鳥が群がる。イナゴが群がる。魚の群れ。混沌になりそうな生物の集まりの中に、なぜか秩序が生まれる。動物の集団行動は種によって細部が異なりますが、物理学者が何世紀にもわたって解明してきた集団運動の原則にほぼ準拠しています。現在、研究者は最近になって利用可能になったテクノロジーを使用して、これらの行動パターンをこれまで以上に詳しく研究できるようになりました。

このエピソードでは、進化生態学者が イアン・カズン 共催者とのトーク スティーブンストロガッツ 動物が生物学的計算の一形態として群がる集団行動をどのように、そしてなぜ示すのか、また、個体としてではなく自己組織化されたグループの一部として生きることの隠れたフィットネス上の利点について説明します。彼らはまた、イナゴなどの群がる害虫についての理解を深めることが、世界の食糧安全保障を守るのにどのように役立つかについても議論します。

聞いてください Apple Podcasts, Spotifyは, Googleポッドキャスト, TuneIn またはお気に入りのポッドキャスティングアプリ、または からストリーミング クアンタ.

成績証明書（トランスクリプト）

【テーマプレイ】

スティーブン・ストロガッツ: 小さなブヨから魚、鳥、ガゼル、さらには私たちのような霊長類に至るまで、動物界全体で、生き物は一見自発的に見える集合的な目標を追求する大きな移動パターンを組織する傾向があります。多くの場合、これらの大衆運動を組織するリーダーとして行動する個々の生き物は現れません。むしろ、動物たちはシームレスにラインに収まります。

そして、そのようなシステムは混沌や不安定にぐらつくように感じられますが、ムクドリのさえずりや魚の群れを見たことがある人なら誰でも証明できるように、これらの集団はなんとか非常にうまく調整され、目的を持って移動しているように見えます。しかし、この行動の背後にある原動力は何でしょうか?

私はスティーブ・ストロガッツです。これは、のポッドキャスト「The Joy of Why」です。 クォンタマガジン 私の共同ホストはどこですか ジャンナ・レヴィン そして私は今日の数学と科学における未解決の最大の疑問のいくつかを交代で調査します。

【テーマ終了】

このエピソードでは、なぜ動物が群がり、群がり、学校を作るのか、その核心に迫っていきます。人工知能や 3D カメラなどの最新テクノロジーはどのように新しい洞察を提供するのでしょうか?そして、動物のグループの動態を研究することで、私たち自身について、個人として、また集団として、どのようなことが分かるのでしょうか?

これらの謎に光を当てるのは進化生態学者です イアン・カズン。イアンはマックス・プランク動物行動研究所の集団行動部門の所長であり、コンスタンツ大学の正教授でもあります。彼が受賞した多くの栄誉の中には、ナショナル ジオグラフィック新進探検家賞、複雑性科学の分野で最高の栄誉であるラグランジュ賞、ドイツの研究における最高の栄誉であるライプニッツ賞などがあります。イアン、今日はご一緒できてとてもうれしいです。

イアン・カズン: ここに来られて嬉しいです、スティーブ。

ストロガッツ: そうですね、またお会いできてとても嬉しいです。私たちは古くからの友人なので、集団行動の最新情報を聞くのはとても楽しいことです。でも始めましょう — 話したほうがいいと思いますが、あなたの標本は誰ですか?いくつかの動物について、また、あなたが研究したシステム内でそれらの集団行動がとるさまざまな形について少し教えていただけますか?

いとこ: それは、集団行動を研究する上で最も驚くべきことの 1 つです。それは、それが地球上の生命の非常に多くのプロセスの中心であるため、私たちは文字通り、地球上で最も単純な動物に至るまで、さまざまな生物を研究しています。それは基底門です、おそらく 最も単純な多細胞動物 惑星上で;その 細胞の群れ鳥の群れや魚の群れのように動く何千もの細胞。驚くほど協調的な行動をとるアリのような無脊椎動物や、最大かつ最も破壊的な群れを形成するバッタなどの動物から、群れをなす脊椎動物まで魚、群がる鳥、遊牧する有蹄動物、そして私たち人間を含む霊長類。

ストロガッツ: つまり、この病気は実に広範囲に及んでいるようです。正直に言いますが、これについては聞いたこともありませんでした。正しく理解できましたか?

いとこ: プラコゾア、そうですね。この小さな生き物は、熱帯水族館の水槽のガラスの上を這い回っているのが見つかりました。肉眼で見ることができます。それは約1ミリメートル、非常に大きい場合はおそらく1ミリメートル半です。そしてご存知のとおり、この驚くべき生き物の研究が科学者の注目を集め始めたのはつい最近のことです。

そしてそれは主に、この奇妙で風変わりな細胞の群れが実際には、より洗練された生物を連想させるような遺伝的複雑性を持っているためです。たとえば、神経伝達物質は豊富にありますが、ニューロンはありません。

［ストロガッツ笑い］

いわゆるものがあります ホックス 遺伝子 ホックス 遺伝子は発生生物学において複雑なボディプランに関連しています。複雑なボディプランはありません。したがって、おそらくあなたは、この生き物はより複雑になるように進化し、その後、自らを単純化するために再進化したため、複雑さの特徴を保ったのではないかと考えるかもしれません。

しかし、遺伝子研究者はある種の画期的な論文を雑誌に発表しました。 自然 それは、いいえ、実際には、これはそのうちの 1 つであることを示しました。 最も原始的な細胞グループ。そしてもちろん、集団行動は、細胞が集まって有機体を形成することよりも美しい例です。あなたが知っている？これが私たちがこれを研究する理由の 1 つです。集団行動が地球上の複雑な生命の起源の中心であったことを理解しようとするためです。

ストロガッツ: いや、これはインタビューの初期段階ですが、すでにあなたは私の心を驚かせています。あなたはまた、私があなたに話そうと思っていたことから脱線させています。これはとても面白くて、私にとってはとても新鮮なので、びっくりしています. 話のこの部分に戻りたいのは、それがそうだからです。つまり、彼らがそうすることは本当に驚くべきことです…私の聞きましたが、彼らは神経系に関連するものを持っているのに、神経系は持っていないということですか？そして、まるでショウジョウバエのような複雑な身体計画全体を進化させる必要があるかのような発生生物学的遺伝子を持っていますが、彼らはそのような身体を持っていないのでしょうか？

いとこ: まさに、まさに。したがって、それらは実際に私たちに知性の起源についてのヒントを与える可能性があります。 私たちの特別な研究私たちが今年出版した論文では、細胞が局所的に他の細胞と相互作用し、進行方向を揃える傾向があり、彼らの身体計画が実際に鳥の群れや魚の群れと非常によく似た振る舞いをすることを示しました。

それで彼らはお互いに惹かれ合うのです。それらは弾性シートのように互いに接続されていますが、運動性も持つ傾向があります。彼らは基部に繊毛、小さな繊毛を持っているので、環境に沿って流れることができます。そして、それらが近くにあるものに加える力によって、それらは互いに整列します。

したがって、これらの細胞を顕微鏡で追跡し、配置を観察し、個々の魅力に注目すると、私たちが使用しているのとほぼ同じテクノロジー、同じモデル、同じ考え方が使用されます。 鳥の群れにおける集団行動 魚群とか 他のタイプのグループ しかし、それをこれらの動物に適用してください。

これが、集団行動について私が最も注目すべきことの 1 つです。それは、人間が細胞であるか鳥であるかにかかわらず、システムの特性が大きく異なるにもかかわらず、観察すると、 集団行動、集合的な特性、これの基礎となる数学は、実際に次のことができます。 非常に似ていることが判明。そして、これらの異なる、一見異質なシステムを接続する、いわゆる普遍的な特性を見つけることができます。

ストロガッツ: そうですね、もちろん、今あなたは私の言語を話しています。なぜなら、私が集団行動に魅了されたのは、それが私自身の集団行動への魅力に引き込まれたからです。それは、細胞から細胞に至るスケールまで適用できる普遍的な数学的原理があるからです。 、もちろん、私たちは常に自分自身をトップに置きたいと思っています。

しかし、わかりました、あなたは私たちが考えるために非常に多くの異なる問題を提起しました。プラコゾアと一緒にここに留まりたいのと同じくらい、最初に戻ってみましょう。

たとえば、「群れ」や「群れ」などの言葉が出ましたが、昆虫の場合のように「群れ」について話されることがあります。同じものに対して 3 つの異なる単語がある理由はありますか?私たちが集団グループについて話すとき、それらは実際には同じものではないでしょうか?鳥の群れや魚の群れなどについて話してはいけない理由はあるのでしょうか？

いとこ: いいえ、私たちはこれらの言葉を開発したと思います、そして異なる言語には異なる言葉があります。ドイツ語は単語がたくさんある言語ですが、実際には単語は比較的少ないです。一方、英語には非常に多くの異なる単語があります。たとえば、カラスの群れをカラス殺しと言いますよね。

［ストロガッツ笑い］

先ほどあなた自身がムクドリの「つぶやき」という素晴らしい言葉を使いましたね。そして、群がったり、群がったり、群がったりすることの美しさ、魅惑的な美しさこそが、特定の例に関連付けることができるこれらの素晴らしい言葉を生み出したのだと思います。

先ほど、共通点、数学的共通点を強調しましたが、相違点もあるので、これは非常に有益だと思います。細胞の群れと鳥の群れには違いがあります。したがって、これらのシステムを理解するには、共通の原則だけでなく、システム間で異なる原則も考慮する必要があります。そしてある意味、言語は、人間が自然に言語をさまざまなカテゴリーに分離したり、分類したりする方法で、その一部を私たちに取り込んでいるのです。

ストロガッツ: 面白い。それで、あなたは「細胞の群れ」と「昆虫の群れ」について言及したと思いますが、同じ言葉を使っていてもいくつかの違いがあるかもしれないとおっしゃいました。これらの例を区別する必要があるものは何でしょうか?

いとこ: そうです、本当に興味深いのは、違いが非常に深いのに、なぜ共通点があるのか​​ということだと思います。動物には脳があります。複雑な感覚情報を取り入れて、環境についての決定を下そうとしています。動物は、平均して細胞よりもはるかに複雑で洗練された行動が可能です。

しかし、もちろん、細胞自体には複雑な内部プロセスがあります。しかし、それらの相互作用は、物理的な力、それらが作用する規模、形成される張力、細胞集合体内で形成される物理的な張力によって、より大きな程度支配されます。

一方、動物や鳥の群れの相互作用は目に見えません。それらには物理的な形はありません。したがって、最初は、それはただの例えにすぎないと考える人もいるかもしれません。実際、私も 10 ～ XNUMX 年前までは、それは単なるアナロジーだと思っていました。この違いはとても重要なはずだと思いました。しかし、私たちが理解し始めているのは、それらに共通する機能は計算であるということです。

それは、これらの要素が集まって、単独では計算できない方法で環境について計算しているということです。たとえあなたが非常に複雑な人間の脳を持っていて、他人と社会的な交流を持っていない限り、あるいはそれ以上に、私たちが受け継いできた文化的な複雑さを基盤にして世界を歩き回っているとしても、各個人は、私たちは人生に生まれてきましたが、その後は非常に限られています。

そして、計算と複雑な生命の出現に関して、私たちはちょうど取り組み始めたばかりの、深く、ある種の非常に魅力的な質問があります。

ストロガッツ: とても興味深い視点ですね。彼ら全員に共通点があるとあなたが言ったとき、私はあなたがどんな言葉を言うつもりだったのか分かりませんでした。私は、推測できませんでしたが、計算が好きでした。

それで、ご存知のとおり、人々が YouTube やテレビで映画を見たことがあるであろう有名な出来事を思い出させます。そこでは、鳥の群れがいて、おそらくそれはムクドリであり、タカかハヤブサか何かが近づいてくるというものです。群れ。おそらく、次に何が起こるかを視覚的に説明する必要があります。なぜこの例では計算が関係していると考えているのでしょうか?

いとこ: そうですね、これらのグループを見てみると、魚の群れであれ鳥の群れであれ、捕食者が存在してこれらのグループを攻撃するとき、そのグループがこの種の波状の流体のように振る舞っているのがわかります。グループを横切る光の波紋、またはグループを横切る密度の波紋が見えます。

そしてこれが示しているのは、個体は実際に社会的相互作用を通じてその捕食者の位置に関する情報を非常に迅速に広めることができるということです。したがって、たとえば、捕食者を見る個体は、最初に捕食者を見るのはほんの少数かもしれません。しかし、回転することによって、この動作が他の人によってコピーされ、密度の変化、回転の変化が非常に急速に伝播されます。

そして、これについては後で説明すると思いますが、高度な画像ツールを使用してこれらの回転の波を定量化し、測定すると、最大速度の約 10 倍の速さで伝播する波が発生します。捕食者そのものの。そのため、個体は目に見えない捕食者に対しても反応することができます。

つまり、集団と集団内の個人は、選択、自然選択が個人に作用しているため、通常、自分たちが感知していない刺激にも実際に反応することができます。

これは、電気信号を介して情報を伝達するニューロンに少し似ています。この場合、それは電気信号ではありません。実際、グループ全体に浸透するのは個人の密度と回転ですが、それによって遠くにいる個人に脅威がどこにあるのかという情報が与えられるため、彼らはすぐに脅威から遠ざかり始めることができます。

ストロガッツ: これは、この文脈において計算が何を意味するかを示す非常に美しい視覚的な例だと思います。パニックや回避の波が群れに流れているのがわかります。これは非常に興味深いもので、個体が自力で行うよりもはるかに速く、おそらく捕食者が自力で集められるよりも速いと思います。

いとこ: なぜそうなる可能性が高いのか、そして私たちがそう考えているのかの理由の 1 つは、集団、つまり自然選択が個人に影響を及ぼしているとしても、重要なのは彼らの適応度であり、彼らが行動すれば全員に集団的な利益があるからです。ある意味で。

これもまた、物理システム、特に物理システムから学んだことに関連しています。 相転移に近い。つまり、固体と液体の間など、異なる状態の間の遷移に近いシステムです。水を凍らせているときに突然固体に遷移すると、その付近ではそのシステムの集団的な挙動が非常に顕著になります。移行点、つまりこの分岐点は、もちろんあなた自身の研究分野です。そして、これは私たちが今知っていることであり、現在非常に強力な証拠を持っていることです。それは、自然選択が、示される集合的特性、注目すべき集合的性質のために、システムをこれらの分岐点に近づけるということです。

私たちがこれらの特性を最初に測定したとき、それらの個体は物理法則に反しているように見えました。情報はとても早く浸透しました。

そして、1900年代初頭のことですが、 エドモンド・セルース彼はダーウィン主義者であると確信していましたが、ご存知のように、ビクトリア朝時代のテレパシーの魅力にも魅了されていたようで、思考の転移、つまり鳥同士の非常に迅速なコミュニケーションを可能にするテレパシーが存在するに違いないと考え、それについて説明しました。

そしてもちろん、人々は、「まあ、それはばかげている、もちろんテレパシーなどありえない」と考えます。しかし、実際には、これは少し議論の余地があるかもしれませんが、実際には、感覚のモダリティと、この情報がシステム全体に絶妙に急速に浸透する方法について、私たちはまだ十分に理解していないと思います。

もちろん、テレパシーがあると言っているわけではありません。しかし、私が提案しているのは、システムを調整することによって、この臨界点に近い、この分岐点に近い集合システムを調整することによって、観察者にとっては空想的に見え、観察者にとっては幻想的に見えるような顕著な集合的特性を生み出す可能性があるということです。奇妙な。なぜなら、これらの領域の物理学は、科学では理解できるものであっても、奇妙で、空想的で、驚くべきものだからです。

ストロガッツ: そこで私が疑問に思っているのは、集団行動の場合、自然が群れをある種の不安定点や危機点に近づくように調整しているのではないかということです。それが非常に効果的な理由の一部であると示唆していますか？

いとこ: はい、まさにそれが私が提案していることです。それで、たとえば、ご存知のように、もう一度、非常に 最近の論文 この出版物を出版したここ数年で、私たちは「すべての世界の最高のものを手に入れるにはどうすればよいでしょうか?」と問いました。一般的な条件下で安定していたい、堅牢であることが必要な場合はどうでしょうか。しかし、時には過敏になりたくなることもあります。したがって、自然選択において、生物学的システムは、堅牢でありながら敏感であるという、この驚くべき、一見矛盾した状態のバランスを取る必要があります。どうすれば堅牢さと繊細さを同時に両立できるでしょうか?

したがって、ご存知のとおり、この臨界点近くでシステムを調整することで、実際にそれが可能になると考えています。システムが逸脱しても、実際にはシステム自体が安定するためです。しかし、その臨界点に近づくにつれて、信じられないほど柔軟になり、入力、たとえばその捕食者に関する入力に対して敏感になります。したがって、魚群がその臨界点から遠く離れている場合、たとえば、魚群が互いに非常に強く並んでいる場合、捕食者を発見した場合、実際には、これらすべての魚の向きを変えるには多大な労力が必要です。彼らは互いに非常に強く反応するため、外部入力によって行動を変えるのは困難です。

一方、それらが非常に無秩序で、すべてが異なる方向に移動している場合、個々の方向の変化は他の人にはほとんど認識されないため、システム全体に伝わりません。

そして、この種の中間点で、彼らは実際にグループとして行動し、柔軟でありながら情報を伝達する能力を最適化することができます。これは古くからある物理学の理論ですが、コンピュータ ビジョン テクノロジを使用して動物をグループで追跡し、たとえば世界が変わったときの相互作用をどのように変えるかという問いが実際に登場したのはここ数年のことです。よりリスクが高くなりますか？

私たちは生物学者として常にこう考えます。もっとイライラして、誤警報を起こす可能性が高くなります。」そしてそれは、孤立した動物にも当てはまります。人間が孤立して行動しているときも同様です。しかし、私たちはこれを動物のグループ、つまり集団の文脈の中で進化したグループでテストしたところ、それらのグループには当てはまらないことがわかりました。

彼らは何をしているのかというと、ネットワーク、つまり接続ネットワーク、つまりシステム内を情報がどのように流れるかを変えることです。そして彼らは、この種の柔軟性と堅牢性のトレードオフを最適化するようにそれを調整します。つまり、彼らはそれを、私たちが予測したように、この重要な体制に取り入れます。

ストロガッツ: これらの研究はどの種類の動物に対して行われましたか?

いとこ: そのため、私たちが主に扱うのは群れをなす小さな魚たちです。捕食者を避けたり、適切な生息地を見つけたりするなど、同じ種類の問題を解決しなければならないにもかかわらず、実験室環境内で扱いやすいからです。つまり、魚には実際に次のような化学物質が含まれています。 シュレックシュトフ、ドイツ語では文字通り「怖いもの」を意味します。そして シュレックシュトフ 自然に放出されますが、捕食者が魚を攻撃した場合、この化学物質を放出する必要があります。

それで、私たちは置くことができます シュレックシュトフ 水の中なので捕食者の居場所はありませんが、この環境に対する個人の判断が変化し、世界はより危険になりました。

それで、あなたは何をしますか、あなたの脳内で起こっていることを変えますか？環境との関わり方を変えますか?動物がそうするのは当然のことだと思いますが、あなたはさらに怖くなりますか?

あるいは、ネットワーク システムや集合システムを想像してみてください。そのネットワークのトポロジー、ソーシャル ネットワーク、他の人とのコミュニケーション方法を変更しますか?なぜなら、以前話したこの方向転換の波により、脅威に対する反応も変化する可能性があるからです。

そこで私たちが発見したのは、個人は変わらないということです。何が起こるかというと、ネットワークが変化します。個人がそのネットワークの構造を変えようと動き、それによってグループが突然より敏感になり、より柔軟になるのです。

たとえば、かつては人々にプロキシがあり、互いに近い関係にある個人はより強力に対話する必要がありました。しかし、日常生活で考えてみると、バスでまったく知らない人の隣に座っていても、実際には平均してその人と社会的に強いつながりを持っていない可能性があります。したがって、個人が経験するソーシャル ネットワークは、簡単に測定できるものとは大きく異なる可能性があります。

さて、私たちがやったことは、かなり複雑です。しかし、私たちにできることは、彼らの視点から世界を再構築することです。また、私たちはレイキャスティングと呼ばれるビデオ ゲームやコンピューター グラフィックスから生まれた技術を使用しています。これにより、個人の網膜に光線を投射し、各瞬間に見ているものの一種のコンピューター化された表現を見ることができます。しかし、私たちが知らないのは、いったい彼らがそれをどのように処理しているのかということです。

すべての脳が同じことを行うように進化しているため、繰り返しになりますが、機械学習手法を使用することができます。今日私たちの話を聞いている人々のような、複雑な感覚情報が必要です。これは複雑な音響情報ですが、彼らは車を運転しているかもしれないし、料理をしているかもしれないので、複雑な視覚情報や嗅覚情報も持っています。しかし、彼らの脳はこの複雑さをすべて受け止めて、それをいわゆる次元削減、つまり意思決定や判断に落とし込む必要があります。 「次は何をしようか？」そして、実際の動物がこれをどのように行うかについては、ほとんどわかっていません。

しかし、私たちは彼らの視野を再構成することができ、その後、同じ種類の技術を使用して次元を削減し、脳が動作の決定に対するこの複雑さをどのように軽減するのかを理解することができます。

私たちが研究した魚は、脳の後部に非常に少数のニューロンがあり、それがすべての動きを決定します。したがって、脳はこの複雑さをすべて取り入れ、それを削減し、意思決定を行う必要があります。そして、脳はどのようにしてそれを行うのかという生物学における素晴らしい質問だと思います。

ストロガッツ: まず第一に、私はあなたの論文をもっと頻繁に読む必要があると言えます。魚の網膜に光を当てて、魚が見ているものを見る、あるいは魚が見ているものを知っていると感じることについて何か言いましたか?そうですか？

いとこ: ええ、実際には文字通り光を当てているわけではありません。すべてデジタルで行われます。そこで、ある瞬間のスナップショット、つまり静止した瞬間の魚群があると想像してください。当社のソフトウェアは、これらの魚それぞれの位置と体の姿勢を追跡します。そして、私たちにできることは、ビデオ ゲームのように、そのシーンの 3 次元コンピューター バージョンを作成できることです。次に、各人には何が見えているのかを尋ねることができます。したがって、個人の目にカメラを設置することができます。

したがって、レイキャスティングは、コンピューター グラフィックスで使用されるレイトレーシングに似ており、網膜に当たる光の経路にすぎません。そして私たちはこれらすべてをデジタルで行うので、現実のデジタルアナログを作成することができます。次に、その仮想シーン (一種のフォトリアリスティックな仮想シーン) で光がどのように網膜に当たるかを確認できます。これにより、最初の層が得られます。個人に入ってくる情報は何でしょうか?

そしてもちろん、私たちが問いたい大きな疑問は、脳がそれをどのように処理するのかということです。脳はどのようにしてその複雑さを軽減し、どのように意思決定を行うのでしょうか?たとえば、流体の群れや魚の群れは、衝突がほとんどなく、これほど楽に美しく移動できるのに、高速道路を走る車は集団運動をするのに苦労する傾向があるのはなぜでしょうか?つまり、何千年にもわたる自然選択から私たちが学び、車両やロボットに応用できることはあるのでしょうか?

したがって、これを理解するには応用的な要素もあります。私がこれを理解したいと思っているのは、主にそれが魅力的であるからですが、場合によっては実際に応用できるからでもあります。

ストロガッツ: すぐに戻ります。

【広告掲載のため休憩します】

ストロガッツ: 「The Joy of Why」へようこそ。

細胞から霊長類などのスケールにまたがるときに、あなたが冒頭で述べたことに戻りたいと思います。人々はバッタの例にあまり馴染みがないかもしれませんが、バッタの群れが世界に与える影響は大きく、私よりも大きいため、現実世界の、または群れの経済的側面とでも呼びましょうか。気がついた。つまり、私はここでメモの中でいくつかの統計を見ているのですが、ペストが流行する時期には、世界の土地面積の 5 分の 1 以上にバッタが侵入するということです。

いとこ: うん。

ストロガッツ: 信じられますか？そして地球上の 10 人に XNUMX 人の生活に影響を与えます。そこで、その種の研究について、そしてそれが世界の食料安全保障の問題とどのように関係しているのか、少しお話しいただけますか。

いとこ: はい、まったくその通りです。そして、これは非常に驚くべきことだと思います。ご存知のとおり、今おっしゃったように、食糧不足や食糧安全保障を通じて、地球上の 10 人に XNUMX 人に影響を与えています。そして、イエメンやソマリアのような、大きな問題、大きな紛争、内戦などを抱えている国では、こうしたことがよく行われます。

しかし、気候変動の影響もあり、バッタの生息範囲はその範囲のほとんどで拡大している。つまり、今年、アフガニスタンは食糧盆地で大きな危機に直面しているということです。数年前、それはマダガスカルでした。その70～XNUMX年前、ケニアでは過去XNUMX年間で最大の大群が発生していた。

では、なぜ、監視用の最新テクノロジーがあるにもかかわらず、なぜ群れがより凶暴になり、より深刻になっているのでしょうか?そしてその理由の一つが気候変動です。それは、ご存知のとおり、これらの群れで何が起こるかということです - それでイナゴ、これを聞いている人は驚くかもしれませんが、バッタは実際にはお互いに近づくことを好みません。彼らは内気で謎めいた緑色のバッタで、一人でいることを好みます。したがって、もし彼らが十分な食べ物を持っていれば、彼らはお互いから隔離されるだけです。彼らはお互いを避けます。彼らが強制的に団結するときのみ、彼らは移行します。

したがって、彼らは通常、孤独なライフスタイルのため、いわゆる孤独者です。しかし、それらが強制的に団結する必要がある場合、それらは移行するように進化しました。彼らは昆虫界のジキルとハイドのようなものです。彼らは、行動的には 1 時間以内にまったく突然、集団的な形態に移行し、互いに向かって行進し、互いに追いかけ始めるように進化しました。

あまり知られていないかもしれないもう 1 つのことは、バッタには生後数か月間、実際には羽が生えていないということです。そのため、バッタは生まれたときは飛べないのです。彼らは飛べないニンフです。大人になって初めて羽が生えます。

ここで何が起こっているのかというと、例えばアフリカやインド、その他の地域に雨が降ると、植物が生い茂り、小さなバッタの個体数がこの種の謎めいたバッタのように増殖し、成長する可能性があるということです。人口規模的に。現在、その人口が増加するにつれて、彼らはますます食べる量が増え、しばしば干ばつが起こる可能性もあります。

さて、人口密度が高く、突然食料がなくなった場合、イナゴは何をするかというと、進化してこの集団形態に移行し、一緒に行進を始めます。彼らは一斉に動き始めます。これらの群れは何十億もの個体で構成されている可能性があります。ご覧の限り、バッタはすべて共通の目的を持っているかのように一斉に行進しています。そして羽が生えたら飛び立つことができます。さらに状況はさらに悪化します。なぜなら、彼らは貿易風やその他の環境条件にアクセスして、巨大な群れとして何百キロ、あるいは何千キロも移動する可能性があるからです。したがって、これは私たちが地球上で行う最大かつ最も破壊的な集団行動の 1 つです。

ストロガッツ: うーん、私はイナゴの行進という概念にあまり慣れているとは言えません。私たちはそれらを空中に群がる雲として考えることに慣れています。でも、行進についてもう少し詳しく教えてください、うろ覚えなので。 いくつかの驚くべき研究 あなたはイナゴの共食いの側面を持っていますが、それを使うのは正しい言葉ですか？

いとこ: そう、それは 2008 年のことでした。でも、おっしゃる通りです。長距離を移動するバッタの巨大な群れ、群れ、雲について、私たちはそれらについてあまり知りません。それを研究する技術。実際、それを研究する技術はまだありません。ですから、重要ではないというわけではなく、非常に重要なのです。

しかし、私たちはまた、これらの飛行の群れの前に何が起こるか、つまり、飛行の群れがすでに制御不能になった山火事のようなものであることも知っています。今度はそれを制御するのに本当に問題が生じるでしょう。しかし、翼が生える前に、つまり砂漠やその前の環境で群れを形成しているときにそれを制御できれば、大きな可能性があります。

そこで、実際的な理由から、私たちはこれらの翼のない群れに焦点を当てました。そして実際のところ、あなたが正しいとしても、私は 2000 年代半ばにこれらの研究を始め、今ではバッタの話に戻り、再び研究しています。

私たちは今年の初めに、実験室環境内に世界初の適切な群れを作り出したばかりです。そこでは、この目的のために特別に構築した 10,000 × 15 × 15 メートルの画像環境で 8 匹のバッタを追跡しました。コンスタンツで。私の研究は今、同じシステムにループバックしているようなものなので、あなたがそれについて言及するのは面白いです。

でも、はい、あなたが言ったように、私たちが発見したのは、ご存知のとおり、これらの昆虫は、なぜ一緒に行進しているのでしょうか？それはなぜでしょうか。ご存知のとおり、私たちは最初、それが魚の群れや鳥の群れのようなものに違いないと考えていました。それは情報に関するものでなければなりません。それは集合知に関するものでなければなりません。まあ、私たちは間違っていました。そして、これが大きな危険なのです。円を描くように動いている、ある種の水車の中を動いているアリの群れを見たり、たとえばトーラスやドーナツのようなパターンで回転する魚の群れを見たりすると、これらはすべて同じように見えるパターンですが、非常に異なる現象によって引き起こされている可能性があります。

そして、集団的な動きを見ると、その根底には同様のプロセスがあるに違いない、という考えに私は誤解されていたと思います。しかし、バッタの場合は、この種の情報伝達仮説ではありませんでした。実際、これらの砂漠環境では、食料が突然不足すると、必須栄養素、特に砂漠ではタンパク質、塩分、水が絶望的に​​不足するという事実がありました。

そして、このような過酷な環境において、他の人よりもあなたにとって何が良いのでしょうか？それは、栄養バランスが完璧に整っているからです。つまり、個人は互いに惹かれ合い、共食いする傾向があります。そのため、彼らは遠ざかろうとするものを追いかけ、防御するのが非常に難しい彼らのお尻、腹部の後ろを噛もうとするように進化しました。頭部は重装甲ですが、明らかな理由から腹部の後部が弱点であり、そこには開口部があるはずです。

そして、彼らはそれをターゲットにしますが、同時に他の人からターゲットにされることも避けます。そして、あなたから遠ざかる者たちを追い、あなたに向かって移動する者たちから遠ざかる結果、群れ全体がこの砂漠の環境を一緒に行進し始めることになります。

そして、栄養の乏しい地域から一緒に移動することで移流することによっても利益を得ています。なぜなら、人間を砂漠に置くと、人間は方向感覚を失い、グルグルと動き回る傾向があるからです。イナゴも同様だ。しかし、彼らを群れ、集団的な連携、個体間の同調性、つまり何億もの個体が互いに連携する群れの中に入れると、栄養の乏しい環境から非常に方向性のある方法で行進することができます。そして、捕食者を襲うこともできます。ご存知のとおり、捕食者はここではあまり介入できません。

ストロガッツ: 実際、これらすべての例について話していると、昔、どのようにしてこれらすべてに興味を持ったのか疑問に思います。これは2008年に遡ると言いましたか？

いとこ: そうです、それは 2008 年の論文でした。

ストロガッツ: そう、その前から忙しかったんですよね？

いとこ: はい、博士号を取得しました。 90年代後半にアリについて。アリの行動に興味を持ちました。正直に言うと、それは自然への情熱と、自然史と私たちの周囲にあるものを観察することへの執着から始まりました。

私は子どもながらに、なぜ群れができるのか、なぜ魚群ができるのか、なぜ鳥が群がるのかを理解している専門家がいるに違いないと思っていました。これはきっと誰もが勉強することだと思いました。

私は子供の頃からアーティストでした。私は創作活動、詩、芸術にとても興味がありました。それで、最初はその純粋な美しさ、その美しさに魅了されたのです。

そして高校時代、私は科学が得意な生徒ではありませんでした。陶芸もやっていましたし、絵も描いていました。そして、私が大学に行ったとき、父が私にこう言ったのを覚えています。英語か美術をやってください。あなたは科学者ではなく、自然主義者なのですよね？」そして彼は正しかった。彼はまったく正しかった。

そしてその後になって生物学の学位を取得したのですが、生物学の講義の最初の講義で、これが自分にとって正しいことだとわかったのです。そして、統計物理学の世界が存在することを発見しました。これらの論文は当時発表されましたが、システム全体にわたる深い数学的原理を考察している著者だったので、私は衝撃を受けました。

私の博士号アドバイザーは、仕事を得るには、ある種のアリについて世界の専門家にならなければなりません、そうすれば価値ある存在になれる、と言いました。しかし、私が読んでいたのは、まったく逆のことを行っていた科学者たちの研究でした。彼らは物理システムから生物システムに至るまであらゆるものを研究しており、これらの原理を認識していました。また、彼らが見つけたパターンや構造、そしてその結果は、当然のことながら美しいものでした。それで私は、これは正しいに違いないと思いました。これは科学を行う正しい方法でなければなりません。それで、当時、私は物理学の世界に引き込まれました。

ストロガッツ: その後、方向転換についてお父さんと話せてうれしかったことはありますか?

いとこ: まさか父がこのことを覚えていたとは思いませんでした。そしてプリンストン大学で助教授から正教授に昇進したとき、学部長から「おめでとうございます、カズン教授」という電話をもらいました。そして、ご存知のとおり、私は完全に衝撃を受けました。そこで、もちろん父と母に電話しました。すると父が電話に出ました。すると父はこう言いました。「それから、私があなたをナチュラリストと呼ぶとは」。その時だけです、それは数十年後です。彼がこの議論を覚えていたとは知りませんでした。

ストロガッツ: まあ、いい話です、本当にいい話です。私たちはこの番組で答えのない大きな疑問について話すのが好きですが、群れや学校、そして集団行動全般についての答えのない大きな疑問は何だと思いますか?

いとこ: まあ、絶対にそう思います。そして、これが私が今とても興奮しているテーマに私を導いてくれます。それで、繰り返しになりますが、私のキャリアの初期に、脳はもちろん、素晴らしい集団計算実体であり、最も美しい例の 1 つであると考えていました。脳はどのように意思決定を行うのでしょうか?それはニューロンの集合であり、もちろんアリの群れ、バッタの群れ、鳥の群れ、魚の群れなどがあり、これらすべての異なる構成要素が相互に作用しています。では、これらの異なるシステムを深く結び付ける何かがあるのでしょうか?そして私が今興味を持っているのは、集団的意思決定、特に宇宙における集団的意思決定です。

では、脳はどのように時空を表現しているのでしょうか？そして、それは意思決定においてどのように重要なのでしょうか?そして、それは動物の集団行動と一体何の関係があるのでしょうか？私が約 5 年前に気づいたのは、脳が空間と時間をどのように表現するかについて、深い数学的類似性があり、深い幾何学的原理があると考えているということです。

ここで最もエキサイティングなことの 16 つは、再び数学が使用されることです。ご存知のとおり、私は XNUMX 歳で数学を中退し、ケンブリッジ大学のアイザック ニュートン数理科学研究所で特別研究員としてサバティカルを過ごしたところです。でも、私は方程式を解くことができません。

私もそうですが、素晴らしい数学者たちと仕事ができるという事実が大好きです。そして、物理学者、数学者、生物学者と協力し、仮想現実で動物の実験を行うことによって、私たちはここに一連のテクノロジーを構築しました。そのため、体長3センチにも満たない魚にメタクエストXNUMXのようなヘッドセットを装着することはできません。しかし、仮想的で没入型のホログラフィック環境を作成できるため、入力を完全に制御できます。因果関係を完全にコントロールできるのです。

もし、私があなたに影響を与え、あなたも私に影響を与え、さらに第三者がいるとしたら、彼らは私に直接影響を与えているのでしょうか、それともあなたを介して影響を与えているのでしょうか？または両方？それとも4人目か5人目でしょうか？そして、私たちの仮想現実環境では、映画のように、これらの個人をマトリックスと呼ぶものの中に入れることができます。そこでは、各個人が独自のホログラフィックの世界にいて、他の個人のホログラムとリアルタイムで相互作用します。

しかし、この世界では、物理法則をいじることができます。より深く理解するために空間と時間のルールを試してみることはできますが、脳はこれらをどのように統合しているのでしょうか?

脳がユークリッド的な方法で空間を表現していないことが証明できるので、これは本当に衝撃的です。非ユークリッド座標系で空間を表します。そして、なぜこれがそれほど重要なのかを数学的に示すことができます。つまり、3 つ以上の選択肢を扱い始めると、実際に時空をワープして空間を非ユークリッドにし、世界の複雑さを一連の分岐に劇的に減らすことができるということです。そして、それぞれの分岐点に近づくと、残りの選択肢間の違いが増幅されます。この美しい内部構造があります。

そして、この種の仮想現実環境内で、魚、イナゴ、ハエなどのさまざまな生物を見なければ、脳がどのようにして空間的な決定を下すのかについて、私たちは普遍的な理論を持っていると考えています。私がとても興奮していること。

【テーマプレイ】

ストロガッツ: そうですね、あなたがこの問題について話し合うのが待ちきれません。一日中一緒にいてもいいけど、そろそろお礼を言う時期だと思う。私たちは進化生態学者のイアン・カズンと、群れ、群れ、群れ、そしてあらゆる種類の集団行動について話してきました。イアン、あなたが何をしているのか、そしてあなたが私たち全員のために解き明かすのに協力してくれた自然の驚異について学ぶことができてとてもうれしかったです。どうもありがとう。

いとこ: とても楽しかったです。ありがとう、スティーブ。

[テーマは再生され続けます]

ストロガッツ: 聞いてくれてありがとう。 「The Joy of Why」を楽しんでいて、まだチャンネル登録していない場合は、視聴中のチャンネル登録またはフォロー ボタンを押してください。番組のレビューを残すこともできます。人々がこのポッドキャストを見つけるのに役立ちます。

「The Joy of Why」は、のポッドキャストです。 クォンタマガジン、編集上独立した出版物であり、 サイモンズ財団。サイモンズ財団による資金提供の決定は、このポッドキャストまたはポッドキャストのトピック、ゲスト、またはその他の編集上の決定の選択には影響しません。 クォンタマガジン.

「The Joy of Why」のプロデュースは、 PRXプロダクションズ。製作チームはケイトリン・フォールズ、リヴィア・ブロック、ジュヌヴィエーブ・スポンスラー、メリット・ジェイコブ。 PRX Productions のエグゼクティブプロデューサーは Jocelyn Gonzales です。モーガン・チャーチとエドウィン・オチョアは追加の支援を提供した。

クォンタマガジン、ジョン・レニーとトーマス・リンが編集指導を行い、マット・カールストローム、サミュエル・ベラスコ、ノーナ・グリフィン、アーリーン・サンタナ、マディソン・ゴールドバーグがサポートした。

テーマ音楽はAPM Musicから提供されています。ポッドキャストの名前は Julian Lin が考えました。エピソードのアートは Peter Greenwood によるもので、ロゴは Jaki King と Kristina Armitage によるものです。コロンビア・ジャーナリズム・スクールとコーネル放送スタジオのバート・オドム・リードに特に感謝します。

私はあなたのホスト、スティーブ・ストロガッツです。ご質問やご意見がございましたら、下記までメールでお問い合わせください。 [メール保護]. 聞いてくれてありがとう。