Os pássaros voam. Enxame de gafanhotos. Escola de peixes. Dentro de conjuntos de organismos que parecem poder ficar caóticos, a ordem emerge de alguma forma. Os comportamentos colectivos dos animais diferem nos seus detalhes de uma espécie para outra, mas aderem em grande parte aos princípios do movimento colectivo que os físicos desenvolveram ao longo dos séculos. Agora, utilizando tecnologias que só recentemente se tornaram disponíveis, os investigadores conseguiram estudar estes padrões de comportamento mais de perto do que nunca.

Neste episódio, o ecologista evolucionista Iain Couzin conversa com o co-apresentador Steve Strogatz sobre como e por que os animais exibem comportamentos coletivos, reunindo-se como uma forma de computação biológica, e algumas das vantagens ocultas de aptidão de viver como parte de um grupo auto-organizado, em vez de como um indivíduo. Eles também discutem como uma melhor compreensão da enxameação de pragas, como os gafanhotos, poderia ajudar a proteger a segurança alimentar global.

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[peças temáticas]

STEVEN STROGATZ: Em todo o reino animal, desde pequenos mosquitos a peixes, pássaros, gazelas e até primatas como nós, as criaturas tendem a organizar-se em grandes padrões móveis que perseguem um objetivo coletivo aparentemente espontâneo. Muitas vezes, nenhuma criatura individual parece agir como líder, orquestrando estes movimentos de massa. Em vez disso, os animais simplesmente se alinham perfeitamente.

E mesmo que pareça que tais sistemas iriam cair no caos ou na instabilidade, estes colectivos conseguem, de alguma forma, mover-se de formas que parecem extraordinariamente bem coordenadas e decididas, como pode atestar qualquer pessoa que tenha observado o murmúrio de estorninhos ou um cardume de peixes. Mas qual é a força motriz por trás desse comportamento?

Meu nome é Steve Strogatz e este é “The Joy of Why”, um podcast da Revista Quanta onde meu co-anfitrião Janna Levin e me revezo explorando algumas das maiores questões sem resposta em matemática e ciências hoje.

[Tema termina]

Neste episódio, vamos chegar ao cerne do motivo pelo qual os animais se aglomeram, enxameiam e estudam. Como as tecnologias mais recentes, como a inteligência artificial e as câmeras 3D, estão proporcionando novos insights? E o que o estudo da dinâmica de grupos animais pode nos dizer sobre nós mesmos, tanto individualmente como coletivamente?

Aqui para esclarecer esses mistérios está o ecologista evolucionista Iain Couzin. Iain é diretor do Departamento de Comportamento Coletivo do Instituto Max Planck de Comportamento Animal e professor titular da Universidade de Konstanz. Entre as muitas homenagens que recebeu estão o Prêmio National Geographic Emerging Explorer, o Prêmio Lagrange, a maior homenagem no campo da ciência da complexidade, e o Prêmio Leibniz, a maior homenagem de pesquisa da Alemanha. Iain, estamos muito felizes por ter você conosco hoje.

IAIN COUZIN: É ótimo estar aqui, Steve.

ESTROGATZ: Bem, estou muito feliz em vê-lo novamente. Somos velhos amigos e será um verdadeiro prazer ouvir sobre as últimas novidades em comportamento coletivo. Mas vamos começar - suponho que deveríamos conversar sobre quem são seus espécimes? Você poderia nos contar um pouco sobre alguns dos animais e a variedade de formas que seu comportamento coletivo assume nos sistemas que você estudou?

PRIMO: Bem, essa é uma das coisas mais surpreendentes sobre o estudo do comportamento coletivo. É fundamental para tantos processos da vida em nosso planeta que literalmente estudamos uma série de organismos, desde o animal mais simples do planeta – é chamado de placozoário; é um filo basal, possivelmente o animal multicelular mais simples no planeta; isso é um enxame de células, milhares de células, movendo-se como um bando de pássaros ou um cardume de peixes - passando pelos invertebrados, como as formigas, que têm um comportamento surpreendentemente coordenado, ou gafanhotos, que formam alguns dos maiores e mais devastadores enxames, até os vertebrados, como os cardumes peixes, pássaros reunidos, pastores de ungulados e primatas, incluindo nós mesmos - humanos.

ESTROGATZ: Então, realmente parece abranger toda a gama, desde - tenho que admitir, nunca tinha ouvido falar disso, acertei: placozoa?

PRIMO: Placozoários, sim. Esta criaturinha foi encontrada rastejando no vidro de aquários, aquários tropicais. Você pode ver isso a olho nu. Tem cerca de um milímetro, talvez um milímetro e meio se for muito grande. E, você sabe, olhar para esta criatura notável só recentemente chamou a atenção dos cientistas.

E isso ocorre em grande parte porque esse estranho enxame de células tem, na verdade, a complexidade genética que você associaria a um organismo muito mais sofisticado. Por exemplo, possui uma grande variedade de neurotransmissores, mas não possui neurônios.

[STROGATZ ri]

Tem o que é chamado hox genes. hox os genes estão na biologia do desenvolvimento associados a planos corporais complexos. Não possui um plano corporal complexo. E então talvez você possa pensar, bem, esta criatura pode ter evoluído para se tornar mais complicada e depois reevoluir para se simplificar e, portanto, manteve essas características de complexidade.

Mas os pesquisadores genéticos publicaram uma espécie de artigo marcante na revista Natureza que mostrou, não, na verdade, este é um dos a maioria dos grupos primários de células. E, claro, o comportamento coletivo, que exemplo mais bonito do que células se unindo para formar um organismo. Você sabe? Portanto, esta é uma das razões pelas quais estudamos isto: tentar compreender como o comportamento coletivo foi central para as origens da vida complexa no nosso planeta.

ESTROGATZ: Cara, esta é uma fase inicial da entrevista e você já está me surpreendendo. Você também está me desviando do que eu pensei que iria falar com você. Isso é tão interessante e tão novo para mim que estou atordoado. Quero voltar a esta parte da história porque é tão - quero dizer, é realmente surpreendente que eles tivessem... Ouvi bem, que eles têm coisas associadas a ter um sistema nervoso, mas não têm sistema nervoso? E têm genes biológicos de desenvolvimento como se precisassem desenvolver todo um plano corporal complicado como uma mosca da fruta, mas não têm um corpo assim?

PRIMO: Exatamente exatamente. E assim, eles poderiam realmente nos dar uma dica sobre as origens da inteligência. Nosso estudo específico, que publicamos este ano, mostramos que o plano corporal que eles têm realmente se comporta muito como um bando de pássaros ou um cardume de peixes, com células interagindo localmente com outras e tendendo a alinhar sua direção de deslocamento.

Então eles se sentem atraídos um pelo outro. Eles estão meio que conectados como uma folha elástica, mas também tendem a ser móveis. Eles têm cílios, pequenos cílios na base, para que possam fluir pelo ambiente. E as forças que aplicam aos seus vizinhos mais próximos fazem com que se alinhem uns com os outros.

E assim, se rastrearmos essas células sob um microscópio, e observarmos o alinhamento e a atração dos indivíduos, usaremos praticamente as mesmas tecnologias, os mesmos modelos, o mesmo pensamento que usamos para comportamento coletivo em bandos de pássaros ou cardumes de peixes ou outros tipos de grupos mas aplique-o a esses animais.

E assim, esta é uma das coisas que considero mais notáveis ​​sobre o comportamento coletivo, é que mesmo que as propriedades do sistema, seja você uma célula ou um pássaro, sejam muito diferentes, quando você olha para a ação coletiva, as propriedades coletivas, a matemática subjacente a isso, na verdade podem acabam sendo muito parecidos. E assim podemos encontrar essas propriedades chamadas de universais que conectam esses sistemas diferentes e aparentemente díspares.

ESTROGATZ: Bem, é claro, agora você está falando a minha língua, já que, você sabe, foi isso que me atraiu para o meu próprio fascínio pelo comportamento coletivo, é que existem aqueles princípios matemáticos universais que parecem se aplicar em toda a escala, de células a células. , bem, é claro, sempre gostamos de nos colocar no topo.

Mas, então, tudo bem, você levantou tantas questões diferentes para pensarmos. Deixe-me tentar voltar ao início, por mais que eu adoraria ficar com vocês aqui com os Placozoa.

Então, por exemplo, você mencionou palavras como “rebanhos” e “escolas”, e às vezes ouvimos pessoas falarem sobre “enxames”, como acontece com insetos. Existe alguma razão para termos três palavras diferentes para a mesma coisa? Não são realmente a mesma coisa quando falamos de grupos coletivos? Existe uma razão pela qual não deveríamos falar sobre cardumes de pássaros ou enxames de peixes?

PRIMO: Não, acho que desenvolvemos essas palavras, e idiomas diferentes têm palavras diferentes. Em alemão, que é uma língua repleta de muitas palavras, elas têm relativamente poucas. Enquanto em inglês temos muitas, muitas palavras diferentes. Tipo, você sabe, por exemplo, um grupo de corvos é chamado de assassinato de corvos.

[STROGATZ ri]

Você mesmo usou anteriormente uma palavra maravilhosa, um “murmúrio” de estorninhos. E eu acho que é isso, é a beleza, a beleza cativante da aglomeração, da escolaridade e da enxameação, que deu origem a essas palavras maravilhosas que podem ser associadas a exemplos específicos.

E então, acho que isso é algo muito útil, porque anteriormente eu estava enfatizando os pontos em comum, os pontos em comum matemáticos, mas também existem diferenças. Existe uma diferença entre um enxame de células e um enxame de pássaros. E assim, para compreender estes sistemas, ambos temos de considerar os princípios em comum, mas também aqueles que diferem entre os sistemas. E de certa forma, a linguagem capta um pouco disso para nós, da mesma forma que os humanos naturalmente segregaram ou dividiram isso em diferentes categorias.

ESTROGATZ: Interessante. Então, você mencionou “enxame de células” e “enxame de insetos”, acho que sim, e disse que poderia haver algumas diferenças, embora usemos a mesma palavra. Quais são as coisas que devemos distinguir entre esses exemplos?

PRIMO: Sim, acho que o que é realmente emocionante é por que há algo em comum, porque as diferenças são muito profundas. Um animal tem um cérebro. Está absorvendo informações sensoriais complexas e tentando tomar decisões sobre seu ambiente. Os animais são capazes de comportamentos muito mais complexos e sofisticados, em média, do que as células.

Mas é claro que as próprias células têm processos internos complexos. Mas as suas interacções são dominadas em maior grau pelas forças físicas, pela escala a que actuam e pelas tensões que se formam, as tensões físicas que se formam dentro do agregado celular.

Enquanto os animais, as interações entre os pássaros de um bando, são invisíveis. Eles não têm forma física. E então podemos pensar inicialmente, bem, então é apenas uma analogia. Na verdade, eu diria que até cerca de cinco a dez anos atrás, também pensei que fosse apenas uma analogia. Achei que essas diferenças deviam ser muito importantes. Mas o que estamos começando a entender é que a característica comum que eles compartilham é a computação.

É que esses elementos estão se reunindo para computar seu ambiente de uma forma que eles não conseguem computar sozinhos. Cada indivíduo, mesmo que tenha um cérebro humano muito complexo e esteja andando pelo mundo, a menos que tenha interações sociais com outras pessoas, ou ainda mais, você sabe, construa sobre a complexidade cultural que herdamos quando nascemos em nossas vidas, então somos muito limitados.

E então, há essas questões profundas e fascinantes que estamos apenas começando a abordar sobre a computação e o surgimento da vida complexa.

ESTROGATZ: Um ponto de vista tão interessante. Eu não sabia que palavra você diria quando dissesse que há algo que todos eles têm em comum. Eu estava - não conseguia adivinhar, mas gosto disso: computação.

Então, você sabe, isso me faz pensar em uma coisa famosa que as pessoas podem ter visto em filmes no YouTube ou na televisão, onde há um bando de pássaros - talvez seja um estorninho - e um falcão ou um falcão ou algo assim vem se aproximando. o rebanho. Talvez você devesse nos dar uma descrição visual do que acontece a seguir, e por que estou pensando que há algo a ver com computação neste exemplo?

PRIMO: Bem, quero dizer, se você olhar para esses grupos, você sabe, quando você tem esses predadores presentes e atacando esses grupos, seja um cardume de peixes ou um bando de pássaros, você vê o grupo se comportando como uma espécie de fluido ondulante. Você vê essas ondulações de luz cruzando o grupo ou ondulações de densidade cruzando o grupo.

E isto indica que os indivíduos podem realmente propagar informações sobre a localização desse predador muito rapidamente através de interações sociais. Assim, os indivíduos que veem o predador, por exemplo – talvez apenas alguns deles vejam o predador inicialmente. Mas ao virar, então esse comportamento sendo copiado por outros, a mudança de densidade, a mudança de giro, se propaga extremamente rapidamente.

E se usarmos - tenho certeza que falaremos disso mais tarde - se usarmos ferramentas avançadas de imagem para quantificar, para medir, essas ondas de rotação, isso resultará em uma onda de propagação que é cerca de 10 vezes mais rápida que a velocidade máxima. do próprio predador. Assim, os indivíduos podem responder a um predador que nem sequer veem.

Assim, o grupo e os indivíduos do grupo — porque a seleção, a seleção natural, está agindo sobre os indivíduos — normalmente, eles podem realmente responder a estímulos que não detectam.

É um pouco como um neurônio transmitindo informações por meio de sinais elétricos. Neste caso, não são sinais elétricos. Na verdade, é a densidade e a mudança dos indivíduos que se infiltra no grupo, mas dá aos indivíduos distantes informações sobre onde está a ameaça, para que possam começar a se afastar dela muito rapidamente.

ESTROGATZ: Acho que esse é um exemplo visual muito bonito do que a computação significaria neste contexto. Que podemos ver essas ondas de pânico ou evitação fluindo através do rebanho. É tão interessante que é muito mais rápido do que os indivíduos seriam capazes de fazer sozinhos e, eu acho, mais rápido do que o predador consegue reunir sozinho.

PRIMO: Uma das razões pelas quais isso é provável, porque pensamos que isso acontece, é porque o grupo - a seleção natural, embora esteja agindo sobre os indivíduos, é a sua aptidão que importa, há um grande benefício coletivo para todos se eles se comportarem de certa forma.

Novamente, isso está relacionado ao que aprendemos com os sistemas físicos, especificamente com os sistemas físicos. perto de uma transição de fase. Então, um sistema que está próximo de uma transição entre estados diferentes, como entre um sólido e um líquido, você sabe, se você estiver congelando a água e ela repentinamente transitar para um sólido, o comportamento coletivo desse sistema é bastante notável perto disso ponto de transição, esta bifurcação, que é obviamente a sua própria área de estudo. E isto é algo que sabemos agora, temos agora provas muito fortes, de que a selecção natural empurra os sistemas para perto destes pontos de bifurcação devido às propriedades colectivas, às notáveis ​​propriedades colectivas, que são exibidas.

Quando medimos essas propriedades pela primeira vez, parecia que os indivíduos estavam desafiando as leis da física. A informação estava se infiltrando muito rapidamente.

E mais ou menos no início de 1900, Edmundo Selous, que era um darwinista convicto, mas, você sabe, também meio cativado pelo fascínio pela telepatia na era vitoriana, ele presumiu que deveria haver transferência de pensamento, ele descreveu, ou telepatia entre pássaros que lhes permitiu se comunicarem tão rapidamente.

E é claro que as pessoas pensam: “Bem, isso é ridículo, claro que não pode haver telepatia”. Mas, na verdade, e isto talvez seja um pouco controverso, mas na verdade, penso que ainda não temos uma boa compreensão das modalidades sensoriais e da forma como esta informação se infiltra tão rapidamente através do sistema.

Não estou sugerindo que haja telepatia, é claro. Mas estou sugerindo que ao ajustar um sistema, ao ajustar um sistema coletivo perto deste ponto crítico, perto deste ponto de bifurcação, isso poderia dar origem a propriedades coletivas notáveis ​​que, para um observador, parecem fantásticas, para um observador, parecem bizarro. Porque a física nestes regimes é bizarra, é fantástica, é espantosa, embora seja compreensível pela ciência.

ESTROGATZ: Então, estou apenas me perguntando, agora no caso do comportamento coletivo, se a natureza sintoniza um rebanho para estar próximo de algum tipo de instabilidade ou criticidade. Você está sugerindo que isso é parte do que o torna tão eficaz?

PRIMO: Sim, é exatamente isso que estou sugerindo. E então, por exemplo, você sabe, novamente, uma coisa muito artigo recente nos últimos anos que publicamos, perguntamos, você sabe, que tal obter o melhor de todos os mundos? E se, você sabe, em condições gerais você quiser ser estável, quiser ser robusto. Mas às vezes você quer ficar hipersensível. E assim, na selecção natural, os sistemas biológicos têm de equilibrar este estatuto espantoso e aparentemente contraditório de serem ao mesmo tempo robustos e sensíveis. Como você pode ser robusto e sensível ao mesmo tempo?

E então, pensamos que, você sabe, ajustar o sistema próximo a esse ponto crítico, na verdade permite que isso aconteça porque se o sistema se desviar, ele na verdade se estabilizará. Mas à medida que é empurrado para esse ponto crítico, torna-se incrivelmente flexível e sensível a informações, por exemplo, informações relativas a esse predador. Portanto, se um cardume de peixes estiver longe desse ponto crítico — por exemplo, se estiverem fortemente alinhados entre si — e detectar um predador, na verdade é necessário muito esforço para transformar todos estes indivíduos. Eles respondem um ao outro com tanta força que é difícil que essa contribuição externa mude seu comportamento.

Se, por outro lado, eles estão muito desordenados e todos se movem em direções diferentes, então uma mudança de direção individual dificilmente pode ser percebida pelos outros e, portanto, não se propaga através do sistema.

E assim, neste tipo de ponto intermédio, eles podem realmente optimizar a sua capacidade de se comportarem como um grupo e de serem flexíveis, mas de transmitirem informações. E esta é uma teoria da física que já existe há muito tempo, mas só nos últimos anos foi utilizada a tecnologia de visão computacional para rastrear animais em grupos e perguntar: como você muda, você sabe, suas interações quando, por exemplo, o mundo fica mais arriscado?

Como biólogos, sempre pensaríamos: “Bem, se o mundo ficar mais arriscado e mais perigoso, ficarei mais sensível aos insumos. Ficarei mais nervoso, será mais provável que dê um alarme falso.” E isso é verdade para animais isolados. É verdade para os humanos quando nos comportamos isoladamente. Mas testámos isto em grupos de animais, grupos que evoluíram dentro do contexto do colectivo, e descobrimos que isso não se aplica a eles.

O que eles fazem é mudar a rede, a rede de conectividade, de como a informação flui através do sistema. E ajustam-no de modo a optimizar este tipo de compromisso flexibilidade-robustez, ou seja, levam-no para este regime crítico como havíamos previsto.

ESTROGATZ: Em quais tipos de animais esses estudos foram feitos?

PRIMO: Portanto, trabalhamos principalmente com pequenos peixes de cardume porque eles têm de resolver o mesmo tipo de problemas – evitar predadores, encontrar habitat adequado – mas são tratáveis ​​num ambiente de laboratório. Então, na verdade, os peixes têm uma substância química, que é chamada schreckstoff, que em alemão significa literalmente apenas “coisas assustadoras”. E schreckstoff é liberado naturalmente, se um predador atacar um peixe, ele terá que liberar esse produto químico.

Então podemos colocar schreckstoff na água, então não há localização de predador, mas o julgamento dos indivíduos sobre esse ambiente muda, o mundo se tornou mais arriscado.

Então o que você faz, você muda o que está acontecendo em seu cérebro? Você muda a forma como interage com o meio ambiente? Você fica mais assustado, o que é natural que pensamos que os animais fazem?

Ou, se você imaginar, num sistema de rede, num sistema coletivo, você muda a topologia dessa rede, da rede social, a forma como você se comunica com os outros? Porque isso também pode alterar a capacidade de resposta às ameaças, por causa desta onda de viragem de que falámos antes.

E então o que descobrimos foi que os indivíduos não mudam. O que acontece é que a rede muda. Os indivíduos agem para mudar a estrutura dessa rede, e é isso que faz com que o grupo se torne subitamente mais sensível e mais flexível.

As pessoas costumavam, por exemplo, ter um proxy, que é que os indivíduos que estão próximos uns dos outros devem interagir mais fortemente. Mas, como você pode pensar em sua vida diária, você pode estar sentado ao lado de um completo estranho no ônibus e, em média, não estar socialmente fortemente conectado a ele. Portanto, a rede social que os indivíduos vivenciam pode ser muito diferente daquela que é fácil de medir.

Então o que fizemos foi... bem, é bastante complicado. Mas o que podemos fazer é reconstruir o mundo a partir da perspectiva deles. E usamos uma técnica que vem dos videogames e da computação gráfica chamada raycasting, onde lançamos raios de luz na retina dos indivíduos para que possamos ver uma espécie de representação computadorizada do que eles veem em cada momento no tempo. Mas o que não sabemos é como eles processam isso?

E, novamente, podemos usar métodos de aprendizado de máquina, porque todo cérebro evoluiu para fazer a mesma coisa. São necessárias informações sensoriais complexas – como as pessoas que nos ouvem hoje. É uma informação acústica complexa, mas eles podem estar dirigindo ou talvez cozinhando, então eles também têm informações visuais e olfativas complexas, mas o cérebro deles tem que pegar toda essa complexidade e reduzi-la ao que é chamado de redução de dimensionalidade, a uma decisão ou em “o que vou fazer a seguir?” E sabemos muito pouco sobre como os animais reais fazem isso.

Mas podemos reconstruir os seus campos visuais, e depois podemos usar os mesmos tipos de técnicas para reduzir a dimensionalidade, para compreender como é que o cérebro reduz esta complexidade às decisões de movimento?

E os peixes que estudamos têm um número muito pequeno de neurônios na parte posterior do cérebro que dita todos os seus movimentos. Portanto, o cérebro tem que absorver toda essa complexidade, reduzi-la e tomar decisões. E acho que é uma questão maravilhosa em biologia como é que o cérebro faz isso.

ESTROGATZ: Em primeiro lugar, posso dizer que preciso ler seus artigos com mais frequência. Você disse algo sobre acender luzes nas retinas dos peixes para ver o que eles estão vendo ou para ter a sensação de que você sabe o que eles estão olhando? Eu ouvi isso certo?

PRIMO: Sim, na verdade não está literalmente iluminando. É tudo feito digitalmente. Então imagine que você tem um cardume de peixes num instante no tempo, num momento congelado no tempo. Nosso software rastreia a posição e também a postura corporal de cada um desses peixes. E o que podemos fazer é criar uma versão tridimensional dessa cena para computador, como em um videogame. Podemos então perguntar: o que cada indivíduo vê? Assim podemos colocar câmeras nos olhos dos indivíduos.

E assim, raycasting é um pouco como raytracing, que é usado em computação gráfica, que são apenas os caminhos da luz que incidem na retina. E fazemos tudo isso digitalmente, para que possamos criar um análogo digital da realidade. Podemos então ver como a luz incidiria na retina naquela cena virtual, uma espécie de cena virtual fotorrealista. E isso nos dá a primeira camada: quais são as informações que chegam ao indivíduo?

E então, claro, a grande questão que queremos colocar é: como é que o cérebro processa isso? Como o cérebro elimina essa complexidade e como toma decisões? Como é que, por exemplo, bandos fluidos e cardumes de peixes se movem tão facilmente e de forma tão bela, com tão poucas colisões, e ainda assim os carros numa autoestrada tendem a ter dificuldade em ter movimento coletivo? Quero dizer, há algo que possamos aprender com milênios de seleção natural que possamos aplicar a veículos e robôs?

Portanto, há também um elemento aplicado para tentar entender isso. Quero entendê-lo em grande parte porque acho fascinante, mas também porque ele realmente se traduz em aplicações reais em certos casos.

ESTROGATZ: Nós já voltamos.

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ESTROGATZ: Bem-vindo de volta a “A alegria do porquê”.

Eu gostaria de voltar a algo que você disse na introdução, quando estava passando pelas escalas dos celulares até os primatas, e assim por diante. As pessoas podem não estar tão familiarizadas com o exemplo dos gafanhotos, e pergunto-me se poderíamos falar sobre alguns dos - vamos chamá-los aspectos do mundo real ou mesmo económicos da aglomeração, porque os gafanhotos têm um grande impacto no mundo, maior do que eu. percebeu. Quero dizer, estou a analisar algumas estatísticas aqui nas minhas notas que, durante os anos de peste, os gafanhotos invadem mais de um quinto da cobertura terrestre do mundo.

PRIMO: Sim.

ESTROGATZ: Você acredita nisso? E afectam a subsistência de uma em cada 10 pessoas no planeta. Então, você poderia falar um pouco conosco sobre esse tipo de pesquisa e como ela se relaciona com questões de segurança alimentar global?

PRIMO: Sim, você está absolutamente certo. E acho isso bastante surpreendente. Você sabe, como acabou de dizer, eles impactam uma em cada 10 pessoas em nosso planeta através da escassez de alimentos e da segurança alimentar. E fazem-no frequentemente em países, como o Iémen e a Somália, que têm grandes problemas, grandes conflitos, guerras civis, e assim por diante.

Mas também devido às alterações climáticas, a gama de gafanhotos está a expandir-se em grande parte da sua área de distribuição. E assim, quero dizer, neste momento, este ano, o Afeganistão enfrenta uma grande crise na sua bacia alimentar. Há alguns anos, era Madagascar. Um ou dois anos antes disso, era o Quénia que registava o maior enxame dos últimos 70 anos.

Então por que, você sabe, com todas as tecnologias modernas que temos para monitoramento, por que os enxames estão ficando mais ferozes e mais severos, sabe? E uma das razões são as alterações climáticas. É que, você sabe, o que acontece com esses enxames é - então, gafanhotos, pode ser surpreendente para os ouvintes saberem disso, mas na verdade os gafanhotos não gostam de estar próximos uns dos outros. Eles são gafanhotos verdes tímidos e enigmáticos que gostam de ser deixados sozinhos. Então, se eles têm bastante comida, ficam isolados um do outro. Eles se evitam. Somente quando eles são forçados a se unir é que eles fazem a transição.

Então eles normalmente são chamados de solitários, por causa de seu estilo de vida solitário. Mas se forem forçados a se unir, eles evoluíram para a transição. Eles são uma espécie de Jekyll e Hyde do mundo dos insetos. Eles evoluíram para uma transição repentina, dentro de uma hora, comportamentalmente, para uma forma gregária, onde começam a marchar um em direção ao outro, seguindo um ao outro.

Outra coisa que as pessoas talvez não saibam é que os gafanhotos, na verdade, não têm asas durante os primeiros meses de vida. E então, quando os gafanhotos nascem, eles não voam. São essas ninfas que não voam. Só quando são adultos é que têm asas.

E então, o que está acontecendo aqui é que quando as chuvas chegam à África, por exemplo, ou à Índia, ou a outras áreas, então você pode ter uma vegetação exuberante, e a pequena população de gafanhotos pode proliferar como esse tipo de gafanhoto enigmático, eles podem crescer no tamanho da população. Agora, à medida que a população cresce, eles comem cada vez mais, e muitas vezes também pode haver uma seca.

Agora, se você tem uma alta densidade populacional e, de repente, a comida desaparece, então o que os gafanhotos fazem é evoluir para a transição para esta forma gregária, onde começam a marchar juntos. Eles começam todos a se mover juntos. Esses enxames podem ser bilhões de indivíduos – até onde você pode ver, todos os gafanhotos marcham em uníssono, como se tivessem um propósito comum. E uma vez que criem asas, eles podem voar. E então fica ainda pior, porque eles podem acessar os ventos alísios ou outras condições ambientais, onde podem se transferir como enxames massivos por centenas ou mesmo milhares de quilômetros. E assim, este é um dos maiores e mais devastadores comportamentos coletivos que temos no nosso planeta.

ESTROGATZ: Uau, não posso dizer que estou muito familiarizado com a ideia de gafanhotos marchando. Estamos acostumados a pensar neles como nuvens, você sabe, pululando no ar. Mas conte-nos um pouco mais sobre a marcha, porque me lembro vagamente algumas pesquisas surpreendentes seu com o aspecto canibal dos gafanhotos, essa é a palavra certa a usar?

PRIMO: Sim, isso foi em 2008, e - mas você está certo, você sabe, esses enormes bandos ou enxames ou nuvens de gafanhotos que transitam por grandes distâncias, você sabe, não sabemos muito sobre eles porque não tínhamos o tecnologia para estudar isso. Na verdade, ainda não temos tecnologia para estudar isso. Portanto, não é que não seja importante, é extremamente importante.

Mas também sabemos que o que precede esses enxames voadores – quero dizer, o enxame voador é um pouco como um incêndio florestal que já está fora de controle. Agora você realmente terá problemas para controlá-lo. Mas se você puder controlá-lo antes que eles criem asas, você sabe, quando eles estão formando esses enxames no deserto ou nesses ambientes antes disso, então há um grande potencial.

E assim, por razões práticas, concentrámo-nos nestes enxames sem asas. E na verdade, mesmo que você esteja certo, comecei a estudá-los em meados dos anos 2000, agora estamos, agora estou voltando aos gafanhotos, e agora estou estudando-os novamente.

Acabamos de criar o primeiro enxame do mundo dentro do ambiente de laboratório, no início deste ano, onde rastreamos 10,000 gafanhotos em um ambiente de imagem de 15 por 15 por 8 metros que construímos aqui especificamente para esse propósito, aqui em Constança. Então é engraçado que você esteja mencionando isso, porque minha pesquisa agora está voltando para esse mesmo sistema.

Mas, sim, como você disse, o que descobrimos foi, você sabe, esses insetos, bem, por que eles estão marchando juntos? Por que eles são - você sabe, e inicialmente pensamos que deveriam ser como cardumes de peixes e bandos de pássaros. Deve ser sobre informação. Deve ser sobre inteligência coletiva. Bem, estávamos errados. E então este é o grande perigo. Se você vê, você sabe, um enxame de formigas se movendo em círculos, movendo-se em uma espécie de moinho, e você vê um cardume de peixes, por exemplo, girando em um toro ou em uma espécie de padrão semelhante a um donut, ou você vê um redemoinho, todos esses padrões parecem iguais, mas podem ser impulsionados por fenômenos muito, muito diferentes.

E acho que fui enganado ao pensar, você sabe, quando você vê o movimento coletivo, deve haver processos semelhantes que estão por trás dele. Mas no caso dos gafanhotos, não foi este tipo de hipótese de transferência de informação. Na verdade, foi o facto de nestes ambientes desérticos, quando a comida subitamente se torna escassa, ficamos desesperadamente carentes de nutrientes essenciais, especialmente no deserto: proteínas, sal e água.

E o que é melhor para você neste tipo de ambiente hostil do que outro indivíduo? Porque têm uma composição nutricional perfeitamente equilibrada. Então o que os indivíduos fazem é se sentirem atraídos um pelo outro e tendem a canibalizar uns aos outros. Então eles evoluíram para seguir aqueles que estão se afastando, para tentar mordê-los na parte traseira, na parte traseira do abdômen, contra o qual é muito difícil se defender. A cabeça é fortemente blindada, mas a parte posterior do abdômen é um ponto fraco por razões óbvias, tem que haver um orifício ali.

E então eles visam isso, mas também evitam ser alvo de outros. E o resultado de seguir aqueles que estão se afastando de você e daqueles que se movem em sua direção resulta em todo o enxame começando a marchar junto através deste ambiente desértico.

E eles também se beneficiam da advecção, saindo juntos de áreas pobres em nutrientes. Porque, você sabe, se você colocar um humano no deserto, ele tenderá a ficar desorientado e a se mover em círculos. O mesmo acontece com um gafanhoto. Mas se os colocarmos num enxame, o alinhamento colectivo, a sincronia entre os indivíduos, vocês sabem, centenas de milhões de indivíduos alinhando-se uns com os outros, eles podem marchar de uma forma muito direccionada para fora destes ambientes pobres em nutrientes. E também podem inundar predadores. Você sabe, os predadores simplesmente não conseguem fazer muita diferença aqui.

ESTROGATZ: Isso me faz pensar, na verdade, enquanto falamos sobre todos esses exemplos, como você se interessou por tudo isso, antigamente? Você mencionou que isso foi em 2008?

PRIMO: Sim, esse foi aquele artigo em 2008.

ESTROGATZ: Sim, você estava ocupado com isso antes mesmo disso, certo?

PRIMO: Sim, fiz meu doutorado. no final dos anos noventa em formigas. Fiquei fascinado pelo comportamento das formigas. E para ser sincero, tudo começou com uma paixão pela natureza e uma obsessão apenas pela história natural e pela observação do que nos rodeia.

Eu pensei, quando criança, que deveria haver um especialista que entendesse por que os enxames se formam, por que os cardumes de peixes, por que os pássaros voam. Achei que isso devia ser algo que todo mundo estuda.

Eu era um artista quando criança. Eu estava muito interessado em escrita criativa, poesia e arte. E assim, inicialmente fui atraído pela beleza pura, pelo fascínio pela beleza destes.

E no ensino médio, eu não era um bom aluno em ciências. Eu fazia cerâmica e pintava. E quando fui para a universidade, lembro que meu pai me disse: “Sabe, filho, você deveria fazer aquilo em que é bom. Faça inglês ou arte. Você não é um cientista, você é um naturalista, sabia?” E ele estava certo. Ele estava absolutamente certo.

E foi mais tarde, quando eu me formei em biologia, e eu soube logo na primeira aula da minha aula de biologia, eu sabia que isso era a coisa certa para mim, eu simplesmente sabia disso. E descobri que existe todo um mundo de física estatística. Esses artigos foram publicados naquela época e me surpreenderam porque eram autores que viam princípios matemáticos profundos em sistemas.

Meu doutorado. O conselheiro disse, você sabe, para conseguir um emprego, você deve se tornar o especialista mundial em uma espécie de formiga, e então você pode ser valioso. Mas eu estava lendo este trabalho de cientistas que estavam fazendo exatamente o oposto. Eles estudavam tudo, desde sistemas físicos até sistemas biológicos, e viam esses princípios. E também, os padrões, as estruturas e os resultados que encontravam eram naturalmente lindos. E então pensei, isso tem que estar certo. Esta tem que ser a maneira certa de fazer ciência. E então, naquela época, fui atraído para o mundo da física.

ESTROGATZ: Você já teve o prazer de conversar com seu pai depois sobre sua mudança de direção?

PRIMO: Nunca, jamais pensei que meu pai se lembrasse disso. E então, quando fui promovido de professor assistente a professor titular na Universidade de Princeton, recebi um telefonema do chefe do departamento que dizia: “Parabéns, professor Couzin”. E, você sabe, fiquei completamente pasmo, então é claro que liguei para minha mãe e meu pai, e meu pai atendeu o telefone e disse: “E pensar que chamei você de naturalista”. Essa é a única vez, décadas depois. Eu nunca soube que ele se lembrava dessa discussão.

ESTROGATZ: Bem, é uma boa história, é uma história muito boa. Gostamos de falar sobre grandes questões sem resposta neste programa e, então, o que você vê como algumas das maiores questões sem resposta sobre rebanhos, escolas e comportamento coletivo em geral?

PRIMO: Bem, absolutamente eu quero. E isso está me levando ao assunto que estou tão animado agora. Então, novamente, no início da minha carreira, pensei, você sabe, o cérebro, é claro, é uma maravilhosa entidade de computação coletiva, um dos exemplos mais bonitos, você sabe. Como o cérebro toma decisões? E é uma coleção de neurônios, e é claro que temos enxames de formigas, ou enxames de gafanhotos, ou bandos de pássaros, ou cardumes de peixes, todos esses diferentes componentes interagindo juntos. Então, há algo profundamente conectando esses diferentes sistemas, ou não? E o que me fascina neste momento é a tomada de decisão colectiva, e especialmente a tomada de decisão colectiva no espaço.

Então, como o cérebro representa o espaço-tempo? E como isso importa em termos de decisões? E o que isso tem a ver com o comportamento coletivo dos animais? O que percebi há cerca de cinco anos é que penso que existe uma profunda semelhança matemática, e penso que existem princípios geométricos profundos, sobre como o cérebro representa o espaço e também o tempo.

E uma das coisas mais interessantes aqui é o uso da matemática novamente. Você sabe, abandonei a matemática quando tinha 16 anos e acabei de passar um período sabático no Instituto Isaac Newton de Ciências Matemáticas da Universidade de Cambridge como bolsista ilustre. Mesmo assim, não consigo resolver uma equação, sabe?

Sim, mas adoro o fato de poder trabalhar com matemáticos incríveis. E ao trabalhar com físicos, matemáticos e biólogos, e ao realizar experiências em animais em realidade virtual — construímos aqui um conjunto de tecnologias. Portanto, não podemos colocar um fone de ouvido como o Meta Quest 3 em um peixe com menos de um centímetro de comprimento. Mas podemos criar ambientes virtuais, imersivos e holográficos, para que possamos controlar completamente a entrada. Podemos controlar completamente as relações causais.

Se, você sabe, eu estou influenciando você e você está me influenciando, e então há um terceiro indivíduo, eles estão me influenciando diretamente ou através de você? Ou ambos? Ou um quarto indivíduo ou quinto? E em nossos ambientes de realidade virtual, podemos colocar esses indivíduos no que chamamos de Matrix, como no filme, onde cada indivíduo está em seu próprio mundo holográfico e interagindo em tempo real com hologramas de outros indivíduos.

Mas neste mundo podemos brincar com as regras da física. Podemos brincar com as regras do espaço e do tempo para compreender melhor como é que o cérebro as integra?

E então, isto está realmente a surpreender-me porque podemos mostrar que o cérebro não representa o espaço de uma forma euclidiana. Representa o espaço em um sistema de coordenadas não euclidiano. E podemos então mostrar matematicamente porque é que isto é tão importante, ou seja, quando começamos a lidar com três ou mais opções, então distorcer o espaço-tempo, tornando o espaço não-euclidiano, pode reduzir drasticamente a complexidade do mundo numa série de bifurcações. E perto de cada bifurcação amplifica as diferenças entre as restantes opções. Então tem essa linda estrutura interna.

E então, pensamos que temos esta teoria universal de como o cérebro toma decisões espaciais que nunca teríamos conseguido sem olhar para uma série de organismos como peixes, gafanhotos e moscas dentro destes tipos de ambientes de realidade virtual, e então isso é com o que estou super animado.

[peças temáticas]

ESTROGATZ: Bem, mal posso esperar para ouvir sobre tudo isso enquanto você resolve. Eu poderia continuar com você o dia todo, mas acho que é hora de agradecer. Temos conversado com o ecologista evolucionista Iain Couzin sobre aglomeração, enxameação, escolaridade e todos os tipos de comportamento coletivo. Iain, foi um prazer aprender sobre o que você está fazendo e as maravilhas da natureza que você ajudou a desvendar para todos nós. Muito obrigado.

PRIMO: Foi um prazer. Obrigado, Steve.

[O tema continua a tocar]

ESTROGATZ: Obrigado por ouvir. Se você está curtindo “The Joy of Why” e ainda não está inscrito, clique no botão inscrever-se ou seguir onde você está ouvindo. Você também pode deixar um comentário sobre o show. Isso ajuda as pessoas a encontrar este podcast.

“The Joy of Why” é um podcast de Revista Quanta, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Fundação Simons. As decisões de financiamento da Simons Foundation não têm influência na seleção de tópicos, convidados ou outras decisões editoriais neste podcast ou em Revista Quanta.

“A alegria do porquê” é produzido por PRX Produções. A equipe de produção é composta por Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler e Merritt Jacob. A produtora executiva da PRX Productions é Jocelyn Gonzales. Morgan Church e Edwin Ochoa forneceram assistência adicional.

De Revista Quanta, John Rennie e Thomas Lin forneceram orientação editorial, com o apoio de Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana e Madison Goldberg.

Nossa música tema é da APM Music. Julian Lin criou o nome do podcast. A arte do episódio é de Peter Greenwood e nosso logotipo é de Jaki King e Kristina Armitage. Agradecimentos especiais à Columbia Journalism School e a Bert Odom-Reed do Cornell Broadcast Studios.

Sou seu anfitrião, Steve Strogatz. Se você tiver alguma dúvida ou comentário para nós, envie um email para [email protegido]. Obrigado por ouvir.