Psiaki! Skoro przykułem już waszą uwagę, pomówmy o teorii złożoności

Zachowanie zwierząt nie jest skomplikowane, lecz złożone. Nicolas Perony bada, w jaki sposób jeden osobnik, czy to terier szkocki, nietoperz, czy surykatka, stosuje się do prostych zasad, które zastosowane w grupie, stwarzają większe możliwości zachowań. A także, w jaki sposób ta złożoność zrodzona z prostoty może pomagać w przystosowaniu się do nowych warunków.

Nauka

pozwala nam dowiedzieć się

tak wiele o wszechświecie

który jest dla nas bardzo ważny

choć jest też niesamowicie odległy,

ale nadal bliższy niż się wydaje

i jesteśmy z nim bezpośrednio związani.

Jednak wielu rzeczy nie rozumiemy.

Jedną z nich

jest niebywała
złożoność społeczna zwierząt.

Opowiem wam dziś kilka historii

o zwierzęcej złożoności.

Na wstępie - czym jest złożoność?

Co znaczy złożony?

Złożony to nie to samo,
co skomplikowany.

Coś skomplikowanego składa się
z wielu małych części,

każda jest inna

i spełnia swoją
szczególną rolę w mechanizmie.

Z kolei złożony system

składa się z wielu podobnych części,

których interakcja

skutkuje w pełni spójnym zachowaniem.

Złożone systemy mają wiele
oddziałujących na siebie części,

które postępują według
prostych, indywidualnych zasad

co skutkuje wyłanianiem się nowych cech.

Nie da się przewidzieć

zachowania systemu jako całości

tylko na podstawie
działania jednostki.

Jak pisał Arystoteles:

całość to więcej
niż suma jej składników.

Ale przejdźmy do bardziej

konkretnych przykładów
złożonych systemów.

To są teriery szkockie.

Początkowo system był chaotyczny.

Potem następuje zaburzenie: mleko.

Każdy osobnik pcha w jedną stronę

i oto efekt.

Wiatraczek to nowa cecha

interakcji pomiędzy szczeniętami,

których jedyną zasadą jest
utrzymanie dostępu do mleka,

stąd popychanie w przypadkowym kierunku.

Więc polega to na
odnajdywaniu prostych zasad,

z których rodzi się złożoność.

Nazywam to upraszczaniem złożoności
i tym właśnie zajmujemy się

w Katedrze Projektowania Systemów

na Politechnice Federalnej w Zurychu.

Zbieramy dane o populacjach zwierząt,

analizujemy wzory złożoności
i próbujemy je wyjaśnić.

Wymaga to współpracy
fizyków z biologami,

matematykami i informatykami,

a interakcja pomiędzy nimi stwarza

interdyscyplinarną zdolność

rozwiązywania problemów.

Tak więc całość to więcej,

niż suma jej składników.

W pewnym sensie ta współpraca

jest również przykładem
złożonego systemu.

Pewnie zastanawiacie się

po której jestem stronie
- biologii czy fizyki.

To nie takie proste

i aby to wyjaśnić, muszę

opowiedzieć krótką historię.

Gdy byłem dzieckiem

uwielbiałem budować różne rzeczy
i tworzyć skomplikowane maszyny.

Postanowiłem studiować
inżynierię elektryczną

i robotykę,

a moim projektem na zakończenie studiów

było zbudowanie robota o nazwie ER-1.

Wyglądał tak.

Miał zbierać dane z otoczenia,

przetwarzać je i poruszać się
wzdłuż białej linii na podłożu.

Był bardzo skomplikowany,

ale działał bez zarzutu
w naszym pokoju testowym.

W dniu pokazu, nauczyciele
zgromadzili się, aby ocenić projekt.

Zanieśliśmy ER-1 do pokoju,
gdzie miał być oceniony.

Okazało się, że światło w tym pokoju

było nieco inne.

System wizyjny robota zawiódł

i przy pierwszym zakręcie

robot zboczył z kursu
i wpadł na ścianę.

Zbudowanie go zajęło tygodnie,

a aby go zniszczyć wystarczyła

niewielka zmiana w kolorze

oświetlenia pokoju.

Wtedy zrozumiałem,

że im bardziej
skomplikowana jest maszyna,

tym bardziej prawdopodobnie zawiedzie

z zupełnie nieoczekiwanych powodów.

Stwierdziłem, że nie chcę

tworzyć skomplikowanych rzeczy.

Chciałem zrozumieć złożoność

świata dookoła nas,

szczególnie w królestwie zwierząt.

I tu wkraczają nietoperze.

Nocek Bechsteina to pospolity
gatunek europejskich nietoperzy.

Są to zwierzęta społeczne.

Głównie przebywają,
czy śpią, razem.

Żyją w koloniach rozrodczych,

co oznacza, że każdej wiosny

samice spotykają się
po zimowej hibernacji,

by przez około sześć miesięcy żyć razem

i wychować młode.

Każdy nietoperz ma mały chip,

więc za każdym razem,

gdy któryś wchodzi do specjalnie
wyposażonej budki dla nietoperzy,

wiemy, gdzie jest

i co ważniejsze,

z kim jest.

Mogę badać
relacje wychowawcze u nietoperzy,

które wyglądają tak:

w ciągu dnia nietoperze gromadzą się

w kilku podgrupach w różnych budkach.

Jednego dnia zdarza się,

że kolonia jest podzielona
między dwie budki,

a kolejnego

może znajdować się razem
w jednej budce,

lub podzielona
na trzy, bądź więcej budek,

wydaje się, że nie ma tu reguły.

Nazywa się to dynamiką fuzji i rozpadu

i dotyczy tendencji grup zwierząt

do regularnego dzielenia się i łączenia

w różne podgrupy.

Zbieramy dane

ze wszystkich dni

i analizujemy je łącznie,

by uzyskać długoterminowy
wzór zależności

za pomocą analizy sieci powiązań,

by otrzymać pełny obraz

społecznej struktury kolonii.

Wygląda to tak.

W tej sieci wszystkie punkty

to poszczególne nietoperze,

a linie pomiędzy nimi

to więzi społeczne,
powiązania pomiędzy osobnikami.

Okazuje się, że to bardzo ciekawy obraz.

Kolonia nietoperzy jest podzielona

na dwie społeczności,

które nie podlegają przewidywaniu

przez codzienną
dynamikę fuzji i rozpadu.

Nazywamy je ukrytymi
jednostkami społecznymi.

Co więcej,

co roku, około października,

kolonia rozdziela się

i wszystkie nietoperze
hibernują osobno.

Natomiast rok po roku,

gdy spotykają się ponownie wiosną,

społeczności pozostają te same.

Te nietoperze pamiętają swoich znajomych

naprawdę długo.

Z mózgiem wielkości fistaszka,

utrzymują własne,

długoterminowe więzi społeczne.

Nie wiedzieliśmy, że to możliwe.

Wiadomo było, że naczelne,

słonie czy delfiny to potrafią,

ale w porównaniu z nietoperzami
one mają ogromne mózgi.

Jak to możliwe,

że nietoperze utrzymują złożoną,

stabilną strukturę społeczną

z tak ograniczonymi
możliwościami poznawczymi?

Na to pytanie odpowiada złożoność.

Aby zrozumieć ten system

stworzyliśmy komputerowy
model kontaktów

oparty na działaniach osobnika

i symulujący tysiące dni

w wirtualnej kolonii nietoperzy.

Jest to model matematyczny,

ale nie jest skomplikowany.

Według modelu,

każdy nietoperz traktuje
kilkoro członków kolonii

jako swoich znajomych
i z nimi będzie przebywał

w budce nieco częściej.

Osobnik postępuje
według prostych zasad.

Tyle wystarczy, by wyjaśnić

społeczną złożoność nietoperzy.

Ale to nie wszystko.

Między 2010 a 2011

kolonia straciła ponad
dwie trzecie członków,

zapewne z powodu ostrej zimy.

Kolejnej wiosny nie uformowała
dwóch społeczności,

jak każdego roku,

co mogłoby doprowadzić do

wyginięcia kolonii,
bo byłaby zbyt mała.

Zamiast tego uformowała się
jedna, spójna grupa społeczna,

dzięki czemu kolonia
przetrwała ten okres

i dwa lata później
rozkwitła ponownie.

Wiadomo, że nietoperze

nie zdają sobie sprawy
z tego, co robi kolonia.

Kierują się prostymi zasadami
dotyczącymi powiązań,

a z tej prostoty

powstaje społeczna złożoność,

która pozwala kolonii
dostosowywać się

do znaczących zmian
w strukturze populacji.

Uważam, że to niesamowite.

Opowiem teraz inną historię,

z Europy przenosimy się

na pustynię Kalahari
w południowej Afryce,

gdzie żyją surykatki.

Na pewno o nich słyszeliście.

To fascynujące stworzenia.

Żyją w grupach ze ściśle
określoną hierarchią społeczną.

Jest jedna para dominująca

i osobniki podporządkowane,

niektóre są strażnikami,

inne opiekują się młodymi,

jeszcze inne uczą młode, i tak dalej.

Założyliśmy im małe

obroże GPS,

żeby badać, jak się przemieszczają

i jaki ma to wpływ
na ich społeczną strukturę.

Istnieje ciekawy przykład

wspólnego przemieszczania się surykatek.

Po środku ich rezerwatu

przebiega droga.

Drogą przejeżdżają samochody,
co stwarza niebezpieczeństwo.

Surykatki muszą ją pokonać,

by móc szukać pożywienia.

Zaczęliśmy się zastanawiać
jak właściwie one to robią?

Głównie to dominująca samica

prowadzi grupę do drogi,

ale gdy trzeba ją przekroczyć

ustępuje osobnikom podporządkowanym,

jakby mówiła:

"Idźcie przodem i powiedzcie,
czy jest bezpiecznie."

Jednak nie zdawałem sobie sprawy,

jakimi zasadami kierują się surykatki

przy takiej zmianie zachowania grupy

i czy można to wyjaśnić prostymi zasadami.

Stworzyłem model symulujący surykatki

przechodzące przez drogę.

To uproszczony model.

Poruszające się surykatki
są jak losowe cząstki,

których unikalną zasadą
jest współpraca.

Surykatki przemieszczają się razem.

Gdy te cząstki docierają do drogi,

wyczuwają przeszkodę

i odbijają się od niej.

Jedyna różnica

między dominującą samicą, tu na czerwono,

a innymi osobnikami,

jest taka, że dla niej poziom przeszkody,

czyli ryzyko, jakie stwarza droga,

jest nieco wyższy.

Ta drobna różnica

w ruchu osobnika

tłumaczy to, co obserwujemy,

że dominująca samica

prowadzi grupę do drogi,

po czym ustępuje innym,

aby przeszli pierwsi.

George Box, angielski statystyk,

napisał: "Wszystkie modele są fałszywe,

ale niektóre są przydatne."

Ten model też jest fałszywy,

bo w rzeczywistości surykatkom
daleko do losowych cząstek.

Jednak jest przydatny,

gdyż mówi nam,
że niezwykła prostota zasad

według których porusza się osobnik

może skutkować
ogromną złożonością zasad,

jakimi rządzi się grupa.

Znów mamy do czynienia
z upraszczaniem złożoności.

Chciałbym wyjaśnić

jakie to ma znaczenie dla całego gatunku.

Gdy dominująca samica ustępuje
osobnikowi podporządkowanemu,

nie jest to uprzejmość.

Dominująca samica

jest niezwykle ważna
dla spójności grupy.

Gdyby zmarła na drodze, cała grupa
byłaby w niebezpieczeństwie.

Więc to unikanie ryzyka

jest ewolucyjnie starym odruchem.

Surykatki wykorzystują taktykę,

która wyewoluowała
tysiące pokoleń temu

i dostosowują ją do
współczesnych zagrożeń,

w tym przypadku drogi
wybudowanej przez ludzi.

Adaptują bardzo proste zasady,

a efekt w postaci
złożonego zachowania

pozwala im przetrwać
ingerencje człowieka

w ich środowisko.

Koniec końców, to mogą być

nietoperze zmieniające
strukturę społeczną

na skutek zmniejszenia populacji,

to mogą być surykatki,

które przystosowały się
do obecności jezdni,

to może być każdy inny gatunek.

Moje przesłanie
nie jest skomplikowane,

ale proste, pełne zachwytu i nadziei,

chciałbym powiedzieć, że zwierzęta

wykazują niezwykłą społeczną złożoność,

która pozwala im dostosowywać się

i reagować na zmiany w ich środowisku.

Podsumowując, w królestwie zwierząt

prostota prowadzi do złożoności,

a ta do elastyczności.

Dziękuję.

(Brawa)

Dania Gerhardt: Dziękuję bardzo

za świetne rozpoczęcie. Zdenerwowany?

Nicolas Perony: Jest ok, dzięki.

DG: Super. Jestem pewna,
że wiele osób na widowni

próbowało stworzyć powiązania

między zwierzętami,
o których mówiłeś,

nietoperzami, surykatkami a ludźmi.

Przytoczyłeś przykłady,

że samice są bardziej społeczne,

są dominujące,

nie wiem, o czym kto teraz myśli.

Czy można tworzyć takie powiązania?

Czy można w ten sposób
potwierdzić stereotypy,

które sprawdzałyby się
u wszystkich gatunków?

NP: Istnieją również przykłady

przeczące tym stereotypom.

U koników morskich czy koali

to samce opiekują się młodymi.

Porównywanie

ludzi i zwięrząt

jest trudne i czasem niebezpieczne.

To tyle.

DG: Dziękuje bardzo
za świetny początek.

Dziękuję, Nicolas Perony.