Fåglar flockas. Grähoppor svärmar. Fiskskola. Inom samlingar av organismer som verkar som om de kunde bli kaotiska, uppstår ordning på något sätt. Djurens kollektiva beteenden skiljer sig i detaljer från en art till en annan, men de följer till stor del principer för kollektiv rörelse som fysiker har arbetat fram under århundraden. Nu, med hjälp av teknologier som först nyligen blev tillgängliga, har forskare kunnat studera dessa beteendemönster närmare än någonsin tidigare.

I det här avsnittet, den evolutionära ekologen Iain Couzin samtal med medvärd Steven Strogatz om hur och varför djur uppvisar kollektiva beteenden, flockning som en form av biologisk beräkning, och några av de dolda fitnessfördelarna med att leva som en del av en självorganiserad grupp snarare än som en individ. De diskuterar också hur en förbättrad förståelse för svärmande skadedjur som gräshoppor kan bidra till att skydda den globala livsmedelssäkerheten.

Lyssna på Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, TuneIn eller din favoritpoddapp, eller så kan du streama det från Quanta.

Avskrift

[Temaspel]

STEVEN STROGATZ: I hela djurriket, från små knott till fiskar, fåglar, gaseller, till och med primater som vi, tenderar varelser att organisera sig i stora rörliga mönster som strävar efter ett till synes spontant kollektivt mål. Ofta verkar ingen enskild varelse agera som ledare och orkestrerar dessa massrörelser. Snarare faller djuren bara sömlöst i linje.

Och även om det känns som att sådana system skulle hamna i kaos eller instabilitet, lyckas dessa kollektiv på något sätt röra sig på sätt som verkar utomordentligt välkoordinerade och målmedvetna, vilket alla som har sett ett sorl av starar eller en fiskstim kan intyga. Men vad är drivkraften bakom detta beteende?

Jag heter Steve Strogatz, och det här är "The Joy of Why", en podcast från Quanta Magazine där min medvärd Janna Levin och jag turas om att utforska några av de största obesvarade frågorna inom matematik och naturvetenskap idag.

[Tema slutar]

I det här avsnittet kommer vi att komma till hjärtat av varför djur flockas, svärmar och skolar. Hur ger den senaste tekniken, som artificiell intelligens och 3D-kameror, ny insikt? Och vad kan studier av djurgruppsdynamik berätta om oss själva, både individuellt och som kollektiv?

Här för att belysa dessa mysterier är evolutionär ekolog Iain Couzin. Iain är chef för avdelningen för kollektivt beteende vid Max Planck Institute of Animal Behavior och professor vid universitetet i Konstanz. Bland de många utmärkelser han har mottagit är National Geographic Emerging Explorer Award, Lagrange-priset, den högsta utmärkelsen inom området komplexitetsvetenskap, och Leibniz-priset, Tysklands högsta forskningsutmärkelse. Iain, vi är så glada att ha dig hos oss idag.

IAIN COUZIN: Det är fantastiskt att vara här, Steve.

STROGATZ: Jag är väldigt glad att se dig igen. Vi är gamla vänner, och det här kommer att bli en riktig njutning att höra om det senaste inom kollektivt beteende. Men låt oss börja - jag antar att vi borde prata om, vilka är dina exemplar? Kan du berätta lite om några av djuren och de olika former som deras kollektiva beteende tar i de system som du har studerat?

KUSIN: Tja, det är en av de mest fantastiska sakerna med att studera kollektivt beteende. Det är att det är centralt för så många processer i livet på vår planet att vi bokstavligen studerar en rad organismer, från det enklaste djuret på planeten - det kallas en placozoa; det är en basal phylum, möjligen enklaste flercelliga djuret på planeten; dess en svärm av celler, tusentals celler, mycket som rör sig som en fågelflock eller en fiskstim – upp genom ryggradslösa djur, som myror, som har ett fantastiskt koordinerat beteende, eller gräshoppor, som bildar några av de största, mest förödande svärmarna, till ryggradsdjur, som skolgång fiskar, flockfåglar, valldjur och primater, inklusive oss själva – människor.

STROGATZ: Så, det verkar verkligen sträcka sig över hela skalan, hela vägen från — jag måste erkänna, jag hade aldrig hört talas om det här, fattade jag det rätt: placozoa?

KUSIN: Placozoa, ja. Denna lilla varelse hittades krypa runt på glaset av akvarier, tropiska akvarier. Du kan se det med blotta ögat. Den är ungefär en millimeter, kanske en och en halv millimeter om den är väldigt stor. Och, du vet, att titta på denna märkliga varelse har bara på riktigt nyligen dragit vetenskapsmäns uppmärksamhet.

Och det beror till stor del på att denna märkliga lilla knäppa svärm av celler faktiskt har den genetiska komplexiteten som du skulle associera med en mycket mer sofistikerad organism. Till exempel har den ett stort utbud av neurotransmittorer, men det har inte neuroner.

[STROGATZ skrattar]

Den har vad som kallas Hox gener. Hox gener är i utvecklingsbiologi förknippade med komplexa kroppsplaner. Den har ingen komplex kroppsplan. Och så kanske du kanske tänker, ja, denna varelse kan ha utvecklats till att bli mer komplicerad och sedan återutvecklats för att förenkla sig själv, och därför behöll den dessa egenskaper av komplexitet.

Men genetiska forskare publicerade ett slags landmärke i tidskriften Natur som visade, nej, i själva verket är detta en av de mest primära cellgrupper. Och naturligtvis, kollektivt beteende, vilket vackrare exempel än celler som går samman för att bilda en organism. Du vet? Så detta är en av anledningarna till att vi studerar detta: att försöka förstå hur kollektivt beteende var centralt för uppkomsten av komplext liv på vår planet.

STROGATZ: Man, det här är ett tidigt skede i intervjun och du får mig redan att göra mig förbannad. Du spårar också ur mig från det jag trodde att jag skulle prata med dig om. Det här är så intressant och så nytt för mig att jag blir chockad. Jag vill återkomma till den här delen av berättelsen eftersom det är så — jag menar, det är verkligen förvånande att de skulle ha... Hörde jag rätt, att de har saker förknippade med att ha ett nervsystem, men inte har något nervsystem? Och har utvecklingsbiologiska gener som om de behövde utveckla en hel komplicerad kroppsplan som en fruktfluga, men de har inte en sådan kropp?

KUSIN: Exakt, precis. Och så kunde de verkligen ge oss en hint om ursprunget till intelligens. Vår speciella studie, som vi publicerade i år, du vet, vi visade att kroppsplanen som de har verkligen beter sig väldigt mycket som en fågelflock eller en fiskstim, med celler som lokalt interagerar med andra och tenderar att anpassa sin färdriktning.

Så de attraheras av varandra. De är liksom sammankopplade som ett elastiskt ark, men de tenderar också att vara rörliga. De har flimmerhår, små flimmerhår på basen, så de kan flyta längs miljön. Och krafterna som de tillämpar på sina närmaste grannar får dem att anpassa sig till varandra.

Och så, om vi spårar dessa celler under ett mikroskop, och vi tittar på inriktningen och vi tittar på individernas attraktion, använder vi i stort sett samma teknologier, samma modeller, samma tänkande som vi använder för kollektivt beteende i fågelflockar eller fiskstim eller andra typer av grupper men tillämpa det på dessa djur.

Och så, det här är en av de saker jag tycker är mest anmärkningsvärd med kollektivt beteende, är att även om systemegenskaperna, oavsett om du är en cell eller om du är en fågel, är väldigt olika, när du tittar på den kollektiva handlingen, de kollektiva egenskaperna, den matematik som ligger till grund för detta, faktiskt kan visa sig vara väldigt lika. Och så kan vi hitta dessa, typ, vad som kallas universella egenskaper som förbinder dessa olika, uppenbarligen disparata system.

STROGATZ: Jo, naturligtvis, nu talar du mitt språk, eftersom, du vet, det var det som drog mig in i min egen fascination för kollektivt beteende, är att det finns de där universella matematiska principerna som verkar gälla upp och ner i skalan från celler till , ja, visst, vi gillar alltid att sätta oss själva i toppen.

Men, så, okej, du har tagit upp så många olika frågor för oss att tänka på. Låt mig försöka gå tillbaka till början, precis som jag skulle älska att stanna hos dig här med Placozoa.

Så, till exempel, nämnde du ord som "flockar" och "skolor", och ibland hör vi folk prata om "svärmar", som med insekter. Finns det någon anledning till att vi har tre olika ord för samma sak? Är de inte riktigt samma sak när vi pratar om kollektiva grupper? Finns det någon anledning till att vi inte ska prata om, som att skola fåglar eller svärmande fiskar?

KUSIN: Nej, jag tror att vi har utvecklat dessa ord, och olika språk har olika ord. På tyska, som är ett språk fyllt av många ord, har de faktiskt relativt få. På engelska har vi många, många olika ord. Som, du vet, till exempel, en grupp kråkor kallas ett kråkmord.

[STROGATZ skrattar]

Du använde själv tidigare ett underbart ord, ett "sorl" av starar. Och jag tror att det är det, det är skönheten, den fängslande skönheten i att flockas och skola och svärma, som har gett upphov till dessa underbara ord som kan förknippas med speciella exempel.

Och så, jag tror att det är en mycket användbar sak, för tidigare betonade jag de gemensamma, de matematiska likheterna, men det finns också skillnader. Det är skillnad på en svärm av celler och en svärm av fåglar. För att förstå dessa system måste vi alltså både överväga de gemensamma principerna, men också de som skiljer sig åt mellan systemen. Och på ett sätt fångar språket en del av det för oss på det sätt som människor naturligt har segregerat eller delat upp dessa i olika kategorier.

STROGATZ: Intressant. Så du nämnde "svärm av celler" och "svärm av insekter", jag antar att det var det, och du sa att det kunde finnas vissa skillnader även om vi använder samma ord. Vilka saker bör vi skilja mellan dessa exempel?

KUSIN: Ja, jag tror att det som verkligen är spännande är varför det finns en gemensamhet, eftersom skillnaderna är så djupa. Ett djur har en hjärna. Den tar in komplex sensorisk information och försöker fatta beslut om sin miljö. Djur är kapabla till mycket mer komplexa, sofistikerade beteenden, i genomsnitt, än celler.

Men celler har naturligtvis själva komplexa interna processer. Men deras interaktioner domineras i högre grad av fysiska krafter, av den skala som de verkar på och spänningarna som bildas, de fysiska spänningarna som bildas i cellen samlas.

Medan djuren, samspelet mellan fåglar i en flock, är de osynliga. De har ingen fysisk form. Och så kan man till en början tänka, ja, då är det bara en analogi. Faktum är att jag skulle säga tills för fem till tio år sedan trodde jag att det bara var en analogi också. Jag tänkte att dessa skillnader måste vara väldigt viktiga. Men vad vi börjar förstå är att den gemensamma egenskapen som de delar är beräkning.

Det är att dessa element samlas för att beräkna sin miljö på ett sätt som de inte kan beräkna på egen hand. Varje individ, även om du har en mycket komplex mänsklig hjärna, och du går runt i världen, såvida du inte har social interaktion med andra, eller ännu mer, du vet, bygger på den kulturella komplexitet som vi ärver när vi föds in i våra liv, då är vi väldigt begränsade.

Och så, det finns dessa djupa, slags mycket fascinerande frågor som vi precis har börjat ta itu med om beräkning och uppkomsten av komplext liv.

STROGATZ: Så intressant synvinkel. Jag visste inte vilket ord du skulle säga när du sa att det är något de alla har gemensamt. Jag var - kunde inte gissa, men jag gillar det: beräkning.

Så, du vet, det får mig att tänka på en berömd sak som folk kan ha sett filmer om på YouTube eller på tv, där det finns en flock fåglar - kanske är det en stare - och en hök eller en falk eller något kommer zoomande in mot flocken. Du kanske borde ge oss en visuell beskrivning av vad som händer härnäst, och varför tror jag att det har något med beräkning att göra i det här exemplet?

KUSIN: Tja, jag menar, om du tittar på dessa grupper, du vet, när du har dessa rovdjur närvarande och attackerar dessa grupper, oavsett om det är en fiskstim eller en fågelflock, så ser du gruppen beter sig som den här typen av böljande vätska. Du ser dessa krusningar av ljus som korsar gruppen eller krusningar av densitet som korsar gruppen.

Och vad detta tyder på är att individerna faktiskt kan sprida information om platsen för det rovdjuret mycket snabbt via sociala interaktioner. Så individer som ser rovdjuret, till exempel - kanske bara ett fåtal av dem ser rovdjuret från början. Men genom att vända, då detta beteende kopieras av andra, fortplantas förändringen av täthet, förändringen av svängning extremt snabbt.

Och om vi använder - jag är säker på att vi kommer till det här senare - om vi använder avancerade bildverktyg för att kvantifiera, för att mäta, dessa svängvågor, resulterar det i en utbredningsvåg som är cirka 10 gånger snabbare än den maximala hastigheten av själva rovdjuret. Så individer kan svara på ett rovdjur som de inte ens ser.

Så gruppen och individerna i gruppen – eftersom urval, naturligt urval, verkar på individerna – vanligtvis kan de faktiskt reagera på stimuli som de inte upptäcker.

Det är lite som, du vet, en neuron som sänder information via elektriska signaler. I det här fallet är det inte elektriska signaler. Det är egentligen individernas täthet och vändning som tränger igenom i gruppen, men det ger dessa individer information på långt håll var hotet finns, så att de kan börja röra sig bort från det mycket snabbt.

STROGATZ: Så det är, tycker jag, ett väldigt vackert visuellt exempel på vad beräkning skulle innebära i detta sammanhang. Att vi kan se dessa vågor av panik eller undvikande strömma genom flocken. Det är så intressant att det är mycket snabbare än individerna skulle kunna göra på egen hand, och, antar jag, snabbare än vad rovdjuret kan uppbringa på egen hand.

KUSIN: En av anledningarna till att detta sannolikt kommer att vara, varför vi tror att det är, är för att gruppen – det naturliga urvalet, även om det verkar på individerna, det är deras kondition som spelar roll, det finns en sådan kollektiv fördel för alla om de beter sig på ett visst sätt.

Detta relaterar återigen till vad vi har lärt oss från fysiska system, speciellt fysiska system nära en fasövergång. Så, ett system som är nära en övergång mellan olika tillstånd, till exempel mellan ett fast ämne och en vätska, du vet, om du fryser vatten och det plötsligt övergår till ett fast ämne, är det kollektiva beteendet för det systemet ganska anmärkningsvärt nära det transition point, denna bifurkation, som naturligtvis är ditt eget studieområde. Och det här är något som vi nu vet, vi har nu mycket starka bevis för att naturligt urval driver system nära dessa förgreningspunkter på grund av de kollektiva egenskaperna, de anmärkningsvärda kollektiva egenskaperna, som uppvisas.

När vi först mätte dessa egenskaper verkade det som om individerna trotsade fysikens lagar. Informationen strömmade in så snabbt.

Och på typ tidigt 1900-tal, Edmund Selous, som var en bekräftad darwinist, men, du vet, också slags fängslad av fascinationen av telepati under den viktorianska eran, antog han att det måste finnas tankeöverföring, beskrev han det, eller telepati mellan fåglar som gjorde att de kunde kommunicera så snabbt.

Och naturligtvis tänker folk, du vet, "Ja, det är löjligt, naturligtvis kan det inte finnas telepati." Men i själva verket, och det här är kanske lite kontroversiellt, men i själva verket tror jag att vi fortfarande inte har ett bra grepp om de sensoriska modaliteterna och det sätt på vilket denna information tränger igenom så utsökt snabbt i systemet.

Jag menar inte att det finns telepati, naturligtvis. Men jag föreslår att genom att ställa in ett system, genom att ställa in ett kollektivt system nära denna kritiska punkt, nära denna fördelningspunkt, kan det ge upphov till anmärkningsvärda kollektiva egenskaper som, för en observatör, ser fantastiska ut, för en observatör, ser bisarr. Eftersom fysiken i dessa regimer är bisarr, är fantastisk, är fantastisk, även om den är förståelig av vetenskapen.

STROGATZ: Så jag undrar bara, med nu när det gäller kollektivt beteende, om naturen ställer in en flock så att den är nära någon form av punkt av instabilitet eller kritik. Menar du att det är en del av det som gör det så effektivt?

KUSIN: Ja, det är precis vad jag föreslår. Och så, till exempel, du vet, återigen, en mycket nyligen papper under de senaste åren som vi publicerade frågade vi, du vet, vad sägs om att få det bästa av alla världar? Vad sägs om, du vet, under allmänna förhållanden vill du vara stabil, du vill vara robust. Men ibland vill man bli överkänslig. Och så i naturligt urval måste biologiska system balansera denna fantastiska, typ av till synes motsägelsefulla status av att vara både robust och känslig. Hur kan du vara både robust och känslig på samma gång?

Och så, vi tror att, ni vet, att ställa in systemet nära denna kritiska punkt, faktiskt tillåter det att hända, för om systemet avviker, stabiliserar det sig faktiskt. Men när den skjuts mot den där kritiska punkten, blir den otroligt flexibel och känslig för inmatningar, till exempel inmatningar om det rovdjuret. Så om ett fiskstim är långt borta från den kritiska punkten - till exempel om de är mycket starkt anpassade till varandra - och de upptäcker ett rovdjur, krävs det faktiskt mycket ansträngning för att vända alla dessa individer. De reagerar så starkt på varandra att det är svårt för den externa input att ändra sitt beteende.

Om de å andra sidan är väldigt oordnade och alla rör sig i olika riktningar, då kan en individuell riktning som ändrar sig knappast uppfattas av andra och därför fortplantar den sig inte genom systemet.

Och så vid denna typ av mellanliggande punkt kan de faktiskt optimera sin förmåga att bete sig som en grupp och att vara flexibla, men att överföra information. Och det här är en teori från fysiken som har varit långvarig, men det är bara under de senaste åren att använda datorseendeteknik för att spåra djur i grupper och fråga, hur förändrar du, du vet, dina interaktioner när, till exempel, världen blir mer riskabelt?

Vi skulle alltid tänka som biologer: "Tja, om världen blir mer riskabel och farligare, kommer jag att bli mer känslig för input. Jag blir mer nervös, det är mer sannolikt att jag slår ett falsklarm.” Och det är sant för djur isolerade. Det är sant för människor när vi beter oss isolerade. Men vi testade detta i djurgrupper, grupper som har utvecklats inom ramen för kollektivet, och vi finner att det inte stämmer med dem.

Vad de gör är att de ändrar nätverket, nätverket av anslutningar, hur informationen flödar genom systemet. Och de ställer in det så att de optimerar den här sortens avvägning mellan flexibilitet och robusthet, dvs de tar in det i denna kritiska regim som vi hade förutspått.

STROGATZ: Vilka typer av djur gjordes dessa studier på?

KUSIN: Så vi arbetar mestadels med små stimfiskar eftersom de måste lösa samma typ av problem – undvika rovdjur, hitta lämpliga livsmiljöer – men de går att hantera i en laboratoriemiljö. Så fisk har faktiskt en kemikalie, som kallas schreckstoff, som på tyska bokstavligen betyder "läskiga grejer". Och schreckstoff frigörs naturligt, om ett rovdjur angriper en fisk måste det släppa ut denna kemikalie.

Så vi kan lägga schreckstoff i vattnet, så det finns ingen plats för ett rovdjur, men individers bedömning av denna miljö förändras, världen har blivit mer riskabel.

Så vad gör du, ändrar du vad som händer i din hjärna? Förändrar du hur du interagerar med omgivningen? Blir du mer rädd, vilket är det naturliga vi kanske tror att djur gör?

Eller, om du föreställer dig, i ett nätverkssystem, i ett kollektivt system, ändrar du topologin för det nätverket, det sociala nätverket, hur du kommunicerar med andra? För det kan också förändra lyhördheten för hot, på grund av den här vågen av vändning som vi pratade om tidigare.

Och så vad vi fann var att individer inte förändras. Vad som händer är att nätverket förändras. Individerna flyttar för att ändra strukturen på det nätverket, och det är det som gör att gruppen plötsligt blir känsligare och mer flexibel.

Förr hade man till exempel en proxy, som går ut på att individer som står varandra nära måste interagera starkare. Men, som du kan tänka på i ditt dagliga liv, kan du sitta bredvid en helt främling på bussen och faktiskt inte vara socialt starkt kopplad till dem i genomsnitt. Så det sociala nätverk som individer upplever kan skilja sig mycket från det som är lätt att mäta.

Så vad vi har gjort är - ja, det är ganska komplicerat. Men vad vi kan göra är att vi rekonstruerar världen från deras perspektiv. Och vi använder en teknik som kommer från videospel och datorgrafik som kallas raycasting, där vi kastar ljusstrålar på individernas näthinna så att vi kan se en sorts datoriserad representation av vad de ser för varje ögonblick i tiden. Men vad vi inte vet är, hur i hela friden bearbetar de det?

Och så igen, vi kan använda maskininlärningsmetoder, eftersom varje hjärna har utvecklats för att göra samma sak. Det har tagit komplex sensorisk information - som människor som lyssnar på oss idag. Det är en komplex akustisk information, men de kanske kör bil eller kanske lagar mat, så de har också komplex visuell och luktinformation, men deras hjärna måste ta all denna komplexitet och reducera den till vad som kallas dimensionalitetsreduktion, till ett beslut eller till "vad ska jag göra härnäst?" Och vi har vetat väldigt, väldigt lite om hur riktiga djur gör detta.

Men vi kan rekonstruera deras synfält, och sedan kan vi använda samma typer av tekniker för att minska dimensionaliteten, för att förstå hur hjärnan reducerar denna komplexitet till rörelsebeslut?

Och fiskarna som vi studerade, de har ett mycket litet antal neuroner i hjärnans bakre del som dikterar alla deras rörelser. Så hjärnan måste ta in all denna komplexitet, och den måste minska den, och den måste fatta beslut. Och jag tycker att det är en underbar fråga inom biologin hur gör hjärnor det?

STROGATZ: Först och främst kan jag säga att jag måste läsa dina tidningar oftare. Du sa något om att lysa på fiskarnas näthinna för att sedan se vad de ser, eller för att ha en känsla av att du vet vad de tittar på? Hörde jag det rätt?

KUSIN: Ja, det lyser inte bokstavligen ett ljus, faktiskt. Allt är digitalt gjort. Så föreställ dig att du har en fiskstim vid en ögonblicksbild i tiden, ett fruset ögonblick i tiden. Vår programvara spårar positionen och även kroppshållningen för var och en av dessa fiskar. Och vad vi kan göra är att vi nu kan skapa en tredimensionell datorversion av den scenen, som i ett videospel. Vi kan då fråga, vad ser varje individ? Så vi kan sätta kameror i ögonen på individerna.

Och så, raycasting är lite som raytracing, som används i datorgrafik, som bara är vägarna för ljus som faller på näthinnan. Och vi gör allt detta digitalt, så att vi kan skapa en digital analog av verkligheten. Vi kan sedan titta för att se hur ljus skulle falla på näthinnan i den virtuella scenen, en sorts fotorealistisk virtuell scen. Och så det ger oss det första lagret: Vilken information kommer in till individen?

Och då är naturligtvis den stora frågan som vi vill ställa, hur bearbetar hjärnan det? Hur tar hjärnan ner den komplexiteten och hur fattar den beslut? Hur rör sig till exempel vätskeflockar och fiskstim så enkelt och så vackert med så få kollisioner, och ändå tenderar bilar på en motorväg att kämpa för att ha kollektiv rörelse? Jag menar, finns det något vi kan lära oss av årtusenden av naturligt urval som vi sedan kan tillämpa på fordon och robotar?

Så det finns också ett tillämpat element för att försöka förstå detta. Jag vill förstå det till stor del för att jag tycker att det är fascinerande, men också att det faktiskt översätts till verkliga tillämpningar i vissa fall.

STROGATZ: Vi kommer tillbaka.

[Paus för infogning av annons]

STROGATZ: Välkommen tillbaka till "The Joy of Why."

Jag skulle vilja återkomma till något du sa i inledningen när du gick över skalan från cellulär upp till primater, och så vidare. Folk kanske inte är så bekanta med exemplet med gräshoppor, och jag undrar om vi skulle kunna prata om några av — låt oss kalla dem verkliga eller till och med ekonomiska aspekterna av flockning, eftersom gräshoppor har en stor inverkan på världen, större än jag hade insett. Jag menar, jag tittar på lite statistik här i mina anteckningar om att gräshoppor under pestår invaderar mer än en femtedel av världens marktäcke.

KUSIN: Ja.

STROGATZ: Kan du tro det? Och påverka försörjningen för en av 10 människor på planeten. Så skulle du kunna prata lite med oss ​​om den typen av forskning och hur den relaterar till frågor om global livsmedelssäkerhet?

KUSIN: Ja, du har helt rätt. Och jag tycker att detta är ganska häpnadsväckande. Du vet, som du nyss sa, de påverkar en av tio människor på vår planet genom livsmedelsbrist och livsmedelssäkerhet. Och det gör de ofta i länder, ni vet, som Jemen och Somalia, som har stora problem, stora konflikter och inbördeskrig, och så vidare.

Men också på grund av klimatförändringarna, expanderar utbudet av gräshoppor över mycket av sitt utbud. Och så, jag menar, just nu står Afghanistan i år inför en stor kris i sin matbassäng. För ett par år sedan var det Madagaskar. Ett eller två år innan dess var det Kenya som hade den största svärmen på 70 år.

Så varför, du vet, med all modern teknik som vi har för övervakning, varför blir svärmarna häftigare och allvarligare, vet du? Och en av anledningarna är klimatförändringarna. Det är det, du vet, vad som händer med dessa svärmar är - så gräshoppor, det kan vara förvånande för lyssnare att veta detta, men gräshoppor gillar faktiskt inte att vara nära varandra. De är skygga, kryptiska gröna gräshoppor som gillar att lämnas ifred. Så om de har gott om mat är de bara isolerade från varandra. De undviker varandra. Det är först när de tvingas komma samman som de övergår.

Så de är normalt vad som kallas ensamma, på grund av sin ensamma livsstil. Men om de tvingas komma samman har de utvecklats till en övergång. De är typ insektsvärldens Jekyll och Hyde. De har utvecklats till att övergå ganska plötsligt, inom en timme, beteendemässigt, till en sällskaplig form, där de börjar marschera mot varandra, följa varandra.

En annan sak som folk kanske inte vet är att gräshoppor faktiskt inte har vingar under de första månaderna av sina liv. Och så när gräshoppor föds är de flyglösa. De är dessa flyglösa nymfer. Det är först när de är vuxna som de har vingar.

Och så, vad som händer här är att när regn kommer in i Afrika, till exempel, eller in i Indien, eller till andra områden, då kan du ha frodig vegetation, och den lilla gräshoppspopulationen kan föröka sig som den här sortens kryptiska gräshoppor, de kan växa i befolkningsstorlek. Nu när den befolkningen växer äter de mer och mer och mer och ofta kan det också bli torka.

Nu, om du har en hög befolkningstäthet, och sedan plötsligt försvinner maten, då är vad gräshopporna gör, de har utvecklats till att övergå till denna sällskapliga form, där de börjar marschera tillsammans. De börjar alla röra sig tillsammans. Dessa svärmar kan vara miljarder individer - så långt du kan se, marscherar gräshoppor alla unisont, som i ett gemensamt syfte. Och när de väl växer vingar kan de flyga. Och då blir det ännu värre, eftersom de kan komma åt passadvindarna eller andra, ni vet, miljöförhållanden, där de kan överföra sig själva som massiva svärmar över hundratals eller till och med tusentals kilometer. Och så, detta är ett av de största och mest förödande kollektiva beteenden vi har på vår planet.

STROGATZ: Oj, jag kan inte säga att jag är så bekant med tanken på att gräshoppor marscherar. Vi är vana vid att tänka på dem som dessa moln, du vet, som svärmar i luften. Men berätta lite mer om marschen, för jag minns vagt en del häpnadsväckande forskning av er med den kannibalistiska aspekten av gräshoppor, är det rätt ord att använda?

KUSIN: Ja, det var 2008, och - men du har rätt, du vet, dessa enorma flockar eller svärmar eller moln av gräshoppor som övergår över stora avstånd, du vet, vi vet inte mycket om dem eftersom vi inte hade teknik för att studera det. Faktum är att vi fortfarande inte har tekniken för att studera det. Så det är inte så att det inte är viktigt, det är otroligt viktigt.

Men vi vet också att det som föregår dessa flygsvärmar — jag menar, den flygande svärmen är lite som en löpeld som redan har kommit utom kontroll. Nu kommer du verkligen att få problem med att kontrollera det. Men om du kan kontrollera det innan de växer vingar, du vet, när de bildar dessa svärmar i öknen eller dessa miljöer innan dess, då finns det stor potential.

Och så, av praktiska skäl, fokuserade vi på dessa vinglösa svärmar. Och faktiskt, du vet, även om du har rätt, jag började studera dessa i mitten av 2000-talet, vi är nu, jag återvänder nu till gräshoppor, och jag studerar dem nu igen.

Vi har precis skapat världens första riktiga svärm i laboratoriemiljön någonsin, tidigare i år, där vi spårade 10,000 15 gräshoppor i en 15 gånger 8 gånger XNUMX meter bildmiljö som vi byggde här speciellt för ändamålet, här i Konstanz. Så det är roligt att du nämner det, för min forskning går nu på ett sätt tillbaka till samma system.

Men, ja, som du sa, det vi upptäckte var, du vet, dessa insekter, ja, varför marscherar de tillsammans? Varför är de - du vet, och vi trodde först att det måste vara som fiskstim och fågelflockar. Det måste handla om information. Det måste handla om kollektiv intelligens. Tja, vi hade fel. Och detta är alltså den stora faran. Om du ser, du vet, en svärm av myror som rör sig i en cirkel, rör sig i en sorts kvarn, och du ser en fiskstim, till exempel, vända sig i en torus eller ett slags munkliknande mönster, eller du ser en virvelvind, det här är alla mönster som ser likadana ut, men de kan drivas av väldigt, väldigt olika fenomen.

Och jag tror att jag blev vilseledd när jag tänkte, du vet, när du ser kollektiv rörelse måste det vara liknande processer som ligger till grund för det. Men i fallet med gräshoppor var det inte den här typen av informationsöverföringshypotes. Det var faktiskt det faktum att i dessa ökenmiljöer, när maten plötsligt blir kort, har du desperat ont om viktiga näringsämnen, särskilt i öknen: protein, salt och vatten.

Och vad är bättre för dig i den här typen av tuff miljö än en annan individ? Eftersom de är perfekt balanserad näringssammansättning. Så vad individerna gör är att de attraheras av varandra, och de tenderar att kannibalisera varandra. Så de har utvecklats till att följa dem som flyttar bort, för att försöka bita dem baktill, längst bak i buken, vilket är väldigt svårt att försvara sig mot. Huvudet är tungt bepansrat, men baksidan av buken är en svag punkt av förklarliga skäl, det måste finnas en öppning där.

Och så riktar de sig mot det, men då slipper de också bli måltavla av andra. Och resultatet av att följa dem som rör sig bort från dig och flytta bort från de som rör sig mot dig resulterar i att hela svärmen börjar marschera tillsammans över denna ökenmiljö.

Och de tjänar också på att advectera, genom att flytta ut från näringsfattiga områden tillsammans. För, du vet, om du sätter en människa i öknen, kommer en människa att tendera att bli desorienterad och tendera att röra sig i cirklar. Samma sak med en gräshoppa. Men om du sätter dem i en svärm, den kollektiva anpassningen, synkroniteten mellan individerna, du vet, hundratals miljoner individer som ansluter sig till varandra, kan de marschera på ett mycket riktat sätt ut ur dessa näringsfattiga miljöer. Och de kan också träska i rovdjur. Du vet, rovdjur kan helt enkelt inte göra mycket av ett indrag här.

STROGATZ: Det får mig att undra, faktiskt, när vi pratar om alla dessa exempel, hur blev du intresserad av allt detta, förr i tiden? Du nämnde att det här var 2008?

KUSIN: Ja, det var den tidningen 2008.

STROGATZ: Ja, du var upptagen med det här redan innan dess, eller hur?

KUSIN: Ja, jag tog min doktorsexamen. i slutet av nittiotalet på myror. Jag var fascinerad av myrbeteende. Och för att vara ärlig började det med en passion för naturen och en besatthet av bara naturhistoria och att observera vad som fanns omkring oss.

Jag tänkte som barn att det måste finnas en expert som förstår varför svärmar bildas, varför fiskstim, varför fåglar flockas. Jag tänkte att det här måste vara något som alla studerar.

Jag var konstnär som barn. Jag var väldigt intresserad av kreativt skrivande och poesi och konst. Och så, jag drogs till en början av den rena skönheten, fascinationen av skönheten i dessa.

Och på gymnasiet var jag ingen stor elev i naturvetenskap. Jag höll på med keramik och jag målade. Och när jag gick på universitetet minns jag att min pappa sa till mig: ”Du vet, min son, du borde göra det du är bra på. Gör engelska eller konst. Du är inte en vetenskapsman, du är en naturforskare, vet du?” Och han hade rätt. Han hade helt rätt.

Och det var senare när jag gjorde en biologiexamen, och jag visste precis i den allra första föreläsningen av min biologiföreläsning, att jag visste att detta var rätt sak för mig, jag bara visste det. Och jag upptäckte att det finns hela den här världen av statistisk fysik. De här artiklarna kom ut på den tiden, och de gjorde mig förbannad eftersom de var författare som såg djupa matematiska principer över system.

Min Ph.D. rådgivare sa, du vet, för att få ett jobb borde du bli världsexpert på en art av myror, och då kan du vara värdefull. Men jag läste detta arbete av forskare som gjorde precis tvärtom. De studerade allt, från fysiska system till biologiska system, och de såg dessa principer. Och även mönstren och strukturerna och resultaten de hittade var helt naturligt vackra. Och så tänkte jag att det här måste vara rätt. Detta måste vara rätt sätt att göra vetenskap. Och så, vid den tiden, drogs jag precis in i fysikens värld.

STROGATZ: Har du någonsin haft nöjet att prata med din pappa efteråt om din förändring i riktning?

KUSIN: Jag trodde aldrig att min pappa kom ihåg detta. Och sedan när jag blev befordrad från biträdande professor till professor vid Princeton University, fick jag ett telefonsamtal från ordföranden för institutionen som sa: "Grattis, professor Couzin." Och, du vet, jag blev helt överväldigad, så naturligtvis ringde jag till min mamma och pappa, och min pappa svarade i telefonen och sedan sa han, "Och för att tro att jag kallade dig naturforskare." Det är den enda gången, det är decennier senare. Jag visste aldrig att han ens kom ihåg den här diskussionen.

STROGATZ: Tja, det är en bra historia, det är en riktigt bra historia. Vi gillar att prata om stora obesvarade frågor i den här showen, och så, vad ser du som några av de största obesvarade frågorna om flockar och skolor och kollektivt beteende i allmänhet?

KUSIN: Det gör jag absolut. Och detta får mig in på ämnet som jag är så exalterad över nu. Så igen, tidigare i min karriär, tänkte jag, du vet, hjärnan är förstås en underbar kollektiv beräkningsenhet, ett av de vackraste exemplen, du vet. Hur fattar hjärnan beslut? Och det är en samling neuroner, och naturligtvis har vi myrsvärmar, eller gräshoppsvärmar, eller fågelflockar, eller fiskstim, alla dessa olika komponenter interagerar tillsammans. Så, finns det något som djupt förbinder dessa olika system, eller inte? Och det jag är fascinerad av just nu är kollektivt beslutsfattande, och särskilt kollektivt beslutsfattande i rymden.

Så, hur representerar hjärnan rum-tid? Och hur spelar det roll när det gäller beslut? Och vad i hela friden har det med djurens kollektiva beteende att göra? Vad jag insåg för ungefär fem år sedan, är att jag tror att det finns en djup matematisk likhet, och jag tror att det finns djupa geometriska principer, om hur hjärnan representerar rum och tid.

Och en av de mest spännande sakerna här är användningen av matematik igen. Du vet, jag hoppade av matte när jag var 16 år gammal, och jag har precis tillbringat ett sabbatsår vid Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences vid Cambridge University som Distinguished Fellow. Men jag kan inte lösa en ekvation, vet du?

Så det är jag, men jag älskar det faktum att jag kan arbeta med fantastiska matematiker. Och genom att arbeta med fysiker och matematiker och biologer, och genom att utföra experiment på djur i virtuell verklighet – har vi byggt en uppsättning teknologier här. Så vi kan inte sätta ett headset som en Meta Quest 3 på en fisk som är mindre än en centimeter lång. Men vi kan skapa virtuella, uppslukande, holografiska miljöer, så att vi helt kan kontrollera ingången. Vi kan helt kontrollera orsakssambanden.

Om, du vet, jag påverkar dig och du påverkar mig, och sedan finns det en tredje individ, påverkar de mig direkt eller via dig? Eller båda? Eller en fjärde individ eller femte? Och i våra virtuella verklighetsmiljöer kan vi placera dessa individer i vad vi kallar Matrix, som i filmen, där varje individ befinner sig i sin egen holografiska värld och interagerar i realtid med hologram av andra individer.

Men i den här världen kan vi leka med fysikens regler. Vi kan leka med reglerna för rum och tid för att förstå bättre, hur integrerar hjärnan dessa?

Och så, detta är verkligen förvirrande för mig eftersom vi kan visa att hjärnan inte representerar rymden på ett euklidiskt sätt. Det representerar rymden i ett icke-euklidiskt koordinatsystem. Och vi kan sedan matematiskt visa varför detta är så viktigt, vilket är att när du börjar hantera tre eller fler alternativ, då faktiskt förvrängning av rumtiden, vilket gör rymden icke-euklidisk, kan dramatiskt reducera världens komplexitet till en serie bifurkationer. Och nära varje bifurkation förstärker det skillnaderna mellan de återstående alternativen. Så det är den här vackra inre strukturen.

Och så, vi tror att vi har den här universella teorin om hur hjärnan fattar rumsliga beslut som vi aldrig skulle ha kunnat fatta utan att titta på en rad organismer som fiskar och gräshoppor och flugor inom dessa typer av virtuell verklighetsmiljöer, och så är det vad jag är superglad över.

[Temaspel]

STROGATZ: Tja, jag kan inte vänta med att höra om allt det här när du reder ut det. Jag skulle kunna fortsätta med dig hela dagen, men jag tycker att det är dags att säga tack. Vi har pratat med evolutionsekologen Iain Couzin om flockning, svärmning, skolgång och alla typer av kollektivt beteende. Iain, det har varit ett sånt nöje att lära sig om vad du håller på med och naturens under att du har hjälpt till att reda ut för oss alla. Tack så mycket.

KUSIN: Det har varit ett nöje. Tack, Steve.

[Tema fortsätter att spelas]

STROGATZ: Tack för att du lyssna. Om du gillar "The Joy of Why" och du inte redan prenumererar, tryck på prenumerera eller följ-knappen där du lyssnar. Du kan också lämna en recension för showen. Det hjälper människor att hitta den här podden.

"The Joy of Why" är en podcast från Quanta Magazine, en redaktionellt oberoende publikation som stöds av Simons Foundation. Finansieringsbeslut av Simons Foundation har inget inflytande på valet av ämnen, gäster eller andra redaktionella beslut i denna podcast eller i Quanta Magazine.

"The Joy of Why" är producerad av PRX Productions. Produktionsteamet är Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler och Merritt Jacob. Exekutiv producent för PRX Productions är Jocelyn Gonzales. Morgan Church och Edwin Ochoa gav ytterligare hjälp.

Från Quanta Magazine, gav John Rennie och Thomas Lin redaktionell vägledning, med stöd från Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana och Madison Goldberg.

Vår temamusik är från APM Music. Julian Lin kom på podcastnamnet. Avsnittskonsten är av Peter Greenwood och vår logotyp är av Jaki King och Kristina Armitage. Särskilt tack till Columbia Journalism School och Bert Odom-Reed vid Cornell Broadcast Studios.

Jag är din värd, Steve Strogatz. Om du har några frågor eller kommentarer till oss, vänligen maila oss på [e-postskyddad]. Tack för att du lyssna.