Зграя птахів. Сарана кишить. Рибна школа. У групах організмів, які, здається, можуть стати хаотичними, якимось чином виникає порядок. Колективна поведінка тварин відрізняється в деталях від одного виду до іншого, але вона в основному дотримується принципів колективного руху, які фізики виробляли протягом століть. Тепер, використовуючи технології, які нещодавно стали доступними, дослідники змогли вивчити ці моделі поведінки більш ретельно, ніж будь-коли раніше.

У цьому епізоді еволюційний еколог Ієн Кузін розмовляє зі співведучим Стівен Строгац про те, як і чому тварини демонструють колективну поведінку, зграї як форму біологічного обчислення та деякі приховані переваги придатності життя як частини самоорганізованої групи, а не окремої особи. Вони також обговорюють, як краще розуміння таких шкідників, як сарана, може допомогти захистити глобальну продовольчу безпеку.

Слухай далі Apple Podcasts, Spotify, Підкасти Google, Налаштувати або ваш улюблений додаток для подкастингу, або ви можете транслювати його з Quanta.

Розшифровка

[Тематичні п'єси]

СТІВЕН СТРОГАЦ: У всьому тваринному світі, від крихітних комарів до риб, птахів, газелей і навіть таких приматів, як ми, істоти схильні організовуватися у великі рухомі моделі, які переслідують, здавалося б, спонтанну колективну мету. Часто жодна окрема істота, здається, не виступає в якості лідера, організовуючи ці масові рухи. Швидше, тварини просто непомітно стають у ряд.

І хоча здається, що такі системи коливаються в хаосі чи нестабільності, цим колективам якимось чином вдається рухатися надзвичайно злагоджено й цілеспрямовано, як може підтвердити будь-хто, хто спостерігав за дзюрчанням шпаків чи зграєю риб. Але яка рушійна сила такої поведінки?

Я Стів Строгатц, і це «The Joy of Why», подкаст від Журнал Quanta де мій співведучий Янна Левін і я по черзі досліджую деякі з найбільших запитань без відповіді в математиці та природничих науках сьогодні.

[Тема закінчується]

У цьому епізоді ми розберемося в суті того, чому тварини збираються в зграї, рояться і навчаються. Як новітні технології, як-от штучний інтелект і 3D-камери, дають нове розуміння? І що вивчення динаміки груп тварин може сказати нам про нас самих, як окремо, так і як колектив?

Ось щоб пролити світло на ці таємниці еволюційний еколог Ієн Кузін. Ієн є директором відділу колективної поведінки Інституту поведінки тварин імені Макса Планка та повним професором Університету Констанца. Серед багатьох нагород, які він отримав, — премія National Geographic Emerging Explorer Award, премія Лагранжа, найвища нагорода в галузі науки про складність, і премія Лейбніца, найвища науково-дослідна нагорода Німеччини. Ієн, ми дуже раді, що ти сьогодні з нами.

ЯН КУЗІН: Чудово бути тут, Стіве.

СТРОГАЦ: Ну, я дуже радий знову тебе бачити. Ми давні друзі, і буде справді приємно почути про останні новинки колективної поведінки. Але давайте почнемо — мабуть, варто поговорити про те, хто ваші зразки? Чи могли б ви розповісти нам трохи про деяких тварин і різноманітність форм їхньої колективної поведінки в системах, які ви вивчали?

КУЗІН: Що ж, це одна з найдивовижніших речей у вивченні колективної поведінки. Справа в тому, що він є центральним у багатьох процесах життя на нашій планеті, що ми буквально вивчаємо низку організмів, починаючи з найпростішої тварини на планеті — її називають плакозооа; це базальний тип, можливо Найпростіша багатоклітинна тварина на планеті; його рій осередків, тисячі клітин, які рухаються, подібно до пташиної зграї чи зграї риб — від безхребетних, таких як мурахи, які мають дивовижну скоординовану поведінку, або сарани, яка утворює одні з найбільших, найруйнівніших зграй, до хребетних, таких як зграї риба, зграйні птахи, копитні тварини та примати, включаючи нас самих — людей.

СТРОГАЦ: Отже, здається, що він справді охоплює всю гамму, аж до... мушу визнати, я ніколи про це не чув, чи правильно я зрозумів: placozoa?

КУЗІН: Placozoa, так. Це маленьке створіння було знайдено повзаючим по склі акваріумів, тропічних акваріумів. Ви можете побачити це неозброєним оком. Це приблизно міліметр, можливо, півтора міліметра, якщо він дуже великий. І, знаєте, вивчення цієї дивовижної істоти лише нещодавно привернуло увагу вчених.

І це значною мірою тому, що цей дивний маленький химерний рій клітин насправді має генетичну складність, яку можна було б асоціювати з набагато складнішим організмом. Наприклад, він має великий діапазон нейромедіаторів, але не має нейронів.

[СТРОГАЦ сміється]

Є, що називається Хокс гени. Хокс гени в біології розвитку пов'язані зі складними планами тіла. Він не має складного плану тіла. І тому, можливо, ви можете подумати, добре, ця істота, можливо, еволюціонувала, щоб стати складнішою, а потім знову еволюціонувала, щоб спроститися, і тому вона зберегла ці характеристики складності.

Але дослідники-генетики опублікували в журналі свого роду знакову статтю природа що показав, ні, насправді, це один із найбільш первинні групи клітин. І, звісно, ​​колективна поведінка, що є кращим прикладом, ніж клітини, які об’єднуються, щоб утворити організм. Ти знаєш? Тож це одна з причин, чому ми це вивчаємо: спробувати зрозуміти, як колективна поведінка була центральною у витоках складного життя на нашій планеті.

СТРОГАЦ: Чоловіче, це ранній етап співбесіди, і ти вже вразив мене. Ви також збиваєте мене з колії, про що я думав, що збираюся з вами говорити. Це настільки цікаво і настільки нове для мене, що я був приголомшений. Я хочу повернутися до цієї частини історії, тому що це так — я маю на увазі, це справді дивно, що вони мали б… Я правильно вас зрозумів, що вони мають речі, пов’язані з наявністю нервової системи, але не мають нервової системи? І мають біологічні гени розвитку, ніби їм потрібно розвинути цілий складний план тіла, як плодова мушка, але вони не мають такого тіла?

КУЗІН: Точно, точно. Таким чином, вони дійсно могли б дати нам натяк на походження інтелекту. Наше особливе дослідження, який ми опублікували цього року, ви знаєте, ми показали, що план їхнього тіла справді поводиться дуже схоже на зграю птахів чи рибну зграю, коли клітини локально взаємодіють з іншими та прагнуть узгодити свій напрямок руху.

Тому вони приваблюють одне одного. Вони з’єднані між собою, як еластичний аркуш, але, як правило, також рухливі. Вони мають вії, маленькі вії на своїй основі, тому вони можуть рухатися в навколишньому середовищі. І сили, які вони застосовують до своїх найближчих сусідів, змушують їх вирівнюватися один з одним.

Отже, якщо ми відслідковуємо ці клітини під мікроскопом і дивимось на вирівнювання та на привабливість індивідів, ми використовуємо дуже ті самі технології, ті самі моделі, те саме мислення, що ми використовуємо для колективна поведінка в пташиних зграях або рибні зграї або інші типи груп але застосувати його до цих тварин.

І отже, це одна з речей, які я вважаю найбільш чудовими в колективній поведінці, полягає в тому, що навіть незважаючи на те, що властивості системи, незалежно від того, чи ти клітина, чи ти птах, дуже різні, коли ви дивитесь на колективні дії, колективні властивості, математика, яка лежить в основі цього, насправді може виявляються дуже схожими. І тому ми можемо знайти ці, начебто, те, що називають універсальними властивостями, які з’єднують ці різні, очевидно, несхожі системи.

СТРОГАЦ: Ну, звісно, ​​тепер ви говорите моєю мовою, оскільки, знаєте, саме це привернуло мене до мого власного захоплення колективною поведінкою, це те, що існують ті універсальні математичні принципи, які, здається, застосовуються вгору та вниз по шкалі від клітин до ну, звичайно, ми завжди хочемо поставити себе на вершину.

Але, гаразд, ви підняли так багато різних питань, над якими ми повинні подумати. Дозвольте мені спробувати повернутися до початку, хоч би я хотів залишитися з вами тут із Placozoa.

Так, наприклад, ви згадали такі слова, як «зграї» та «школи», і іноді ми чуємо, як люди говорять про «зграї», як про комах. Чи є причина, що ми маємо три різні слова для того самого? Чи це насправді не одне й те саме, коли ми говоримо про колективні групи? Чи є причина, чому ми не повинні говорити, наприклад, про зграйних птахів чи роїння риби?

КУЗІН: Ні, я думаю, що ми розробили ці слова, і в різних мовах є різні слова. У німецькій мові, яка багата на багато слів, їх насправді небагато. Тоді як в англійській ми маємо багато, багато різних слів. Як, знаєте, наприклад, гурт ворон називається вбивством ворон.

[СТРОГАЦ сміється]

Ви самі раніше вживали чудове слово «гомін шпаків». І я думаю, що саме ця краса, захоплююча краса зграї, навчання та роїння породила ці чудові слова, які можна асоціювати з конкретними прикладами.

Тому я вважаю, що це дуже корисна річ, тому що раніше я наголошував на спільному, математичному спільному, але є й відмінності. Розрізняють рій клітин і рій птахів. Отже, щоб зрозуміти ці системи, ми обидва маємо розглянути спільні принципи, а також ті, які відрізняються між системами. І в певному сенсі мова начебто фіксує для нас частину цього таким чином, як люди природно відокремили або розділили це на різні категорії.

СТРОГАЦ: Цікаво. Отже, ви згадали «рій клітин» і «рій комах», я думаю, це так, і ви сказали, що можуть бути деякі відмінності, навіть якщо ми використовуємо те саме слово. Які речі ми повинні розрізняти ці приклади?

КУЗІН: Так, я думаю, що справді захоплююче, це те, чому існує спільність, адже відмінності такі глибокі. У тварини є мозок. Він отримує складну сенсорну інформацію та намагається прийняти рішення щодо свого середовища. Тварини в середньому здатні до набагато складнішої, витонченої поведінки, ніж клітини.

Але клітини, звичайно, самі мають складні внутрішні процеси. Але в їхній взаємодії більшою мірою домінують фізичні сили, масштаб, у якому вони діють, і напруги, які утворюються, фізичні напруги, які утворюються всередині клітинного агрегату.

Тоді як тварини, взаємодія між птахами в зграї, вони невидимі. Вони не мають фізичної форми. І тому спочатку можна подумати, що ж, тоді це лише аналогія. Насправді, я б сказав, що приблизно п’ять-десять років тому я теж думав, що це просто аналогія. Я думав, що ці відмінності мають бути дуже важливими. Але те, що ми починаємо розуміти, це те, що їх спільна риса — обчислення.

Справа в тому, що ці елементи збираються разом, щоб обчислювати своє середовище таким чином, що вони не можуть обчислити самостійно. Кожна людина, навіть якщо у вас дуже складний людський мозок, і ви ходите по світу, якщо у вас немає соціальних взаємодій з іншими, або навіть більше того, ви знаєте, спираючись на культурну складність, яку ми успадковуємо, коли ми народжуємось у нашому житті, тоді ми дуже обмежені.

Отже, є ці глибокі, начебто дуже захоплюючі питання, які ми тільки починаємо розглядати про обчислення та появу складного життя.

СТРОГАЦ: Така цікава точка зору. Я не знав, яке слово ти збираєшся сказати, коли сказав, що в них усіх є щось спільне. Я був — не міг здогадатися, але мені це подобається: обчислення.

Отже, знаєте, це змушує мене згадати знамениту річ, про яку люди, можливо, бачили фільми на YouTube або по телебаченню, де є зграя птахів — можливо, це шпак — і яструб, чи сокіл, чи щось таке, що наближається до нього. зграя. Можливо, ви повинні дати нам візуальний опис того, що станеться далі, і чому я думаю, що в цьому прикладі є щось спільне з обчисленнями?

КУЗІН: Ну, я маю на увазі, якщо ви подивіться на ці групи, ви знаєте, коли у вас присутні ці хижаки, які атакують ці групи, будь то зграя риб чи зграя птахів, ви побачите, що група поводиться як така собі хвилеподібна рідина. Ви бачите брижі світла, що перетинають групу, або брижі щільності, що перетинають групу.

І це свідчить про те, що особини можуть дуже швидко поширювати інформацію про місцезнаходження цього хижака через соціальні взаємодії. Тож особини, які бачать, наприклад, хижака — можливо, лише деякі з них спочатку бачать хижака. Але завдяки повороту ця поведінка копіюється іншими, зміна щільності, зміна повороту поширюється надзвичайно швидко.

І якщо ми використовуємо — я впевнений, що ми дійдемо до цього пізніше — якщо ми використовуємо вдосконалені інструменти візуалізації, щоб кількісно визначити, виміряти ці хвилі повороту, це призведе до хвилі поширення, яка приблизно в 10 разів перевищує максимальну швидкість. самого хижака. Таким чином, особини можуть реагувати на хижака, якого вони навіть не бачать.

Отже, група та особи в групі — оскільки добір, природний відбір діє на окремих осіб — як правило, вони можуть реально реагувати на подразники, які вони не виявляють.

Це трохи схоже на нейрон, який передає інформацію за допомогою електричних сигналів. В даному випадку це не електричні сигнали. Це насправді щільність і поворот індивідів, які проникають у групу, але це дає цим індивідам віддалену інформацію, де є загроза, тому вони можуть почати віддалятися від неї дуже швидко.

СТРОГАЦ: Тож, я думаю, це дуже гарний наочний приклад того, що означатиме обчислення в цьому контексті. Що ми можемо бачити ці хвилі паніки або уникнення, що протікають через зграю. Це настільки цікаво, що це набагато швидше, ніж окремі особини могли б зробити самі, і, я думаю, швидше, ніж те, що хижак може зібрати самостійно.

КУЗІН: Одна з причин, чому це ймовірно, чому ми так думаємо, полягає в тому, що група — природний відбір, навіть якщо він діє на окремих людей, важлива їхня фізична підготовка, і для всіх є така колективна вигода, якщо вони поводяться певним чином.

Це знову стосується того, чого ми дізналися про фізичні системи, зокрема фізичні системи близький до фазового переходу. Отже, система, яка близька до переходу між різними станами, наприклад, між твердим і рідким, знаєте, якщо ви заморожуєте воду, і вона раптово переходить у твердий стан, колективна поведінка цієї системи є досить дивовижною поблизу цього точка переходу, ця біфуркація, яка, звичайно, є вашою власною сферою дослідження. І це те, що ми тепер знаємо, тепер у нас є дуже вагомі докази того, що природний відбір штовхає системи близько до цих точок біфуркації через колективні властивості, дивовижні колективні властивості, які демонструються.

Коли ми вперше виміряли ці властивості, здавалося, що люди порушують закони фізики. Інформація надходила дуже швидко.

І на початку 1900-х років, Едмунд Селус, який був переконаним дарвіністом, але, знаєте, також захоплений захопленням телепатією у вікторіанську епоху, він припустив, що має існувати перенос думок, він це описав, або телепатія між птахами, яка дозволяла їм так швидко спілкуватися.

І, звичайно, люди, знаєте, думають: «Ну, це смішно, звичайно, телепатії бути не може». Але насправді, і це, можливо, трохи суперечливо, але насправді, я думаю, що ми все ще не маємо хорошого розуміння сенсорних модальностей і того, як ця інформація так швидко проникає в систему.

Звичайно, я не кажу, що існує телепатія. Але я припускаю, що, налаштовуючи систему, налаштовуючи колективну систему близько до цієї критичної точки, близько до цієї точки біфуркації, це може призвести до чудових колективних властивостей, які для спостерігача виглядатимуть фантастично, для спостерігача — химерний. Тому що фізика в цих режимах дивна, фантастична, дивовижна, навіть якщо вона зрозуміла науці.

СТРОГАЦ: Тож мені просто цікаво, у випадку колективної поведінки, чи природа налаштовує зграю на те, щоб бути поблизу якоїсь точки нестабільності чи критичності. Ви припускаєте, що це частина того, що робить його таким ефективним?

КУЗІН: Так, це саме те, що я пропоную. І так, наприклад, ви знаєте, знову дуже недавній документ протягом останніх кількох років, коли ми публікували, ми запитували, знаєте, а як щодо отримання найкращого з усіх світів? А якщо, знаєте, за загальних умов ви хочете бути стабільними, ви хочете бути надійними. Але іноді хочеться стати гіперчутливим. І тому в природному відборі біологічні системи повинні врівноважувати цей дивовижний, начебто суперечливий статус бути водночас надійними та чутливими. Як бути сильним і чуйним водночас?

Отже, ми вважаємо, що, знаєте, налаштування системи близько до цієї критичної точки фактично дозволяє цьому статися, тому що якщо система відхиляється, вона фактично стабілізується. Але коли його підштовхують до цієї критичної точки, він стає неймовірно гнучким і чутливим до вхідних даних, наприклад, вхідних даних щодо цього хижака. Отже, якщо зграя риб знаходиться далеко від цієї критичної точки — наприклад, якщо вони дуже сильно вирівняні одна з одною — і вони виявляють хижака, насправді потрібно багато зусиль, щоб повернути всіх цих особин. Вони настільки сильно реагують один на одного, що зовнішньому впливу важко змінити їхню поведінку.

З іншого боку, якщо вони дуже невпорядковані й усі рухаються в різних напрямках, тоді окрема особа, що змінює напрямок, навряд чи може бути сприйнята іншими, і тому вона не поширюється системою.

І тому на такому проміжному етапі вони насправді можуть оптимізувати свою здатність поводитись як група та бути гнучкими, але передавати інформацію. І це теорія з фізики, яка існує давно, але насправді вона з’явилася лише протягом останніх кількох років із використанням технології комп’ютерного зору для відстеження тварин у групах і запитань, як ви змінюєте, знаєте, вашу взаємодію, коли, наприклад, світ стає більш ризикованим?

Як біологи, ми завжди думали: «Ну, якщо світ стане більш ризикованим і небезпечним, я стану більш чутливим до вхідних даних. Я буду більше нервувати, я з більшою ймовірністю подам помилкову тривогу». І це стосується тварин в ізоляції. Це правда щодо людей, коли ми поводимося ізольовано. Але ми перевірили це на групах тварин, групах, які еволюціонували в контексті колективу, і виявили, що це не так.

Вони змінюють мережу, мережу з’єднань, те, як інформація проходить через систему. І вони налаштовують його таким чином, щоб оптимізувати такий компроміс гнучкості та надійності, тобто вони переводять його в цей критичний режим, як ми передбачали.

СТРОГАЦ: На яких видах тварин проводилися ці дослідження?

КУЗІН: Тож ми здебільшого працюємо з маленькими зграйними рибами, тому що їм доводиться вирішувати ті самі проблеми — уникати хижаків, знаходити відповідне середовище існування — але вони піддаються роботі в лабораторних умовах. Отже, риба насправді має хімічну речовину, яка називається schreckstoff, що німецькою буквально означає просто «страшні речі». І schreckstoff виділяється природним шляхом, якщо хижак атакує рибу, він повинен вивільнити цю хімічну речовину.

Тож можемо поставити schreckstoff у воді, тому немає місцезнаходження хижака, але судження людей про це середовище змінюється, світ став більш ризикованим.

Отже, що ви робите, ви змінюєте те, що відбувається у вашому мозку? Чи змінюєте ви спосіб взаємодії з навколишнім середовищем? Ви стаєте більш наляканими, що є природним, як ми думаємо, що тварини роблять?

Або, якщо ви уявите, що в мережевій системі, у колективній системі, ви змінюєте топологію цієї мережі, соціальної мережі, спосіб спілкування з іншими? Тому що це також може змінити реакцію на загрози через цю хвилю повороту, про яку ми говорили раніше.

І ми виявили, що люди не змінюються. Відбувається зміна мережі. Люди намагаються змінити структуру цієї мережі, і саме це змушує групу раптово стати більш чутливою та гнучкою.

Раніше люди, наприклад, мали проксі-сервер, який полягає в тому, що люди, які знаходяться поруч один з одним, повинні сильніше взаємодіяти. Але, як ви можете подумати у своєму повсякденному житті, ви можете сидіти в автобусі поруч із абсолютно незнайомою людиною, і насправді не бути з нею соціально сильно пов’язаною. Отже, соціальна мережа, з якою працюють люди, може дуже відрізнятися від тієї, яку легко виміряти.

Тож те, що ми зробили — ну, це досить складно. Але ми можемо реконструювати світ з їхньої точки зору. І ми використовуємо техніку відеоігор і комп’ютерної графіки під назвою raycasting, де ми направляємо промені світла на сітківку ока людей, щоб ми могли бачити своєрідне комп’ютеризоване представлення того, що вони бачать у кожен момент часу. Але ми не знаємо, як вони це обробляють?

І знову ж таки, ми можемо використовувати методи машинного навчання, тому що кожен мозок еволюціонував, щоб робити те саме. Для цього потрібна складна сенсорна інформація, як люди, які слухають нас сьогодні. Це складна акустична інформація, але вони можуть бути за кермом або, можливо, готувати, тому вони також мають складну зорову та нюхову інформацію, але їхній мозок має сприйняти всю цю складність і зменшити її до того, що називається зменшенням розмірності, до рішення або на «що я буду робити далі?» І ми дуже мало знаємо про те, як це роблять справжні тварини.

Але ми можемо реконструювати їхні поля зору, а потім можемо використати ті самі методи, щоб зменшити розмірність, щоб зрозуміти, як мозок зменшує цю складність до рухових рішень?

І риба, яку ми досліджували, має дуже малу кількість нейронів у задній частині мозку, які диктують усі їхні рухи. Тож мозок має сприймати всю цю складність, зменшувати її та приймати рішення. І я думаю, що це чудове питання в біології щодо того, як мозок це робить?

СТРОГАЦ: Перш за все, я можу сказати, що мені потрібно частіше читати ваші статті. Ви сказали щось про освітлення сітківки риби, щоб потім побачити те, що вони бачать, або мати відчуття, що ви знаєте, на що вони дивляться? Я правильно почув?

КУЗІН: Так, насправді це не буквально освітлення. Це все зроблено цифровим способом. Отже, уявіть, що у вас є зграя риби на знімку в часі, замороженому моменті в часі. Наше програмне забезпечення відстежує положення, а також позу тіла кожної з цих риб. І що ми можемо зробити, так це створити тривимірну комп’ютерну версію цієї сцени, як у відеогрі. Тоді ми можемо запитати, що бачить кожна людина? Тож ми можемо встановити камери в очі окремих людей.

Таким чином, трансляція променів трохи схожа на трасування променів, яка використовується в комп’ютерній графіці, тобто шляхи падіння світла на сітківку. І ми робимо все це в цифровому вигляді, щоб створити цифровий аналог реальності. Потім ми можемо подивитися, як світло буде падати на сітківку в цій віртуальній сцені, щось на зразок фотореалістичної віртуальної сцени. І це дає нам перший рівень: яка інформація надходить до людини?

І тоді, звичайно, велике питання, яке ми хочемо поставити, полягає в тому, як мозок це обробляє? Як мозок усуває цю складність і як він приймає рішення? Як, наприклад, текучі зграї та рибні зграї рухаються так легко та так красиво з такою невеликою кількістю зіткнень, а автомобілям на шосе, як правило, важко мати колективний рух? Я маю на увазі, чи можемо ми чогось навчитися з тисячоліть природного відбору, щоб потім застосувати до транспортних засобів і роботів?

Отже, у спробі зрозуміти це також є прикладний елемент. Я хочу зрозуміти це головним чином тому, що я вважаю це захоплюючим, але також у деяких випадках це насправді перекладається на реальні програми.

СТРОГАЦ: Ми зараз повернемося.

[Перерва для вставки реклами]

СТРОГАЦ: Ласкаво просимо до «The Joy of Why».

Я хотів би повернутися до того, що ви сказали у вступі, коли переходили від клітин до приматів і так далі. Можливо, люди не дуже знайомі з прикладом сарани, і мені цікаво, чи можна поговорити про деякі — назвемо їх реальні чи навіть економічні аспекти зграї, тому що сарана має великий вплив на світ, більший, ніж я усвідомив. Я маю на увазі, що я дивлюся тут у своїх нотатках на деякі статистичні дані про те, що в роки епідемії чуми сарана вторгається на більш ніж одну п’яту земного покриву світу.

КУЗІН: Так.

СТРОГАЦ: Ти можеш у це повірити? І впливають на засоби до існування кожного десятого жителя планети. Тож не могли б ви трохи поговорити з нами про такі дослідження та як вони пов’язані з питаннями глобальної продовольчої безпеки?

КУЗІН: Так, ви абсолютно праві. І я вважаю це досить дивним. Ви знаєте, як ви щойно сказали, вони впливають на одну з 10 людей на нашій планеті через брак їжі та продовольчу безпеку. І вони часто роблять це в таких країнах, як Ємен і Сомалі, які мають серйозні проблеми, серйозні конфлікти, громадянські війни і так далі.

Але також через зміну клімату ареал сарани розширюється на більшій частині її ареалу. І тому, я маю на увазі, наразі цього року Афганістан зіткнувся з серйозною кризою у своєму продовольчому басейні. Пару років тому це був Мадагаскар. За рік чи два до цього в Кенії був найбільший рій за останні 70 років.

То чому, знаєте, з усіма сучасними технологіями, які ми маємо для моніторингу, чому рої стають лютішими та суворішими, розумієте? І одна з причин – зміна клімату. Це те, що, знаєте, відбувається з цими зграями... отже, сарана, можливо, слухачам це буде дивно знати, але сарана насправді не любить бути поруч одна з одною. Це сором’язливі таємничі зелені коники, які люблять залишатися наодинці. Тому, якщо у них багато їжі, вони просто ізольовані один від одного. Вони уникають один одного. Лише тоді, коли вони змушені об’єднатися, вони змінюються.

Тому їх зазвичай називають самотніми через їхній самотній спосіб життя. Але якщо вони змушені об’єднатися, вони еволюціонують до переходу. Вони свого роду Джекіл і Хайд у світі комах. Вони еволюціонували, щоб досить раптово, протягом години, змінити поведінку в стадну форму, де вони починають крокувати назустріч один одному, слідуючи один за одним.

Люди можуть не знати ще про те, що сарана насправді не має крил протягом перших кількох місяців свого життя. І тому, коли народжується сарана, вона не літає. Це ці нелітаючі німфи. Тільки коли вони стають дорослими, вони мають крила.

І от, що тут відбувається, коли дощі приходять, наприклад, в Африку, або в Індію, або в інші регіони, тоді ви можете мати пишну рослинність, і невелика популяція сарани може розмножуватися, як ці загадкові коники, вони можуть рости за чисельністю населення. Тепер, коли ця популяція зростає, вони їдять все більше і більше, і часто може настати посуха.

Тепер, якщо у вас висока щільність популяції, а потім раптово зникає їжа, тоді те, що робить сарана, це те, що вона еволюціонувала до цієї стадної форми, де вони починають марширувати разом. Вони починають рухатися разом. Ці зграї можуть складатися з мільярдів особин — наскільки ви бачите, сарана марширує в унісон, наче зі спільною метою. А як тільки у них виростають крила, вони можуть полетіти. А потім стає ще гірше, тому що вони можуть отримати доступ до пасатів або інших, знаєте, умов навколишнього середовища, де вони можуть переносити себе у вигляді масивних зграй на сотні чи навіть тисячі кілометрів. Отже, це одна з найбільших і найруйнівніших колективних форм поведінки на нашій планеті.

СТРОГАЦ: Вау, я не можу сказати, що мені добре знайома ідея маршируючої сарани. Ми звикли думати про них як про ці хмари, знаєте, що кишать у повітрі. Але розкажіть нам трохи більше про марш, тому що я смутно пам’ятаю якісь дивовижні дослідження твого з канібальним аспектом сарани, це правильне слово?

КУЗІН: Так, це було в 2008 році, і... ви маєте рацію, знаєте, ці величезні зграї, або зграї, або хмари сарани, які переміщуються на великі відстані, ви знаєте, ми не знаємо про них багато, тому що у нас не було технології для вивчення цього. Фактично, у нас досі немає технологій, щоб це вивчити. Тож це не те, що це не важливо, це неймовірно важливо.

Але ми також знаємо, що передує цим літаючим зграям — я маю на увазі, що літаючий рій трохи схожий на лісову пожежу, яка вже вийшла з-під контролю. Тепер у вас справді виникнуть проблеми з контролем. Але якщо ви можете контролювати це до того, як у них виростуть крила, знаєте, коли вони формують ці зграї в пустелі або в цьому середовищі до цього, тоді є великий потенціал.

Тому з практичних міркувань ми зосередилися на цих безкрилих рою. І насправді, знаєте, хоча ви маєте рацію, я почав вивчати це в середині 2000-х, ми зараз, зараз я повертаюся до сарани, і зараз я знову вивчаю їх.

Раніше цього року ми щойно створили перший у світі справжній рій у лабораторному середовищі, де ми відстежували 10,000 15 сарани в середовищі зображення розміром 15 на 8 на XNUMX метрів, яке ми створили спеціально для цієї мети, тут в Констанці. Тож смішно, що ви згадуєте про це, тому що мої дослідження зараз як би повертаються до тієї самої системи.

Але так, як ви сказали, те, що ми виявили, це, знаєте, ці комахи, чому вони марширують разом? Чому вони — ви знаєте, і ми спочатку думали, що це, мабуть, як зграї риб і зграї птахів. Це має бути інформація. Йдеться про колективний інтелект. Ну, ми помилилися. І тому це велика небезпека. Якщо ви бачите, ви знаєте, рій мурашок, який рухається по колу, рухається як щось на кшталт млина, і ви бачите зграю риби, наприклад, яка обертається у формі тора або щось на кшталт пончика, або ви бачите вихор, усі ці шаблони виглядають однаково, але вони можуть керуватися дуже, дуже різними явищами.

І я вважаю, що я помилився, коли подумав, що коли ви бачите колективний рух, то в його основі повинні бути схожі процеси. Але у випадку з сараною це була не така гіпотеза передачі інформації. Справа в тому, що в цих пустельних середовищах, коли їжі раптово стає мало, вам відчайдушно не вистачає основних поживних речовин, особливо в пустелі: білка, солі та води.

І що для вас краще в такому суворому середовищі, ніж інша людина? Тому що вони мають ідеально збалансований поживний склад. Отже, що люди роблять, вони приваблюють один одного, і вони схильні канібалізувати один одного. Тож вони еволюціонували, щоб слідкувати за тими, хто віддаляється, намагатися вкусити їх за спину, за задню частину живота, від чого дуже важко захиститися. Голова покрита щільним панциром, але задня частина живота є слабким місцем зі зрозумілих причин, там має бути отвір.

І тому вони націлюються на це, але потім вони також уникають бути мішенню інших. І в результаті слідування за тими, хто віддаляється від вас, і віддалення від тих, хто рухається до вас, призводить до того, що весь рій починає марширувати разом через пустельний простір.

І вони також отримують користь від адвекції, спільного переміщення з бідних поживними речовинами районів. Тому що, знаєте, якщо ви поміщаєте людину в пустелю, вона, як правило, втрачає орієнтацію і буде рухатися по колу. Те саме з сараною. Але якщо ви помістите їх у рій, колективне вирівнювання, синхронність між індивідами, знаєте, сотні мільйонів індивідуумів, які вирівнюються один з одним, вони можуть дуже спрямованим маршем вийти з цього бідного поживними речовинами середовища. А ще можуть затопити хижаків. Ви знаєте, хижаки просто не можуть зробити тут великий відступ.

СТРОГАЦ: Насправді, коли ми говоримо про всі ці приклади, це змушує мене задуматися, як ви зацікавилися всім цим у минулі часи? Ви згадали, що це було ще в 2008 році?

КУЗІН: Так, це була та газета 2008 року.

СТРОГАЦ: Так, ти був зайнятий цим ще до того, правда?

КУЗІН: Так, я отримав ступінь доктора філософії. в кінці дев'яностих на мурах. Мене захопила поведінка мурах. І, чесно кажучи, все почалося з пристрасті до природи та одержимості лише природною історією та спостереженням за тим, що нас оточує.

Я думав, що в дитинстві повинен бути експерт, який розуміє, чому утворюються рої, чому зграя риби, чому птахи злітаються. Я думав, що це має бути те, що вивчають усі.

У дитинстві я був художником. Я дуже цікавився творчістю, поезією та мистецтвом. І тому спочатку мене привабила чиста краса, захоплення красою цих.

А в середній школі я не був відмінником у науках. Я займався гончарством і малював. І коли я вступив до університету, пам’ятаю, тато сказав мені: «Знаєш, сину, ти повинен робити те, що ти вмієш. Займіться англійською або мистецтвом. Ти ж не вчений, ти натураліст, розумієш?» І він мав рацію. Він був абсолютно правий.

І це було пізніше, коли я отримав ступінь з біології, і я просто знав на першій лекції моєї лекції з біології, я знав, що це було правильно для мене, я просто знав це. І я виявив, що існує цілий світ статистичної фізики. Ці статті вийшли в той час, і вони вразили мене, тому що вони були авторами, які бачили глибокі математичні принципи в різних системах.

Мій доктор філософії Радник сказав, ти знаєш, щоб отримати роботу, ти повинен стати світовим експертом з одного виду мурах, і тоді ти можеш бути цінним. Але я читав цю роботу вчених, які робили прямо протилежне. Вони вивчали все, від фізичних систем до біологічних систем, і вони бачили ці принципи. Крім того, візерунки, структури та результати, які вони знаходили, були просто природно красивими. І тому я подумав, що це має бути правильно. Це має бути правильний спосіб займатися наукою. І тоді мене просто затягнуло у світ фізики.

СТРОГАЦ: Чи мав ти коли-небудь задоволення поговорити з татом про те, як змінився напрям?

КУЗІН: Я ніколи, ніколи не думав, що мій тато пам’ятає це. А потім, коли мене підвищили з доцента до повного професора Прінстонського університету, мені зателефонував завідувач кафедри та сказав: «Вітаю, професоре Кузін». І, знаєте, я був просто вражений, тому, звісно, ​​я подзвонив мамі й татові, і мій тато відповів на телефон, а потім сказав: «А якщо подумати, я назвав тебе натуралістом». Це єдиний раз, через десятиліття. Я ніколи не знав, що він навіть пам’ятає цю дискусію.

СТРОГАЦ: Ну, це хороша історія, це справді хороша історія. У цьому шоу ми любимо говорити про великі питання без відповіді, і отже, що, на вашу думку, є одними з найбільших питань без відповіді про зграї, школи та колективну поведінку загалом?

КУЗІН: Ну, точно так. І це підштовхує мене до теми, яка мене зараз так хвилює. Знову ж таки, на початку своєї кар’єри я думав, знаєте, мозок, звичайно, є чудовою сукупною обчислювальною сутністю, одним із найкрасивіших прикладів, знаєте. Як мозок приймає рішення? І це набір нейронів, і, звичайно, ми маємо зграї мурашок, або зграї сарани, або зграї птахів, або зграї риб, усі ці різні компоненти взаємодіють разом. Отже, чи існує щось глибоке, що пов’язує ці різні системи, чи ні? І те, що мене зараз захоплює, — це колективне прийняття рішень, і особливо колективне прийняття рішень у космосі.

Отже, як мозок представляє простір-час? І яке значення це має з точки зору рішень? І яке відношення це має до колективної поведінки тварин? Те, що я зрозумів близько п’яти років тому, полягає в тому, що я вважаю, що існує глибока математична подібність і я вважаю, що існують глибокі геометричні принципи того, як мозок представляє простір, а також час.

І одна з найцікавіших речей тут знову ж таки використання математики. Знаєте, я кинув математику, коли мені було 16 років, і щойно провів творчу відпустку в Інституті математичних наук Ісаака Ньютона Кембриджського університету як почесний стипендіат. Але я не можу розв’язати рівняння, розумієте?

Так і я, але мені подобається те, що я можу працювати з чудовими математиками. Працюючи з фізиками, математиками та біологами, а також проводячи експерименти на тваринах у віртуальній реальності, ми створили набір технологій. Тож ми не можемо надіти гарнітуру на зразок Meta Quest 3 на рибу довжиною менше сантиметра. Але ми можемо створювати віртуальні голографічні середовища з ефектом занурення, тож можемо повністю контролювати введення. Ми можемо повністю контролювати причинно-наслідкові зв'язки.

Якщо, знаєте, я впливаю на вас, а ви впливаєте на мене, а потім є третя особа, вони впливають на мене безпосередньо чи через вас? Або обидва? Або четверта особа чи п'ята? І в нашому середовищі віртуальної реальності ми можемо помістити цих людей у ​​те, що ми називаємо Матрицею, як у фільмі, де кожна людина знаходиться у своєму власному голографічному світі та взаємодіє в реальному часі з голограмами інших людей.

Але в цьому світі ми можемо пограти з правилами фізики. Ми можемо пограти з правилами простору та часу, щоб краще зрозуміти, як мозок їх інтегрує?

І тому це справді вражає мене, тому що ми можемо показати, що мозок не представляє простір евклідовим способом. Він представляє простір у неевклідовій системі координат. І тоді ми можемо математично показати, чому це так важливо, тобто коли ви починаєте мати справу з трьома або більше варіантами, тоді фактичне викривлення простору-часу, що робить простір неевклідовим, може різко зменшити складність світу до серії біфуркацій. І впритул до кожної біфуркації це посилює відмінності між іншими варіантами. Ось така прекрасна внутрішня структура.

Отже, ми вважаємо, що у нас є універсальна теорія про те, як мозок приймає просторові рішення, до якої ми ніколи не могли б дійти, не дивлячись на цілий ряд організмів, таких як риба, сарана та мухи, у таких середовищах віртуальної реальності, і отже, це від чого я надзвичайно схвильований.

[Тематичні п'єси]

СТРОГАЦ: Що ж, я не можу дочекатися, щоб почути про все це, коли ви це розробите. Я міг би продовжувати з тобою весь день, але я думаю, що настав час сказати тобі спасибі. Ми говорили з еволюційним екологом Ієном Коузіном про зграї, роїння, навчання в школах і всі види колективної поведінки. Ієн, мені було дуже приємно дізнатися про те, чим ти займаєшся, і про чудеса природи, які ти допоміг розкрити для всіх нас. Дуже дякую.

КУЗІН: Це було задоволенням. Дякую, Стіве.

[Тема продовжує грати]

СТРОГАЦ: Спасибі за слухання. Якщо вам подобається “The Joy of Why” і ви ще не підписані, натисніть кнопку підписки або підписки там, де ви слухаєте. Ви також можете залишити відгук про виставу. Це допомагає людям знайти цей подкаст.

«The Joy of Why» — це подкаст від Журнал Quanta, редакційне незалежне видання за підтримки Фонд Сімонса. Рішення про фінансування, прийняті Фондом Сімонса, не впливають на вибір тем, гостей чи інші редакційні рішення в цьому подкасті або в Журнал Quanta.

«The Joy of Why» створений PRX Productions. Продюсерська група: Кейтлін Фолдс, Лівія Брок, Женев'єв Спонслер і Мерріт Джейкоб. Виконавчим продюсером PRX Productions є Джоселін Гонсалес. Морган Черч і Едвін Очоа надали додаткову допомогу.

Від Журнал Quanta, Джон Ренні та Томас Лін забезпечили редакційне керівництво за підтримки Мета Карлстрома, Семюеля Веласко, Нони Гріффін, Арлін Сантани та Медісон Голдберг.

Наша музична тема від APM Music. Джуліан Лін придумав назву подкасту. Автор епізоду Пітер Грінвуд, а наш логотип — Джакі Кінг і Крістіна Армітаж. Особлива подяка Колумбійській школі журналістики та Берту Одом-Ріду з Cornell Broadcast Studios.

Я ваш господар, Стів Строгатц. Якщо у вас є запитання чи коментарі до нас, надішліть нам електронний лист на адресу [захищено електронною поштою]. Спасибі за слухання.