Fugler flokker seg. Græshopper svermer. Fiskeskole. Innenfor samlinger av organismer som virker som om de kan bli kaotiske, oppstår orden på en eller annen måte. Den kollektive oppførselen til dyr er forskjellig i detaljer fra en art til en annen, men de følger i stor grad prinsipper for kollektiv bevegelse som fysikere har utarbeidet gjennom århundrer. Nå, ved å bruke teknologier som først nylig ble tilgjengelig, har forskere vært i stand til å studere disse atferdsmønstrene nærmere enn noen gang før.

I denne episoden, den evolusjonære økologen Iain Couzin samtaler med medvert Steven Strogatz om hvordan og hvorfor dyr viser kollektiv atferd, flokking som en form for biologisk beregning, og noen av de skjulte fitnessfordelene ved å leve som en del av en selvorganisert gruppe i stedet for som et individ. De diskuterer også hvordan en forbedret forståelse av svermende skadedyr som gresshopper kan bidra til å beskytte global matsikkerhet.

Hør på Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, TuneIn eller din favoritt podcasting-app, eller du kan streame det fra Quanta.

Transcript

[Temaspill]

STEVEN STROGATZ: Gjennom hele dyreriket, fra bittesmå mygg til fisk, fugler, gaseller, til og med primater som oss, har skapninger en tendens til å organisere seg i store bevegelige mønstre som forfølger et tilsynelatende spontant kollektivt mål. Ofte ser ingen individuelle skapninger ut til å fungere som lederen og orkestrere disse massebevegelsene. Snarere faller dyrene bare sømløst på linje.

Og selv om det føles som om slike systemer ville vippe inn i kaos eller ustabilitet, klarer disse kollektivene på en eller annen måte å bevege seg på måter som virker usedvanlig godt koordinerte og målrettede, noe alle som har sett en mumling av stær eller en fiskestim kan bekrefte. Men hva er drivkraften bak denne oppførselen?

Jeg heter Steve Strogatz, og dette er «The Joy of Why», en podcast fra Quanta Magazine hvor min medvert Jana Levin og jeg bytter på å utforske noen av de største ubesvarte spørsmålene innen matematikk og naturfag i dag.

[Tema slutter]

I denne episoden skal vi komme til kjernen av hvorfor dyr flokker seg, svermer og går i skole. Hvordan gir de nyeste teknologiene, som kunstig intelligens og 3D-kameraer, ny innsikt? Og hva kan studiet av dyregruppedynamikk fortelle oss om oss selv, både individuelt og som kollektiv?

Her for å kaste lys over disse mysteriene er evolusjonsøkolog Iain Couzin. Iain er direktør for Institutt for kollektiv atferd ved Max Planck Institute of Animal Behavior og professor ved Universitetet i Konstanz. Blant de mange utmerkelsene han har mottatt er National Geographic Emerging Explorer Award, Lagrange-prisen, den høyeste utmerkelsen innen kompleksitetsvitenskap, og Leibniz-prisen, Tysklands høyeste forskningsutmerkelse. Iain, vi er så glade for å ha deg med oss ​​i dag.

IAIN COUZIN: Det er flott å være her, Steve.

STROGATZ: Vel, jeg er veldig glad for å se deg igjen. Vi er gamle venner, og dette kommer til å bli en virkelig godbit å høre om det siste innen kollektiv oppførsel. Men la oss begynne - jeg antar at vi burde snakke om, hvem er eksemplarene dine? Kan du fortelle oss litt om noen av dyrene, og mangfoldet av former som deres kollektive oppførsel har i systemene du har studert?

COUSIN: Vel, det er noe av det mest fantastiske med å studere kollektiv atferd. Det er at det er sentralt for så mange prosesser på livet på planeten vår at vi bokstavelig talt studerer en rekke organismer, fra det enkleste dyret på planeten - det kalles en placozoa; det er en basal phylum, muligens enkleste flercellede dyr på planeten; det er en sverm av celler, tusenvis av celler, som beveger seg mye som en fugleflokk eller en fiskeskole – opp gjennom virvelløse dyr, som maur, som har fantastisk koordinert oppførsel, eller gresshopper, som danner noen av de største, mest ødeleggende svermene, til virveldyr, som skolegang fisk, flokkende fugler, gjeting av hovdyr og primater, inkludert oss selv - mennesker.

STROGATZ: Så det ser virkelig ut til å løpe hele spekteret, hele veien fra - jeg må innrømme, jeg hadde aldri hørt om dette, fikk jeg det riktig: placozoa?

COUSIN: Placozoa, ja. Denne lille skapningen ble funnet krypende rundt på glasset med akvarier, tropiske akvarier. Du kan se det med det blotte øye. Den er omtrent en millimeter, kanskje halvannen millimeter hvis den er veldig stor. Og du vet, å se på denne bemerkelsesverdige skapningen har først virkelig nylig trukket oppmerksomheten til forskere.

Og det er i stor grad fordi denne merkelige lille, sære svermen av celler faktisk har den genetiske kompleksiteten som du vil assosiere med en mye mer sofistikert organisme. For eksempel har den et stort utvalg av nevrotransmittere, men den har ikke nevroner.

[STROGATZ ler]

Den har det som kalles Hox gener. Hox gener er i utviklingsbiologi assosiert med komplekse kroppsplaner. Den har ikke en kompleks kroppsplan. Og så kanskje du tenker, vel, denne skapningen kan ha utviklet seg til å bli mer komplisert og deretter re-utviklet for å forenkle seg selv, og derfor beholdt den disse egenskapene til kompleksitet.

Men genetiske forskere publiserte en slags landemerkeartikkel i tidsskriftet Natur som viste, nei, faktisk er dette en av de de fleste primære cellegrupper. Og selvfølgelig, kollektiv oppførsel, hvilket vakrere eksempel enn celler som samles for å danne en organisme. Du vet? Så dette er en av grunnene til at vi studerer dette: for å prøve å forstå hvordan kollektiv atferd var sentral for opprinnelsen til komplekst liv på planeten vår.

STROGATZ: Mann, dette er et tidlig stadium i intervjuet, og du har allerede satt meg i tankene. Du avsporer meg også fra det jeg trodde jeg skulle snakke med deg om. Dette er så interessant og så nytt for meg at jeg er lamslått. Jeg vil komme tilbake til denne delen av historien fordi det er slik - jeg mener, det er virkelig overraskende at de ville ha... Hørte jeg deg rett, at de har ting forbundet med å ha et nervesystem, men ikke har noe nervesystem? Og har utviklingsbiologiske gener som om de trengte å utvikle en hel komplisert kroppsplan som en fruktflue, men de har ikke en slik kropp?

COUSIN: Akkurat, akkurat. Så de kunne virkelig gi oss et hint om opprinnelsen til intelligens. Vår spesielle studie, som vi publiserte i år, du vet, vi viste at kroppsplanen de har virkelig oppfører seg veldig som en fugleflokk eller en fiskeskole, med celler som lokalt samhandler med andre og har en tendens til å justere reiseretningen.

Så de er tiltrukket av hverandre. De er på en måte koblet sammen som et elastisk ark, men de har også en tendens til å være bevegelige. De har flimmerhår, små flimmerhår på basen, så de kan flyte langs miljøet. Og kreftene de bruker på sine nære naboer får dem til å innrette seg etter hverandre.

Og så, hvis vi sporer disse cellene under et mikroskop, og vi ser på justeringen og vi ser på tiltrekningen til individene, bruker vi veldig mye de samme teknologiene, de samme modellene, den samme tenkningen som vi bruker for kollektiv atferd i fugleflokker eller fiskeskoler eller andre typer grupper men bruk det på disse dyrene.

Og så, dette er en av de tingene jeg finner mest bemerkelsesverdig med kollektiv atferd, er at selv om systemegenskapene, enten du er en celle eller om du er en fugl, er veldig forskjellige, når du ser på den kollektive handlingen, de kollektive egenskapene, matematikken som ligger til grunn for dette, faktisk kan vise seg å være veldig like. Og så kan vi finne disse, liksom, det som kalles universelle egenskaper som forbinder disse forskjellige, tilsynelatende forskjellige systemene.

STROGATZ: Vel, selvfølgelig, nå snakker du språket mitt, siden du vet, det var det som trakk meg inn i min egen fascinasjon for kollektiv atferd, er at det er de universelle matematiske prinsippene som ser ut til å gjelde opp og ned skalaen fra celler til , vel, selvfølgelig, vi liker alltid å sette oss selv på toppen.

Men, så, ok, du har tatt opp så mange forskjellige saker som vi kan tenke på. La meg prøve å gå tilbake til begynnelsen, på samme måte som jeg gjerne vil bo hos deg her med Placozoa.

Så, for eksempel, nevnte du ord som "flokker" og "skoler", og noen ganger hører vi folk snakke om "svermer", som med insekter. Er det noen grunn til at vi har tre forskjellige ord for det samme? Er de egentlig ikke det samme når vi snakker om kollektive grupper? Er det en grunn til at vi ikke bør snakke om for eksempel stimefugler eller svermende fisk?

COUSIN: Nei, jeg tror vi har utviklet disse ordene, og forskjellige språk har forskjellige ord. På tysk, som er et språk fylt med mange ord, har de faktisk relativt få. Mens på engelsk har vi mange, mange forskjellige ord. Som, du vet, for eksempel, en gruppe kråker kalles et mord på kråker.

[STROGATZ ler]

Du brukte selv tidligere et fantastisk ord, en "murring" av stær. Og jeg tror det er det, det er skjønnheten, den fengslende skjønnheten i flokk og skolegang og sverming, som har gitt opphav til disse fantastiske ordene som kan forbindes med spesielle eksempler.

Og så, jeg tror det er en veldig nyttig ting, fordi jeg tidligere la vekt på fellestrekkene, de matematiske fellestrekkene, men det er også forskjeller. Det er forskjell på en sverm av celler og en sverm av fugler. Og så, for å forstå disse systemene, må vi både vurdere prinsippene til felles, men også de som er forskjellige mellom systemene. Og på en måte fanger språket på en måte noe av det for oss på den måten at mennesker naturlig har segregert eller delt disse inn i forskjellige kategorier.

STROGATZ: Interessant. Så, du nevnte "cellesverm" og "sverm av insekter", jeg antar at det var det, og du sa at det kunne være noen forskjeller selv om vi bruker det samme ordet. Hva er de tingene vi bør skille mellom disse eksemplene?

COUSIN: Ja, jeg tror det som er veldig spennende, er hvorfor det er felles, fordi forskjellene er så store. Et dyr har en hjerne. Den tar inn kompleks sensorisk informasjon og prøver å ta avgjørelser om miljøet. Dyr er i gjennomsnitt i stand til mye mer kompleks, sofistikert atferd enn celler.

Men celler har selvfølgelig selv komplekse interne prosesser. Men deres interaksjoner domineres i større grad av fysiske krefter, av skalaen de virker på og spenningene som dannes, de fysiske spenningene som dannes i celleaggregatet.

Mens dyrene, samspillet mellom fugler i en flokk, er de usynlige. De har ingen fysisk form. Og så kan man i utgangspunktet tenke, vel, da er det bare en analogi. Faktisk vil jeg si inntil for fem til ti år siden, jeg trodde det bare var en analogi også. Jeg tenkte at disse forskjellene må være veldig viktige. Men det vi begynner å forstå er at fellestrekket de deler er beregning.

Det er at disse elementene samles for å beregne om miljøet deres på måter som de ikke kan beregne på egen hånd. Hvert individ, selv om du har en veldig kompleks menneskelig hjerne, og du går rundt i verden, med mindre du har sosiale interaksjoner med andre, eller enda mer, du vet, bygger på den kulturelle kompleksiteten som vi arver når vi er født inn i livene våre, da er vi veldig begrenset.

Og så, det er disse dype, slags veldig fascinerende spørsmålene som vi akkurat har begynt å ta opp om beregning og fremveksten av komplekst liv.

STROGATZ: Et så interessant synspunkt. Jeg visste ikke hvilket ord du skulle si når du sa at det er noe de alle har til felles. Jeg var - kunne ikke gjette, men jeg liker det: beregning.

Så du vet, det får meg til å tenke på en kjent ting som folk kan ha sett filmer av på YouTube eller på TV, der det er en fugleflokk – kanskje det er en stær – og en hauk eller en falk eller noe kommer zoomende inn mot flokken. Kanskje du burde gi oss en visuell beskrivelse av hva som skjer videre, og hvorfor tenker jeg at det har noe med beregning å gjøre i dette eksemplet?

COUSIN: Vel, jeg mener, hvis du ser på disse gruppene, vet du, når du har disse rovdyrene tilstede og angriper disse gruppene, enten det er en fiskeskole eller en fugleflokk, ser du at gruppen oppfører seg som denne typen bølgende væske. Du ser disse krusningene av lys som krysser gruppen eller krusningene av tetthet som krysser gruppen.

Og det dette er en indikasjon på er at individene faktisk kan spre informasjon om plasseringen til det rovdyret veldig raskt via sosiale interaksjoner. Så individer som ser rovdyret, for eksempel - kanskje bare noen få av dem først ser rovdyret. Men ved å snu, så blir denne oppførselen kopiert av andre, forplantes endringen av tetthet, endringen av dreining ekstremt raskt.

Og hvis vi bruker - jeg er sikker på at vi kommer til dette senere - hvis vi bruker avanserte bildeverktøy for å kvantifisere, måle, disse svingebølgene, resulterer det i en forplantningsbølge som er rundt 10 ganger raskere enn maksimalhastigheten av selve rovdyret. Så enkeltpersoner kan reagere på et rovdyr som de ikke engang ser.

Så gruppen og individene i gruppen - fordi seleksjon, naturlig seleksjon, virker på individene - typisk kan de faktisk reagere på stimuli som de ikke oppdager.

Det er litt som, du vet, et nevron som overfører informasjon via elektriske signaler. I dette tilfellet er det ikke elektriske signaler. Det er egentlig tettheten og vendingen til individene som siver over gruppen, men det gir disse individene langt informasjon hvor trusselen er, slik at de kan begynne å bevege seg bort fra den veldig raskt.

STROGATZ: Så det er, synes jeg, et veldig vakkert visuelt eksempel på hva beregning vil bety i denne sammenhengen. At vi kan se disse bølgene av panikk eller unngåelse strømme gjennom flokken. Det er så interessant at det er mye raskere enn individene ville vært i stand til å gjøre på egenhånd, og, antar jeg, raskere enn hva rovdyret kan mønstre på egen hånd.

COUSIN: En av grunnene til at dette sannsynligvis vil være, hvorfor vi tror dette er, er fordi gruppen – det naturlige utvalget, selv om det virker på individene, er det deres egnethet som betyr noe, det er en slik kollektiv fordel for alle hvis de oppfører seg på en bestemt måte.

Dette er igjen relatert til det vi har lært fra fysiske systemer, spesielt fysiske systemer nær en faseovergang. Så, et system som er nær en overgang mellom forskjellige tilstander, for eksempel mellom et fast stoff og en væske, du vet, hvis du fryser vann og det plutselig går over til et fast stoff, er den kollektive oppførselen til det systemet ganske bemerkelsesverdig i nærheten av det overgangspunkt, denne bifurkasjonen, som selvfølgelig er ditt eget studieområde. Og dette er noe vi nå vet, vi har nå veldig sterke bevis på at naturlig seleksjon skyver systemer nær disse bifurkasjonspunktene på grunn av de kollektive egenskapene, de bemerkelsesverdige kollektive egenskapene, som er utstilt.

Da vi først målte disse egenskapene, virket det som om individene trosset fysikkens lover. Informasjonen strømmet så raskt inn.

Og på, liksom tidlig på 1900-tallet, Edmund Selous, som var en bekreftet darwinist, men, du vet, også på en måte betatt av fascinasjonen for telepati i viktoriansk tid, antok han at det måtte være tankeoverføring, beskrev han det, eller telepati mellom fugler som gjorde at de kunne kommunisere så raskt.

Og selvfølgelig tenker folk, du vet, "Vel, det er latterlig, selvfølgelig kan det ikke være telepati." Men faktisk, og dette er kanskje litt kontroversielt, men faktisk tror jeg vi fortsatt ikke har en god forståelse av de sensoriske modalitetene og måten denne informasjonen siver så utsøkt raskt over hele systemet.

Jeg antyder ikke at det er telepati, selvfølgelig. Men jeg foreslår at ved å tune et system, ved å tune et kollektivt system nær dette kritiske punktet, nær dette bifurkasjonspunktet, kan det gi opphav til bemerkelsesverdige kollektive egenskaper som, for en observatør, ser fantastisk ut, for en observatør, ser bisarr. Fordi fysikken i disse regimene er bisarr, er fantastisk, er fantastisk, selv om den er forståelig av vitenskapen.

STROGATZ: Så jeg lurer bare på, når det gjelder kollektiv atferd, om naturen stiller en flokk til å være i nærheten av et eller annet punkt med ustabilitet eller kritikk. Antyder du at det er en del av det som gjør det så effektivt?

COUSIN: Ja, det er akkurat det jeg foreslår. Og så, for eksempel, vet du, igjen, en veldig nyere artikkel I løpet av de siste par årene som vi publiserte, spurte vi, vet du, hva med å få det beste fra alle verdener? Hva om, du vet, under generelle forhold vil du være stabil, du vil være robust. Men noen ganger ønsker du å bli overfølsom. Og så i naturlig utvalg, må biologiske systemer balansere denne fantastiske, slags tilsynelatende motstridende statusen av å være både robust og følsom. Hvordan kan du være både robust og sensitiv på samme tid?

Og så, vi tror at, du vet, tuning av systemet nær dette kritiske punktet, faktisk lar det skje fordi hvis systemet avviker, stabiliserer det seg faktisk. Men etter hvert som den blir presset mot det kritiske punktet, blir den utrolig fleksibel og følsom for input, for eksempel input angående det rovdyret. Så hvis en fiskestim er langt unna det kritiske punktet - for eksempel hvis de er veldig sterkt på linje med hverandre - og de oppdager et rovdyr, krever det faktisk mye innsats å snu alle disse individene. De reagerer så sterkt på hverandre at det er vanskelig for den eksterne input å endre oppførselen deres.

Hvis de på den annen side er veldig uordnet og alle beveger seg i forskjellige retninger, kan en individuell retning som endrer seg knapt oppfattes av andre, og derfor forplanter den seg ikke gjennom systemet.

Og så på denne typen mellompunkt kan de faktisk optimalisere sin evne til å oppføre seg som en gruppe og være fleksible, men å overføre informasjon. Og dette er en teori fra fysikk som har vært langvarig, men det er egentlig bare i løpet av de siste årene ved å bruke datasynsteknologi for å spore dyr i grupper og spørre, hvordan endrer du, du vet, interaksjonene dine når for eksempel verden blir mer risikabelt?

Vi vil alltid tenke som biologer: «Vel, hvis verden blir mer risikabel og farligere, vil jeg bli mer følsom for input. Jeg blir mer nervøs, det er mer sannsynlig at jeg lager falsk alarm.» Og det gjelder dyr isolert sett. Det er sant for mennesker når vi oppfører oss isolert. Men vi testet dette i dyregrupper, grupper som har utviklet seg innenfor rammen av kollektivet, og vi finner ut at det ikke stemmer med dem.

Det de gjør er at de endrer nettverket, nettverket av tilkobling, av hvordan informasjonen flyter gjennom systemet. Og de justerer det slik at de optimerer denne typen fleksibilitet-robust-avveining, dvs. de tar det inn i dette kritiske regimet slik vi hadde spådd.

STROGATZ: Hvilke typer dyr ble disse studiene gjort på?

COUSIN: Så vi jobber for det meste med små stimfisk fordi de må løse den samme typen problemer – unngå rovdyr, finne passende habitat – men de er håndterbare i et laboratoriemiljø. Så fisk har faktisk et kjemikalie, som kalles schreckstoff, som på tysk bokstavelig talt betyr "skummelt". Og schreckstoff frigjøres naturlig, hvis et rovdyr angriper en fisk, må det slippe ut dette kjemikaliet.

Så vi kan sette schreckstoff i vannet, så det er ingen plassering av et rovdyr, men individers vurdering av dette miljøet endres, verden har blitt mer risikabel.

Så hva gjør du, endrer du det som skjer i hjernen din? Endrer du hvordan du samhandler med omgivelsene? Blir du mer redd, som er det naturlige vi kanskje tror dyr gjør?

Eller, hvis du forestiller deg, i et nettverkssystem, i et kollektivt system, endrer du topologien til det nettverket, det sosiale nettverket, måten du kommuniserer med andre på? For det kan også endre responsen på trusler, på grunn av denne bølgen av snu som vi snakket om før.

Så det vi fant var at individer ikke forandrer seg. Det som skjer er at nettverket endres. Individene flytter for å endre strukturen til det nettverket, og det er det som gjør at gruppen plutselig blir mer sensitiv og mer fleksibel.

Folk pleide for eksempel å ha en proxy, som er at individer som er nær hverandre må samhandle sterkere. Men, som du kan tenke på i hverdagen, kan du sitte ved siden av en helt fremmed på bussen, og faktisk ikke være sosialt sterkt knyttet til dem i gjennomsnitt. Så det sosiale nettverket som enkeltpersoner opplever kan være svært forskjellig fra det som er enkelt å måle.

Så det vi har gjort er - vel, det er ganske komplisert. Men det vi kan gjøre er å rekonstruere verden fra deres perspektiv. Og vi bruker en teknikk som kommer fra videospill og datagrafikk kalt raycasting, der vi kaster lysstråler på netthinnen til individene slik at vi kan se en slags datastyrt representasjon av hva de ser for hvert øyeblikk i tid. Men det vi ikke vet er hvordan i all verden behandler de det?

Og så igjen, vi kan bruke maskinlæringsmetoder, fordi hver hjerne har utviklet seg til å gjøre det samme. Det er tatt kompleks sensorisk informasjon - som folk som lytter til oss i dag. Det er en kompleks akustisk informasjon, men de kan kjøre bil eller kanskje lage mat, så de har også kompleks visuell og luktinformasjon, men hjernen deres må ta all denne kompleksiteten og redusere den ned til det som kalles dimensjonalitetsreduksjon, til en beslutning eller i "hva skal jeg gjøre videre?" Og vi har visst veldig, veldig lite om hvordan ekte dyr gjør dette.

Men vi kan rekonstruere synsfeltene deres, og så kan vi bruke de samme typene teknikker for å redusere dimensjonaliteten, for å forstå hvordan hjernen reduserer denne kompleksiteten til bevegelsesbeslutninger?

Og fiskene vi studerte, de har et veldig lite antall nevroner på baksiden av hjernen som dikterer alle bevegelsene deres. Så hjernen må ta inn over seg all denne kompleksiteten, og den må redusere den, og den må ta beslutninger. Og jeg synes det er et fantastisk spørsmål i biologi om hvordan hjerner gjør det?

STROGATZ: Først av alt kan jeg fortelle at jeg må lese papirene dine oftere. Du sa noe om å skinne lys på netthinnen til fisken for så å se hva de ser, eller for å ha en følelse av at du vet hva de ser på? Hørte jeg det riktig?

COUSIN: Ja, det er ikke bokstavelig talt å skinne et lys, faktisk. Det hele gjøres digitalt. Så forestill deg at du har en fiskeskole på et øyeblikksbilde i tid, et frossent øyeblikk i tid. Programvaren vår sporer posisjonen og også kroppsholdningen til hver av disse fiskene. Og det vi kan gjøre er at vi nå kan lage en tredimensjonal datamaskinversjon av den scenen, som i et videospill. Vi kan da spørre, hva ser hver enkelt? Så vi kan sette kameraer i øynene til enkeltmennesker.

Og så, raycasting er litt som raytracing, som brukes i datagrafikk, som bare er banene for lys som faller på netthinnen. Og vi gjør alt dette digitalt, slik at vi kan lage en digital analog av virkeligheten. Vi kan da se for å se hvordan lys ville falle på netthinnen i den virtuelle scenen, en slags fotorealistisk virtuell scene. Og så det gir oss det første laget: Hva er informasjonen som kommer inn til den enkelte?

Og så er selvfølgelig det store spørsmålet vi ønsker å stille, hvordan behandler hjernen det? Hvordan tar hjernen ned den kompleksiteten, og hvordan tar den beslutninger? Hvordan beveger for eksempel væskeflokker og fiskestimer seg så uanstrengt og så vakkert med så få kollisjoner, og likevel har biler på en motorvei en tendens til å slite med å ha kollektiv bevegelse? Jeg mener, er det noe vi kan lære av årtusener med naturlig utvalg som vi deretter kan bruke på kjøretøy og roboter?

Så det er også et anvendt element for å prøve å forstå dette. Jeg ønsker å forstå det i stor grad fordi jeg synes det er fascinerende, men det oversettes faktisk til virkelige applikasjoner i visse tilfeller.

STROGATZ: Vi kommer tilbake.

[Pause for annonseinnsetting]

STROGATZ: Velkommen tilbake til «The Joy of Why».

Jeg vil gjerne gå tilbake til noe du sa tilbake i introduksjonen da du gikk på tvers av skalaene fra cellulære opp til primater, og så videre. Folk er kanskje ikke så kjent med gresshoppeeksemplet, og jeg lurer på om vi kunne snakke om noen av — la oss kalle dem virkelige eller til og med økonomiske aspekter ved flokking, fordi gresshopper har en stor innvirkning på verden, større enn jeg hadde. realisert. Jeg mener, jeg ser på litt statistikk her i notatene mine om at gresshopper i pestår invaderer mer enn en femtedel av verdens landdekke.

COUSIN: Yeah.

STROGATZ: Kan du tro det? Og påvirke levebrødet til én av 10 mennesker på planeten. Så kan du snakke litt med oss ​​om den typen forskning og hvordan den relaterer seg til spørsmål om global matsikkerhet?

COUSIN: Ja, du har helt rett. Og jeg synes dette er ganske forbløffende. Du vet, som du nettopp sa, påvirker de én av 10 mennesker på planeten vår gjennom matmangel og matsikkerhet. Og det gjør de ofte i land, vet du, som Yemen og Somalia, som har store problemer, store konflikter og borgerkriger, og så videre.

Men også på grunn av klimaendringer, utvides utvalget av gresshopper over store deler av området. Og så, jeg mener, for øyeblikket står Afghanistan i år overfor en stor krise i matbassenget. For et par år siden var det Madagaskar. Et år eller to før det var det Kenya som hadde den største svermen på 70 år.

Så hvorfor, vet du, med alle de moderne teknologiene vi har for overvåking, hvorfor blir svermene mer voldsomme og mer alvorlige, vet du? Og en av grunnene er klimaendringer. Det er det, du vet, det som skjer med disse svermene er - så gresshopper, det kan være overraskende for lyttere å vite dette, men gresshopper liker faktisk ikke å være i nærheten av hverandre. De er sjenerte, kryptiske grønne gresshopper som liker å bli stående alene. Så hvis de har rikelig med mat, er de bare isolert fra hverandre. De unngår hverandre. Det er først når de blir tvunget til å komme sammen, de skifter.

Så de er vanligvis det som kalles ensomme, på grunn av deres ensomme livsstil. Men hvis de blir tvunget til å komme sammen, har de utviklet seg til en overgang. De er liksom Jekyll og Hyde av insektverdenen. De har utviklet seg til å gå over ganske plutselig, i løpet av en time, atferdsmessig, til en selskapelig form, hvor de begynner å marsjere mot hverandre og følge hverandre.

En annen ting folk kanskje ikke vet er at gresshopper faktisk ikke har vinger de første månedene av livet. Og så når gresshopper blir født, er de flyløse. De er disse flygeløse nymfene. Det er først når de er voksne at de har vinger.

Og så, det som skjer her er at når regnet kommer inn i Afrika, for eksempel, eller inn i India, eller inn i andre områder, så kan du ha frodig vegetasjon, og den lille gresshoppepopulasjonen kan spre seg som slike kryptiske gresshopper, de kan vokse i befolkningsstørrelse. Nå, når den bestanden vokser, spiser de mer og mer og mer, og ofte kan det også komme tørke.

Nå, hvis du har en høy befolkningstetthet, og så plutselig forsvinner maten, så er det gresshoppene gjør at de har utviklet seg til å gå over til denne selskapelige formen, hvor de begynner å marsjere sammen. De begynner alle å bevege seg sammen. Disse svermene kan være milliarder av individer - så langt du kan se, marsjerer alle gresshopper unisont, som om de hadde et felles formål. Og når de først har fått vinger, kan de fly. Og så blir det enda verre, fordi de kan få tilgang til passatvinden eller andre, du vet, miljøforhold, der de kan overføre seg selv som massive svermer over hundrevis eller til og med tusenvis av kilometer. Og så, dette er en av de største og mest ødeleggende kollektive atferdene vi har på planeten vår.

STROGATZ: Huff, jeg kan ikke si at jeg er veldig kjent med ideen om gresshopper som marsjerer. Vi er vant til å tenke på dem som disse skyene, du vet, som svermer i luften. Men fortell oss litt mer om marsjen, for jeg husker vagt noen forbløffende forskning dere med det kannibalistiske aspektet ved gresshopper, er det det rette ordet å bruke?

COUSIN: Ja, det var i 2008, og - men du har rett, du vet, disse enorme flokkene eller svermene eller skyene av gresshopper som går over store avstander, vet du, vi vet ikke mye om dem fordi vi ikke hadde teknologi for å studere det. Faktisk har vi fortsatt ikke teknologien til å studere det. Så det er ikke det at det ikke er viktig, det er utrolig viktig.

Men vi vet også at det som går foran disse flygende svermene - jeg mener, den flyvende svermen er litt som en skogbrann som allerede har kommet ut av kontroll. Nå vil du virkelig få problemer med å kontrollere det. Men hvis du kan kontrollere det før de vokser vinger, vet du, når de danner disse svermene i ørkenen eller disse miljøene før det, så er det et stort potensiale.

Og så, av praktiske årsaker, fokuserte vi på disse vingeløse svermene. Og faktisk, du vet, selv om du har rett, begynte jeg å studere disse på midten av 2000-tallet, vi er nå, jeg går nå tilbake til gresshopper, og jeg studerer dem nå igjen.

Vi har nettopp skapt verdens første ordentlige sverm i laboratoriemiljøet noensinne, tidligere i år, hvor vi sporet 10,000 15 gresshopper i et 15 x 8 x XNUMX meter bildemiljø som vi bygget her spesielt for formålet, her i Konstanz. Så det er morsomt at du nevner det, for forskningen min går nå på en måte tilbake til det samme systemet.

Men, ja, som du sa, det vi oppdaget var, du vet, disse insektene, vel, hvorfor marsjerer de sammen? Hvorfor er de det - vet du, og vi trodde først at det måtte være som fiskestimer og fugleflokker. Det må handle om informasjon. Det må handle om kollektiv intelligens. Vel, vi tok feil. Og så dette er den store faren. Hvis du ser, du vet, en sverm av maur som beveger seg i en sirkel, beveger seg i en slags mølle, og du ser en fiskestime, for eksempel, snur seg i en torus eller et slags smultringlignende mønster, eller du ser en virvelvind, dette er alle mønstre som ser like ut, men de kan være drevet av veldig, veldig forskjellige fenomener.

Og jeg tror jeg ble villedet i å tenke, vet du, når du ser kollektiv bevegelse, må det være lignende prosesser som ligger til grunn. Men når det gjelder gresshopper, var det ikke denne typen informasjonsoverføringshypoteser. Det var faktisk det faktum at i disse ørkenmiljøene, når maten plutselig blir kort, mangler du desperat essensielle næringsstoffer, spesielt i ørkenen: protein, salt og vann.

Og hva er bedre for deg i denne typen tøffe miljø enn et annet individ? Fordi de er perfekt balansert ernæringsmessig sammensetning. Så det individene gjør er at de er tiltrukket av hverandre, og de har en tendens til å kannibalisere hverandre. Så de har utviklet seg til å følge de som beveger seg bort, for å prøve å bite dem på baksiden av magen, som er veldig vanskelig å forsvare seg mot. Hodet er tungt pansret, men baksiden av magen er et svakt punkt av åpenbare grunner, det må være en åpning der.

Og så målretter de det, men da unngår de også å bli målrettet av andre. Og resultatet av å følge de som beveger seg bort fra deg og beveger seg bort fra de som beveger seg mot deg resulterer i at hele svermen begynner å marsjere sammen over dette ørkenmiljøet.

Og de har også nytte av å advectere, ved å flytte ut av næringsfattige områder sammen. Fordi, du vet, hvis du setter et menneske i ørkenen, vil et menneske ha en tendens til å bli desorientert og ha en tendens til å bevege seg rundt i sirkler. Samme med en gresshoppe. Men hvis du setter dem i en sverm, den kollektive justeringen, synkroniteten mellom individene, du vet, hundrevis av millioner av individer som stiller seg på linje med hverandre, kan de marsjere på en veldig rettet måte ut av disse næringsfattige miljøene. Og de kan også sumpe rovdyr. Du vet, rovdyr kan bare ikke gjøre mye ut av et innrykk her.

STROGATZ: Det får meg til å lure på, faktisk, når vi snakker om alle disse eksemplene, hvordan ble du interessert i alt dette, tilbake i gamle dager? Du nevnte at dette var tilbake i 2008?

COUSIN: Ja, det var den avisen i 2008.

STROGATZ: Ja, du var opptatt med dette selv før det, ikke sant?

COUSIN: Ja, jeg tok doktorgraden min. på slutten av nittitallet på maur. Jeg ble fascinert av mauroppførsel. Og for å være ærlig, startet det med en lidenskap for naturen og en besettelse av bare naturhistorie og å observere det som var rundt oss.

Jeg tenkte, som barn, må det være en ekspert som forstår hvorfor svermer dannes, hvorfor fiskeskoler, hvorfor fugler flokker seg. Jeg tenkte at dette måtte være noe alle studerer.

Jeg var kunstner som barn. Jeg var veldig interessert i kreativ skriving og poesi og kunst. Så jeg ble først tiltrukket av den rene skjønnheten, fascinasjonen av skjønnheten til disse.

Og på videregående var jeg ingen stor elev i realfag. Jeg drev med keramikk og malte. Og da jeg gikk på universitetet, husker jeg at pappa sa til meg: «Du vet, sønn, du burde gjøre det du er god til. Gjør engelsk eller kunst. Du er ikke en vitenskapsmann, du er en naturforsker, vet du?» Og han hadde rett. Han hadde helt rett.

Og det var senere da jeg tok en biologigrad, og jeg visste at i den aller første forelesningen av biologiforelesningen min, visste jeg at dette var det rette for meg, jeg visste det. Og jeg oppdaget at det er hele denne verdenen av statistisk fysikk. Disse papirene kom ut på den tiden, og de satte meg i tankene fordi de var forfattere som så dype matematiske prinsipper på tvers av systemer.

Min Ph.D. rådgiver sa, du vet, for å få en jobb, bør du bli verdensekspert på en maurart, og da kan du være verdifull. Men jeg leste dette arbeidet til forskere som gjorde det stikk motsatte. De studerte alt, fra fysiske systemer til biologiske systemer, og de så disse prinsippene. Og også, mønstrene og strukturene og resultatene de fant var bare naturlig vakre. Og så tenkte jeg, dette må være riktig. Dette må være den rette måten å drive vitenskap på. Og så, på den tiden, ble jeg nettopp dratt inn i fysikkens verden.

STROGATZ: Har du noen gang hatt gleden av å snakke med faren din etterpå om retningsendringen din?

COUSIN: Jeg trodde aldri at faren min husket dette. Og så da jeg ble forfremmet fra adjunkt til professor ved Princeton University, fikk jeg en telefon fra lederen av avdelingen som sa: "Gratulerer, professor Couzin." Og du vet, jeg ble helt overveldet, så selvfølgelig ringte jeg mamma og pappa, og pappa tok telefonen, og så sa han: "Og for å tro at jeg kalte deg naturforsker." Det er den eneste gangen, det er tiår senere. Jeg visste aldri at han husket denne diskusjonen.

STROGATZ: Vel, det er en god historie, det er en veldig god historie. Vi liker å snakke om store ubesvarte spørsmål i dette showet, og så, hva ser du på som noen av de største ubesvarte spørsmålene om flokker og skoler og kollektiv oppførsel generelt?

COUSIN: Vel, det gjør jeg absolutt. Og dette får meg inn på emnet som jeg er så spent på nå. Så igjen, tidligere i karrieren min, tenkte jeg, du vet, hjernen, selvfølgelig, er en fantastisk kollektiv beregningsenhet, et av de vakreste eksemplene, du vet. Hvordan tar hjernen beslutninger? Og det er en samling av nevroner, og selvfølgelig har vi maursvermer, eller gresshoppesvermer, eller fugleflokker, eller fiskestimer, alle disse forskjellige komponentene samhandler sammen. Så, er det noe som forbinder disse forskjellige systemene dypt, eller ikke? Og det jeg er fascinert av for øyeblikket er kollektiv beslutningstaking, og spesielt kollektiv beslutningstaking i rommet.

Så hvordan representerer hjernen rom-tid? Og hvilken betydning har det med tanke på beslutninger? Og hva i all verden har det med kollektiv oppførsel til dyr å gjøre? Det jeg innså for fem år siden, er at jeg tror det er en dyp matematisk likhet, og jeg tror det er dype geometriske prinsipper om hvordan hjernen representerer rom og også tid.

Og noe av det mest spennende her er bruken av matematikk igjen. Du vet, jeg droppet matte da jeg var 16 år gammel, og jeg har nettopp tilbrakt et sabbatsår ved Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences ved Cambridge University som en fremtredende stipendiat. Likevel kan jeg ikke løse en ligning, vet du?

Så jeg er det, men jeg elsker det faktum at jeg kan jobbe med fantastiske matematikere. Og ved å jobbe med fysikere og matematikere og biologer, og ved å utføre eksperimenter på dyr i virtuell virkelighet – har vi bygget en rekke teknologier her. Så vi kan ikke sette et headset som en Meta Quest 3 på en fisk som er mindre enn en centimeter lang. Men vi kan lage virtuelle, oppslukende, holografiske miljøer, slik at vi kan kontrollere inndataene fullstendig. Vi kan fullstendig kontrollere årsakssammenhengene.

Hvis, du vet, jeg påvirker deg og du påvirker meg, og så er det en tredje person, påvirker de meg direkte eller via deg? Eller begge? Eller en fjerde person eller femte? Og i våre virtuelle virkelighetsmiljøer kan vi sette disse individene inn i det vi kaller Matrix, som i filmen, der hvert individ er i sin egen holografiske verden og samhandler i sanntid med hologrammer av andre individer.

Men i denne verden kan vi leke med fysikkens regler. Vi kan leke med reglene for rom og tid for å forstå bedre, hvordan integrerer hjernen disse?

Og så, dette er virkelig forvirret fordi vi kan vise at hjernen ikke representerer rommet på en euklidisk måte. Det representerer rom i et ikke-euklidisk koordinatsystem. Og vi kan da matematisk vise hvorfor dette er så viktig, som er at når du begynner å forholde deg til tre eller flere alternativer, så kan faktisk forvrengning av romtid, noe som gjør rommet ikke-euklidisk, dramatisk redusere kompleksiteten til verden til en serie bifurkasjoner. Og nær hver bifurkasjon forsterker den forskjellene mellom de gjenværende alternativene. Så det er denne vakre indre strukturen.

Og så, vi tror vi har denne universelle teorien om hvordan hjernen tar romlige beslutninger som vi aldri kunne ha fått til uten å se på en rekke organismer som fisk og gresshopper og fluer i disse typene virtuelle virkelighetsmiljøer, og så er det det jeg er super begeistret for.

[Temaspill]

STROGATZ: Vel, jeg gleder meg til å høre om alt dette mens du finner ut av det. Jeg kunne fortsette med deg hele dagen, men jeg tror det er på tide å si takk. Vi har snakket med evolusjonsøkolog Iain Couzin om flokking, sverming, skolegang og all slags kollektiv atferd. Iain, det har vært en fornøyelse å lære om hva du holder på med og naturens undere at du har hjulpet med å løse opp for oss alle. Tusen takk.

COUSIN: Det har vært en fornøyelse. Takk, Steve.

[Temaet fortsetter å spilles]

STROGATZ: Takk for at du lyttet. Hvis du liker «The Joy of Why» og du ikke allerede abonnerer, trykker du på abonner eller følg-knappen der du lytter. Du kan også legge igjen en anmeldelse av showet. Det hjelper folk å finne denne podcasten.

«The Joy of Why» er en podcast fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon støttet av Simons Foundation. Finansieringsbeslutninger fra Simons Foundation har ingen innflytelse på valg av emner, gjester eller andre redaksjonelle beslutninger i denne podcasten eller i Quanta Magazine.

«The Joy of Why» er produsert av PRX Productions. Produksjonsteamet er Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler og Merritt Jacob. Den utøvende produsenten av PRX Productions er Jocelyn Gonzales. Morgan Church og Edwin Ochoa ga ytterligere hjelp.

Fra Quanta Magazine, John Rennie og Thomas Lin ga redaksjonell veiledning, med støtte fra Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana og Madison Goldberg.

Temamusikken vår er fra APM Music. Julian Lin kom opp med podcastnavnet. Episoden er av Peter Greenwood og logoen vår er av Jaki King og Kristina Armitage. Spesiell takk til Columbia Journalism School og Bert Odom-Reed ved Cornell Broadcast Studios.

Jeg er verten din, Steve Strogatz. Hvis du har spørsmål eller kommentarer til oss, vennligst send oss ​​en e-post på [e-postbeskyttet]. Takk for at du lyttet.