamente scarseggia, sei disperatamente a corto di nutrienti essenziali, soprattutto nel deserto: proteine, sale e acqua.

E cosa è meglio per te in questo tipo di ambiente duro rispetto a un altro individuo? Perché hanno una composizione nutrizionale perfettamente bilanciata. Quindi ciò che fanno gli individui è che sono attratti l'uno dall'altro e tendono a cannibalizzarsi a vicenda. Quindi si sono evoluti per seguire quelli che si allontanano, per cercare di morderli nella parte posteriore, nella parte posteriore dell'addome, da cui è molto difficile difendersi. La testa è pesantemente corazzata, ma la parte posteriore dell'addome è un punto debole per ovvi motivi, deve esserci un orifizio lì.

E quindi prendono di mira quello, ma poi evitano anche di essere presi di mira da altri. E il risultato del seguire coloro che si stanno allontanando da te e dell’allontanarsi da coloro che si muovono verso di te fa sì che l’intero sciame inizi a marciare insieme attraverso questo ambiente desertico.

E traggono vantaggio anche dall’avvento, uscendo insieme da aree povere di nutrienti. Perché, sai, se metti un essere umano nel deserto, un essere umano tenderà a sentirsi disorientato e a muoversi in tondo. Lo stesso con una locusta. Ma se li metti in uno sciame, l'allineamento collettivo, la sincronia tra gli individui, sai, centinaia di milioni di individui che si allineano tra loro, possono marciare in modo molto diretto fuori da questi ambienti poveri di nutrienti. E possono anche sommergere i predatori. Sai, i predatori non riescono a fare un gran rientro qui.

STROGATZ: Mi chiedo, in realtà, mentre parliamo di tutti questi esempi, come hai fatto a interessarti a tutto questo, ai vecchi tempi? Hai detto che questo accadeva nel 2008?

CUCININO: Sì, quello era quel documento del 2008.

STROGATZ: Sì, eri occupato con questa cosa anche prima, vero?

CUCININO: Sì, ho fatto il dottorato. alla fine degli anni Novanta sulle formiche. Ero affascinato dal comportamento delle formiche. E a dire il vero, tutto è iniziato con la passione per la natura e l'ossessione per la storia naturale e l'osservazione di ciò che ci circonda.

Da bambino pensavo che ci dovesse essere un esperto che capisse perché si formano gli sciami, perché i pesci vanno in branco, perché gli uccelli si affollano. Ho pensato che questo dovesse essere qualcosa che tutti studiano.

Da bambino ero un artista. Ero molto interessato alla scrittura creativa, alla poesia e all'arte. E così, inizialmente sono stato attratto dalla pura bellezza, dal fascino per la bellezza di questi.

E al liceo non ero un bravo studente in scienze. Stavo facendo ceramica e stavo dipingendo. E quando andai all'università, ricordo che mio padre mi disse: “Sai, figliolo, dovresti fare quello in cui sei bravo. Fai inglese o arte. Non sei uno scienziato, sei un naturalista, lo sai?" E aveva ragione. Aveva assolutamente ragione.

Ed è stato più tardi, quando ho conseguito una laurea in biologia, e ho capito fin dalla primissima lezione della mia lezione di biologia, che sapevo che questa era la cosa giusta per me, lo sapevo e basta. E ho scoperto che esiste tutto questo mondo della fisica statistica. Questi articoli uscirono in quel periodo e mi lasciarono a bocca aperta perché erano autori che vedevano profondi principi matematici attraverso i sistemi.

Il mio dottorato Il consulente ha detto che, per trovare un lavoro, dovresti diventare l'esperto mondiale di una specie di formica, e poi potrai essere prezioso. Ma stavo leggendo questo lavoro di scienziati che stavano facendo l'esatto contrario. Stavano studiando ogni cosa, dai sistemi fisici ai sistemi biologici, e vedevano questi principi. Inoltre, i modelli, le strutture e i risultati che stavano ottenendo erano naturalmente belli. E così ho pensato, deve essere giusto. Questo deve essere il modo giusto di fare scienza. E così, in quel momento, sono stato attratto dal mondo della fisica.

STROGATZ: Hai mai avuto il piacere di parlare con tuo padre in seguito del tuo cambio di direzione?

CUCININO: Non avrei mai, mai pensato che mio padre se ne ricordasse. E poi, quando sono stato promosso da professore assistente a professore ordinario all'Università di Princeton, ho ricevuto una telefonata dal presidente del dipartimento che diceva: "Congratulazioni, professor Couzin". E, sai, ero completamente sbalordito, quindi ovviamente ho chiamato mia madre e mio padre, e mio padre ha risposto al telefono, e poi ha detto: "E pensare che ti ho chiamato naturalista". Quella è stata l'unica volta, decenni dopo. Non sapevo nemmeno che si ricordasse di questa discussione.

STROGATZ: Beh, è ​​una bella storia, davvero una bella storia. Ci piace parlare di grandi domande senza risposta in questo show, quindi, quali ritieni siano alcune delle più grandi domande senza risposta sugli stormi, sulle scuole e sul comportamento collettivo in generale?

CUCININO: Beh, assolutamente sì. E questo mi sta portando all'argomento di cui sono così entusiasta adesso. Quindi, ancora una volta, all'inizio della mia carriera, ho pensato che il cervello, ovviamente, è una meravigliosa entità computazionale collettiva, uno degli esempi più belli. Come prende le decisioni il cervello? Ed è un insieme di neuroni, e ovviamente abbiamo sciami di formiche, o sciami di locuste, o stormi di uccelli, o banchi di pesci, tutti questi diversi componenti che interagiscono insieme. Quindi, c’è qualcosa che collega profondamente questi diversi sistemi, oppure no? E quello che mi affascina in questo momento è il processo decisionale collettivo, e soprattutto il processo decisionale collettivo nello spazio.

Quindi, come rappresenta il cervello lo spazio-tempo? E che importanza ha questo in termini di decisioni? E cosa diavolo c'entra questo con il comportamento collettivo degli animali? Ciò che ho capito circa cinque anni fa è che penso che ci sia una profonda somiglianza matematica, e penso che ci siano profondi principi geometrici, su come il cervello rappresenta lo spazio e anche il tempo.

E una delle cose più interessanti qui è ancora una volta l’uso della matematica. Sai, ho abbandonato la matematica quando avevo 16 anni e ho appena trascorso un anno sabbatico all'Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences dell'Università di Cambridge come Distinguished Fellow. Eppure non riesco a risolvere un'equazione, sai?

È così, ma adoro il fatto di poter lavorare con matematici straordinari. E lavorando con fisici, matematici e biologi e conducendo esperimenti sugli animali nella realtà virtuale, abbiamo creato una serie di tecnologie qui. Quindi non possiamo mettere un headset come un Meta Quest 3 su un pesce lungo meno di un centimetro. Ma possiamo creare ambienti virtuali, immersivi e olografici, in modo da poter controllare completamente l'input. Possiamo controllare completamente le relazioni causali.

Se, sai, io sto influenzando te e tu stai influenzando me, e poi c'è un terzo individuo, mi stanno influenzando direttamente o tramite te? O entrambi? Oppure un quarto o un quinto individuo? E nei nostri ambienti di realtà virtuale, possiamo mettere questi individui in quella che chiamiamo Matrix, come nel film, dove ogni individuo è nel proprio mondo olografico e interagisce in tempo reale con gli ologrammi di altri individui.

Ma in questo mondo possiamo giocare con le regole della fisica. Possiamo giocare con le regole dello spazio e del tempo per capire meglio, come le integra il cervello?

E quindi, questo mi lascia davvero a bocca aperta perché possiamo dimostrare che il cervello non rappresenta lo spazio in modo euclideo. Rappresenta lo spazio in un sistema di coordinate non euclideo. E possiamo quindi mostrare matematicamente perché questo è così importante, cioè che quando si inizia ad avere a che fare con tre o più opzioni, allora la distorsione dello spaziotempo, rendendo lo spazio non euclideo, può ridurre drasticamente la complessità del mondo in una serie di biforcazioni. E in prossimità di ogni biforcazione amplifica le differenze tra le restanti opzioni. Quindi c'è questa bellissima struttura interna.

E quindi, pensiamo di avere questa teoria universale su come il cervello prende decisioni spaziali che non avremmo mai potuto ottenere senza osservare una serie di organismi come pesci, locuste e mosche all'interno di questi tipi di ambienti di realtà virtuale, e quindi è ciò di cui sono super entusiasta.

[Giochi a tema]

STROGATZ: Bene, non vedo l'ora di sapere tutto questo mentre lo risolvi. Potrei continuare con te tutto il giorno, ma penso che sia giunto il momento di dirti grazie. Abbiamo parlato con l'ecologo evoluzionista Iain Couzin di affollamento, sciamatura, scolarizzazione e di ogni sorta di comportamento collettivo. Iain, è stato un vero piacere apprendere cosa stai facendo e le meraviglie della natura che hai contribuito a svelare per tutti noi. Grazie mille.

CUCININO: È stato un piacere. Grazie, Steve.

[Il tema continua a essere riprodotto]

STROGATZ: Grazie per aver ascoltato. Se ti piace "The Joy of Why" e non sei già iscritto, premi il pulsante Iscriviti o Segui nel punto in cui stai ascoltando. Puoi anche lasciare una recensione per lo spettacolo. Aiuta le persone a trovare questo podcast.

"The Joy of Why" è un podcast di Quanta Magazine, una pubblicazione editorialmente indipendente supportata dal Fondazione Simons. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non hanno alcuna influenza sulla selezione di argomenti, ospiti o altre decisioni editoriali in questo podcast o in Quanta Magazine.

“The Joy of Why” è prodotto da Produzioni PRX. Il team di produzione è composto da Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler e Merritt Jacob. Il produttore esecutivo di PRX Productions è Jocelyn Gonzales. Morgan Church e Edwin Ochoa hanno fornito ulteriore assistenza.

Da Quanta Magazine, John Rennie e Thomas Lin hanno fornito una guida editoriale, con il supporto di Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana e Madison Goldberg.

Il nostro tema musicale proviene da APM Music. Julian Lin ha inventato il nome del podcast. La grafica dell'episodio è di Peter Greenwood e il nostro logo è di Jaki King e Kristina Armitage. Un ringraziamento speciale alla Columbia Journalism School e a Bert Odom-Reed dei Cornell Broadcast Studios.

Sono il tuo ospite, Steve Strogatz. Se avete domande o commenti per noi, inviateci un'e-mail a [email protected]. Grazie per aver ascoltato.