Les oiseaux affluent. Les criquets pullulent. Banc de poissons. Au sein d’assemblages d’organismes qui semblent pouvoir devenir chaotiques, l’ordre émerge d’une manière ou d’une autre. Les comportements collectifs des animaux diffèrent dans leurs détails d'une espèce à l'autre, mais ils adhèrent largement aux principes de mouvement collectif que les physiciens ont élaborés au fil des siècles. Aujourd’hui, grâce à des technologies récemment devenues disponibles, les chercheurs ont pu étudier ces modèles de comportement de plus près que jamais.

Dans cet épisode, l'écologiste évolutionniste Iain Couzin discute avec le co-animateur Steven Strogatz sur comment et pourquoi les animaux présentent des comportements collectifs, le rassemblement en tant que forme de calcul biologique, et certains des avantages cachés de la vie en tant que membre d'un groupe auto-organisé plutôt qu'en tant qu'individu. Ils discutent également de la manière dont une meilleure compréhension des ravageurs tels que les criquets pourrait contribuer à protéger la sécurité alimentaire mondiale.

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Transcription

[Pièces à thème]

STEVEN STROGATZ : Dans tout le règne animal, des minuscules moucherons aux poissons, en passant par les oiseaux, les gazelles et même les primates comme nous, les créatures ont tendance à s'organiser en grands schémas mobiles qui poursuivent un objectif collectif apparemment spontané. Souvent, aucune créature individuelle ne semble agir en tant que leader, orchestrant ces mouvements de masse. Au contraire, les animaux s’alignent de manière transparente.

Et même s’il semble que de tels systèmes risquent de sombrer dans le chaos ou l’instabilité, ces collectifs parviennent d’une manière ou d’une autre à se déplacer d’une manière qui semble extraordinairement bien coordonnée et déterminée, comme peut en témoigner quiconque a observé un murmure d’étourneaux ou un banc de poissons. Mais quelle est la force motrice derrière ce comportement ?

Je m'appelle Steve Strogatz et voici « The Joy of Why », un podcast de Quanta Magazine où est mon co-hôte Jana Levin et j'explore à tour de rôle certaines des plus grandes questions sans réponse en mathématiques et en sciences aujourd'hui.

[Fin du thème]

Dans cet épisode, nous allons comprendre pourquoi les animaux se rassemblent, essaiment et font école. Comment les dernières technologies, comme l’intelligence artificielle et les caméras 3D, offrent-elles de nouvelles perspectives ? Et que peut nous apprendre l’étude de la dynamique des groupes animaux sur nous-mêmes, à la fois individuellement et collectivement ?

L'écologiste évolutionniste est là pour faire la lumière sur ces mystères. Iain Couzin. Iain est directeur du département de comportement collectif à l'Institut Max Planck du comportement animal et professeur titulaire à l'Université de Constance. Parmi les nombreux honneurs qu'il a reçus figurent le National Geographic Emerging Explorer Award, le prix Lagrange, la plus haute distinction dans le domaine de la science de la complexité, et le prix Leibniz, la plus haute distinction allemande en matière de recherche. Iain, nous sommes si heureux de t'avoir parmi nous aujourd'hui.

IAIN COUZIN : C'est génial d'être ici, Steve.

STROGATZ : Eh bien, je suis très heureux de vous revoir. Nous sommes de vieux amis, et ce sera un vrai plaisir d'entendre parler des derniers comportements collectifs. Mais commençons – je suppose que nous devrions parler de qui sont vos spécimens ? Pourriez-vous nous parler un peu de certains animaux et de la variété de formes que prennent leur comportement collectif dans les systèmes que vous avez étudiés ?

COUZIN: Eh bien, c'est l'une des choses les plus étonnantes dans l'étude du comportement collectif. C'est parce qu'il est au cœur de tant de processus de la vie sur notre planète que nous étudions littéralement une gamme d'organismes, depuis l'animal le plus simple de la planète — on l'appelle un placozoaire ; c'est un phylum basal, peut-être le animal multicellulaire le plus simple sur la planète; c'est un essaim de cellules, des milliers de cellules, se déplaçant comme un troupeau d'oiseaux ou un banc de poissons - en passant par les invertébrés, comme les fourmis, qui ont un comportement coordonné étonnant, ou les criquets, qui forment certains des essaims les plus grands et les plus dévastateurs, jusqu'aux vertébrés, comme les bancs. les poissons, les oiseaux en troupeau, les ongulés bergers et les primates, y compris nous-mêmes – les humains.

STROGATZ : Donc, cela semble vraiment couvrir toute la gamme, depuis — je dois admettre que je n'en avais jamais entendu parler, ai-je bien compris : les placozoaires ?

COUZIN: Placozoaires, ouais. Cette petite créature a été trouvée rampant sur le verre des aquariums, des aquariums tropicaux. Vous pouvez le voir à l'œil nu. C'est environ un millimètre, peut-être un millimètre et demi si c'est très gros. Et, vous savez, l’étude de cette créature remarquable n’a attiré l’attention des scientifiques que récemment.

Et cela est dû en grande partie au fait que cet étrange petit essaim de cellules possède en réalité la complexité génétique que l’on associerait à un organisme beaucoup plus sophistiqué. Par exemple, il possède une large gamme de neurotransmetteurs, mais il ne possède pas de neurones.

[STROGATZ rit]

Il a ce qu'on appelle putain les gènes. putain les gènes sont en biologie du développement associés à des plans corporels complexes. Il n’a pas de plan corporel complexe. Et donc peut-être pensez-vous que cette créature a peut-être évolué pour devenir plus compliquée, puis réévoluée pour se simplifier, et qu'elle a donc conservé ces caractéristiques de complexité.

Mais les chercheurs en génétique ont publié une sorte d'article historique dans la revue Nature cela montrait, non, en fait, c'est l'un des la plupart des groupes de cellules primaires. Et bien sûr, le comportement collectif, quel plus bel exemple que des cellules réunies pour former un organisme. Tu sais? C’est donc l’une des raisons pour lesquelles nous étudions cela : essayer de comprendre comment le comportement collectif a été au cœur des origines de la vie complexe sur notre planète.

STROGATZ : Mec, nous n’en sommes qu’au début de l’interview et tu m’époustoufles déjà. Vous m'éloignez également de ce dont je pensais vous parler. C'est tellement intéressant et tellement nouveau pour moi que je suis abasourdi. Je veux revenir sur cette partie de l'histoire parce que c'est tellement — je veux dire, c'est vraiment surprenant qu'ils aient… Ai-je bien entendu, qu'ils ont des choses associées au système nerveux, mais n'ont pas de système nerveux ? Et ils ont des gènes biologiques de développement comme s'ils devaient faire évoluer un plan corporel complexe comme une mouche des fruits, mais ils n'ont pas un corps comme celui-là ?

COUZIN: Exactement exactement. Et ainsi, ils pourraient vraiment nous donner une idée des origines du renseignement. Notre étude particulière, que nous avons publié cette année, vous savez, nous avons montré que leur plan corporel se comporte vraiment comme un troupeau d'oiseaux ou un banc de poissons, avec des cellules interagissant localement avec les autres et tendant à aligner leur direction de déplacement.

Ils sont donc attirés l'un par l'autre. Ils sont en quelque sorte reliés entre eux comme une feuille élastique, mais ils ont également tendance à être mobiles. Ils ont des cils, de petits cils sur leur base, pour qu'ils puissent circuler dans l'environnement. Et les forces qu’ils appliquent à leurs voisins proches les amènent à s’aligner les uns sur les autres.

Et donc, si nous suivons ces cellules au microscope, et que nous regardons l'alignement et l'attraction des individus, nous utilisons à peu près les mêmes technologies, les mêmes modèles, la même pensée que nous utilisons pour comportement collectif dans les troupeaux d'oiseaux ou des bancs de poissons ou autres types de groupes mais appliquez-le à ces animaux.

Et donc, c'est l'une des choses que je trouve les plus remarquables dans le comportement collectif, c'est que même si les propriétés du système, que vous soyez une cellule ou que vous soyez un oiseau, sont très différentes, quand vous regardez l'action collective, les propriétés collectives, les mathématiques qui sous-tendent cela, peuvent en fait s'avère être très similaire. Et ainsi nous pouvons trouver, en quelque sorte, ce qu’on appelle des propriétés universelles qui relient ces différents systèmes apparemment disparates.

STROGATZ : Eh bien, bien sûr, maintenant vous parlez mon langage, puisque, vous savez, c'est ce qui m'a attiré vers ma propre fascination pour le comportement collectif, c'est qu'il existe ces principes mathématiques universels qui semblent s'appliquer de haut en bas de l'échelle des cellules aux cellules. , eh bien, bien sûr, nous aimons toujours nous mettre au sommet.

Mais bon, vous avez soulevé tellement de questions différentes auxquelles nous devons réfléchir. Laissez-moi essayer de revenir au début, tout comme j'aimerais rester avec vous ici avec les Placozoaires.

Ainsi, par exemple, vous avez mentionné des mots comme « troupeaux » et « écoles », et parfois nous entendons parler d’« essaims », comme avec les insectes. Y a-t-il une raison pour laquelle nous avons trois mots différents pour la même chose ? N'est-ce pas vraiment la même chose quand on parle de groupes collectifs ? Y a-t-il une raison pour laquelle nous ne devrions pas parler de bancs d'oiseaux ou d'essaims de poissons ?

COUZIN: Non, je pense que nous avons développé ces mots, et différentes langues ont des mots différents. En allemand, qui est une langue qui regorge de nombreux mots, il y en a en réalité relativement peu. Alors qu’en anglais, nous avons beaucoup, beaucoup de mots différents. Par exemple, vous savez, un groupe de corbeaux s'appelle un meurtre de corbeaux.

[STROGATZ rit]

Vous avez vous-même utilisé plus tôt un mot merveilleux, « murmuration » d’étourneaux. Et je pense que c'est cela, c'est la beauté, la beauté captivante du troupeau, de la formation et de l'essaimage, qui a donné naissance à ces mots merveilleux qui peuvent être associés à des exemples particuliers.

Et donc, je pense que c'est une chose très utile, parce que plus tôt j'ai souligné les points communs, les points communs mathématiques, mais il y a aussi des différences. Il y a une différence entre un essaim de cellules et un essaim d’oiseaux. Ainsi, pour comprendre ces systèmes, il faut à la fois considérer les principes communs, mais aussi ceux qui diffèrent entre les systèmes. Et d’une certaine manière, le langage capture une partie de cela pour nous, de la manière dont les humains les ont naturellement ségrégués ou divisés en différentes catégories.

STROGATZ : Intéressant. Donc, vous avez mentionné « essaim de cellules » et « essaim d’insectes », je suppose que c’était le cas, et vous avez dit qu’il pourrait y avoir des différences même si nous utilisons le même mot. Quelles sont les choses que nous devrions distinguer entre ces exemples ?

COUZIN: Oui, je pense que ce qui est vraiment excitant, c'est pourquoi il y a des points communs, parce que les différences sont si profondes. Un animal a un cerveau. Il capte des informations sensorielles complexes et essaie de prendre des décisions concernant son environnement. Les animaux sont capables, en moyenne, de comportements beaucoup plus complexes et sophistiqués que les cellules.

Mais les cellules, bien entendu, ont elles-mêmes des processus internes complexes. Mais leurs interactions sont dominées dans une plus grande mesure par les forces physiques, par l'échelle à laquelle elles agissent et les tensions qui se forment, les tensions physiques qui se forment au sein de l'agrégat cellulaire.

Alors que les animaux, les interactions entre les oiseaux dans un troupeau, sont invisibles. Ils n'ont aucune forme physique. Et donc on peut d’abord penser, eh bien, ce n’est qu’une analogie. En fait, je dirais que jusqu’à il y a cinq à dix ans, je pensais aussi que c’était juste une analogie. Je pensais que ces différences devaient être très importantes. Mais ce que nous commençons à comprendre, c’est que le point commun qu’ils partagent est le calcul.

C'est que ces éléments se rassemblent pour calculer leur environnement d'une manière qu'ils ne peuvent pas calculer seuls. Chaque individu, même si vous avez un cerveau humain très complexe et que vous parcourez le monde, à moins d'avoir des interactions sociales avec les autres, ou plus encore, vous savez, de bâtir sur la complexité culturelle dont nous héritons lorsque nous sommes nés dans nos vies, alors nous sommes très limités.

Et donc, il y a ces questions profondes, en quelque sorte très fascinantes, que nous commençons tout juste à aborder à propos du calcul et de l’émergence de la vie complexe.

STROGATZ : Un point de vue tellement intéressant. Je ne savais pas quel mot tu allais prononcer quand tu disais qu'il y avait quelque chose qu'ils avaient tous en commun. J'étais... je ne pouvais pas deviner, mais j'aime ça : le calcul.

Donc, vous savez, cela me fait penser à une chose célèbre dont les gens ont peut-être vu des films sur YouTube ou à la télévision, où il y a une volée d'oiseaux - peut-être un étourneau - et un faucon ou un faucon ou quelque chose du genre arrive en zoomant vers lui. le troupeau. Peut-être devriez-vous nous donner une description visuelle de ce qui se passe ensuite, et pourquoi est-ce que je pense qu'il y a quelque chose à voir avec le calcul dans cet exemple ?

COUZIN: Eh bien, je veux dire, si vous regardez ces groupes, vous savez, lorsque ces prédateurs sont présents et attaquent ces groupes, qu'il s'agisse d'un banc de poissons ou d'un troupeau d'oiseaux, vous voyez le groupe se comporter comme une sorte de fluide ondulant. Vous voyez ces ondulations de lumière traversant le groupe ou ces ondulations de densité traversant le groupe.

Et ce que cela indique, c’est que les individus peuvent en fait propager très rapidement des informations sur l’emplacement de ce prédateur via les interactions sociales. Ainsi, les individus qui voient le prédateur, par exemple – peut-être que seuls quelques-uns d’entre eux voient le prédateur au départ. Mais en tournant, puis ce comportement étant copié par d'autres, le changement de densité, le changement de tournage, se propage extrêmement rapidement.

Et si nous utilisons — je suis sûr que nous y reviendrons plus tard — si nous utilisons des outils d'imagerie avancés pour quantifier, mesurer ces ondes de virage, il en résulte une onde de propagation environ 10 fois plus rapide que la vitesse maximale. du prédateur lui-même. Ainsi, les individus peuvent réagir à un prédateur qu’ils ne voient même pas.

Ainsi, le groupe et les individus du groupe – parce que la sélection, la sélection naturelle, agit sur les individus – généralement, ils peuvent réellement répondre à des stimuli qu'ils ne détectent pas.

C'est un peu comme, vous savez, un neurone transmettant des informations via des signaux électriques. Dans ce cas, il ne s'agit pas de signaux électriques. C'est vraiment la densité et la rotation des individus qui s'infiltrent à travers le groupe, mais cela donne à ces individus de loin des informations sur l'endroit où se trouve la menace, afin qu'ils puissent commencer à s'en éloigner très rapidement.

STROGATZ : C’est donc, je pense, un très bel exemple visuel de ce que le calcul signifierait dans ce contexte. Que nous pouvons voir ces vagues de panique ou d’évitement traverser le troupeau. C'est tellement intéressant que c'est beaucoup plus rapide que ce que les individus seraient capables de faire seuls et, je suppose, plus rapide que ce que le prédateur peut rassembler seul.

COUZIN: L'une des raisons pour lesquelles cela est probable, et pourquoi nous pensons que c'est le cas, c'est parce que le groupe - la sélection naturelle, même si elle agit sur les individus, c'est leur forme physique qui compte, il y a un tel bénéfice collectif pour tout le monde s'ils se comportent d'une certaine manière.

Cela concerne encore une fois ce que nous avons appris des systèmes physiques, en particulier des systèmes physiques. proche d'une transition de phase. Donc, un système qui est proche d'une transition entre différents états, comme entre un solide et un liquide, vous savez, si vous gèlez de l'eau et qu'elle se transforme soudainement en solide, le comportement collectif de ce système est assez remarquable à proximité de cela. point de transition, cette bifurcation, qui est bien sûr votre propre domaine d’étude. Et c'est quelque chose que nous savons maintenant, nous avons maintenant des preuves très solides, que la sélection naturelle pousse les systèmes près de ces points de bifurcation en raison des propriétés collectives, des propriétés collectives remarquables qui sont exposées.

Lorsque nous avons mesuré ces propriétés pour la première fois, il semblait que les individus défiaient les lois de la physique. L’information circulait si rapidement.

Et au début des années 1900, Edmond Selous, qui était un darwinien confirmé, mais, vous savez, également en quelque sorte captivé par la fascination pour la télépathie à l'époque victorienne, il supposait qu'il devait y avoir un transfert de pensée, il l'a décrit, ou une télépathie entre oiseaux qui leur permettait de communiquer si rapidement.

Et bien sûr, les gens pensent : « Eh bien, c'est ridicule, bien sûr, il ne peut pas y avoir de télépathie. » Mais en réalité, et c'est peut-être un peu controversé, mais en réalité, je pense que nous n'avons toujours pas une bonne compréhension des modalités sensorielles et de la manière dont ces informations s'infiltrent si rapidement à travers le système.

Je ne dis pas qu’il y a de la télépathie, bien sûr. Mais je suggère qu'en réglant un système, en réglant un système collectif proche de ce point critique, proche de ce point de bifurcation, il pourrait donner naissance à des propriétés collectives remarquables qui, pour un observateur, semblent fantastiques, pour un observateur, semblent fantastiques. bizarre. Parce que la physique dans ces régimes est bizarre, fantastique, étonnante, même si elle est compréhensible par la science.

STROGATZ : Je me demande donc simplement, dans le cas du comportement collectif, si la nature prépare un troupeau à se rapprocher d'un certain point d'instabilité ou de criticité. Êtes-vous en train de suggérer que c'est en partie ce qui le rend si efficace ?

COUZIN: Ouais, c'est exactement ce que je suggère. Et donc, par exemple, vous savez, encore une fois, un très étude récente Au cours des deux dernières années que nous avons publiées, nous nous sommes demandé, vous savez, qu'en est-il d'obtenir le meilleur de tous les mondes ? Et si, vous savez, dans des conditions générales, vous voulez être stable, vous voulez être robuste. Mais parfois, on a envie de devenir hypersensible. Ainsi, dans la sélection naturelle, les systèmes biologiques doivent équilibrer ce statut étonnant, apparemment contradictoire, d’être à la fois robustes et sensibles. Comment être à la fois robuste et sensible ?

Et donc, nous pensons que, vous savez, régler le système à proximité de ce point critique permet en fait que cela se produise, car si le système dévie, il se stabilise en fait. Mais à mesure qu’il atteint ce point critique, il devient incroyablement flexible et sensible aux entrées, comme par exemple celles concernant ce prédateur. Ainsi, si un banc de poissons est loin de ce point critique — par exemple, s'ils sont très fortement alignés les uns avec les autres — et qu'ils détectent un prédateur, en réalité, il faut beaucoup d'efforts pour retourner tous ces individus. Ils réagissent si fortement les uns aux autres qu'il est difficile pour cet apport externe de modifier leur comportement.

Si, par contre, ils sont très désordonnés et se déplacent tous dans des directions différentes, alors un changement de direction individuel peut difficilement être perçu par les autres et ne se propage donc pas à travers le système.

Et donc à cette sorte de point intermédiaire, ils peuvent effectivement optimiser leur capacité à se comporter en groupe et à être flexibles, mais aussi à transmettre des informations. Et c'est une théorie de la physique qui existe depuis longtemps, mais ce n'est qu'au cours des dernières années que l'on utilise la technologie de vision par ordinateur pour suivre des animaux en groupe et se demander comment changer, vous savez, vos interactions lorsque, par exemple, le monde ça devient plus risqué ?

En tant que biologistes, nous penserions toujours : « Eh bien, si le monde devient plus risqué et plus dangereux, je deviendrai plus sensible aux intrants. Je serai plus nerveux, je serai plus susceptible de lancer une fausse alerte. Et c'est vrai pour les animaux isolés. C'est vrai pour les humains lorsque nous nous comportons de manière isolée. Mais nous avons testé cela sur des groupes d'animaux, des groupes qui ont évolué dans le contexte du collectif, et nous avons constaté que ce n'est pas le cas pour eux.

Ce qu'ils font, c'est changer le réseau, le réseau de connectivité, la manière dont l'information circule dans le système. Et ils l'ajustent de manière à optimiser ce type de compromis flexibilité-robustesse, c'est-à-dire qu'ils l'intègrent dans ce régime critique comme nous l'avions prédit.

STROGATZ : Sur quels types d’animaux ces études ont-elles été réalisées ?

COUZIN: Nous travaillons donc principalement avec de petits poissons en bancs, car ils doivent résoudre le même type de problèmes – éviter les prédateurs, trouver un habitat approprié – et pourtant ils sont traitables dans un environnement de laboratoire. Les poissons contiennent donc un produit chimique appelé schreckstoff, qui en allemand signifie littéralement « truc effrayant ». Et schreckstoff est naturellement libéré, si un prédateur attaque un poisson, il doit libérer ce produit chimique.

On peut donc mettre schreckstoff dans l'eau, donc il n'y a pas de localisation d'un prédateur, mais le jugement des individus sur cet environnement change, le monde est devenu plus risqué.

Alors, que faites-vous, changez-vous ce qui se passe dans votre cerveau ? Changez-vous la façon dont vous interagissez avec l’environnement ? Avez-vous plus peur, ce qui est la chose naturelle que nous pensons que les animaux font ?

Ou, si vous imaginez, dans un système de réseau, dans un système collectif, changez-vous la topologie de ce réseau, le réseau social, la façon dont vous communiquez avec les autres ? Parce que cela peut aussi modifier la réactivité aux menaces, à cause de cette vague de retournement dont nous parlions précédemment.

Nous avons donc découvert que les individus ne changent pas. Ce qui se passe, c'est que le réseau change. Les individus changent la structure de ce réseau, et c'est cela qui fait que le groupe devient soudainement plus sensible et plus flexible.

Par exemple, les gens avaient l’habitude d’avoir un proxy, c’est-à-dire que les individus proches les uns des autres doivent interagir plus fortement. Mais, comme vous pouvez l’imaginer dans votre vie quotidienne, vous pourriez être assis à côté d’un parfait inconnu dans le bus et ne pas avoir de lien social fort avec lui en moyenne. Ainsi, le réseau social dont bénéficient les individus peut être très différent de celui qui est facile à mesurer.

Donc ce que nous avons fait, c’est… eh bien, c’est assez compliqué. Mais ce que nous pouvons faire, c’est reconstruire le monde de leur point de vue. Et nous utilisons une technique issue des jeux vidéo et de l'infographie appelée raycasting, où nous projetons des rayons de lumière sur la rétine des individus afin que nous puissions voir une sorte de représentation informatisée de ce qu'ils voient à chaque instant. Mais ce que nous ne savons pas, c’est comment diable traitent-ils cela ?

Là encore, nous pouvons utiliser des méthodes d’apprentissage automatique, car chaque cerveau a évolué pour faire la même chose. Cela a nécessité des informations sensorielles complexes, comme celles des personnes qui nous écoutent aujourd'hui. C'est une information acoustique complexe, mais ils peuvent conduire ou peut-être cuisiner, donc ils ont aussi des informations visuelles et olfactives complexes, mais leur cerveau doit prendre toute cette complexité et la réduire à ce qu'on appelle la réduction de dimensionnalité, en une décision ou en « qu'est-ce que je vais faire ensuite ? » Et nous savons très peu de choses sur la façon dont les vrais animaux font cela.

Mais nous pouvons reconstruire leurs champs visuels, puis utiliser les mêmes types de techniques pour réduire la dimensionnalité, pour comprendre comment le cerveau réduit cette complexité aux décisions de mouvement ?

Et les poissons que nous avons étudiés ont un très petit nombre de neurones à l’arrière du cerveau qui dictent tous leurs mouvements. Le cerveau doit donc intégrer toute cette complexité, la réduire et prendre des décisions. Et je pense que c'est une merveilleuse question en biologie de savoir comment le cerveau fait cela ?

STROGATZ : Tout d’abord, je peux dire que je dois lire vos articles plus fréquemment. Vous avez parlé d'éclairer la rétine des poissons pour voir ce qu'ils voient, ou pour avoir l'impression de savoir ce qu'ils regardent ? Ai-je bien entendu ?

COUZIN: Ouais, en fait, ce n'est pas littéralement une lumière. Tout est réalisé numériquement. Imaginez donc que vous avez un banc de poissons à un instant instantané, un instant figé dans le temps. Notre logiciel suit la position ainsi que la posture du corps de chacun de ces poissons. Et ce que nous pouvons faire, c'est créer une version informatique en trois dimensions de cette scène, comme dans un jeu vidéo. On peut alors se demander : que voit chaque individu ? On peut donc mettre des caméras dans les yeux des individus.

Et donc, le raycasting est un peu comme le raytracing, qui est utilisé en infographie, qui correspond simplement aux trajets de la lumière tombant sur la rétine. Et nous faisons tout cela numériquement, afin de pouvoir créer un analogue numérique de la réalité. Nous pouvons alors voir comment la lumière tomberait sur la rétine dans cette scène virtuelle, une sorte de scène virtuelle photoréaliste. Cela nous donne donc la première couche : quelles informations parviennent à l'individu ?

Et puis, bien sûr, la grande question que nous voulons poser est la suivante : comment le cerveau traite-t-il cela ? Comment le cerveau gère-t-il cette complexité et comment prend-il des décisions ? Comment, par exemple, des troupeaux fluides et des bancs de poissons peuvent-ils se déplacer avec autant de facilité et de beauté avec si peu de collisions, alors que les voitures sur une autoroute ont tendance à avoir du mal à effectuer un mouvement collectif ? Je veux dire, y a-t-il quelque chose que nous pouvons apprendre de millénaires de sélection naturelle que nous pouvons ensuite appliquer aux véhicules et aux robots ?

Il y a donc aussi un élément appliqué pour essayer de comprendre cela. Je veux le comprendre en grande partie parce que je le trouve fascinant, mais aussi parce que cela se traduit par des applications réelles dans certains cas.

STROGATZ : Nous revenons tout de suite.

[Pause pour l'insertion de l'annonce]

STROGATZ : Bienvenue à nouveau dans « La joie du pourquoi ».

J'aimerais revenir sur quelque chose que vous avez dit dans l'introduction lorsque vous parcouriez les échelles depuis les cellules jusqu'aux primates, et ainsi de suite. Les gens ne connaissent peut-être pas très bien l'exemple des criquets, et je me demande si nous pourrions parler de certains des - appelons-les les aspects réels ou même économiques du troupeau, car les criquets ont un impact important sur le monde, plus grand que le mien. réalisé. Je veux dire, je regarde quelques statistiques ici dans mes notes selon lesquelles, pendant les années de peste, les criquets envahissent plus d'un cinquième de la couverture terrestre de la planète.

COUZIN: Oui.

STROGATZ : Peux-tu le croire? Et affectent les moyens de subsistance d’une personne sur 10 sur la planète. Alors pourriez-vous nous parler un peu de ce type de recherche et de son lien avec les questions de sécurité alimentaire mondiale ?

COUZIN: Ouais, tu as tout à fait raison. Et je trouve cela assez étonnant. Vous savez, comme vous venez de le dire, elles touchent une personne sur dix sur notre planète en raison de la pénurie alimentaire et de la sécurité alimentaire. Et ils le font souvent dans des pays, comme le Yémen et la Somalie, qui connaissent des problèmes majeurs, des conflits majeurs et des guerres civiles, etc.

Mais également en raison du changement climatique, l’aire de répartition des criquets s’étend sur une grande partie de son aire de répartition. Et donc, je veux dire, en ce moment, cette année, l’Afghanistan est confronté à une crise majeure dans son bassin alimentaire. Il y a quelques années, c'était Madagascar. Un an ou deux auparavant, le Kenya connaissait le plus grand essaim depuis 70 ans.

Alors pourquoi, vous savez, avec toutes les technologies modernes dont nous disposons pour la surveillance, pourquoi les essaims deviennent-ils plus féroces et plus sévères, vous savez ? Et l’une des raisons est le changement climatique. C'est que, vous savez, ce qui se passe avec ces essaims, c'est... donc les criquets, cela pourrait être surprenant pour les auditeurs de le savoir, mais en fait, les criquets n'aiment pas être proches les uns des autres. Ce sont des sauterelles vertes timides et énigmatiques qui aiment être laissées seules. Donc s’ils ont suffisamment de nourriture, ils sont simplement isolés les uns des autres. Ils s'évitent. Ce n'est que lorsqu'ils sont obligés de se réunir qu'ils font la transition.

Ils sont donc normalement ce qu'on appelle solitaires, en raison de leur mode de vie solitaire. Mais s’ils sont obligés de se réunir, ils ont évolué vers la transition. Ils sont en quelque sorte les Jekyll et Hyde du monde des insectes. Ils ont évolué pour passer assez soudainement, en une heure, sur le plan comportemental, à une forme grégaire, où ils commencent à marcher les uns vers les autres, en se suivant.

Une autre chose que les gens ne savent peut-être pas, c'est que les criquets n'ont pas d'ailes pendant les premiers mois de leur vie. Ainsi, lorsque les criquets naissent, ils sont incapables de voler. Ce sont ces nymphes incapables de voler. Ce n'est que lorsqu'ils sont adultes qu'ils ont des ailes.

Et donc, ce qui se passe ici, c'est que lorsque les pluies arrivent en Afrique, par exemple, ou en Inde, ou dans d'autres régions, alors vous pouvez avoir une végétation luxuriante, et la petite population de criquets peut proliférer sous la forme de ces sortes de sauterelles cryptiques, elles peuvent croître. en taille de la population. Aujourd’hui, à mesure que cette population augmente, ils mangent de plus en plus, et souvent une sécheresse peut également survenir.

Maintenant, si vous avez une densité de population élevée, et que soudainement la nourriture disparaît, alors ce que font les criquets, c'est qu'ils ont évolué pour passer à cette forme grégaire, où ils commencent à marcher ensemble. Ils commencent tous à bouger ensemble. Ces essaims peuvent comprendre des milliards d’individus – d’après ce que vous pouvez voir, les criquets marchent tous à l’unisson, comme dans un but commun. Et une fois qu’ils ont des ailes, ils peuvent prendre leur envol. Et puis, la situation est encore pire, car ils peuvent accéder aux alizés ou à d'autres conditions environnementales, vous savez, où ils peuvent se déplacer en essaims massifs sur des centaines, voire des milliers de kilomètres. Il s’agit donc de l’un des comportements collectifs les plus importants et les plus dévastateurs que nous ayons sur notre planète.

STROGATZ : Ouf, je ne peux pas dire que je connais très bien l'idée de la marche des sauterelles. Nous avons l'habitude de les considérer comme ces nuages, vous savez, qui pullulent dans l'air. Mais parlez-nous un peu plus de la marche, car je me souviens vaguement des recherches étonnantes du vôtre avec l'aspect cannibale des criquets, est-ce le bon mot à utiliser ?

COUZIN: Oui, c'était en 2008, et - mais vous avez raison, vous savez, ces énormes troupeaux ou essaims ou nuages ​​de criquets qui se déplacent sur de grandes distances, vous savez, nous ne savons pas grand-chose à leur sujet parce que nous n'avions pas la possibilité de le faire. technologie pour étudier cela. En fait, nous n’avons toujours pas la technologie nécessaire pour étudier cela. Ce n’est donc pas que ce n’est pas important, c’est incroyablement important.

Mais nous savons aussi que ce qui précède ces essaims volants – je veux dire, l’essaim volant est un peu comme un incendie de forêt déjà incontrôlable. Maintenant, vous allez vraiment avoir du mal à le contrôler. Mais si vous pouvez le contrôler avant qu'ils ne poussent des ailes, vous savez, quand ils forment ces essaims dans le désert ou dans ces environnements avant cela, alors il y a un grand potentiel.

C’est pourquoi, pour des raisons pratiques, nous nous sommes concentrés sur ces essaims sans ailes. Et en fait, vous savez, même si vous avez raison, j'ai commencé à les étudier au milieu des années 2000, nous sommes maintenant, je reviens maintenant aux criquets, et je les étudie à nouveau.

Nous venons de créer le premier véritable essaim au monde dans un environnement de laboratoire, plus tôt cette année, où nous avons suivi 10,000 15 criquets dans un environnement d'imagerie de 15 x 8 x XNUMX mètres que nous avons construit ici spécifiquement à cet effet, ici à Constance. C'est donc drôle que vous en parliez, car mes recherches reviennent désormais en quelque sorte à ce même système.

Mais oui, comme vous l'avez dit, ce que nous avons découvert, vous savez, ces insectes, eh bien, pourquoi marchent-ils ensemble ? Pourquoi le sont-ils – vous savez, et nous avons d’abord pensé que cela devait être comme des bancs de poissons et des troupeaux d’oiseaux. Il doit s'agir d'informations. Il doit s’agir d’intelligence collective. Eh bien, nous avions tort. Et c’est là le grand danger. Si vous voyez, vous savez, un essaim de fourmis qui se déplacent en cercle, se déplaçant dans une sorte de moulin, et vous voyez un banc de poissons, par exemple, tournant en tore ou en forme de beignet, ou vous voyez un tourbillon, ce sont tous des modèles qui se ressemblent, mais ils peuvent être motivés par des phénomènes très, très différents.

Et je pense que j'ai été induit en erreur en pensant, vous savez, que lorsque vous voyez un mouvement collectif, ce doivent être des processus similaires qui le sous-tendent. Mais dans le cas des criquets, il ne s’agissait pas d’une telle hypothèse de transfert d’informations. En fait, dans ces environnements désertiques, lorsque la nourriture vient soudainement à manquer, on manque désespérément de nutriments essentiels, surtout dans le désert : protéines, sel et eau.

Et quoi de mieux pour vous dans ce genre d’environnement difficile qu’un autre individu ? Parce qu'ils ont une composition nutritionnelle parfaitement équilibrée. Donc, ce que font les individus, c'est qu'ils sont attirés les uns par les autres et ont tendance à se cannibaliser. Ils ont donc évolué pour suivre ceux qui s'éloignent, pour essayer de les mordre à l'arrière, à l'arrière de l'abdomen, contre lesquels il est très difficile de se défendre. La tête est lourdement blindée, mais l'arrière de l'abdomen est un point faible pour des raisons évidentes, il doit y avoir un orifice.

Et donc ils ciblent cela, mais ils évitent également d’être ciblés par d’autres. Et le résultat du fait de suivre ceux qui s’éloignent de vous et de s’éloigner de ceux qui se dirigent vers vous a pour résultat que tout l’essaim commence à marcher ensemble à travers cet environnement désertique.

Et ils bénéficient également de l’advection, en quittant ensemble les zones pauvres en nutriments. Parce que, vous savez, si vous mettez un humain dans le désert, il aura tendance à être désorienté et à se déplacer en rond. Pareil avec une sauterelle. Mais si vous les mettez en essaim, l'alignement collectif, la synchronisation entre les individus, vous savez, des centaines de millions d'individus s'alignant les uns sur les autres, ils peuvent sortir de manière très dirigée de ces environnements pauvres en nutriments. Et ils peuvent aussi submerger les prédateurs. Vous savez, les prédateurs ne peuvent tout simplement pas faire une grande différence ici.

STROGATZ : En fait, je me demande, alors que nous parlons de tous ces exemples, comment vous êtes-vous intéressé à tout cela, à l’époque ? Vous avez mentionné que c'était en 2008 ?

COUZIN: Ouais, c'était ce journal en 2008.

STROGATZ : Ouais, tu étais occupé là-dessus avant ça, n'est-ce pas ?

COUZIN: Ouais, j'ai fait mon doctorat. à la fin des années 90 sur les fourmis. J'étais fasciné par le comportement des fourmis. Et pour être honnête, tout a commencé avec une passion pour la nature et une obsession pour l’histoire naturelle et l’observation de ce qui nous entourait.

Je pensais qu'en tant qu'enfant, il devait y avoir un expert qui comprenait pourquoi les essaims se forment, pourquoi les bancs de poissons, pourquoi les oiseaux se rassemblent. Je pensais que cela devait être quelque chose que tout le monde étudiait.

J'étais artiste quand j'étais enfant. J'étais très intéressé par l'écriture créative, la poésie et l'art. Et donc, j’ai d’abord été attiré par la beauté pure, la fascination par la beauté de ceux-ci.

Et au lycée, je n’étais pas un grand élève en sciences. Je faisais de la poterie et je faisais de la peinture. Et quand je suis allé à l'université, je me souviens que mon père m'a dit : « Tu sais, mon fils, tu devrais faire ce pour quoi tu es bon. Faites de l'anglais ou de l'art. Vous n'êtes pas un scientifique, vous êtes naturaliste, vous savez ? Et il avait raison. Il avait tout à fait raison.

Et c'est plus tard, lorsque j'ai obtenu un diplôme en biologie, et j'ai su dès le premier cours de mon cours de biologie, je savais que c'était la bonne chose pour moi, je le savais. Et j'ai découvert qu'il existe tout ce monde de physique statistique. Ces articles ont été publiés à cette époque et ils m'ont époustouflé car c'étaient des auteurs qui voyaient des principes mathématiques profonds dans tous les systèmes.

Mon doctorat. Le conseiller a dit, vous savez, pour obtenir un emploi, vous devez devenir l'expert mondial d'une espèce de fourmi, et vous pourrez alors avoir de la valeur. Mais je lisais ces travaux de scientifiques qui faisaient exactement le contraire. Ils étudiaient tout, des systèmes physiques aux systèmes biologiques, et ils voyaient ces principes. Et aussi, les motifs, les structures et les résultats qu’ils obtenaient étaient tout simplement naturellement beaux. Et alors j’ai pensé que cela devait être vrai. Cela doit être la bonne façon de faire de la science. Et donc, à cette époque, je me suis retrouvé attiré par le monde de la physique.

STROGATZ : Avez-vous déjà eu le plaisir de parler ensuite à votre père de votre changement d'orientation ?

COUZIN: Je n'aurais jamais pensé que mon père s'en souvienne. Et puis, lorsque j'ai été promu professeur adjoint à professeur titulaire à l'Université de Princeton, j'ai reçu un appel téléphonique du directeur du département qui disait : « Félicitations, professeur Couzin ». Et, vous savez, j'étais complètement époustouflé, alors bien sûr, j'ai appelé ma mère et mon père, et mon père a répondu au téléphone, puis il a dit : « Et dire que je t'ai traité de naturaliste. C'est la seule fois, c'est des décennies plus tard. Je ne savais même pas qu'il se souvenait de cette discussion.

STROGATZ : Eh bien, c'est une bonne histoire, c'est une très bonne histoire. Nous aimons parler de grandes questions sans réponse dans cette émission, et alors, quelles sont selon vous les plus grandes questions sans réponse sur les troupeaux, les écoles et le comportement collectif en général ?

COUZIN: Eh bien, absolument, je le fais. Et cela m’amène au sujet qui me passionne tellement maintenant. Encore une fois, plus tôt dans ma carrière, je pensais que, vous savez, le cerveau, bien sûr, est une merveilleuse entité informatique collective, l'un des plus beaux exemples, vous savez. Comment le cerveau prend-il des décisions ? Et c'est une collection de neurones, et bien sûr nous avons des essaims de fourmis, ou des essaims de criquets, ou des troupeaux d'oiseaux, ou des bancs de poissons, tous ces différents composants interagissant ensemble. Alors, y a-t-il quelque chose qui relie profondément ces différents systèmes, ou non ? Et ce qui me fascine en ce moment, c'est la prise de décision collective, et en particulier la prise de décision collective dans l'espace.

Alors, comment le cerveau représente-t-il l’espace-temps ? Et quelle importance cela a-t-il en termes de décisions ? Et qu’est-ce que cela a à voir avec le comportement collectif des animaux ? Ce que j'ai réalisé il y a environ cinq ans, c'est que je pense qu'il existe une profonde similitude mathématique, et je pense qu'il existe de profonds principes géométriques, sur la façon dont le cerveau représente l'espace et aussi le temps.

Et l’une des choses les plus excitantes ici est à nouveau l’utilisation des mathématiques. Vous savez, j'ai abandonné les mathématiques à l'âge de 16 ans et je viens de passer un congé sabbatique à l'Institut Isaac Newton pour les sciences mathématiques de l'Université de Cambridge en tant que membre émérite. Pourtant, je ne peux pas résoudre une équation, tu sais ?

C'est vrai, mais j'aime le fait de pouvoir travailler avec des mathématiciens extraordinaires. Et en travaillant avec des physiciens, des mathématiciens et des biologistes, et en menant des expériences sur des animaux en réalité virtuelle, nous avons ici construit une suite de technologies. On ne peut donc pas mettre un casque comme un Meta Quest 3 sur un poisson qui fait moins d'un centimètre de long. Mais nous pouvons créer des environnements virtuels, immersifs et holographiques, afin de pouvoir contrôler complètement l’entrée. Nous pouvons contrôler complètement les relations causales.

Si, vous savez, je vous influence et que vous m'influencez, et qu'ensuite il y a une troisième personne, est-ce qu'elle m'influence directement ou via vous ? Ou les deux? Ou un quatrième individu ou un cinquième ? Et dans nos environnements de réalité virtuelle, nous pouvons placer ces individus dans ce que nous appelons la Matrice, comme dans le film, où chaque individu se trouve dans son propre monde holographique et interagit en temps réel avec les hologrammes d'autres individus.

Mais dans ce monde, nous pouvons jouer avec les règles de la physique. Nous pouvons jouer avec les règles de l’espace et du temps pour mieux comprendre, comment le cerveau les intègre-t-il ?

Et donc, cela m’épate vraiment car nous pouvons montrer que le cerveau ne représente pas l’espace de manière euclidienne. Il représente l'espace dans un système de coordonnées non euclidien. Et nous pouvons alors montrer mathématiquement pourquoi cela est si important, c'est-à-dire que lorsque vous commencez à traiter avec trois options ou plus, alors la déformation de l'espace-temps, rendant l'espace non euclidien, peut réduire considérablement la complexité du monde en une série de bifurcations. Et à proximité de chaque bifurcation, cela amplifie les différences entre les options restantes. Il y a donc cette belle structure interne.

Et donc, nous pensons avoir cette théorie universelle sur la façon dont le cerveau prend des décisions spatiales que nous n'aurions jamais pu obtenir sans examiner une gamme d'organismes comme les poissons, les criquets et les mouches dans ces types d'environnements de réalité virtuelle, et c'est donc ce qui me passionne énormément.

[Pièces à thème]

STROGATZ : Eh bien, j'ai hâte d'entendre tout cela pendant que vous y parvenez. Je pourrais continuer avec toi toute la journée, mais je pense qu'il est temps de te dire merci. Nous avons discuté avec l'écologiste évolutionniste Iain Couzin de l'affluence, de l'essaimage, de la scolarisation et de toutes sortes de comportements collectifs. Iain, ça a été un tel plaisir d'apprendre ce que tu fais et les merveilles de la nature que tu as contribué à découvrir pour nous tous. Merci beaucoup.

COUZIN: Cela a été un plaisir. Merci, Steve.

[Le thème continue de jouer]

STROGATZ : Merci pour l'écoute. Si vous appréciez « The Joy of Why » et que vous n'êtes pas déjà abonné, appuyez sur le bouton Abonnez-vous ou Suivez là où vous écoutez. Vous pouvez également laisser un commentaire sur le spectacle. Cela aide les gens à trouver ce podcast.

« La joie du pourquoi » est un podcast de Quanta Magazine, une publication éditorialement indépendante soutenue par le Fondation Simons. Les décisions de financement de la Fondation Simons n'ont aucune influence sur le choix des sujets, des invités ou autres décisions éditoriales dans ce podcast ou dans Quanta Magazine.

« The Joy of Why » est produit par PRX Productions. L'équipe de production est composée de Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler et Merritt Jacob. Le producteur exécutif de PRX Productions est Jocelyn Gonzales. Morgan Church et Edwin Ochoa ont fourni une aide supplémentaire.

Du Quanta Magazine, John Rennie et Thomas Lin ont fourni des conseils éditoriaux, avec le soutien de Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana et Madison Goldberg.

Notre thème musical provient d'APM Music. Julian Lin a trouvé le nom du podcast. La pochette de l'épisode est de Peter Greenwood et notre logo est de Jaki King et Kristina Armitage. Un merci spécial à la Columbia Journalism School et à Bert Odom-Reed des Cornell Broadcast Studios.

Je suis votre hôte, Steve Strogatz. Si vous avez des questions ou des commentaires à nous faire, veuillez nous envoyer un courriel à [email protected]. Merci pour l'écoute.