Vogels komen massaal op. Sprinkhanen zwermen. Visschool. Binnen verzamelingen van organismen die chaotisch lijken te kunnen worden, ontstaat er op de een of andere manier orde. Het collectieve gedrag van dieren verschilt qua details van soort tot soort, maar ze houden zich grotendeels aan de principes van collectieve beweging die natuurkundigen door de eeuwen heen hebben uitgewerkt. Met behulp van technologieën die pas onlangs beschikbaar zijn gekomen, hebben onderzoekers deze gedragspatronen nauwkeuriger dan ooit tevoren kunnen bestuderen.

In deze aflevering de evolutionaire ecoloog Iain Couzin gesprekken met mede-gastheer Steven Strogatz over hoe en waarom dieren collectief gedrag vertonen, massaal als een vorm van biologische berekening, en enkele van de verborgen fitnessvoordelen van het leven als onderdeel van een zelfgeorganiseerde groep in plaats van als individu. Ze bespreken ook hoe een beter begrip van zwermen ongedierte zoals sprinkhanen kan helpen de mondiale voedselzekerheid te beschermen.

Luister verder Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, TuneIn of je favoriete podcasting-app, of je kunt stream het van Quanta.

Afschrift

[Themaspelen]

STEVEN STROGATZ: In het hele dierenrijk, van kleine muggen tot vissen, vogels, gazellen en zelfs primaten zoals wij, hebben wezens de neiging zich te organiseren in grote bewegende patronen die een ogenschijnlijk spontaan collectief doel nastreven. Vaak lijkt geen enkel individueel wezen als leider op te treden en deze massabewegingen te orkestreren. Integendeel, de dieren vallen gewoon naadloos op één lijn.

En ook al voelt het alsof dergelijke systemen in chaos of instabiliteit terecht zouden komen, slagen deze collectieven er op de een of andere manier in om zich te bewegen op manieren die buitengewoon goed gecoördineerd en doelgericht lijken, zoals iedereen die het geruis van spreeuwen of een school vissen heeft gezien, kan beamen. Maar wat is de drijvende kracht achter dit gedrag?

Ik ben Steve Strogatz, en dit is 'The Joy of Why', een podcast van Quanta Magazine waar mijn co-host Jana Levin en ik onderzoek om beurten enkele van de grootste onbeantwoorde vragen in de wiskunde en natuurwetenschappen van vandaag.

[Thema eindigt]

In deze aflevering gaan we tot de kern doordringen van waarom dieren samenkomen, zwermen en naar school gaan. Hoe zorgen de nieuwste technologieën, zoals kunstmatige intelligentie en 3D-camera’s, voor nieuwe inzichten? En wat kan het bestuderen van de groepsdynamiek van dieren ons over onszelf vertellen, zowel individueel als collectief?

Hier om licht te werpen op deze mysteries is een evolutionaire ecoloog Iain Couzin. Iain is directeur van de afdeling Collectief Gedrag van het Max Planck Instituut voor Dierengedrag en hoogleraar aan de Universiteit van Konstanz. Tot de vele onderscheidingen die hij heeft ontvangen behoren de National Geographic Emerging Explorer Award, de Lagrange-prijs, de hoogste onderscheiding op het gebied van de complexiteitswetenschap, en de Leibniz-prijs, de hoogste onderzoeksonderscheiding van Duitsland. Iain, we zijn zo blij dat je vandaag bij ons bent.

IAIN COUZIN: Het is geweldig om hier te zijn, Steve.

STROGATZ: Nou, ik ben erg blij je weer te zien. We zijn oude vrienden, en het zal een echte traktatie zijn om te horen over de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van collectief gedrag. Maar laten we beginnen – ik veronderstel dat we het moeten hebben over: wie zijn jouw exemplaren? Kun je ons iets vertellen over enkele dieren, en de verscheidenheid aan vormen die hun collectieve gedrag aanneemt in de systemen die je hebt bestudeerd?

KOEZIN: Dat is een van de meest verbazingwekkende dingen van het bestuderen van collectief gedrag. Het is omdat het van cruciaal belang is voor zoveel processen in het leven op onze planeet dat we letterlijk een reeks organismen bestuderen, van het eenvoudigste dier op aarde – het wordt een placozoa genoemd; het is een basaal phylum, mogelijk de eenvoudigste meercellige dier op de planeet; zijn een zwerm cellenDuizenden cellen, die zich grotendeels bewegen als een zwerm vogels of een school vissen – omhoog via de ongewervelde dieren, zoals mieren, die verbazingwekkend gecoördineerd gedrag vertonen, of sprinkhanen, die enkele van de grootste, meest verwoestende zwermen vormen, naar gewervelde dieren, zoals scholing vissen, zwermen vogels, hoedende hoefdieren en primaten, inclusief wijzelf – mensen.

STROGATZ: Het lijkt dus echt het hele spectrum te bestrijken, helemaal van – ik moet toegeven, ik had hier nog nooit van gehoord, heb ik het goed begrepen: placozoa?

KOEZIN: Placozoa, ja. Dit kleine wezentje werd rondkruipend gevonden op het glas van aquaria, tropische aquaria. Je kunt het met het blote oog zien. Het is ongeveer een millimeter, misschien anderhalve millimeter als het erg groot is. En weet je, het onderzoek naar dit opmerkelijke wezen heeft pas onlangs de aandacht van wetenschappers getrokken.

En dat komt grotendeels doordat deze vreemde, eigenzinnige zwerm cellen feitelijk de genetische complexiteit heeft die je zou associëren met een veel geavanceerder organisme. Het heeft bijvoorbeeld een groot aantal neurotransmitters, maar het heeft geen neuronen.

[STROGATZ lacht]

Het heeft wat genoemd wordt Hox genen. Hox genen worden in de ontwikkelingsbiologie geassocieerd met complexe lichaamsplannen. Het heeft geen complex lichaamsplan. En dus denk je misschien dat dit wezen geëvolueerd is om ingewikkelder te worden en vervolgens opnieuw is geëvolueerd om zichzelf te vereenvoudigen, en daarom heeft het deze karakteristieken van complexiteit behouden.

Maar genetische onderzoekers publiceerden een soort baanbrekend artikel in het tijdschrift NATUUR waaruit bleek: nee, in feite is dit een van de meest primaire groepen cellen. En natuurlijk collectief gedrag, wat is een mooier voorbeeld dan dat cellen samenkomen om een ​​organisme te vormen. Je weet wel? Dit is dus een van de redenen waarom we dit bestuderen: om te proberen te begrijpen hoe collectief gedrag centraal stond in de oorsprong van het complexe leven op onze planeet.

STROGATZ: Man, dit is een vroeg stadium van het interview en ik ben nu al verbijsterd. Je laat me ook ontsporen van datgene waar ik dacht dat ik het met je over zou hebben. Dit is zo interessant en zo nieuw voor mij dat ik er verbijsterd over ben. Ik wil terugkomen op dit deel van het verhaal, omdat het zo is – ik bedoel, het is echt verrassend dat ze… Heb ik je goed gehoord, dat ze dingen hebben die verband houden met het hebben van een zenuwstelsel, maar geen zenuwstelsel hebben? En hebben ontwikkelingsbiologische genen alsof ze een heel ingewikkeld lichaamsplan zoals een fruitvlieg moeten ontwikkelen, maar ze hebben niet zo'n lichaam?

KOEZIN: Precies, precies. En dus zouden ze ons echt een hint kunnen geven over de oorsprong van intelligentie. Onze specifieke studie, die we dit jaar hebben gepubliceerd, hebben we laten zien dat het lichaamsplan dat ze hebben zich echt gedraagt ​​als een zwerm vogels of een school vissen, waarbij cellen lokaal met anderen interageren en de neiging hebben hun reisrichting op één lijn te brengen.

Ze voelen zich dus tot elkaar aangetrokken. Ze zijn min of meer met elkaar verbonden als een elastische laag, maar ze zijn meestal ook beweeglijk. Ze hebben trilharen, kleine trilharen op hun basis, zodat ze door de omgeving kunnen stromen. En de krachten die ze uitoefenen op hun naaste buren zorgen ervoor dat ze zich op één lijn brengen.

En dus, als we deze cellen onder een microscoop volgen, en we kijken naar de uitlijning en de aantrekkingskracht van de individuen, gebruiken we vrijwel dezelfde technologieën, dezelfde modellen, hetzelfde denken dat we gebruiken voor collectief gedrag in vogelkoppels of visscholen of andere soorten groepen maar pas het toe op deze dieren.

En dit is dus een van de dingen die ik het meest opmerkelijk vind aan collectief gedrag: ook al zijn de systeemeigenschappen, of je nu een cel of een vogel bent, heel verschillend, als je kijkt naar de collectieve actie, de collectieve eigenschappen, de wiskunde die hieraan ten grondslag ligt, kunnen dat ook blijken erg op elkaar te lijken. En dus kunnen we deze zogenaamde universele eigenschappen vinden die deze verschillende, ogenschijnlijk ongelijksoortige systemen met elkaar verbinden.

STROGATZ: Nou, natuurlijk, nu je mijn taal spreekt, want, weet je, dat is wat mij in mijn eigen fascinatie voor collectief gedrag trok, namelijk dat er universele wiskundige principes zijn die van toepassing lijken te zijn op de schaal van cel tot cel. Nou ja, natuurlijk willen we onszelf altijd graag aan de top plaatsen.

Maar oké, je hebt zoveel verschillende kwesties ter sprake gebracht waarover we moeten nadenken. Laat me proberen terug te gaan naar het begin, hoe graag ik ook bij jullie zou willen blijven, hier bij de Placozoa.

U noemde bijvoorbeeld woorden als ‘kuddes’ en ‘scholen’, en soms horen we mensen praten over ‘zwermen’, zoals over insecten. Is er een reden waarom we drie verschillende woorden voor hetzelfde hebben? Zijn ze niet echt hetzelfde als we het over collectieve groepen hebben? Is er een reden waarom we niet zouden moeten praten over scholende vogels of zwermen vissen?

KOEZIN: Nee, ik denk dat we deze woorden hebben ontwikkeld, en dat verschillende talen verschillende woorden hebben. In het Duits, een taal vol met veel woorden, hebben ze er eigenlijk relatief weinig. Terwijl we in het Engels heel veel verschillende woorden hebben. Weet je, bijvoorbeeld, een groep kraaien wordt een moord op kraaien genoemd.

[STROGATZ lacht]

Zelf gebruikte je eerder een prachtig woord, een ‘geruis’ van spreeuwen. En ik denk dat het de schoonheid is, de betoverende schoonheid van het samenkomen, het scholen en het zwermen, dat aanleiding heeft gegeven tot deze prachtige woorden die met bepaalde voorbeelden in verband kunnen worden gebracht.

En dus denk ik dat dat heel nuttig is, omdat ik eerder de nadruk legde op de overeenkomsten, de wiskundige overeenkomsten, maar er zijn ook verschillen. Er is een verschil tussen een zwerm cellen en een zwerm vogels. En dus moeten we, om deze systemen te begrijpen, niet alleen rekening houden met de gemeenschappelijke principes, maar ook met de principes die tussen de systemen verschillen. En in zekere zin vat taal een deel daarvan voor ons samen, op de manier waarop mensen deze van nature min of meer hebben gescheiden of in verschillende categorieën hebben verdeeld.

STROGATZ: Interessant. Dus je noemde ‘zwerm cellen’ en ‘zwerm insecten’, ik denk dat dat zo was, en je zei dat er enkele verschillen konden zijn, ook al gebruiken we hetzelfde woord. Wat zijn de dingen die we tussen deze voorbeelden moeten onderscheiden?

KOEZIN: Ja, ik denk dat het echt spannend is waarom er een overeenkomst is, omdat de verschillen zo diepgaand zijn. Een dier heeft hersenen. Het neemt complexe sensorische informatie op en probeert beslissingen te nemen over zijn omgeving. Dieren zijn gemiddeld genomen tot veel complexer en geavanceerder gedrag in staat dan cellen.

Maar cellen hebben uiteraard zelf complexe interne processen. Maar hun interacties worden in grotere mate gedomineerd door fysieke krachten, door de schaal waarop ze handelen en de spanningen die zich vormen, de fysieke spanningen die zich binnen de cel vormen.

Terwijl de dieren, de interacties tussen vogels in een kudde, onzichtbaar zijn. Ze hebben geen fysieke vorm. En dus zou je in eerste instantie kunnen denken: dan is het slechts een analogie. Sterker nog, ik zou zeggen dat ik tot ongeveer vijf tot tien jaar geleden dacht dat het ook maar een analogie was. Ik dacht dat deze verschillen heel belangrijk moesten zijn. Maar wat we beginnen te begrijpen is dat het gemeenschappelijke kenmerk dat ze gemeen hebben, berekeningen zijn.

Het is dat deze elementen samenkomen om hun omgeving te berekenen op manieren die ze op zichzelf niet kunnen berekenen. Elk individu, ook al heb je een heel complex menselijk brein en loop je rond in de wereld, tenzij je sociale interacties hebt met anderen, of nog meer, weet je, voortbouwt op de culturele complexiteit die we erven als we worden in ons leven geboren en dan zijn we zeer beperkt.

En dus zijn er deze diepgaande, nogal fascinerende vragen die we net beginnen te beantwoorden over berekeningen en de opkomst van complex leven.

STROGATZ: Wat een interessant standpunt. Ik wist niet welk woord je wilde zeggen toen je zei dat ze allemaal iets gemeen hebben. Ik was... kon het niet raden, maar ik vind het leuk: berekenen.

Dus, weet je, het doet me denken aan iets beroemds waar mensen misschien films van hebben gezien op YouTube of op televisie, waar een zwerm vogels is – misschien is het een spreeuw – en een havik of een valk of zoiets komt inzoomen op de kudde. Misschien moet je ons een visuele beschrijving geven van wat er vervolgens gebeurt, en waarom denk ik dat er in dit voorbeeld iets met berekeningen te maken heeft?

KOEZIN: Nou, ik bedoel, als je naar deze groepen kijkt, weet je, als er roofdieren aanwezig zijn die deze groepen aanvallen, of het nu een visschool of een zwerm vogels is, zie je dat de groep zich gedraagt ​​als een soort golvende vloeistof. Je ziet deze rimpelingen van licht door de groep gaan, of rimpelingen van dichtheid die door de groep gaan.

En waar dit indicatief voor is, is dat de individuen feitelijk zeer snel informatie over de locatie van dat roofdier kunnen verspreiden via sociale interacties. Dus individuen die het roofdier zien bijvoorbeeld – misschien zien slechts een paar van hen het roofdier in eerste instantie. Maar door te draaien, en dit gedrag vervolgens door anderen te kopiëren, wordt de verandering van dichtheid, de verandering van draaien, extreem snel gepropageerd.

En als we – ik weet zeker dat we hier later op terugkomen – geavanceerde beeldvormingshulpmiddelen gebruiken om deze draaigolven te kwantificeren en te meten, resulteert dit in een voortplantingsgolf die ongeveer tien keer sneller is dan de maximale snelheid. van het roofdier zelf. Individuen kunnen dus reageren op een roofdier dat ze niet eens zien.

Dus de groep en de individuen in de groep – omdat selectie, natuurlijke selectie, op de individuen inwerkt – kunnen doorgaans daadwerkelijk reageren op stimuli die ze niet waarnemen.

Het lijkt een beetje op, weet je, een neuron dat informatie verzendt via elektrische signalen. In dit geval zijn het geen elektrische signalen. Het is in werkelijkheid de dichtheid en de draaiing van de individuen die door de groep sijpelt, maar het geeft die individuen op afstand informatie waar de dreiging zich bevindt, zodat ze zich er heel snel van kunnen losmaken.

STROGATZ: Dus dat is, denk ik, een heel mooi visueel voorbeeld van wat berekenen in deze context zou betekenen. Dat we deze golven van paniek of vermijding door de kudde kunnen zien stromen. Het is zo interessant dat het veel sneller is dan wat individuen op eigen kracht zouden kunnen doen, en, denk ik, sneller dan wat het roofdier op zichzelf kan opbrengen.

KOEZIN: Een van de redenen waarom dit waarschijnlijk het geval is, en waarom wij denken dat dit zo is, is omdat de groep – de natuurlijke selectie, ook al werkt deze in op de individuen, het hun fitheid is die er toe doet, er is zo’n collectief voordeel voor iedereen als ze zich gedragen. op een bepaalde manier.

Dit heeft weer te maken met wat we hebben geleerd van fysieke systemen, met name fysieke systemen dicht bij een faseovergang. Dus een systeem dat zich dicht bij een overgang tussen verschillende toestanden bevindt, zoals tussen een vaste stof en een vloeistof, weet je, als je water bevriest en het plotseling overgaat in een vaste stof, is het collectieve gedrag van dat systeem behoorlijk opmerkelijk in die zin. overgangspunt, deze splitsing, die uiteraard je eigen studiegebied is. En dit is iets dat we nu weten, we hebben nu heel sterk bewijs dat natuurlijke selectie systemen dicht bij deze splitsingspunten duwt vanwege de collectieve eigenschappen, de opmerkelijke collectieve eigenschappen die worden vertoond.

Toen we deze eigenschappen voor het eerst maten, leek het alsof de individuen de wetten van de natuurkunde trotseerden. De informatie sijpelde zo snel door.

En in het begin van de 1900e eeuw, Edmund Selous, die een overtuigd darwinist was, maar, weet je, ook enigszins gefascineerd door de fascinatie voor telepathie in het Victoriaanse tijdperk, nam hij aan dat er sprake moest zijn van gedachteoverdracht, hij beschreef het, of telepathie tussen vogels waardoor ze zo snel konden communiceren.

En natuurlijk denken mensen: "Nou, dat is belachelijk, natuurlijk kan er geen sprake zijn van telepathie." Maar in werkelijkheid, en dit is misschien een beetje controversieel, denk ik dat we nog steeds geen goed inzicht hebben in de zintuiglijke modaliteiten en de manier waarop deze informatie zo voortreffelijk snel door het systeem sijpelt.

Ik suggereer natuurlijk niet dat er telepathie bestaat. Maar ik suggereer dat door een systeem af te stemmen, door een collectief systeem dicht bij dit kritieke punt, dicht bij dit splitsingspunt, af te stemmen, dit aanleiding zou kunnen geven tot opmerkelijke collectieve eigenschappen die er voor een waarnemer fantastisch uitzien, voor een waarnemer lijken ze fantastisch. bizar. Omdat de natuurkunde in deze regimes bizar, fantastisch en verbazingwekkend is, ook al is het begrijpelijk voor de wetenschap.

STROGATZ: Dus ik vraag me af, in het geval van collectief gedrag, of de natuur een kudde zo afstemt dat ze in de buurt komen van een punt van instabiliteit of kritiek. Suggereert u dat dit deel uitmaakt van wat het zo effectief maakt?

KOEZIN: Ja, dat is precies wat ik suggereer. En dus weet je bijvoorbeeld, nogmaals, een heel recente paper In de afgelopen paar jaar dat we publiceerden, vroegen we ons af: hoe zit het met het verkrijgen van het beste van alle werelden? Hoe zit het als je, weet je, onder algemene omstandigheden stabiel wilt zijn, robuust wilt zijn. Maar soms wil je overgevoelig worden. En dus moeten biologische systemen bij natuurlijke selectie een evenwicht vinden tussen deze verbazingwekkende, schijnbaar tegenstrijdige status van zowel robuust als gevoelig zijn. Hoe kun je tegelijkertijd robuust en gevoelig zijn?

En dus denken we dat, weet je, als je het systeem dicht bij dit kritieke punt afstemt, dat feitelijk mogelijk is, want als het systeem afwijkt, stabiliseert het zichzelf feitelijk. Maar naarmate het richting dat kritieke punt wordt geduwd, wordt het ongelooflijk flexibel en gevoelig voor input, dus bijvoorbeeld input met betrekking tot dat roofdier. Dus als een visschool ver verwijderd is van dat kritieke punt – bijvoorbeeld als ze heel sterk op elkaar zijn afgestemd – en ze een roofdier detecteren, kost het in feite veel moeite om al deze individuen te veranderen. Ze reageren zo sterk op elkaar dat het voor die externe input moeilijk is om hun gedrag te veranderen.

Als ze daarentegen erg wanordelijk zijn en allemaal in verschillende richtingen bewegen, dan kan een individuele veranderende richting nauwelijks door anderen worden waargenomen en plant deze zich dus niet door het systeem voort.

En dus kunnen ze op dit soort tussenpunten feitelijk hun vermogen optimaliseren om zich als groep te gedragen en flexibel te zijn, maar ook om informatie door te geven. En dit is een theorie uit de natuurkunde die al lang bestaat, maar pas de laatste paar jaar wordt computer vision-technologie gebruikt om dieren in groepen te volgen en te vragen: hoe verander je, je weet wel, je interacties wanneer, bijvoorbeeld, de wereld riskanter wordt?

We zouden als biologen altijd denken: “Nou, als de wereld riskanter en gevaarlijker wordt, zal ik gevoeliger worden voor input. Ik zal zenuwachtiger zijn en de kans groter zijn dat ik vals alarm sla.” En dat geldt ook voor dieren in isolatie. Dat geldt ook voor mensen als we ons geïsoleerd gedragen. Maar we hebben dit getest bij diergroepen, groepen die zijn geëvolueerd binnen de context van het collectief, en we ontdekken dat dit voor hen niet geldt.

Wat ze doen is het netwerk veranderen, het netwerk van connectiviteit, van hoe de informatie door het systeem stroomt. En ze stemmen het zo af dat dit soort compromissen tussen flexibiliteit en robuustheid worden geoptimaliseerd, dwz ze nemen het op in dit kritische regime, zoals we hadden voorspeld.

STROGATZ: Op welke soorten dieren zijn deze onderzoeken uitgevoerd?

KOEZIN: We werken dus vooral met kleine scholenvissen, omdat ze dezelfde soort problemen moeten oplossen – roofdieren vermijden, een geschikte habitat vinden – en toch handelbaar zijn in een laboratoriumomgeving. Vissen hebben dus eigenlijk een chemische stof, die heet schreckstoff, wat in het Duits letterlijk ‘eng spul’ betekent. En schreckstoff van nature vrijkomt, als een roofdier een vis aanvalt, moet hij deze chemische stof vrijgeven.

Dus we kunnen zetten schreckstoff in het water, dus er is geen locatie van een roofdier, maar het oordeel van individuen over deze omgeving verandert, de wereld is riskanter geworden.

Dus wat doe je, verander je wat er in je hersenen gebeurt? Verandert u de manier waarop u met de omgeving omgaat? Word je banger, wat het natuurlijke is wat we denken dat dieren doen?

Of, als je je voorstelt dat je in een netwerksysteem, in een collectief systeem, de topologie van dat netwerk, het sociale netwerk, de manier waarop je met anderen communiceert, verandert? Omdat dat ook de reactiesnelheid op bedreigingen kan veranderen, vanwege deze golf van ommekeer waar we het eerder over hadden.

En wat we dus ontdekten, was dat individuen niet veranderen. Wat er gebeurt, is dat het netwerk verandert. De individuen proberen de structuur van dat netwerk te veranderen, en dat zorgt ervoor dat de groep plotseling gevoeliger en flexibeler wordt.

Vroeger hadden mensen bijvoorbeeld een proxy, namelijk dat individuen die dicht bij elkaar staan, sterker met elkaar moeten interacteren. Maar, zoals je in je dagelijkse leven kunt bedenken, zou je in de bus naast een volslagen vreemde kunnen zitten en gemiddeld gezien niet echt sociaal sterk met hem verbonden zijn. Het sociale netwerk dat individuen ervaren, kan dus heel anders zijn dan het netwerk dat gemakkelijk te meten is.

Dus wat we hebben gedaan is – nou ja, het is behoorlijk ingewikkeld. Maar wat we wel kunnen doen, is de wereld reconstrueren vanuit hun perspectief. En we gebruiken een techniek die afkomstig is uit videogames en computergraphics, genaamd raycasting, waarbij we lichtstralen op het netvlies van de individuen werpen, zodat we een soort computergestuurde weergave kunnen zien van wat ze op elk moment zien. Maar wat we niet weten is: hoe verwerken ze dat in vredesnaam?

En dus kunnen we opnieuw machinale leermethoden gebruiken, omdat elk brein is geëvolueerd om hetzelfde te doen. Er is complexe sensorische informatie voor nodig, zoals mensen die tegenwoordig naar ons luisteren. Het is complexe akoestische informatie, maar ze kunnen aan het rijden zijn of misschien koken, dus ze hebben ook complexe visuele en reukinformatie, maar hun hersenen moeten al deze complexiteit reduceren tot wat dimensionaliteitsreductie wordt genoemd, tot een beslissing of naar “wat ga ik nu doen?” En we weten heel, heel weinig over hoe echte dieren dit doen.

Maar we kunnen hun visuele velden reconstrueren, en dan kunnen we dezelfde soorten technieken gebruiken om de dimensionaliteit te verminderen, om te begrijpen hoe de hersenen deze complexiteit reduceren tot bewegingsbeslissingen?

En de vissen die we hebben bestudeerd, hebben een heel klein aantal neuronen achter in de hersenen die al hun bewegingen dicteren. Het brein moet dus al deze complexiteit in zich opnemen, het reduceren ervan, en het moet beslissingen nemen. En ik denk dat het een prachtige vraag is in de biologie: hoe doen hersenen dat?

STROGATZ: Allereerst merk ik dat ik uw artikelen vaker moet lezen. Je zei iets over het schijnen van licht op het netvlies van de vissen om dan te zien wat ze zien, of om het gevoel te krijgen dat je weet waar ze naar kijken? Heb ik dat goed gehoord?

KOEZIN: Ja, het schijnt eigenlijk niet letterlijk een licht. Het gebeurt allemaal digitaal. Stel je dus voor dat je een visschool hebt op een momentopname, een bevroren moment in de tijd. Onze software volgt de positie en ook de lichaamshouding van elk van deze vissen. En wat we kunnen doen is nu een driedimensionale computerversie van die scène maken, zoals in een videogame. We kunnen ons dan afvragen: wat ziet ieder individu? We kunnen dus camera's in de ogen van de individuen plaatsen.

En dus lijkt raycasting een beetje op raytracing, dat wordt gebruikt in computergraphics, wat niets anders is dan de lichtbanen die op het netvlies vallen. En we doen dit allemaal digitaal, zodat we een digitaal analoog van de werkelijkheid kunnen creëren. We kunnen dan kijken hoe het licht op het netvlies zou vallen in die virtuele scène, een soort fotorealistische virtuele scène. En dat geeft ons dus de eerste laag: welke informatie komt bij het individu binnen?

En dan is natuurlijk de grote vraag die we willen stellen: hoe verwerken de hersenen dat? Hoe nemen de hersenen die complexiteit weg en hoe nemen ze beslissingen? Hoe kunnen vloeiende kuddes en visscholen bijvoorbeeld zo moeiteloos en zo mooi bewegen met zo weinig botsingen, en toch hebben auto's op de snelweg de neiging om moeite te hebben om collectief te bewegen? Ik bedoel: kunnen we iets leren van millennia van natuurlijke selectie dat we vervolgens kunnen toepassen op voertuigen en robots?

Er zit dus ook een toegepast element in het proberen dit te begrijpen. Ik wil het grotendeels begrijpen omdat ik het fascinerend vind, maar het vertaalt zich in bepaalde gevallen ook daadwerkelijk naar echte toepassingen.

STROGATZ: We zijn zo terug.

[Pauze voor advertentie-invoeging]

STROGATZ: Welkom terug bij ‘De vreugde van het waarom’.

Ik wil graag terugkomen op iets dat u in de inleiding zei, toen u de schaal bewandelde van cel tot primaat, enzovoort. Mensen zijn misschien niet zo bekend met het voorbeeld van de sprinkhaan, en ik vraag me af of we zouden kunnen praten over enkele van de – laten we ze echte of zelfs economische aspecten van massale toestroom noemen, omdat sprinkhanen een grote impact op de wereld hebben, groter dan ik had. realiseerde. Ik bedoel, ik kijk hier in mijn aantekeningen naar enkele statistieken waaruit blijkt dat sprinkhanen tijdens pestjaren meer dan een vijfde van de landbedekking in de wereld binnendringen.

KOEZIN: Ja.

STROGATZ: Kun je het geloven? En het levensonderhoud van één op de tien mensen op deze planeet beïnvloeden. Kunt u ons iets vertellen over dat soort onderzoek en hoe het zich verhoudt tot kwesties rond de mondiale voedselzekerheid?

KOEZIN: Ja, je hebt helemaal gelijk. En dit vind ik behoorlijk verbazingwekkend. Weet je, zoals je net zei, hebben ze een impact op één op de tien mensen op onze planeet door voedseltekorten en voedselzekerheid. En dat doen ze vaak in landen, zoals Jemen en Somalië, die grote problemen, grote conflicten en burgeroorlogen hebben, enzovoort.

Maar ook als gevolg van de klimaatverandering breidt het verspreidingsgebied van sprinkhanen zich over een groot deel van zijn verspreidingsgebied uit. En dus, ik bedoel, op dit moment wordt Afghanistan dit jaar geconfronteerd met een grote crisis in zijn voedselbekken. Een paar jaar geleden was het Madagaskar. Een jaar of twee daarvoor had Kenia de grootste zwerm in zeventig jaar.

Dus waarom, weet je, met alle moderne technologieën die we hebben voor monitoring, waarom worden de zwermen woester en ernstiger? En een van de redenen is klimaatverandering. Het is dat, weet je, wat er met deze zwermen gebeurt is – dus sprinkhanen, het kan verrassend zijn voor luisteraars om dit te weten, maar sprinkhanen houden er eigenlijk niet van om bij elkaar in de buurt te zijn. Het zijn schuwe, cryptische groene sprinkhanen die graag met rust gelaten worden. Dus als ze voldoende voedsel hebben, zijn ze gewoon van elkaar geïsoleerd. Ze mijden elkaar. Pas als ze gedwongen worden samen te komen, gaan ze over.

Normaal gesproken zijn ze dus eenzaam, vanwege hun eenzame levensstijl. Maar als ze gedwongen worden samen te komen, zijn ze geëvolueerd naar een transitie. Ze zijn een beetje de Jekyll en Hyde van de insectenwereld. Ze zijn geëvolueerd om vrij plotseling, binnen een uur, gedragsmatig over te gaan naar een groepsvorm, waarbij ze naar elkaar toe beginnen te marcheren en elkaar volgen.

Iets anders dat mensen misschien niet weten, is dat sprinkhanen de eerste paar maanden van hun leven eigenlijk geen vleugels hebben. En dus als er sprinkhanen worden geboren, kunnen ze niet vliegen. Het zijn deze looploze nimfen. Pas als ze volwassen zijn, hebben ze vleugels.

En wat hier gebeurt, is dat als er bijvoorbeeld regen valt in Afrika, of in India, of in andere gebieden, je een weelderige vegetatie kunt hebben, en de kleine sprinkhanenpopulatie zich kan vermenigvuldigen, terwijl dit soort cryptische sprinkhanen kunnen groeien. qua populatieomvang. Nu die bevolking groeit, eten ze steeds meer en vaak kan er ook een droogte op komst zijn.

Als je een hoge bevolkingsdichtheid hebt en dan plotseling het voedsel verdwijnt, dan zijn de sprinkhanen geëvolueerd om over te gaan naar deze groepsvorm, waar ze samen beginnen te marcheren. Ze beginnen allemaal samen te bewegen. Deze zwermen kunnen uit miljarden individuen bestaan ​​– voor zover je kunt zien, marcheren sprinkhanen allemaal in koor, alsof ze een gemeenschappelijk doel hebben. En zodra ze vleugels krijgen, kunnen ze vliegen. En dan wordt het nog erger, omdat ze toegang hebben tot de passaatwinden of andere, je weet wel, omgevingsomstandigheden, waar ze zich als enorme zwermen over honderden of zelfs duizenden kilometers kunnen verplaatsen. En dit is dus een van de grootste en meest verwoestende collectieve gedragingen die we op onze planeet hebben.

STROGATZ: Oef, ik kan niet zeggen dat ik erg bekend ben met het idee van marcherende sprinkhanen. We zijn eraan gewend ze te zien als deze wolken, weet je, die in de lucht zwermen. Maar vertel ons wat meer over het marcheren, want ik herinner het me vaag een aantal verbazingwekkende onderzoeken van jou met het kannibalistische aspect van sprinkhanen, is dat het juiste woord om te gebruiken?

KOEZIN: Ja, dat was in 2008, en – maar je hebt gelijk, weet je, deze enorme zwermen of sprinkhanenwolken die zich over grote afstanden verplaatsen, weet je, we weten er niet veel over omdat we niet over de technologie om dat te bestuderen. Sterker nog, we hebben nog steeds niet de technologie om dat te bestuderen. Het is dus niet zo dat het niet belangrijk is, het is ongelooflijk belangrijk.

Maar we weten ook dat wat aan deze vliegende zwermen voorafgaat – ik bedoel, de vliegende zwerm lijkt een beetje op een bosbrand die al uit de hand is gelopen. Nu zul je echt problemen krijgen om het onder controle te houden. Maar als je het onder controle kunt houden voordat ze vleugels krijgen, als ze zwermen vormen in de woestijn of in de omgeving daarvoor, dan is er een groot potentieel.

En dus concentreerden we ons om praktische redenen op deze vleugelloze zwermen. En eigenlijk, ook al heb je gelijk, begon ik deze halverwege de jaren 2000 te bestuderen, en nu keer ik terug naar de sprinkhanen, en ik bestudeer ze nu opnieuw.

We hebben eerder dit jaar zojuist 's werelds eerste echte zwerm in de laboratoriumomgeving ooit gecreëerd, waar we 10,000 sprinkhanen hebben gevolgd in een beeldomgeving van 15 bij 15 bij 8 meter die we hier speciaal voor dit doel hebben gebouwd, hier in Konstanz. Het is dus grappig dat je het zegt, omdat mijn onderzoek nu min of meer terugkeert naar hetzelfde systeem.

Maar ja, zoals je zei, wat we ontdekten was, weet je, deze insecten, waarom marcheren ze samen? Waarom zijn ze – weet je, en we dachten aanvankelijk dat het net visscholen en vogelzwermden moesten zijn. Het moet om informatie gaan. Het moet over collectieve intelligentie gaan. Nou, we hadden het mis. En dit is dus het grote gevaar. Als je een zwerm mieren ziet die in een cirkel beweegt, in een soort molen, en je ziet bijvoorbeeld een school vissen die in een torus of een soort donutachtig patroon draait, of je ziet een wervelwind, het zijn allemaal patronen die er hetzelfde uitzien, maar die door heel, heel verschillende verschijnselen kunnen worden aangedreven.

En ik denk dat ik werd misleid door te denken: als je collectieve beweging ziet, moeten er soortgelijke processen aan ten grondslag liggen. Maar in het geval van sprinkhanen was er geen sprake van dit soort informatieoverdrachtshypothese. Het was eigenlijk het feit dat je in deze woestijnomgevingen, wanneer het voedsel plotseling tekortschiet, een wanhopig tekort hebt aan essentiële voedingsstoffen, vooral in de woestijn: eiwitten, zout en water.

En wat is beter voor u in dit soort barre omstandigheden dan een ander individu? Omdat ze een perfect uitgebalanceerde voedingssamenstelling hebben. Dus wat de individuen doen, is dat ze zich tot elkaar aangetrokken voelen en de neiging hebben elkaar te kannibaliseren. Ze zijn dus geëvolueerd om degenen die wegtrekken te volgen, om ze aan de achterkant te bijten, aan de achterkant van de buik, waartegen je je heel moeilijk kunt verdedigen. Het hoofd is zwaar gepantserd, maar de achterkant van de buik is om voor de hand liggende redenen een zwak punt; daar moet een opening zijn.

En dus richten ze zich daarop, maar ze vermijden ook dat ze het doelwit van anderen worden. En de uitkomst van het volgen van degenen die zich van je af bewegen en het weggaan van degenen die naar je toe bewegen, resulteert erin dat de hele zwerm samen door deze woestijnomgeving begint te marcheren.

En ze profiteren er ook van door te pleiten, door samen uit voedselarme gebieden te trekken. Want weet je, als je een mens in de woestijn plaatst, zal een mens de neiging hebben gedesoriënteerd te raken en in cirkels rond te bewegen. Hetzelfde met een sprinkhaan. Maar als je ze in een zwerm plaatst, de collectieve afstemming, de synchronisatie tussen de individuen, je weet wel, honderden miljoenen individuen die zich op elkaar afstemmen, kunnen ze op een zeer gerichte manier uit deze voedselarme omgevingen marcheren. En ze kunnen ook roofdieren overspoelen. Weet je, roofdieren kunnen hier niet echt een streepje voor maken.

STROGATZ: Terwijl we over al deze voorbeelden praten, vraag ik me eigenlijk af: hoe raakte je vroeger in dit alles geïnteresseerd? Je zei dat dit in 2008 was?

KOEZIN: Ja, dat was die krant uit 2008.

STROGATZ: Ja, daar was je al eerder mee bezig, toch?

KOEZIN: Ja, ik heb mijn doctoraat behaald. eind jaren negentig over mieren. Ik was gefascineerd door mierengedrag. En om eerlijk te zijn, het begon met een passie voor de natuur en een obsessie met alleen natuurlijke historie en het observeren van wat er om ons heen was.

Als kind dacht ik dat er een expert moest zijn die begrijpt waarom er zwermen ontstaan, waarom een ​​visschool ontstaat, waarom vogels massaal samenkomen. Ik dacht dat dit iets was dat iedereen bestudeert.

Als kind was ik kunstenaar. Ik was erg geïnteresseerd in creatief schrijven, poëzie en kunst. En dus werd ik aanvankelijk aangetrokken door de pure schoonheid, de fascinatie voor de schoonheid hiervan.

En op de middelbare school was ik geen geweldige student in de natuurwetenschappen. Ik was bezig met pottenbakken en ik was aan het schilderen. En toen ik naar de universiteit ging, herinner ik me dat mijn vader tegen mij zei: 'Weet je, zoon, je moet doen waar je goed in bent. Doe Engels of kunst. Je bent geen wetenschapper, je bent een natuuronderzoeker, weet je? En hij had gelijk. Hij had volkomen gelijk.

En het was later, toen ik een biologiestudie deed, en ik wist gewoon tijdens de allereerste lezing van mijn biologielezing dat ik wist dat dit het juiste voor mij was, ik wist het gewoon. En ik ontdekte dat er een hele wereld van statistische natuurkunde bestaat. Deze artikelen verschenen in die tijd en waren verbijsterd omdat het auteurs waren die diepgaande wiskundige principes in verschillende systemen zagen.

Mijn doctoraat De adviseur zei: om een ​​baan te krijgen, moet je de wereldexpert op het gebied van één mierensoort worden, en dan kun je waardevol zijn. Maar ik las dit werk van wetenschappers die precies het tegenovergestelde deden. Ze bestudeerden alles, van fysieke systemen tot biologische systemen, en ze zagen deze principes. En ook de patronen en structuren en de resultaten die ze vonden waren gewoonweg prachtig. En dus dacht ik: dit moet wel kloppen. Dit moet de juiste manier zijn om wetenschap te bedrijven. En dus werd ik op dat moment gewoon meegezogen in de wereld van de natuurkunde.

STROGATZ: Hebt u ooit het genoegen gehad om daarna met uw vader te praten over uw koerswijziging?

KOEZIN: Ik had nooit gedacht dat mijn vader zich dit zou herinneren. En toen ik werd gepromoveerd van assistent-professor tot hoogleraar aan de Universiteit van Princeton, kreeg ik een telefoontje van de voorzitter van de afdeling die zei: "Gefeliciteerd, professor Couzin." En weet je, ik was gewoon helemaal weggeblazen, dus belde ik natuurlijk mijn vader en moeder, en mijn vader nam de telefoon op, en toen zei hij: "En dan te bedenken dat ik je een natuuronderzoeker noemde." Dat is de enige keer, dat is tientallen jaren later. Ik heb nooit geweten dat hij zich deze discussie zelfs maar herinnerde.

STROGATZ: Nou, het is een goed verhaal, het is een heel goed verhaal. We praten graag over grote onbeantwoorde vragen in deze show, en dus, wat zie jij als enkele van de grootste onbeantwoorde vragen over koppels en scholen en collectief gedrag in het algemeen?

KOEZIN: Nou, dat doe ik absoluut. En dit brengt mij bij het onderwerp waar ik nu zo enthousiast over ben. Dus nogmaals, eerder in mijn carrière dacht ik: weet je, de hersenen zijn natuurlijk een prachtige collectieve rekenentiteit, een van de mooiste voorbeelden, weet je. Hoe nemen de hersenen beslissingen? En het is een verzameling neuronen, en natuurlijk hebben we mierenzwermen, of sprinkhanenzwermen, of vogelzwermen, of visscholen, waarbij al deze verschillende componenten met elkaar samenwerken. Is er iets dat deze verschillende systemen diepgaand met elkaar verbindt, of niet? En waar ik momenteel door gefascineerd ben, is collectieve besluitvorming, en vooral collectieve besluitvorming in de ruimte.

Dus, hoe representeren de hersenen de ruimte-tijd? En wat betekent dat voor beslissingen? En wat heeft dat in vredesnaam met het collectieve gedrag van dieren te maken? Wat ik me ongeveer vijf jaar geleden realiseerde, is dat ik denk dat er een diepe wiskundige gelijkenis bestaat, en ik denk dat er diepe geometrische principes zijn, over hoe de hersenen ruimte en ook tijd representeren.

En een van de meest opwindende dingen hier is het gebruik van wiskunde. Weet je, ik ben gestopt met wiskunde toen ik 16 jaar oud was, en ik heb net een sabbatical doorgebracht aan het Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences aan de Universiteit van Cambridge als Distinguished Fellow. Toch kan ik een vergelijking niet oplossen, weet je?

Dat ben ik ook, maar ik vind het geweldig dat ik met geweldige wiskundigen kan werken. En door samen te werken met natuurkundigen, wiskundigen en biologen, en door experimenten uit te voeren op dieren in virtual reality, hebben we hier een reeks technologieën gebouwd. We kunnen dus geen koptelefoon als een Meta Quest 3 op een vis zetten die minder dan een centimeter lang is. Maar we kunnen virtuele, meeslepende, holografische omgevingen creëren, zodat we de input volledig kunnen controleren. We hebben volledige controle over de causale relaties.

Als, weet je, ik jou beïnvloed en jij mij, en dan is er nog een derde individu, beïnvloeden zij mij dan rechtstreeks of via jou? Of allebei? Of een vierde individu of vijfde? En in onze virtual reality-omgevingen kunnen we deze individuen in wat we de Matrix noemen plaatsen, zoals in de film, waar elk individu zich in zijn eigen holografische wereld bevindt en in realtime interactie heeft met hologrammen van andere individuen.

Maar in deze wereld kunnen we spelen met de regels van de natuurkunde. We kunnen spelen met de regels van ruimte en tijd om beter te begrijpen: hoe integreren de hersenen deze?

Dit is dus echt verbijsterend, omdat we kunnen aantonen dat de hersenen de ruimte niet op een Euclidische manier representeren. Het vertegenwoordigt de ruimte in een niet-Euclidisch coördinatensysteem. En we kunnen dan wiskundig laten zien waarom dit zo belangrijk is, namelijk dat wanneer je met drie of meer opties te maken krijgt, het daadwerkelijk vervormen van de ruimtetijd, waardoor de ruimte niet-Euclidisch wordt, de complexiteit van de wereld dramatisch kan reduceren tot een reeks vertakkingen. En dichtbij elke splitsing vergroot het de verschillen tussen de resterende opties. Er is dus een prachtige interne structuur.

En dus denken we dat we een universele theorie hebben over hoe de hersenen ruimtelijke beslissingen nemen waartoe we nooit hadden kunnen komen zonder te kijken naar een reeks organismen zoals vissen, sprinkhanen en vliegen in dit soort virtual reality-omgevingen. waar ik super enthousiast over ben.

[Themaspelen]

STROGATZ: Nou, ik kan niet wachten om dit allemaal te horen terwijl je het uitwerkt. Ik zou de hele dag met je kunnen doorgaan, maar ik denk dat het tijd is om je te bedanken. We hebben met evolutionair ecoloog Iain Couzin gesproken over massaal zwermen, scholing en allerlei vormen van collectief gedrag. Iain, het was zo leuk om te horen waar je mee bezig bent en de wonderen van de natuur die je voor ons allemaal hebt helpen ontrafelen. Heel erg bedankt.

KOEZIN: Het was me een genoegen. Bedankt, Steve.

[Thema blijft spelen]

STROGATZ: Bedankt voor het luisteren. Als je 'The Joy of Why' leuk vindt en je bent nog niet geabonneerd, klik dan op de abonneer- of volgknop op de plek waar je luistert. Je kunt ook een recensie achterlaten voor de show. Het helpt mensen deze podcast te vinden.

“The Joy of Why” is een podcast van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie ondersteund door de Simons Foundation. Financieringsbeslissingen van de Simons Stichting hebben geen invloed op de selectie van onderwerpen, gasten of andere redactionele beslissingen in deze podcast of in Quanta Magazine.

“The Joy of Why” is geproduceerd door PRX-producties. Het productieteam bestaat uit Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler en Merritt Jacob. De uitvoerend producent van PRX Productions is Jocelyn Gonzales. Morgan Church en Edwin Ochoa boden aanvullende hulp.

Van Quanta MagazineJohn Rennie en Thomas Lin zorgden voor redactionele begeleiding, met steun van Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana en Madison Goldberg.

Onze themamuziek is van APM Music. Julian Lin bedacht de naam van de podcast. De afbeelding van de aflevering is van Peter Greenwood en ons logo is van Jaki King en Kristina Armitage. Speciale dank aan de Columbia Journalism School en Bert Odom-Reed van de Cornell Broadcast Studios.

Ik ben je gastheer, Steve Strogatz. Als u vragen of opmerkingen voor ons heeft, kunt u een e-mail sturen naar [e-mail beveiligd]. Bedankt voor het luisteren.