Stado ptaków. Rój szarańczy. Szkoła ryb. W obrębie zespołów organizmów, które wydają się być chaotyczne, w jakiś sposób pojawia się porządek. Zbiorowe zachowania zwierząt różnią się szczegółami w zależności od gatunku, ale w dużej mierze są zgodne z zasadami ruchu zbiorowego, które fizycy wypracowywali przez stulecia. Teraz, korzystając z technologii, które stały się dostępne dopiero niedawno, badacze byli w stanie zbadać te wzorce zachowań dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej.

W tym odcinku ekolog ewolucyjny Ian Couzin rozmawia ze współgospodarzem Stevena Strogatza o tym, jak i dlaczego zwierzęta wykazują zachowania zbiorowe, gromadzenie się jako forma obliczeń biologicznych oraz niektóre ukryte zalety sprawności wynikające z życia w samoorganizującej się grupie, a nie jako jednostka. Dyskutują także, w jaki sposób lepsze zrozumienie rojących się szkodników, takich jak szarańcza, mogłoby pomóc w ochronie światowego bezpieczeństwa żywnościowego.

Nasłuchiwać Podcasty Apple, Spotify, Podcasty Google, Dostroić lub swoją ulubioną aplikację do podcastów, lub możesz przesyłaj strumieniowo z Quanta.

Transkrypcja

[Odtwarzanie motywu]

STEVEN STROGATZ: W całym królestwie zwierząt, od małych komarów po ryby, ptaki, gazele, a nawet naczelne takie jak my, stworzenia mają tendencję do organizowania się w duże, poruszające się wzory, które realizują pozornie spontaniczny wspólny cel. Często wydaje się, że żadna pojedyncza istota nie pełni roli przywódcy kierującego tymi masowymi ruchami. Raczej zwierzęta po prostu płynnie dopasowują się do linii.

I choć wydaje się, że takie systemy pogrążą się w chaosie lub niestabilności, kolektywom tym w jakiś sposób udaje się poruszać w sposób, który wydaje się wyjątkowo dobrze skoordynowany i celowy, co może potwierdzić każdy, kto widział szmer szpaków lub ławicę ryb. Ale jaka jest siła napędowa tego zachowania?

Nazywam się Steve Strogatz, a to jest podcast „The Joy of Why” z serwisu Magazyn Quanta gdzie mój współgospodarz Jana Lewina i na zmianę zgłębiam niektóre z najważniejszych pytań, jakie we współczesnej matematyce i naukach ścisłych pozostają bez odpowiedzi.

[Temat się kończy]

W tym odcinku dotrzemy do sedna tego, dlaczego zwierzęta gromadzą się, roją i gromadzą. W jaki sposób najnowsze technologie, takie jak sztuczna inteligencja i kamery 3D, zapewniają nowy wgląd? I co badanie dynamiki grup zwierząt może nam powiedzieć o nas samych, zarówno indywidualnie, jak i jako zbiorowości?

Aby rzucić światło na te tajemnice, przybył ekolog ewolucyjny Ian Couzin. Iain jest dyrektorem Katedry Zachowań Zbiorowych w Instytucie Zachowań Zwierząt im. Maxa Plancka i profesorem zwyczajnym na Uniwersytecie w Konstancji. Wśród wielu otrzymanych przez niego wyróżnień znajduje się nagroda National Geographic Emerging Explorer Award, Nagroda Lagrange’a, najwyższe wyróżnienie w dziedzinie nauki o złożoności, oraz Nagroda Leibniza, najwyższe niemieckie wyróżnienie badawcze. Iain, jesteśmy bardzo szczęśliwi, że jesteś dzisiaj z nami.

IAIN COUZIN: Wspaniale jest tu być, Steve.

STROGATZ: Cóż, bardzo się cieszę, że cię znowu widzę. Jesteśmy starymi przyjaciółmi i naprawdę miło będzie usłyszeć o najnowszych zachowaniach zbiorowych. Ale zacznijmy — myślę, że powinniśmy porozmawiać o tym, kim są twoje okazy? Czy mógłbyś opowiedzieć nam trochę o niektórych zwierzętach i różnorodności form, jakie przyjmują ich zbiorowe zachowanie w systemach, które badałeś?

KUZIN: Cóż, to jedna z najbardziej niesamowitych rzeczy w badaniu zachowań zbiorowych. Dzieje się tak dlatego, że ma on kluczowe znaczenie dla tak wielu procesów zachodzących na naszej planecie, że dosłownie badamy całą gamę organizmów, począwszy od najprostszego zwierzęcia na planecie — zwanego placozoa; jest to typ podstawowy, prawdopodobnie najprostsze zwierzę wielokomórkowe na planecie; jego rój komórektysiące komórek, poruszających się jak stado ptaków lub ławica ryb — poprzez bezkręgowce, takie jak mrówki, które charakteryzują się niesamowicie skoordynowanym zachowaniem, lub szarańczę, która tworzy jedne z największych i najbardziej niszczycielskich rojów, aż po kręgowce, takie jak ławice ryby, stada ptaków, stada zwierząt kopytnych i naczelne, w tym my sami – ludzie.

STROGATZ: Zatem wydaje się, że obejmuje to całą gamę, począwszy od — muszę przyznać, nigdy o tym nie słyszałem, dobrze zrozumiałem: placozoa?

KUZIN: Placozoa, tak. To małe stworzenie znaleziono pełzające po szybie akwariów tropikalnych. Można to zobaczyć gołym okiem. Ma około milimetra, może półtora milimetra, jeśli jest bardzo duży. I wiesz, przyglądanie się temu niezwykłemu stworzeniu dopiero niedawno przyciągnęło uwagę naukowców.

Dzieje się tak głównie dlatego, że ten dziwny, mały, dziwaczny rój komórek w rzeczywistości ma złożoność genetyczną, którą można skojarzyć ze znacznie bardziej wyrafinowanym organizmem. Na przykład ma szeroki zakres neuroprzekaźników, ale nie ma neuronów.

[STROGATZ się śmieje]

Posiada tzw Hox geny. Hox geny są w biologii rozwoju powiązane ze złożonymi planami ciała. Nie ma złożonego planu budowy ciała. Być może więc pomyślisz, że to stworzenie mogło ewoluować, stając się bardziej skomplikowane, a następnie ponownie ewoluowało, aby się uprościć i dlatego zachowało cechy złożoności.

Jednak badacze genetyki opublikowali w czasopiśmie coś w rodzaju przełomowego artykułu Natura co pokazało, że nie, w rzeczywistości jest to jeden z większość pierwotnych grup komórek. I oczywiście zachowanie zbiorowe, co jest piękniejszym przykładem niż połączenie się komórek w organizm. Wiesz, że? Jest to jeden z powodów, dla których to badamy: próba zrozumienia, w jaki sposób zachowania zbiorowe odegrały kluczową rolę w początkach złożonego życia na naszej planecie.

STROGATZ: Kurczę, to dopiero wczesny etap rozmowy kwalifikacyjnej, a już mnie zadziwiasz. Wytrącasz mnie również z tego, o czym myślałem, że będę z tobą rozmawiać. To jest dla mnie tak interesujące i tak nowe, że jestem oszołomiony. Chcę wrócić do tej części historii, ponieważ jest tak… to znaczy, to naprawdę zaskakujące, że oni… Czy dobrze słyszałem, że mają pewne rzeczy związane z posiadaniem układu nerwowego, ale go nie mają? I mają rozwojowe geny biologiczne, jakby musiały wyewoluować cały skomplikowany plan ciała jak muszka owocowa, ale nie mają takiego ciała?

KUZIN: Dokładnie dokładnie. Mogą więc naprawdę dać nam wskazówkę dotyczącą początków inteligencji. Nasze konkretne badanie, który opublikowaliśmy w tym roku, pokazaliśmy, że plan ciała tych organizmów rzeczywiście zachowuje się bardzo podobnie do stada ptaków lub ławicy ryb, gdzie komórki lokalnie oddziałują z innymi i mają tendencję do wyrównywania kierunku ich podróży.

Więc przyciągają się do siebie. Są w pewnym sensie połączone ze sobą jak elastyczna płachta, ale zwykle są również ruchliwe. Mają rzęski, małe rzęski na podstawie, dzięki czemu mogą przepływać przez otoczenie. A siły, które przykładają do swoich bliskich sąsiadów, powodują, że dopasowują się do siebie.

Zatem jeśli śledzimy te komórki pod mikroskopem, przyglądamy się wyrównaniu i atrakcyjności poszczególnych osób, używamy w dużej mierze tych samych technologii, tych samych modeli, tego samego sposobu myślenia, którego używamy do zachowania zbiorowe w stadach ptaków lub ławice rybne lub inne typy grup ale zastosuj to do tych zwierząt.

A więc jedną z rzeczy, które uważam za najbardziej niezwykłą w zachowaniach zbiorowych, jest to, że chociaż właściwości systemu, niezależnie od tego, czy jesteś komórką, czy ptakiem, są bardzo różne, jeśli spojrzysz na działanie zbiorowe, zbiorowe właściwości, leżąca u ich podstaw matematyka, w rzeczywistości mogą okazują się bardzo podobne. W ten sposób możemy znaleźć tak zwane uniwersalne właściwości, które łączą te różne, pozornie odmienne systemy.

STROGATZ: Cóż, oczywiście, teraz mówisz moim językiem, ponieważ, wiesz, to właśnie wciągnęło mnie w moją fascynację zachowaniami zbiorowymi, a mianowicie fakt, że istnieją uniwersalne zasady matematyczne, które wydają się mieć zastosowanie w górę i w dół skali od komórek do , oczywiście, zawsze lubimy stawiać się na szczycie.

Ale OK, poruszyłeś tak wiele różnych kwestii, żebyśmy mogli się nad nimi zastanowić. Pozwólcie, że spróbuję wrócić do początku, tak bardzo chciałbym zostać z wami tutaj, z Placozoa.

Na przykład wspomniałeś słowa takie jak „stada” i „szkoły”, a czasem słyszymy, jak ludzie mówią o „rojach”, na przykład o owadach. Czy jest jakiś powód, dla którego mamy trzy różne słowa na to samo? Czy nie są one w istocie tym samym, gdy mówimy o grupach zbiorowych? Czy jest powód, dla którego nie powinniśmy rozmawiać o ptakach szkolących się lub rojących się rybach?

KUZIN: Nie, myślę, że opracowaliśmy te słowa, a różne języki mają różne słowa. W języku niemieckim, który jest językiem obfitującym w wiele słów, jest ich stosunkowo niewiele. Podczas gdy w języku angielskim mamy wiele, wiele różnych słów. No wiesz, na przykład grupa wron nazywa się morderstwem wron.

[STROGATZ się śmieje]

Sam wcześniej użyłeś cudownego słowa „szmer” szpaków. I myślę, że to właśnie piękno, urzekające piękno stada, gromadzenia się i rojenia dało początek tym wspaniałym słowom, które można skojarzyć z konkretnymi przykładami.

Myślę więc, że to bardzo przydatna rzecz, ponieważ wcześniej podkreślałem podobieństwa, podobieństwa matematyczne, ale są też różnice. Istnieje różnica pomiędzy rojem komórek a rojem ptaków. Aby więc zrozumieć te systemy, obaj musimy wziąć pod uwagę wspólne zasady, ale także te, które różnią się między systemami. W pewnym sensie język oddaje nam to w sposób, w jaki ludzie w naturalny sposób segregują lub dzielą je na różne kategorie.

STROGATZ: Ciekawy. Więc wspomniałeś o „roju komórek” i „roju owadów”, myślę, że tak było i powiedziałeś, że mogą istnieć pewne różnice, mimo że używamy tego samego słowa. Co powinniśmy rozróżnić pomiędzy tymi przykładami?

KUZIN: Tak, myślę, że naprawdę ekscytujące jest to, że istnieje podobieństwo, ponieważ różnice są tak głębokie. Zwierzę ma mózg. Przyjmuje złożone informacje zmysłowe i próbuje podejmować decyzje dotyczące otoczenia. Zwierzęta są zdolne do znacznie bardziej złożonych i wyrafinowanych zachowań niż komórki.

Ale komórki oczywiście same mają złożone procesy wewnętrzne. Ale ich interakcje są zdominowane w większym stopniu przez siły fizyczne, przez skalę, na jaką działają i powstające napięcia, napięcia fizyczne, które tworzą się w agregacie komórkowym.

Natomiast zwierzęta i interakcje między ptakami w stadzie są niewidoczne. Nie mają formy fizycznej. I tak początkowo można pomyśleć, cóż, wtedy to tylko analogia. Prawdę mówiąc, powiedziałbym, że jeszcze jakieś pięć do dziesięciu lat temu też myślałem, że to tylko analogia. Pomyślałem, że te różnice muszą być bardzo istotne. Ale zaczynamy rozumieć, że wspólną cechą, którą dzielą, jest obliczanie.

Chodzi o to, że te elementy łączą się, aby obliczyć swoje środowisko w sposób, którego nie są w stanie wykonać samodzielnie. Każda jednostka, nawet jeśli ma bardzo złożony ludzki mózg i krąży po świecie, chyba że wchodzi w interakcje społeczne z innymi, a nawet bardziej, wiesz, opiera się na złożoności kulturowej, którą dziedziczymy, kiedy rodzimy się w naszym życiu, wtedy jesteśmy bardzo ograniczeni.

Istnieją więc głębokie, bardzo fascynujące pytania, które dopiero zaczynamy rozwiązywać, dotyczące obliczeń i pojawiania się złożonego życia.

STROGATZ: Taki ciekawy punkt widzenia. Nie wiedziałem, jakie słowo chcesz powiedzieć, mówiąc, że jest coś, co ich wszystkich łączy. Byłem — nie mogłem zgadnąć, ale podoba mi się to: liczenie.

Wiesz, na myśl przychodzi mi słynna rzecz, którą ludzie mogli oglądać w filmach na YouTube lub w telewizji, gdzie jest stado ptaków – może to szpak – i jastrząb, sokół lub coś zbliżającego się do stado. Może powinieneś dać nam wizualny opis tego, co dzieje się dalej i dlaczego uważam, że w tym przykładzie jest coś wspólnego z obliczeniami?

KUZIN: Cóż, mam na myśli, że jeśli spojrzysz na te grupy, wiesz, kiedy są obecne drapieżniki i atakują te grupy, niezależnie od tego, czy jest to ławica ryb, czy stado ptaków, widzisz, że grupa zachowuje się jak rodzaj falującego płynu. Widzisz te zmarszczki światła przechodzące przez grupę lub zmarszczki gęstości przechodzące przez grupę.

Wskazuje to na to, że jednostki mogą w rzeczywistości bardzo szybko przekazywać informacje o lokalizacji drapieżnika poprzez interakcje społeczne. Na przykład osobniki, które widzą drapieżnika — może początkowo tylko kilka z nich widzi drapieżnika. Ale poprzez obracanie się i kopiowanie tego zachowania przez innych, zmiana gęstości, zmiana skrętu rozprzestrzenia się niezwykle szybko.

A jeśli użyjemy – jestem pewien, że dojdziemy do tego później – jeśli użyjemy zaawansowanych narzędzi obrazowania do ilościowego określenia i zmierzenia fal skrętu, w rezultacie powstanie fala propagująca się około 10 razy szybciej niż prędkość maksymalna samego drapieżnika. Dzięki temu jednostki mogą zareagować na drapieżnika, którego nawet nie widzą.

Zatem grupa i jednostki w grupie — ponieważ dobór, dobór naturalny oddziałuje na jednostki — zazwyczaj mogą faktycznie reagować na bodźce, których nie wykrywają.

To trochę jak neuron przesyłający informacje za pomocą sygnałów elektrycznych. W tym przypadku nie są to sygnały elektryczne. Tak naprawdę to gęstość i przemiana jednostek przenika całą grupę, ale daje tym jednostkom znajdującym się z daleka informację, gdzie jest zagrożenie, dzięki czemu mogą bardzo szybko zacząć się od niego oddalać.

STROGATZ: Uważam, że jest to bardzo piękny wizualny przykład tego, co oznaczałyby obliczenia w tym kontekście. Abyśmy mogli zobaczyć fale paniki lub unikania przepływające przez stado. Jest to o tyle interesujące, że dzieje się znacznie szybciej, niż osobniki byłyby w stanie zrobić to samodzielnie, i, jak sądzę, szybciej niż drapieżnik jest w stanie samodzielnie się na to zdobyć.

KUZIN: Jednym z powodów, dla których tak prawdopodobnie jest, dlaczego tak myślimy, jest to, że grupa — dobór naturalny, nawet jeśli oddziałuje na jednostki, liczy się ich przystosowanie; wszyscy odniosą zbiorową korzyść, jeśli będą się zachowywać W pewien sposób.

To znowu odnosi się do tego, czego nauczyliśmy się z systemów fizycznych, szczególnie z systemów fizycznych blisko przejścia fazowego. Zatem system, który jest bliski przejścia między różnymi stanami, na przykład między ciałem stałym a cieczą, wiesz, jeśli zamarzasz wodę i nagle przechodzi ona w ciało stałe, zbiorowe zachowanie tego układu jest w pobliżu tego dość niezwykłe punkt przejściowy, to rozwidlenie, które oczywiście jest twoim własnym obszarem studiów. I to jest coś, co teraz wiemy, mamy teraz bardzo mocne dowody, że dobór naturalny popycha systemy blisko tych punktów rozwidlenia z powodu przejawianych właściwości zbiorowych, niezwykłych właściwości zbiorowych.

Kiedy po raz pierwszy zmierzyliśmy te właściwości, wydawało się, że poszczególne osoby przeciwstawiają się prawom fizyki. Informacje rozeszły się bardzo szybko.

A w pewnym sensie na początku XX wieku Edmunda Selousa, który był zadeklarowanym darwinistą, ale, wiesz, także w pewnym sensie urzeczony fascynacją telepatią w epoce wiktoriańskiej, założył, że musi istnieć przenoszenie myśli, jak to opisał, czyli telepatia między ptakami, która pozwalała im tak szybko się komunikować.

I oczywiście ludzie, no wiecie, myślą: „No cóż, to niedorzeczne, oczywiście, że nie może być telepatii”. Ale w rzeczywistości, i może to być trochę kontrowersyjne, ale tak naprawdę, myślę, że nadal nie mamy dobrego zrozumienia modalności zmysłowych i sposobu, w jaki informacje te tak znakomicie szybko przenikają przez system.

Oczywiście nie sugeruję, że istnieje telepatia. Sugeruję jednak, że dostrajając system, dostrajając system zbiorowy blisko tego punktu krytycznego, blisko tego punktu rozwidlenia, mogłoby to spowodować powstanie niezwykłych zbiorowych właściwości, które dla obserwatora wyglądają fantastycznie, dla obserwatora wyglądają dziwaczny. Bo fizyka w tych reżimach jest dziwna, fantastyczna, niesamowita, mimo że jest zrozumiała dla nauki.

STROGATZ: Zastanawiam się więc, czy w przypadku zachowań zbiorowych natura dostraja stado tak, aby znajdowało się w pobliżu pewnego punktu niestabilności lub krytyczności. Sugerujesz, że to właśnie dlatego jest tak skuteczny?

KUZIN: Tak, dokładnie to sugeruję. I tak na przykład, znowu, bardzo Ostatni artykuł w ciągu ostatnich kilku lat, kiedy publikowaliśmy, pytaliśmy, wiesz, co z uzyskaniem tego, co najlepsze ze wszystkich światów? A co jeśli, no wiesz, w ogólnych warunkach chcesz być stabilny, chcesz być solidny. Ale czasami chcesz stać się nadwrażliwy. I tak w doborze naturalnym systemy biologiczne muszą równoważyć ten niesamowity, pozornie sprzeczny status bycia jednocześnie silnym i wrażliwym. Jak być jednocześnie silnym i wrażliwym?

Dlatego uważamy, że dostrojenie systemu blisko tego punktu krytycznego w rzeczywistości na to pozwala, ponieważ jeśli system odbiega od normy, w rzeczywistości się stabilizuje. Jednak w miarę zbliżania się do punktu krytycznego staje się niezwykle elastyczny i wrażliwy na bodźce, na przykład informacje dotyczące danego drapieżnika. Jeśli więc ławica ryb jest daleko od tego punktu krytycznego — na przykład jeśli są ze sobą bardzo blisko siebie ustawione — i wykryje drapieżnika, w rzeczywistości przemienienie wszystkich tych osobników wymaga dużego wysiłku. Reagują na siebie tak silnie, że zewnętrznemu bodźcowi trudno jest zmienić ich zachowanie.

Jeśli, z drugiej strony, są one bardzo nieuporządkowane i wszystkie poruszają się w różnych kierunkach, wówczas zmiana kierunku jednostki jest prawie niemożliwa do zauważenia przez innych i dlatego nie rozprzestrzenia się ona w systemie.

Zatem na tym etapie pośrednim mogą faktycznie zoptymalizować swoją zdolność do zachowywania się jako grupa i bycia elastycznym, ale do przekazywania informacji. To teoria z fizyki, która istnieje od dawna, ale tak naprawdę dopiero od kilku lat wykorzystuje się technologię widzenia komputerowego do śledzenia zwierząt w grupach i zadawania pytań, jak zmienić, no wiecie, swoje interakcje, gdy na przykład świat staje się bardziej ryzykowne?

Jako biolodzy zawsze myśleliśmy: „No cóż, jeśli świat stanie się bardziej ryzykowny i niebezpieczny, stanę się bardziej wrażliwy na bodźce. Będę bardziej roztrzęsiona, łatwiej będzie mi wywołać fałszywy alarm. I to samo dotyczy zwierząt izolowanych. To samo tyczy się ludzi, którzy zachowują się w izolacji. Ale przetestowaliśmy to na grupach zwierząt, grupach, które wyewoluowały w kontekście kolektywu, i odkryliśmy, że nie jest to prawdą w ich przypadku.

Zmieniają sieć, sieć połączeń, sposób przepływu informacji przez system. Dostosowują go w taki sposób, aby zoptymalizować tego rodzaju kompromis między elastycznością a wytrzymałością, tj. wprowadzają go do tego krytycznego reżimu, jak przewidywaliśmy.

STROGATZ: Na jakich zwierzętach przeprowadzono te badania?

KUZIN: Dlatego pracujemy głównie z małymi rybami ławicowymi, ponieważ muszą one rozwiązywać te same problemy — unikać drapieżników, znajdować odpowiednie siedliska — a mimo to można je rozwiązać w środowisku laboratoryjnym. Zatem ryby faktycznie zawierają substancję chemiczną, która nazywa się schreckstoff, co w języku niemieckim dosłownie oznacza po prostu „straszne rzeczy”. I schreckstoff jest naturalnie uwalniany, jeśli drapieżnik zaatakuje rybę, musi uwolnić tę substancję chemiczną.

Więc możemy umieścić schreckstoff w wodzie, więc nie ma lokalizacji drapieżnika, ale zmienia się ocena jednostek na temat tego środowiska, świat stał się bardziej ryzykowny.

Co zatem robisz, zmieniasz to, co dzieje się w Twoim mózgu? Czy zmieniasz sposób interakcji z otoczeniem? Czy stajesz się bardziej przestraszony, co jest naturalną rzeczą, którą możemy myśleć, że robią zwierzęta?

Lub, jeśli wyobrażasz sobie, w systemie sieciowym, w systemie zbiorowym, czy zmieniasz topologię tej sieci, sieć społecznościową, sposób, w jaki komunikujesz się z innymi? Ponieważ może to również zmienić sposób reagowania na zagrożenia ze względu na tę falę zwrotu, o której mówiliśmy wcześniej.

Odkryliśmy, że jednostki się nie zmieniają. To, co się dzieje, to zmiany w sieci. Jednostki dążą do zmiany struktury tej sieci i to właśnie powoduje, że grupa nagle staje się bardziej wrażliwa i elastyczna.

Ludzie kiedyś mieli proxy, co oznacza, że ​​osoby znajdujące się blisko siebie muszą ze sobą silniej oddziaływać. Ale jak możesz pomyśleć o tym w swoim codziennym życiu, możesz siedzieć w autobusie obok zupełnie nieznajomej osoby i nie być z nią tak naprawdę powiązanym społecznie. Zatem sieć społecznościowa, z której korzystają poszczególne osoby, może bardzo różnić się od tej, którą można łatwo zmierzyć.

Zatem to, co zrobiliśmy, jest... cóż, jest to dość skomplikowane. Ale możemy zrekonstruować świat z ich perspektywy. Używamy techniki wywodzącej się z gier wideo i grafiki komputerowej zwanej raycastingiem, w której rzucamy promienie światła na siatkówkę poszczególnych osób, dzięki czemu możemy zobaczyć rodzaj komputerowej reprezentacji tego, co widzą w każdym momencie. Ale nie wiemy, jak oni to przetwarzają?

I tak znowu możemy zastosować metody uczenia maszynowego, ponieważ każdy mózg ewoluował, aby robić to samo. Pobierane są złożone informacje sensoryczne – takie, jakie mają ludzie, którzy nas dzisiaj słuchają. To złożona informacja akustyczna, ale mogą prowadzić samochód lub może gotować, więc mają także złożone informacje wizualne i węchowe, ale ich mózg musi przyjąć całą tę złożoność i zredukować ją do tak zwanej redukcji wymiarowości, do decyzji lub w „Co będę dalej robić?” A o tym, jak robią to prawdziwe zwierzęta, wiemy bardzo, bardzo niewiele.

Ale możemy zrekonstruować ich pola widzenia, a następnie użyć tego samego rodzaju technik, aby zredukować wymiarowość i zrozumieć, w jaki sposób mózg redukuje tę złożoność do decyzji ruchowych?

Ryby, które badaliśmy, mają bardzo małą liczbę neuronów z tyłu mózgu, które dyktują wszystkie ich ruchy. Zatem mózg musi ogarnąć całą tę złożoność, zredukować ją i podjąć decyzje. Myślę, że to wspaniałe pytanie z biologii: jak mózg to robi?

STROGATZ: Przede wszystkim widzę, że muszę częściej czytać Twoje artykuły. Mówiłeś coś o świeceniu światłami na siatkówki ryb, żeby zobaczyć to, co one widzą, albo mieć wrażenie, że wiesz, na co patrzą? Czy dobrze to usłyszałem?

KUZIN: Tak, właściwie to nie jest dosłownie świecenie światła. Wszystko odbywa się cyfrowo. Wyobraź sobie więc ławicę ryb w migawce w czasie, w zamrożonym momencie. Nasze oprogramowanie śledzi położenie i postawę ciała każdej z tych ryb. Możemy teraz stworzyć trójwymiarową komputerową wersję tej sceny, jak w grze wideo. Możemy wtedy zapytać, co widzi każda osoba? Możemy więc umieścić kamery na oczach poszczególnych osób.

Zatem raycasting przypomina trochę raytracing stosowany w grafice komputerowej, czyli po prostu ścieżki światła padającego na siatkówkę. A wszystko to robimy cyfrowo, dzięki czemu możemy stworzyć cyfrowy analog rzeczywistości. Następnie możemy sprawdzić, jak światło pada na siatkówkę w tej wirtualnej scenie, będącej rodzajem fotorealistycznej sceny wirtualnej. I tak mamy pierwszą warstwę: jakie informacje docierają do danej osoby?

I oczywiście najważniejsze pytanie, które chcemy zadać, brzmi: jak mózg to przetwarza? W jaki sposób mózg radzi sobie z tą złożonością i jak podejmuje decyzje? Jak na przykład stada płynów i ławice ryb poruszają się tak bez wysiłku i tak pięknie przy tak niewielkiej liczbie kolizji, a mimo to samochody na autostradzie mają trudności z utrzymaniem ruchu zbiorowego? To znaczy, czy jest coś, czego możemy się nauczyć od tysiącleci doboru naturalnego, co możemy następnie zastosować w pojazdach i robotach?

Próba zrozumienia tego obejmuje również element stosowany. Chcę to zrozumieć głównie dlatego, że uważam to za fascynujące, ale w niektórych przypadkach faktycznie przekłada się to na rzeczywiste zastosowania.

STROGATZ: Zaraz wracamy.

[Przerwa na wstawienie reklamy]

STROGATZ: Witamy ponownie w „Radości z powodu”.

Chciałbym wrócić do czegoś, co powiedziałeś we wstępie, kiedy przechodziłeś przez skalę od komórkowej po naczelne i tak dalej. Ludzie mogą nie być zbyt zaznajomieni z przykładem szarańczy i zastanawiam się, czy moglibyśmy porozmawiać o niektórych – nazwijmy ich rzeczywistych, a nawet ekonomicznych aspektach stada, ponieważ szarańcza ma duży wpływ na świat, większy niż ja realizowany. To znaczy, w moich notatkach patrzę na pewne statystyki, z których wynika, że ​​w latach zarazy szarańcza atakuje ponad jedną piątą pokrycia terenu na świecie.

KUZIN: Tak.

STROGATZ: Czy możesz w to uwierzyć? I wpływają na źródła utrzymania jednej na 10 osób na planecie. Czy mógłby pan z nami porozmawiać o tego rodzaju badaniach i ich powiązaniu z kwestiami globalnego bezpieczeństwa żywnościowego?

KUZIN: Tak, masz całkowitą rację. I uważam to za dość zdumiewające. Jak pan właśnie powiedział, wpływają one na jedną na 10 osób na naszej planecie w wyniku niedoborów żywności i bezpieczeństwa żywnościowego. I często tak robią w krajach, jak wiecie, takich jak Jemen i Somalia, które mają poważne problemy, poważne konflikty, wojny domowe i tak dalej.

Ale także ze względu na zmiany klimatyczne zasięg szarańczy rozszerza się na dużej części jej zasięgu. Mam na myśli, że w tym roku Afganistan stoi w obliczu poważnego kryzysu w swoim basenie żywnościowym. Kilka lat temu był to Madagaskar. Rok lub dwa wcześniej to w Kenii panował największy rój od 70 lat.

No wiesz, dlaczego przy wszystkich nowoczesnych technologiach monitorowania, które mamy do monitorowania, roje stają się coraz bardziej okrutne i groźne, wiesz? A jednym z powodów są zmiany klimatyczne. No wiesz, to, co dzieje się z tymi rojami, to szarańcza, dla słuchaczy może to być zaskakujące, ale szarańcza tak naprawdę nie lubi przebywać blisko siebie. To nieśmiałe, tajemnicze zielone koniki polne, które lubią być pozostawione same sobie. Więc jeśli mają dużo jedzenia, są po prostu odizolowani od siebie. Unikają się nawzajem. Dokonują przemiany dopiero wtedy, gdy są zmuszeni się zjednoczyć.

Zwykle są to ludzie samotnicy, ze względu na ich samotny tryb życia. Ale jeśli zostaną zmuszeni do połączenia się, ewoluowali w kierunku przejścia. Są czymś w rodzaju Jekylla i Hyde’a ze świata owadów. Ewoluowały, aby dość nagle, w ciągu godziny, behawioralnie przejść w formę stadną, w której zaczynają maszerować ku sobie, podążając za sobą.

Inną rzeczą, o której ludzie mogą nie wiedzieć, jest to, że szarańcza tak naprawdę nie ma skrzydeł przez pierwsze kilka miesięcy swojego życia. Kiedy więc rodzą się szarańcze, są one nielotne. To te nielotne nimfy. Dopiero gdy są dorosłe, mają skrzydła.

Dzieje się tak dlatego, że kiedy deszcze na przykład dotrą do Afryki, Indii lub innych obszarów, może pojawić się bujna roślinność, a populacja małej szarańczy może się rozmnożyć w postaci tajemniczych koników polnych, które mogą rosnąć w wielkości populacji. Teraz, gdy ta populacja rośnie, jedzą coraz więcej i więcej, a często może nadejść susza.

Jeśli mamy dużą gęstość zaludnienia i nagle znika pożywienie, to szarańcza ewoluuje i przechodzi do formy stadnej, gdzie zaczyna maszerować razem. Wszyscy zaczynają się poruszać razem. Te roje mogą składać się z miliardów osobników — z tego, co widzisz, szarańcza maszeruje zgodnie, jakby miała wspólny cel. A kiedy wyrosną im skrzydła, będą mogli latać. A potem jest jeszcze gorzej, bo mają dostęp do pasatów i innych, no wiesz, warunków środowiskowych, gdzie mogą przemieszczać się w postaci ogromnych rojów na setki, a nawet tysiące kilometrów. Jest to zatem jedno z największych i najbardziej niszczycielskich zachowań zbiorowych, jakie mamy na naszej planecie.

STROGATZ: Uff, nie mogę powiedzieć, że jestem zaznajomiony z ideą marszu szarańczy. Przyzwyczailiśmy się myśleć o nich jak o chmurach, no wiesz, rojących się w powietrzu. Ale powiedz nam coś więcej o marszu, bo słabo pamiętam jakieś zdumiewające badania jeśli chodzi o twój kanibalizm w postaci szarańczy, czy to właściwe słowo?

KUZIN: Tak, to było w 2008 roku i — ale masz rację, wiesz, te ogromne stada, roje lub chmury szarańczy, które przemieszczają się na duże odległości, wiesz, niewiele o nich wiemy, ponieważ nie mieliśmy technologię, aby to zbadać. Tak naprawdę wciąż nie mamy technologii, aby to zbadać. Więc to nie jest tak, że to nie jest ważne, to jest niezwykle ważne.

Ale wiemy też, że to, co poprzedza te latające roje – to znaczy latający rój jest trochę jak pożar, który już wymknął się spod kontroli. Teraz naprawdę będziesz miał problemy z kontrolowaniem tego. Ale jeśli potrafisz to kontrolować, zanim wyrosną im skrzydła, wiesz, kiedy tworzą roje na pustyni lub w innych środowiskach, wtedy istnieje ogromny potencjał.

Dlatego ze względów praktycznych skupiliśmy się na tych bezskrzydłych rojach. I tak naprawdę, chociaż masz rację, zacząłem to badać w połowie 2000 roku, teraz wracam do szarańczy i teraz znowu ją studiuję.

Właśnie utworzyliśmy pierwszy na świecie prawdziwy rój w środowisku laboratoryjnym, na początku tego roku, gdzie wyśledziliśmy 10,000 15 szarańczy w środowisku obrazowania o wymiarach 15 na 8 na XNUMX metrów, które zbudowaliśmy tutaj specjalnie w tym celu, tutaj w Konstancji. Zabawne, że o tym wspominasz, ponieważ moje badania obecnie w pewnym sensie nawiązują do tego samego systemu.

Ale tak, jak powiedziałeś, odkryliśmy, no wiesz, te owady, cóż, dlaczego maszerują razem? Dlaczego tak jest – wiecie i początkowo pomyśleliśmy, że to muszą być ławice ryb i stada ptaków. Musi chodzić o informację. Musi tu chodzić o inteligencję zbiorową. Cóż, myliliśmy się. I to jest właśnie to wielkie niebezpieczeństwo. Jeśli zobaczycie, no wiecie, rój mrówek poruszający się po okręgu, poruszający się w czymś w rodzaju młyna, i zobaczycie ławicę ryb, na przykład obracającą się w torus lub wzór przypominający pączek, albo zobaczycie trąba powietrzna, to wszystko są wzorce, które wyglądają tak samo, ale mogą być napędzane przez bardzo, bardzo różne zjawiska.

I myślę, że zostałem wprowadzony w błąd, myśląc, że kiedy widzisz ruch zbiorowy, u jego podstaw muszą znajdować się podobne procesy. Jednak w przypadku szarańczy nie była to hipoteza dotycząca transferu informacji. Tak naprawdę chodziło o to, że w pustynnych środowiskach, gdy nagle zaczyna brakować pożywienia, rozpaczliwie brakuje niezbędnych składników odżywczych, zwłaszcza na pustyni: białka, soli i wody.

A co jest dla ciebie lepsze w tak trudnym środowisku niż inna osoba? Ponieważ stanowią doskonale zbilansowany skład odżywczy. Jednostki przyciągają się do siebie i mają tendencję do wzajemnego kanibalizowania. Ewoluowały więc, by podążać za tymi, którzy się oddalają, i próbować ugryźć ich w tył, w tył brzucha, przed czym bardzo trudno się obronić. Głowa jest mocno opancerzona, ale tył odwłoka z oczywistych względów jest słabym punktem, tam musi być otwór.

Dlatego celują w to, ale jednocześnie unikają bycia celem innych. A wynik podążania za tymi, którzy się od was oddalają i oddalania się od tych, którzy zbliżają się do was, skutkuje tym, że cały rój zaczyna razem maszerować przez to pustynne środowisko.

Korzystają także z reklamy, wspólnego opuszczania obszarów ubogich w składniki odżywcze. Bo wiesz, jeśli umieścisz człowieka na pustyni, będzie on miał tendencję do dezorientacji i będzie miał tendencję do poruszania się w kółko. To samo z szarańczą. Ale jeśli umieścisz ich w roju, w zbiorowym dostosowaniu, w synchronizacji między jednostkami, wiesz, w setkach milionów jednostek, które dopasują się do siebie, będą mogły maszerować w bardzo ukierunkowany sposób z tych ubogich w składniki odżywcze środowisk. Potrafią też zalewać drapieżniki. Wiesz, drapieżniki nie mają tutaj większego wpływu.

STROGATZ: Właściwie to zastanawiam się, kiedy mówimy o tych wszystkich przykładach, jak w dawnych czasach zainteresowałeś się tym wszystkim? Wspomniałeś, że to było w 2008 roku?

KUZIN: Tak, to był ten artykuł z 2008 roku.

STROGATZ: Tak, byłeś tym zajęty już wcześniej, prawda?

KUZIN: Tak, zrobiłem doktorat. pod koniec lat dziewięćdziesiątych na mrówkach. Fascynowało mnie zachowanie mrówek. I szczerze mówiąc, zaczęło się od pasji do natury i obsesji na punkcie samej historii naturalnej i obserwacji tego, co nas otacza.

Jako dziecko myślałem, że musi istnieć ekspert, który rozumie, dlaczego tworzą się roje, dlaczego ławice ryb i dlaczego gromadzą się ptaki. Pomyślałem, że to musi być coś, co każdy studiuje.

Już jako dziecko byłem artystą. Bardzo interesowało mnie twórcze pisanie, poezja i sztuka. I tak początkowo pociągnęło mnie czyste piękno, fascynacja pięknem tych rzeczy.

A w szkole średniej nie byłem wybitnym uczniem w naukach ścisłych. Zajmowałem się ceramiką i malowaniem. Pamiętam, że kiedy poszedłem na uniwersytet, tata powiedział mi: „Wiesz, synu, powinieneś robić to, w czym jesteś dobry. Zajmuj się angielskim lub plastyką. Nie jesteś naukowcem, jesteś przyrodnikiem, wiesz?” I miał rację. Miał całkowitą rację.

I to było później, kiedy zrobiłem dyplom z biologii i już na pierwszym wykładzie na wykładzie z biologii wiedziałem, że to dla mnie właściwe rozwiązanie, po prostu to wiedziałem. I odkryłem, że istnieje cały świat fizyki statystycznej. Artykuły te ukazały się w tamtym czasie i zrobiły na mnie ogromne wrażenie, ponieważ ich autorzy dostrzegali głębokie zasady matematyczne w różnych systemach.

Mój doktorat doradca powiedział, wiesz, żeby dostać pracę, powinieneś zostać światowym ekspertem w dziedzinie jednego gatunku mrówek, a wtedy możesz być wartościowy. Czytałem jednak prace naukowców, którzy postępowali dokładnie odwrotnie. Badali wszystko, od systemów fizycznych po systemy biologiczne, i dostrzegali te zasady. A także wzory i struktury oraz rezultaty, które odkryli, były po prostu naturalnie piękne. I tak pomyślałem: to musi być prawda. To musi być właściwy sposób uprawiania nauki. I tak w tamtym czasie po prostu zostałem wciągnięty w świat fizyki.

STROGATZ: Czy miałeś kiedyś przyjemność porozmawiać później z tatą o zmianie kierunku?

KUZIN: Nigdy, przenigdy nie myślałam, że mój tata to pamięta. A potem, kiedy awansowałem ze stanowiska adiunkta na profesora zwyczajnego na Uniwersytecie Princeton, zadzwonił do mnie kierownik katedry i powiedział: „Gratulacje, profesorze Couzin”. I wiesz, byłem po prostu zachwycony, więc oczywiście zadzwoniłem do mamy i taty, a tata odebrał telefon i powiedział: „I pomyśleć, że nazwałem cię przyrodnikiem”. To jedyny raz, kilkadziesiąt lat później. Nie wiedziałem, że w ogóle pamiętał tę dyskusję.

STROGATZ: Cóż, to dobra historia, naprawdę dobra historia. W tym programie lubimy rozmawiać o ważnych pytaniach bez odpowiedzi, więc jakie są według Ciebie najważniejsze pytania bez odpowiedzi na temat stad, szkół i ogólnie zachowań zbiorowych?

KUZIN: Cóż, absolutnie tak. I to prowadzi mnie do tematu, który mnie tak ekscytuje. Więc znowu, na początku mojej kariery, pomyślałem, no wiesz, mózg to oczywiście wspaniała, zbiorowa jednostka obliczeniowa, jeden z najpiękniejszych przykładów, wiesz. Jak mózg podejmuje decyzje? Jest to zbiór neuronów i oczywiście mamy roje mrówek, chmary szarańczy, stada ptaków lub ławice ryb, wszystkie te różne elementy współdziałają ze sobą. Czy jest więc coś głęboko łączącego te różne systemy, czy nie? W tej chwili fascynuje mnie kolektywne podejmowanie decyzji, zwłaszcza kolektywne podejmowanie decyzji w przestrzeni kosmicznej.

Jak zatem mózg reprezentuje czasoprzestrzeń? A jakie to ma znaczenie w kontekście decyzji? I co to ma wspólnego ze zbiorowym zachowaniem zwierząt? Około pięć lat temu zdałem sobie sprawę, że według mnie istnieje głębokie matematyczne podobieństwo i myślę, że istnieją głębokie zasady geometryczne dotyczące tego, jak mózg reprezentuje przestrzeń, a także czas.

Jedną z najbardziej ekscytujących rzeczy jest ponowne użycie matematyki. Wiesz, rzuciłem matematykę, gdy miałem 16 lat i właśnie spędziłem urlop naukowy w Instytucie Nauk Matematycznych im. Isaaca Newtona na Uniwersytecie w Cambridge jako Distinguished Fellow. Jednak nie potrafię rozwiązać równania, wiesz?

Tak, ale uwielbiam fakt, że mogę pracować ze wspaniałymi matematykami. Współpracując z fizykami, matematykami i biologami oraz przeprowadzając eksperymenty na zwierzętach w rzeczywistości wirtualnej, stworzyliśmy tutaj zestaw technologii. Dlatego nie możemy założyć zestawu słuchawkowego takiego jak Meta Quest 3 na rybę o długości mniejszej niż centymetr. Możemy jednak stworzyć wirtualne, wciągające, holograficzne środowiska, dzięki czemu możemy całkowicie kontrolować dane wejściowe. Możemy całkowicie kontrolować związki przyczynowe.

Jeśli, wiesz, ja wywieram wpływ na ciebie i ty wpływasz na mnie, a potem jest jeszcze trzecia osoba, czy ona wpływa na mnie bezpośrednio, czy przez ciebie? Lub oba? A może czwarta osoba lub piąta? W naszych środowiskach rzeczywistości wirtualnej możemy umieścić te osoby w tak zwanym Matrixie, jak w filmie, gdzie każda osoba znajduje się w swoim własnym holograficznym świecie i wchodzi w interakcję w czasie rzeczywistym z hologramami innych osób.

Ale w tym świecie możemy bawić się prawami fizyki. Możemy pobawić się prawami przestrzeni i czasu, aby lepiej zrozumieć. W jaki sposób mózg je integruje?

To naprawdę robi na mnie niesamowite wrażenie, ponieważ możemy wykazać, że mózg nie reprezentuje przestrzeni w sposób euklidesowy. Reprezentuje przestrzeń w nieeuklidesowym układzie współrzędnych. Możemy wtedy pokazać matematycznie, dlaczego jest to tak ważne, a mianowicie, że kiedy zaczniemy mieć do czynienia z trzema lub większą liczbą opcji, wówczas faktyczne wypaczenie czasoprzestrzeni, czyniąc ją nieeuklidesową, może radykalnie zmniejszyć złożoność świata do serii rozwidleń. A blisko każdego rozwidlenia wzmacnia różnice między pozostałymi opcjami. Mamy więc tę piękną strukturę wewnętrzną.

Uważamy, że mamy uniwersalną teorię na temat tego, jak mózg podejmuje decyzje przestrzenne, do której nie moglibyśmy dojść bez przyjrzenia się szeregowi organizmów, takich jak ryby, szarańcza i muchy, w tego typu środowiskach rzeczywistości wirtualnej. czym jestem bardzo podekscytowany.

[Odtwarzanie motywu]

STROGATZ: Nie mogę się doczekać, aż usłyszę o tym wszystkim, kiedy będziesz nad tym pracować. Mógłbym z tobą wymieniać cały dzień, ale myślę, że nadszedł czas, aby ci podziękować. Rozmawialiśmy z ekologiem ewolucyjnym Iainem Couzinem o gromadzeniu się, rojeniu, gromadzeniu się i wszelkiego rodzaju zachowaniach zbiorowych. Iain, bardzo miło było dowiedzieć się, czym się zajmujesz i jakie cuda natury pomogłeś nam wszystkim odkryć. Dziękuję bardzo.

KUZIN: To była przyjemność. Dziękuję, Steve.

[Motyw jest nadal odtwarzany]

STROGATZ: Dziękuję za słuchanie. Jeśli podoba Ci się „The Joy of Why”, a nie masz jeszcze subskrypcji, naciśnij przycisk subskrybuj lub obserwuj w miejscu, w którym słuchasz. Możesz także zostawić recenzję programu. Pomaga innym znaleźć ten podcast.

„The Joy of Why” to podcast z Magazyn Quanta, niezależna redakcyjnie publikacja wspierana przez Fundacja Simonsa. Decyzje o finansowaniu przez Fundację Simonsa nie mają wpływu na wybór tematów, gości ani inne decyzje redakcyjne w tym podcaście lub w Magazyn Quanta.

Producentem „The Joy of Why” jest: Produkcja PRX. Zespół produkcyjny to Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler i Merritt Jacob. Producentem wykonawczym PRX Productions jest Jocelyn Gonzales. Dodatkową pomoc zapewnili Morgan Church i Edwin Ochoa.

Cena Od Magazyn Quanta, John Rennie i Thomas Lin zapewnili wskazówki redakcyjne przy wsparciu Matta Carlstroma, Samuela Velasco, Nony Griffin, Arleen Santany i Madison Goldberg.

Nasza muzyka przewodnia pochodzi z APM Music. Nazwę podcastu wymyślił Julian Lin. Autorem grafiki odcinka jest Peter Greenwood, a logo autorstwa Jaki King i Kristina Armitage. Specjalne podziękowania należą się Columbia Journalism School i Bertowi Odom-Reedowi z Cornell Broadcast Studios.

Jestem twoim gospodarzem, Steve Strogatz. Jeśli masz do nas jakieś pytania lub uwagi, napisz do nas na adres [email chroniony]. Dziękuję za słuchanie.