Jate ptic. Roji kobilic. Ribja šola. Znotraj sestavov organizmov, ki se zdijo, kot da bi lahko postali kaotični, se nekako pojavi red. Kolektivno vedenje živali se v svojih podrobnostih razlikuje od ene vrste do druge, vendar se v veliki meri držijo načel kolektivnega gibanja, ki so jih fiziki oblikovali skozi stoletja. Zdaj so lahko raziskovalci z uporabo tehnologij, ki so bile na voljo šele pred kratkim, preučili te vzorce vedenja bolj natančno kot kdaj koli prej.

V tej epizodi evolucijski ekolog Iain Couzin pogovori s sogostiteljem Steven Strogatz o tem, kako in zakaj živali izkazujejo kolektivno vedenje, zbiranju v jatah kot obliki biološkega računanja in nekaterih skritih fitnes prednostih življenja kot del samoorganizirane skupine namesto kot posameznik. Razpravljajo tudi o tem, kako bi lahko boljše razumevanje roječih škodljivcev, kot so kobilice, pomagalo zaščititi globalno prehransko varnost.

Poslušaj Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasti, TuneIn ali vašo najljubšo aplikacijo za podcaste ali pa lahko pretakajte iz Quanta.

Prepis

[Tematske igre]

STEVEN STROGATZ: Po vsem živalskem kraljestvu, od drobnih komarjev do rib, ptic, gazel, celo primatov, kot smo mi, se bitja nagibajo k organiziranju v velike gibljive vzorce, ki sledijo navidezno spontanemu skupnemu cilju. Pogosto se zdi, da nobeno posamezno bitje ne deluje kot vodja in orkestrira ta množična gibanja. Namesto tega se živali neopazno postavijo v vrsto.

In čeprav se zdi, da bi takšni sistemi zašli v kaos ali nestabilnost, se tem kolektivom nekako uspe premikati na načine, ki se zdijo izjemno dobro usklajeni in namenski, kar lahko potrdi vsak, ki je opazoval žuborenje škorcev ali jato rib. Toda kaj je gonilna sila tega vedenja?

Sem Steve Strogatz in to je "The Joy of Why", podcast avtorja Revija Quanta kjer je moj sovoditelj Janna Levin in izmenično raziskujem nekaj največjih neodgovorjenih vprašanj v matematiki in znanosti danes.

[Tema se konča]

V tej epizodi bomo prišli do bistva, zakaj se živali zgrinjajo, rojijo in šolajo. Kako najnovejše tehnologije, kot so umetna inteligenca in 3D-kamere, zagotavljajo nov vpogled? In kaj nam lahko preučevanje dinamike živalskih skupin pove o nas samih, tako posamično kot kot kolektivu?

Tukaj je, da osvetli te skrivnosti, evolucijski ekolog Iain Couzin. Iain je direktor Oddelka za kolektivno vedenje na Inštitutu Maxa Plancka za vedenje živali in redni profesor na Univerzi v Konstanzu. Med številnimi priznanji, ki jih je prejel, so nagrada National Geographic Emerging Explorer, Lagrangeova nagrada, najvišja čast na področju znanosti o kompleksnosti, in Leibnizova nagrada, najvišja raziskovalna čast v Nemčiji. Iain, zelo smo veseli, da si danes z nami.

IAIN COUZIN: Super je biti tukaj, Steve.

STROGATZ: No, zelo sem vesel, da te spet vidim. Smo stari prijatelji in to bo prava poslastica slišati o najnovejšem kolektivnem vedenju. Toda začnimo - verjetno bi se morali pogovoriti o tem, kdo so vaši osebki? Ali nam lahko poveste nekaj o nekaterih živalih in raznolikosti oblik, ki jih ima njihovo skupno vedenje v sistemih, ki ste jih preučevali?

COUZIN: No, to je ena najbolj osupljivih stvari pri preučevanju kolektivnega vedenja. Gre za to, da je osrednjega pomena za toliko procesov v življenju na našem planetu, da dobesedno preučujemo vrsto organizmov, od najpreprostejše živali na planetu – imenuje se placozoa; to je bazalno deblo, morda najpreprostejša večcelična žival na planetu; to je roj celic, na tisoče celic, ki se gibljejo podobno kot ptičja jata ali ribja jata – navzgor prek nevretenčarjev, kot so mravlje, ki imajo neverjetno usklajeno vedenje, ali kobilic, ki tvorijo nekatere največje, najbolj uničujoče roje, do vretenčarjev, kot je jata ribe, ptice v jatah, parkljarji in primati, vključno z nami – ljudmi.

STROGATZ: Torej, res se zdi, da poteka po celotnem razponu, vse od — moram priznati, da še nikoli nisem slišal za to, ali sem prav razumel: placozoa?

COUZIN: Placozoa, ja. To malo bitje so našli, ko se je plazilo po steklu akvarija, tropskega akvarija. To lahko vidite s prostim očesom. Je približno milimeter, morda milimeter in pol, če je zelo velik. In veste, raziskovanje tega izjemnega bitja je šele pred kratkim pritegnilo pozornost znanstvenikov.

In to je predvsem zato, ker ima ta nenavaden majhen nenavaden roj celic dejansko genetsko zapletenost, ki bi jo povezali z veliko bolj sofisticiranim organizmom. Na primer, ima veliko število nevrotransmiterjev, vendar nima nevronov.

[STROGATZ se smeji]

Ima tako imenovane Hox genov. Hox geni so v razvojni biologiji povezani s kompleksnimi telesnimi načrti. Nima zapletenega načrta telesa. In zato morda mislite, no, to bitje se je morda razvilo, da bi postalo bolj zapleteno in se nato ponovno razvilo, da bi se poenostavilo, zato je ohranilo te značilnosti kompleksnosti.

Toda genetski raziskovalci so v reviji objavili nekakšen mejnik Narava ki je pokazala, ne, v resnici je to eden od najbolj prvinske skupine celic. In seveda kolektivno vedenje, kaj je lepši primer kot celice, ki se združijo v organizem. Ti veš? To je torej eden od razlogov, da to preučujemo: da poskušamo razumeti, kako je bilo kolektivno vedenje osrednjega pomena za izvor kompleksnega življenja na našem planetu.

STROGATZ: Človek, to je zgodnja faza intervjuja in že si me navdušil. Prav tako me iztiriš iz tega, o čemer sem mislil, da bom govoril s tabo. To je tako zanimivo in tako novo zame, da sem osupel. Želim se vrniti k temu delu zgodbe, ker je tako — mislim, res je presenetljivo, da bi imeli ... Ali sem vas prav slišal, da imajo stvari, povezane z živčnim sistemom, vendar nimajo živčnega sistema? In imajo razvojne biološke gene, kot da bi morali razviti celoten zapleten telesni načrt kot vinska mušica, vendar nimajo takšnega telesa?

COUZIN: Točno, točno. In tako bi nam res lahko dali namig o izvoru inteligence. Naša posebna študija, ki smo ga objavili letos, veste, pokazali smo, da se telesni načrt, ki ga imajo, resnično obnaša zelo podobno kot ptičja jata ali ribja jata, pri čemer celice lokalno komunicirajo z drugimi in težijo k usklajevanju svoje smeri potovanja.

Torej se privlačita. Nekako so povezani skupaj kot elastična prevleka, vendar so ponavadi tudi gibljivi. Imajo migetalke, majhne migetalke na dnu, tako da lahko tečejo po okolju. In sile, s katerimi delujejo na svoje bližnje sosede, povzročijo, da se med seboj uskladijo.

In tako, če sledimo tem celicam pod mikroskopom in pogledamo poravnavo in pogledamo privlačnost posameznikov, uporabljamo skoraj iste tehnologije, iste modele, isto razmišljanje, kot ga uporabljamo za kolektivno vedenje v jatah ptic ali ribje jate oz druge vrste skupin ampak ga uporabi za te živali.

In tako, to je ena od stvari, ki se mi zdi najbolj izjemna pri kolektivnem vedenju, da so lastnosti sistema, ne glede na to, ali ste celica ali ptica, zelo različne, ko pogledate kolektivna akcija, skupne lastnosti, matematika, ki je podlaga za to, dejansko lahko se izkažejo za zelo podobne. In tako lahko najdemo te, tako imenovane univerzalne lastnosti, ki povezujejo te različne, navidezno različne sisteme.

STROGATZ: No, seveda, zdaj govorite moj jezik, saj veste, to je tisto, kar me je pritegnilo v lastno fascinacijo nad kolektivnim vedenjem, da obstajajo ti univerzalni matematični principi, za katere se zdi, da veljajo gor in dol po lestvici od celic do , no, seveda se vedno radi postavimo na vrh.

Ampak, v redu, odprli ste toliko različnih vprašanj, o katerih moramo razmisliti. Naj se poskusim vrniti na začetek, čeprav bi rad ostal z vami tukaj s Placozoo.

Tako ste na primer omenili besede, kot so »jate« in »šole«, včasih pa slišimo ljudi govoriti o »rojih«, kot pri žuželkah. Ali obstaja kakšen razlog, da imamo tri različne besede za isto stvar? Ali nista res ista stvar, ko govorimo o kolektivnih skupinah? Ali obstaja razlog, da ne bi smeli govoriti o šolanju ptic ali rojenju rib?

COUZIN: Ne, mislim, da smo razvili te besede in različni jeziki imajo različne besede. V nemščini, ki je jezik, poln številnih besed, jih je pravzaprav razmeroma malo. Medtem ko imamo v angleščini veliko, veliko različnih besed. Kot veste, na primer, skupini vran se reče umor vran.

[STROGATZ se smeji]

Sami ste prej uporabili čudovito besedo »žuborenje« škorcev. In mislim, da je to lepota, očarljiva lepota jate, šolanja in rojenja, tisto, kar je povzročilo te čudovite besede, ki jih je mogoče povezati s posebnimi primeri.

In tako mislim, da je to zelo uporabna stvar, ker sem prej poudarjal skupne značilnosti, matematične skupne značilnosti, vendar obstajajo tudi razlike. Obstaja razlika med rojem celic in rojem ptic. Da bi razumeli te sisteme, moramo oba upoštevati skupna načela, pa tudi tista, ki se razlikujejo med sistemi. In na nek način nam jezik nekaj od tega zajame na način, kot smo ga ljudje naravno nekako ločili ali razdelili v različne kategorije.

STROGATZ: zanimivo Torej, omenili ste "roj celic" in "roj žuželk", predvidevam, da je bilo, in rekli ste, da bi lahko obstajale nekatere razlike, čeprav uporabljamo isto besedo. Katere stvari bi morali razlikovati med temi primeri?

COUZIN: Ja, mislim, da je res vznemirljivo, zakaj obstaja podobnost, ker so razlike tako globoke. Žival ima možgane. Sprejema zapletene senzorične informacije in poskuša sprejemati odločitve o svojem okolju. Živali so v povprečju sposobne veliko bolj zapletenega, sofisticiranega vedenja kot celice.

Toda celice imajo seveda same zapletene notranje procese. Toda med njihovimi interakcijami v večji meri prevladujejo fizične sile, obseg, na katerem delujejo, in napetosti, ki nastanejo, fizične napetosti, ki nastanejo znotraj celičnega agregata.

Medtem ko so živali, interakcije med pticami v jati, nevidne. Nimajo fizične oblike. In tako lahko nekdo na začetku pomisli, no, potem je to samo analogija. Pravzaprav bi rekel, da sem do pred približno petimi do desetimi leti mislil, da je tudi to le analogija. Mislil sem, da morajo biti te razlike zelo pomembne. Toda začenjamo razumeti, da je njihova skupna lastnost računanje.

Gre za to, da se ti elementi združujejo, da bi izračunali svoje okolje na načine, ki jih sami ne morejo izračunati. Vsak posameznik, tudi če imate zelo zapletene človeške možgane in se sprehajate po svetu, razen če imate socialne interakcije z drugimi ali še več, saj veste, gradite na kulturni kompleksnosti, ki jo podedujemo, ko se rodimo v naše življenje, potem smo zelo omejeni.

In tako, tu so ta globoka, zelo fascinantna vprašanja, ki jih šele začenjamo obravnavati o računanju in nastanku kompleksnega življenja.

STROGATZ: Tako zanimivo stališče. Nisem vedel, katero besedo boš rekel, ko si rekel, da imajo vsi nekaj skupnega. Bil sem — nisem mogel uganiti, vendar mi je všeč: računanje.

Torej, veste, pomislim na znano stvar, o kateri so ljudje morda videli filme na YouTubu ali televiziji, kjer je jata ptic – morda je to škorec – in jastreb ali sokol ali kaj podobnega se približuje jata. Mogoče bi nam morali vizualno opisati, kaj se bo zgodilo naslednje, in zakaj mislim, da je v tem primeru karkoli povezano z računanjem?

COUZIN: No, mislim, če pogledate te skupine, veste, ko so ti plenilci prisotni in napadajo te skupine, ne glede na to, ali gre za jato rib ali jato ptic, vidite skupino, ki se obnaša kot nekakšna valovita tekočina. Vidite te valove svetlobe, ki prečkajo skupino, ali valove gostote, ki prečkajo skupino.

In to kaže na to, da lahko posamezniki dejansko zelo hitro posredujejo informacije o lokaciji tega plenilca prek družbenih interakcij. Torej posamezniki, ki vidijo plenilca, na primer - morda le nekaj od njih na začetku vidi plenilca. Toda z obračanjem, potem to vedenje posnemajo drugi, se sprememba gostote, sprememba obračanja širi izjemno hitro.

In če uporabimo – prepričan sem, da bomo do tega prišli pozneje – če uporabimo napredna orodja za slikanje, da kvantificiramo, izmerimo te valove obračanja, dobimo val širjenja, ki je približno 10-krat hitrejši od največje hitrosti plenilca samega. Tako se posamezniki lahko odzovejo na plenilca, ki ga sploh ne vidijo.

Torej, skupina in posamezniki v skupini - ker selekcija, naravna selekcija, deluje na posameznike - se običajno lahko dejansko odzovejo na dražljaje, ki jih ne zaznajo.

Malo je podobno, veste, nevronu, ki prenaša informacije preko električnih signalov. V tem primeru ne gre za električne signale. V resnici je gostota in obračanje posameznikov tisto, kar pronica skozi skupino, vendar daje tem posameznikom oddaljene informacije, kje je grožnja, tako da se lahko začnejo zelo hitro oddaljevati od nje.

STROGATZ: Mislim, da je to zelo lep vizualni primer, kaj bi računanje pomenilo v tem kontekstu. Da lahko vidimo te valove panike ali izogibanja, ki tečejo skozi jato. Tako zanimivo je, da je veliko hitrejši, kot bi posamezniki zmogli sami, in menda hitreje od tistega, kar plenilec zmore sam.

COUZIN: Eden od razlogov, zakaj je to verjetno, zakaj mislimo, da je tako, je ta, da je skupina – naravna selekcija, čeprav deluje na posameznike, pomembna je njihova kondicija, vsi imajo tako kolektivno korist, če se obnašajo na določen način.

To se spet nanaša na to, kar smo se naučili iz fizičnih sistemov, natančneje fizičnih sistemov blizu faznega prehoda. Torej, sistem, ki je blizu prehodu med različnimi stanji, na primer med trdnim in tekočim, veste, če zamrznete vodo in ta nenadoma preide v trdno, je skupno vedenje tega sistema precej izjemno blizu tega prehodna točka, ta bifurkacija, ki je seveda vaše področje študija. In to je nekaj, kar zdaj vemo, zdaj imamo zelo močne dokaze, da naravna selekcija potiska sisteme blizu teh bifurkacijskih točk zaradi kolektivnih lastnosti, izjemnih kolektivnih lastnosti, ki so prikazane.

Ko smo prvič izmerili te lastnosti, se je zdelo, kot da posamezniki kljubujejo zakonom fizike. Informacije so se tako hitro širile.

In v, nekako zgodnjih 1900-ih, Edmund Selous, ki je bil zatrjen darwinist, a, veste, tudi nekako očaran nad fascinacijo nad telepatijo v viktorijanski dobi, je domneval, da mora obstajati prenos misli, je opisal, ali telepatija med pticami, ki jim je omogočila tako hitro komunikacijo.

In seveda ljudje, veste, mislijo: "No, to je smešno, seveda ne more biti telepatije." Toda v resnici, in to je morda malo kontroverzno, toda v resnici mislim, da še vedno nimamo dobrega razumevanja senzoričnih modalitet in načina, na katerega te informacije tako izjemno hitro pronicajo po sistemu.

Seveda ne trdim, da obstaja telepatija. Predlagam pa, da bi z uravnavanjem sistema, z uglaševanjem kolektivnega sistema blizu te kritične točke, blizu te bifurkacijske točke, lahko povzročilo izjemne kolektivne lastnosti, ki so za opazovalca videti fantastične, za opazovalca bizarno. Ker je fizika v teh režimih bizarna, fantastična, neverjetna, čeprav je razumljiva znanosti.

STROGATZ: Zato se samo sprašujem, zdaj v primeru kolektivnega vedenja, ali narava uglasi jato, da je blizu nekakšne točke nestabilnosti ali kritičnosti. Ali mislite, da je to del tega, zaradi česar je tako učinkovit?

COUZIN: Ja, točno to predlagam. In tako, na primer, veste, spet zelo nedavni dokument v zadnjih nekaj letih, ko smo objavili, smo vprašali, veste, kaj pa pridobiti najboljše iz vseh svetov? Kaj pa če, veste, pod splošnimi pogoji želite biti stabilni, želite biti robustni. Toda včasih želite postati preobčutljivi. In tako morajo biološki sistemi v naravni selekciji uravnotežiti ta neverjeten, na videz protisloven status, da so hkrati robustni in občutljivi. Kako ste lahko robustni in občutljivi hkrati?

In tako menimo, da, veste, nastavitev sistema blizu te kritične točke dejansko omogoča, da se to zgodi, ker če sistem odstopa, se dejansko stabilizira. Ko pa je potisnjen proti tej kritični točki, postane neverjetno prilagodljiv in občutljiv na vnose, na primer na vnose v zvezi s tem plenilcem. Torej, če je ribja jata daleč stran od te kritične točke - na primer, če so zelo tesno poravnane druga z drugo - in zaznajo plenilca, je v resnici potrebno veliko truda, da obrnemo vse te posameznike. Tako močno se odzivajo drug na drugega, da ta zunanji vpliv težko spremeni njihovo vedenje.

Če pa so po drugi strani zelo neurejeni in se vsi gibljejo v različne smeri, potem posameznika, ki spreminja smer, drugi komaj zaznajo in se tako ne širi po sistemu.

In tako lahko na tej vmesni točki dejansko optimizirajo svojo sposobnost, da se obnašajo kot skupina in da so prilagodljivi, vendar za prenos informacij. In to je teorija iz fizike, ki obstaja že dolgo, vendar je šele v zadnjih nekaj letih uporabljala tehnologijo računalniškega vida za sledenje živalim v skupinah in za vprašanje, kako spremenite, veste, vaše interakcije, ko na primer svet postane bolj tvegano?

Kot biologi bi vedno mislili: »No, če bo svet postal bolj tvegan in nevaren, bom postal bolj občutljiv na vnose. Bolj bom živčen, bolj verjetno bom sprožil lažni alarm.” In to velja za živali v izolaciji. To velja za ljudi, ko se obnašamo izolirani. Toda to smo preizkusili v živalskih skupinah, skupinah, ki so se razvile v kontekstu kolektiva, in ugotovili smo, da to zanje ne drži.

Kar počnejo, je, da spremenijo omrežje, omrežje povezljivosti, kako informacije tečejo skozi sistem. In prilagodijo ga tako, da optimizirajo to vrsto kompromisa med prilagodljivostjo in robustnostjo, tj. sprejmejo ga v ta kritični režim, kot smo predvidevali.

STROGATZ: Na katerih vrstah živali so bile opravljene te študije?

COUZIN: Zato večinoma delamo z majhnimi ribami, ki se šolajo, ker morajo reševati enake težave – izogibanje plenilcem, iskanje primernega habitata – vendar so v laboratorijskem okolju poslušljive. Torej imajo ribe dejansko kemikalijo, ki se imenuje schreckstoff, kar v nemščini dobesedno pomeni le "strašljive stvari". in schreckstoff se naravno sprošča, če plenilec napade ribo, mora sprostiti to kemikalijo.

Torej lahko postavimo schreckstoff v vodi, zato ni lokacije plenilca, vendar se posameznikova presoja o tem okolju spremeni, svet je postal bolj tvegan.

Kaj torej počnete, ali spreminjate dogajanje v svojih možganih? Ali spremenite način interakcije z okoljem? Ali postanete bolj prestrašeni, kar je nekaj naravnega, kar morda mislimo, da počnejo živali?

Ali, če si predstavljate, ali v omrežnem sistemu, v kolektivnem sistemu, spremenite topologijo tega omrežja, socialnega omrežja, načina komuniciranja z drugimi? Ker to lahko spremeni tudi odzivnost na grožnje, zaradi tega vala obračanja, o katerem smo govorili prej.

In tako smo ugotovili, da se posamezniki ne spreminjajo. Kar se zgodi, so spremembe omrežja. Posamezniki poskušajo spremeniti strukturo tega omrežja in to je tisto, kar povzroči, da skupina nenadoma postane bolj občutljiva in bolj prilagodljiva.

Ljudje so včasih imeli na primer približek, to je, da morajo posamezniki, ki so blizu drug drugemu, močneje komunicirati. Toda, kot lahko pomislite v vsakdanjem življenju, lahko sedite poleg popolnega tujca na avtobusu in v povprečju niste družbeno močno povezani z njim. Socialno omrežje, ki ga imajo posamezniki, se torej lahko zelo razlikuje od tistega, ki ga je enostavno izmeriti.

Torej, kar smo naredili, je - no, to je precej zapleteno. Lahko pa rekonstruiramo svet iz njihove perspektive. In uporabljamo tehniko, ki izvira iz video iger in računalniške grafike, imenovano raycasting, kjer mečemo žarke svetlobe na mrežnico posameznikov, tako da lahko vidimo nekakšno računalniško predstavitev tega, kar vidijo za vsak trenutek v času. Toda ne vemo, kako za vraga to obdelajo?

In tako spet lahko uporabljamo metode strojnega učenja, ker so se vsi možgani razvili tako, da delajo isto stvar. Potrebuje zapletene senzorične informacije - kot ljudje, ki nas poslušajo danes. To je zapletena akustična informacija, vendar se lahko vozijo ali morda kuhajo, zato imajo tudi zapletene vizualne in vohalne informacije, vendar morajo njihovi možgani sprejeti vso to zapletenost in jo zmanjšati v tako imenovano zmanjšanje dimenzij, v odločitev oz. v "kaj bom naredil naslednjič?" In o tem, kako prave živali to počnejo, vemo zelo, zelo malo.

Lahko pa rekonstruiramo njihova vidna polja in potem lahko uporabimo iste vrste tehnik za zmanjšanje dimenzionalnosti, da razumemo, kako možgani zmanjšajo to kompleksnost na gibalne odločitve?

In ribe, ki smo jih preučevali, imajo zelo majhno število nevronov v zadnjem delu možganov, ki narekuje vsa njihova gibanja. Torej morajo možgani sprejeti vso to zapletenost in jo zmanjšati ter sprejemati odločitve. In mislim, da je v biologiji čudovito vprašanje, kako možgani to počnejo?

STROGATZ: Najprej lahko rečem, da moram pogosteje brati vaše časopise. Omenili ste nekaj o svetlečih lučeh na mrežnici rib, da potem vidite, kar vidijo, ali da imate občutek, da veste, kaj gledajo? Sem prav slišal?

COUZIN: Ja, pravzaprav ni dobesedno osvetlitev. Vse je narejeno digitalno. Predstavljajte si torej, da imate jato rib na posnetku v času, zamrznjenem trenutku v času. Naša programska oprema spremlja položaj in tudi držo telesa vsake od teh rib. In kar lahko storimo, je, da lahko zdaj ustvarimo tridimenzionalno računalniško različico tega prizora, kot v videoigri. Nato se lahko vprašamo, kaj vidi vsak posameznik? Tako lahko posameznikom v oči postavimo kamere.

In tako je raycasting nekoliko podoben raytracingu, ki se uporablja v računalniški grafiki, kar so le poti svetlobe, ki padajo na mrežnico. In vse to počnemo digitalno, da lahko ustvarimo digitalni analog realnosti. Nato lahko pogledamo, kako bi svetloba padla na mrežnico v tem virtualnem prizoru, neke vrste fotorealističnem virtualnem prizoru. In tako dobimo prvo plast: kakšne informacije prihajajo do posameznika?

In potem, seveda, veliko vprašanje, ki ga želimo vprašati, je, kako možgani to procesirajo? Kako možgani odpravijo to kompleksnost in kako sprejemajo odločitve? Kako se na primer tekoče jate in ribje jate premikajo tako brez napora in tako lepo s tako malo trki, avtomobili na avtocesti pa se kljub temu težko gibljejo skupno? Mislim, ali obstaja nekaj, kar se lahko naučimo iz tisočletij naravne selekcije, kar lahko nato uporabimo pri vozilih in robotih?

Torej obstaja tudi uporabni element za poskus razumevanja tega. V veliki meri ga želim razumeti, ker se mi zdi fascinanten, vendar se v določenih primerih dejansko prevede v resnične aplikacije.

STROGATZ: Takoj se vrnemo.

[Premor za vstavljanje oglasa]

STROGATZ: Dobrodošli nazaj v »The Joy of Why«.

Rad bi se vrnil k nečemu, kar ste povedali v uvodu, ko ste šli čez lestvice od celičnih do primatov itd. Ljudje morda niso tako seznanjeni s primerom kobilic in sprašujem se, ali bi lahko govorili o nekaterih — recimo jim resničnih ali celo ekonomskih vidikih jate, saj imajo kobilice velik vpliv na svet, večji, kot sem ga imel jaz. spoznal. Mislim, tukaj v svojih zapiskih gledam nekaj statističnih podatkov, da v letih kuge kobilice napadejo več kot eno petino svetovne površine.

COUZIN: Ja.

STROGATZ: Ali lahko verjameš? In vpliva na preživetje enega od 10 ljudi na planetu. Bi se lahko z nami malo pogovorili o tovrstnih raziskavah in o tem, kako so povezane z vprašanji globalne prehranske varnosti?

COUZIN: Ja, imaš popolnoma prav. In to se mi zdi precej osupljivo. Veste, kot ste pravkar rekli, vplivajo na enega od 10 ljudi na našem planetu zaradi pomanjkanja hrane in prehranske varnosti. In to pogosto počnejo v državah, veste, kot sta Jemen in Somalija, ki imajo velike težave, velike konflikte in državljanske vojne itd.

Toda tudi zaradi podnebnih sprememb se območje razširjenosti kobilic širi po večjem delu svojega območja. In tako, mislim, trenutno se Afganistan letos sooča z veliko krizo v svojem prehrambenem bazenu. Pred nekaj leti je bil to Madagaskar. Leto ali dve pred tem je imela Kenija največji roj v zadnjih 70 letih.

Zakaj torej, veste, z vsemi sodobnimi tehnologijami, ki jih imamo za spremljanje, zakaj postajajo roji vse bolj divji in hujši, veste? In eden od razlogov so podnebne spremembe. To je tisto, veste, kar se zgodi s temi roji je – torej kobilice, morda bi bilo za poslušalce presenetljivo, da to vedo, vendar kobilice pravzaprav ne marajo biti blizu druga druge. So sramežljive, skrivnostne zelene kobilice, ki jih rade pustijo same. Če imajo torej veliko hrane, so samo izolirani drug od drugega. Drug drugega se izogibajo. Šele ko so prisiljeni stopiti skupaj, se spremenijo.

Zato so običajno tako imenovani samotarji, zaradi njihovega samotarskega načina življenja. Če pa so prisiljeni stopiti skupaj, so se razvili v prehod. Sta nekakšna Jekyll in Hyde v svetu žuželk. Razvili so se tako, da dokaj nenadoma, v eni uri, vedenjsko preidejo v skupinsko obliko, kjer začnejo korakati drug proti drugemu, si slediti.

Še ena stvar, ki jo ljudje morda ne vedo, je, da kobilice prvih nekaj mesecev svojega življenja dejansko nimajo kril. In ko se kobilice skotijo, ne morejo leteti. To so te neleteče nimfe. Šele ko odrastejo, dobijo krila.

In tako se tukaj dogaja, da ko deževje na primer pride v Afriko, Indijo ali druga območja, imate lahko bujno vegetacijo in majhna populacija kobilic se lahko razmnoži, saj lahko te vrste skrivnostnih kobilic rastejo v velikosti populacije. Zdaj, ko ta populacija raste, jedo vedno več in več, pogosto pa lahko pride tudi do suše.

Zdaj, če imate visoko gostoto prebivalstva in potem nenadoma hrana izgine, potem kobilice naredijo to, da so se razvile in prešle v to družabno obliko, kjer začnejo korakati skupaj. Vsi se začnejo premikati skupaj. Ti roji so lahko milijarde posameznikov - kolikor lahko vidite, kobilice korakajo v sozvočju, kot da imajo skupen namen. In ko jim zrastejo krila, lahko poletijo. In potem postane še slabše, ker lahko dostopajo do pasatov ali drugih, saj veste, okoljskih pogojev, kjer se lahko prenašajo kot ogromni roji čez stotine ali celo tisoče kilometrov. In tako je to eno največjih in najbolj uničujočih kolektivnih vedenj na našem planetu.

STROGATZ: Vau, ne morem reči, da mi je ideja o pohodu kobilic dobro znana. Navajeni smo jih obravnavati kot te oblake, veste, ki rojijo v zraku. A povej nam malo več o pohodu, ker se megleno spominjam nekaj osupljivih raziskav tvojega s kanibalističnim vidikom kobilic, je to prava beseda?

COUZIN: Ja, to je bilo leta 2008, in – vendar imate prav, veste, o teh ogromnih jatah ali rojih ali oblakih kobilic, ki se premikajo čez velike razdalje, veste, o njih ne vemo veliko, ker nismo imeli tehnologija za preučevanje tega. Pravzaprav še vedno nimamo tehnologije za preučevanje tega. Torej ni, da ni pomembno, je neverjetno pomembno.

Vemo pa tudi, da je tisto, kar je pred temi letečimi roji – mislim, leteči roj je nekoliko podoben gozdnemu požaru, ki je že ušel izpod nadzora. Zdaj boš res imel težave z nadzorom. Toda če ga lahko nadzorujete, preden jim zrastejo krila, ko v puščavi ali teh okoljih pred tem oblikujejo te roje, potem obstaja velik potencial.

In tako smo se iz praktičnih razlogov osredotočili na te roje brez kril. In v resnici, veste, čeprav imate prav, sem te začel preučevati sredi 2000-ih, zdaj smo, zdaj se vračam h kobilicam in jih zdaj spet preučujem.

V začetku tega leta smo pravkar ustvarili prvi pravi roj na svetu v laboratorijskem okolju, kjer smo sledili 10,000 kobilicam v slikovnem okolju velikosti 15 krat 15 krat 8 metrov, ki smo ga tukaj zgradili posebej za ta namen, tukaj v Konstanzu. Zato je smešno, da to omenjate, ker se moje raziskave zdaj nekako vračajo k temu istemu sistemu.

Ampak, da, kot ste rekli, kar smo odkrili, so te žuželke, no, zakaj korakajo skupaj? Zakaj so – veste, in sprva smo mislili, da mora biti kot jate rib in jate ptic. Mora biti za informacije. Gotovo gre za kolektivno inteligenco. No, zmotili smo se. In zato je to velika nevarnost. Če vidite, saj veste, roj mravelj, ki se premika v krogu, premika v nekakšnem mlinu, in vidite ribjo jato, na primer, ki se obrača v obliki torusa ali neke vrste krofu podobnega vzorca, ali vidite vrtinec, to so vsi vzorci, ki so videti enaki, vendar jih lahko poganjajo zelo, zelo različni pojavi.

In mislim, da sem bil zaveden, ko sem mislil, veste, ko vidite kolektivno gibanje, morajo biti pod njim podobni procesi. Toda v primeru kobilic ni šlo za tovrstno hipotezo o prenosu informacij. Dejansko je šlo za dejstvo, da v teh puščavskih okoljih, ko nenadoma zmanjka hrane, obupno primanjkuje bistvenih hranil, zlasti v puščavi: beljakovin, soli in vode.

In kaj je za vas v takšnem krutem okolju boljše od drugega posameznika? Ker so popolnoma uravnotežene hranilne sestave. Posamezniki torej drug drugega privlačijo in se nagibajo k kanibalizmu. Tako so se razvili tako, da sledijo tistim, ki se odmikajo, da jih poskušajo ugrizniti v njihov zadnji del, v zadnji del trebuha, pred katerim se je zelo težko ubraniti. Glava je močno oklepljena, vendar je zadnji del trebuha iz očitnih razlogov šibka točka, tam mora biti odprtina.

In tako ciljajo na to, vendar se potem tudi izognejo, da bi bili tarča drugih. In rezultat sledenja tistim, ki se odmikajo od vas, in oddaljevanja od tistih, ki se gibljejo proti vam, povzroči, da celoten roj začne skupaj korakati po tem puščavskem okolju.

Prav tako imajo koristi od advekcije, tako da se skupaj selijo iz območij, revnih s hranili. Kajti, veste, če človeka postavite v puščavo, bo človek nagnjen k temu, da bo nekako dezorientiran in se bo gibal v krogih. Enako s kobilico. Toda če jih postavite v roj, kolektivno poravnavo, sinhronost med posamezniki, saj veste, na stotine milijonov posameznikov, ki se poravnajo drug z drugim, lahko zelo usmerjeno odkorakajo iz teh s hranili revnih okolij. In lahko tudi močvirne plenilce. Veste, plenilci tukaj ne morejo narediti veliko vdolbinice.

STROGATZ: Pravzaprav se sprašujem, ko govorimo o vseh teh primerih, kako vas je vse to začelo zanimati v starih časih? Omenili ste, da je bilo to leta 2008?

COUZIN: Ja, to je bil tisti časopis leta 2008.

STROGATZ: Ja, s tem si bil zaposlen že pred tem, kajne?

COUZIN: Ja, doktoriral sem. v poznih devetdesetih na mravljah. Fasciniralo me je vedenje mravelj. In če sem iskren, se je začelo s strastjo do narave in obsedenostjo z naravno zgodovino in opazovanjem tega, kar je okoli nas.

Kot otrok sem mislil, da mora obstajati strokovnjak, ki razume, zakaj nastajajo roji, zakaj ribje jate, zakaj se ptice zbirajo. Mislil sem, da mora biti to nekaj, kar vsi preučujejo.

Kot otrok sem bil umetnik. Zelo me je zanimalo kreativno pisanje, poezija in umetnost. In tako me je sprva pritegnila čista lepota, fascinacija nad lepoto teh.

In v srednji šoli nisem bil odličen učenec v znanosti. Ukvarjal sem se z lončarstvom in slikal sem. In ko sem šel na univerzo, se spomnim, da mi je oče rekel: »Veš, sin, moral bi delati tisto, v čemer si dober. Naredite angleščino ali umetnost. Ti nisi znanstvenik, ti ​​si naravoslovec, veš?« In imel je prav. Imel je popolnoma prav.

In kasneje, ko sem diplomiral iz biologije, sem že na prvem predavanju svojega predavanja o biologiji vedel, da je to prava stvar zame, vedel sem. In odkril sem, da obstaja ves svet statistične fizike. Ti dokumenti so izšli v tistem času in so me presenetili, ker so bili avtorji, ki so videli globoka matematična načela v sistemih.

Moj doktorat svetovalec je rekel, veš, da bi dobil službo, bi moral postati svetovni strokovnjak za eno vrsto mravelj in potem si lahko dragocen. Toda bral sem to delo znanstvenikov, ki so delali ravno nasprotno. Preučevali so vse, od fizičnih do bioloških sistemov, in videli so ta načela. In tudi vzorci in strukture ter rezultati, ki so jih ugotavljali, so bili preprosto naravno lepi. In tako sem pomislil, to mora biti prav. To mora biti pravi način delanja znanosti. In tako me je takrat kar potegnil v svet fizike.

STROGATZ: Ali ste se pozneje kdaj z veseljem pogovarjali z očetom o vaši spremembi smeri?

COUZIN: Nikoli, nikoli si nisem mislil, da se moj oče tega spomni. In potem, ko sem napredoval iz docenta v rednega profesorja na Univerzi Princeton, me je poklical predsednik oddelka in rekel: "Čestitam, profesor Couzin." In, veste, bil sem čisto navdušen, zato sem seveda poklical mamo in očeta in moj oče se je oglasil na telefon, potem pa je rekel: "In če pomislim, da sem te imenoval naravoslovec." To je edini čas, to je desetletja pozneje. Nikoli nisem vedel, da se sploh spomni te razprave.

STROGATZ: No, to je dobra zgodba, to je res dobra zgodba. V tej oddaji radi govorimo o velikih neodgovorjenih vprašanjih in torej, kaj vidite kot nekaj največjih neodgovorjenih vprašanj o jatah in šolah ter kolektivnem vedenju na splošno?

COUZIN: No, absolutno vem. In to me pripelje do teme, nad katero sem zdaj tako navdušena. Torej spet, prej v svoji karieri, sem mislil, veste, možgani so seveda čudovita kolektivna računalniška entiteta, eden najlepših primerov, veste. Kako se možgani odločajo? In to je zbirka nevronov in seveda imamo roje mravelj, ali roje kobilic, ali ptičje jate, ali jate rib, vse te različne komponente medsebojno delujejo. Torej obstaja nekaj, kar globoko povezuje te različne sisteme ali ne? In kar me trenutno fascinira, je kolektivno odločanje, predvsem pa kolektivno odločanje v prostoru.

Torej, kako možgani predstavljajo prostor-čas? In kako je to pomembno v smislu odločitev? In kaj za vraga ima to opraviti s kolektivnim vedenjem živali? Kar sem spoznal pred približno petimi leti, je, da mislim, da obstaja globoka matematična podobnost in mislim, da obstajajo globoka geometrijska načela o tem, kako možgani predstavljajo prostor in tudi čas.

In ena najbolj vznemirljivih stvari tukaj je ponovna uporaba matematike. Veste, matematiko sem opustil, ko sem bil star 16 let, in pravkar sem preživel počitnice na Inštitutu Isaaca Newtona za matematične znanosti na Univerzi v Cambridgeu kot ugledni sodelavec. Vendar pa ne morem rešiti enačbe, veš?

Tudi jaz sem, vendar mi je všeč dejstvo, da lahko delam z neverjetnimi matematiki. S sodelovanjem s fiziki, matematiki in biologi ter z izvajanjem poskusov na živalih v virtualni resničnosti smo tukaj zgradili nabor tehnologij. Tako na ribo, ki je manjša od centimetra, ne moremo namestiti slušalk, kot je Meta Quest 3. Lahko pa ustvarimo virtualna, poglobljena, holografska okolja, tako da lahko popolnoma nadzorujemo vnos. Vzročne zveze lahko popolnoma nadzorujemo.

Če, veste, jaz vplivam na vas in vi vplivate name, potem pa je tu še tretji posameznik, ali oni vplivajo name neposredno ali prek vas? Ali oboje? Ali četrti posameznik ali peti? In v naših okoljih navidezne resničnosti lahko te posameznike postavimo v tisto, kar imenujemo Matrix, kot v filmu, kjer je vsak posameznik v svojem lastnem holografskem svetu in v realnem času komunicira s hologrami drugih posameznikov.

Toda v tem svetu se lahko igramo s pravili fizike. Lahko se igramo s pravili prostora in časa, da bi bolje razumeli, kako jih možgani integrirajo?

In tako, to me res osupne, ker lahko pokažemo, da možgani ne predstavljajo prostora na evklidski način. Predstavlja prostor v neevklidskem koordinatnem sistemu. In potem lahko matematično pokažemo, zakaj je to tako pomembno, to je, da ko se začnete ukvarjati s tremi ali več možnostmi, lahko dejansko ukrivljanje prostora-časa, s čimer postane prostor neevklidski, dramatično zmanjša kompleksnost sveta v vrsto bifurkacij. In blizu vsake bifurkacije poveča razlike med preostalimi možnostmi. Torej, tukaj je ta čudovita notranja struktura.

In tako mislimo, da imamo to univerzalno teorijo o tem, kako možgani sprejemajo prostorske odločitve, do katerih nikoli ne bi mogli priti, ne da bi pogledali vrsto organizmov, kot so ribe, kobilice in muhe, v teh vrstah okolij navidezne resničnosti, in to je torej nad čimer sem zelo navdušena.

[Tematske igre]

STROGATZ: No, komaj čakam, da slišim o vsem tem, ko boste to rešili. Lahko bi nadaljeval s teboj ves dan, vendar mislim, da je čas, da se ti zahvalim. Z evolucijskim ekologom Iainom Couzinom smo se pogovarjali o jatah, rojenju, šolanju in vseh vrstah kolektivnega vedenja. Iain, tako veselje je bilo spoznati, kaj počneš, in čudeže narave, ki si nam jih vsem pomagal razkriti. Najlepša hvala.

COUZIN: Bilo mi je v veselje. Hvala, Steve.

[Tema se še naprej predvaja]

STROGATZ: Hvala za poslušanje. Če uživate v »The Joy of Why« in še niste naročeni, pritisnite gumb za naročanje ali spremljanje na mestu, kjer poslušate. Za oddajo lahko pustite tudi oceno. Ljudem pomaga najti ta podcast.

"The Joy of Why" je podcast iz Revija Quanta, uredniško neodvisna publikacija, ki jo podpira Simonsova fundacija. Odločitve o financiranju fundacije Simons nimajo vpliva na izbor tem, gostov ali druge uredniške odločitve v tem podcastu ali v Revija Quanta.

"The Joy of Why" producira PRX Productions. Produkcijska ekipa je Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler in Merritt Jacob. Izvršna producentka PRX Productions je Jocelyn Gonzales. Morgan Church in Edwin Ochoa sta zagotovila dodatno pomoč.

od Revija Quanta, John Rennie in Thomas Lin sta zagotovila uredniško vodstvo ob podpori Matta Carlstroma, Samuela Velasca, None Griffin, Arleen Santana in Madison Goldberg.

Naša tematska glasba je iz APM Music. Ime podkasta je izmislil Julian Lin. Sliko epizode je napisal Peter Greenwood, naš logotip pa Jaki King in Kristina Armitage. Posebna zahvala Columbia Journalism School in Bertu Odom-Reedu iz Cornell Broadcast Studios.

Sem vaš gostitelj, Steve Strogatz. Če imate kakršna koli vprašanja ali komentarje za nas, nam pišite na [e-pošta zaščitena]. Hvala za poslušanje.