Щеночки! Теперь, когда я привлёк ваше внимание, теория комплексности

Поведение животных не сложное, а комплексное. Николас Перони изучает, как отдельные особи — будь то шотландские терьеры, летучие мыши или сурикаты — следуют простым правилам, которые в совокупности создают более крупный шаблон поведения. Как эта комплексность, рождённая из простоты, может помочь им адаптироваться к новым возникающим обстоятельствам?

Наука.

Наука позволила нам узнать так много

о далёких просторах Вселенной,

которая одновременно крайне важна

и невероятно далека,

и, тем не менее, она намного ближе,

намного более тесно связана с нами,

чем многие вещи,
которые мы не вполне понимаем.

И одна из таких вещей — исключительная

социальная комплексность
окружающих нас животных.

Сегодня я хочу рассказать вам
несколько историй

о комплексности животных.

Но для начала, что мы называем
словом «комплексность»?

Что значит «комплексный»?

«Комлексный» не значит «сложный».

Что-то сложное состоит
из множества мелких частей,

совершенно разных, и каждая из них

имеет свою определённую роль в механизме.

Напротив, комплексная система

включает в себя много-много
похожих частей,

и именно их взаимодействие

порождает согласованное
на глобальном уровне поведение.

Комплексные системы имеют много
взаимодействующих частей,

которые действуют согласно
отдельным простым правилам,

что приводит к возникновению
новых свойств.

Поведение системы в целом

невозможно предсказать,

исходя только из отдельных правил.

Как писал Аристотель,

«целое больше, чем сумма его частей».

Перейдём от Аристотеля

к более конкретному примеру
комплексных систем.

Это шотландские терьеры.

Сначала система дезорганизована.

затем появляется
причина беспорядка — молоко.

Каждая особь начинает толкаться
в одном направлении,

и вот что происходит.

Круговорот — это новое свойство,
возникающее

в результате взаимодействия между щенками,

чья единственная цель —
добраться до молока

и, следовательно,
двигаться в случайном направлении.

В основе лежат простые правила,

из которых возникает комплексность.

Я называю это упрощением комплексности,

и это то, чем мы занимаемся
на кафедре проектирования систем

в Высшей технической школе Цюриха.

Мы собираем данные о популяциях животных,

анализируем комплексные модели,
пробуем их объяснить.

Для этого физики должны
сотрудничать с биологами,

математиками и программистами,

и именно их взаимодействие

порождает расширенные возможности

для решения данных проблем.

И снова, целое больше,

чем сумма его частей.

В каком-то смысле сотрудничество —

ещё один пример комплексной системы.

Вы можете спрашивать себя:

«На какой я стороне: биологии или физики?»

На самом деле, всё немного иначе,

и чтобы объяснить это,
мне нужно рассказать вам

короткую историю о себе.

Когда я был маленьким,

я любил строить различные вещи,
изобретать сложные машины.

Поэтому я решил изучать электротехнику

и робототехнику,

и моя дипломная работа

была о создании робота
под названием ER-1, —

выглядел он вот так —

который собирал информацию
из окружающей его среды

и следовал белой линии на полу.

Это было очень, очень сложно,

но он прекрасно работал
в нашей тестовой комнате.

В день демонстрации профессор решил
поставить мне оценку за этот проект.

Мы отнесли ER-1 в комнату для оценки.

Оказалось, освещение в этой комнате

было немного другим.

Система технического зрения робота
была сбита.

На первом изгибе линии

он потерял курс и врезался в стену.

Мы потратили недели на то,
чтобы его построить,

а чтобы его разрушить

понадобилось едва заметное
изменение освещения

в комнате.

В тот момент я понял,

что, чем создаваемая машина сложнее,

тем более вероятно,
что она выйдет из строя

по совсем неожиданной причине.

И я решил, что, по сути,

я не особо хотел
создавать сложные механизмы.

Я хотел понимать комплексность,

комплексность мира вокруг нас

и, в особенности, животного мира.

Что приводит нас к летучим мышам.

Ночницы Бехштейна — распространённые
в Европе летучие мыши.

Они очень общительные.

Чаще всего они гнездятся или спят вместе.

И они живут в матриархальных колониях,

что означает, что каждую весну

самки встречаются после зимней спячки

и остаются вместе на примерно полгода,

чтобы выращивать детёнышей.

Все они носят крошечные чипы,

поэтому каждый раз, когда кто-то из них

попадает в один из специально
оборудованных «домиков»,

мы знаем, где она находится,

и, что гораздо важнее,

мы знаем, с кем она.

Я изучаю сообщества летучих мышей.

Вот как это выглядит.

Днём летучие мыши спят

подгруппами в разных домиках.

Может быть так, что сегодня

колония разделена между двумя домиками,

но на следующий день

они могут быть все в одном домике,

или разделиться между тремя
или более домиками.

Этот порядок кажется
довольно неустойчивым.

Это называется динамикой
разделения-слияния —

свойство группы животных

регулярно разделяться и объединяться

в разные подгруппы.

Мы собираем все эти данные

по разным дням

и объединяем их вместе,

чтобы извлечь образец долгосрочных связей

с помощью методов сетевого анализа

для получения полной картины

социальной структуры колонии.

Готовы? Вот как выглядит эта картина.

В этой сети все кружочки —

это узлы, отдельные летучие мыши,

а линии между ними —

это социальные связи,
отношения между особями.

Оказалось, что это
очень интересная картина.

Эта колония летучих мышей организована

в двух разных объединениях,

что не может быть предсказано,

исходя из ежедневной динамики
разделения-слияния.

Мы называем их загадочными
социальными единицами.

Ещё более интересно то,

что каждый год примерно в октябре

колония разделяется,

и все летучие мыши
впадают в спячку по отдельности.

Но спустя год,

когда весной летучие мыши
снова собираются вместе,

сообщества остаются без изменений.

То есть летучие мыши помнят своих друзей

на протяжении долгого времени.

Имея мозг размером с арахис,

они поддерживают индивидуализированные,

долгосрочные социальные связи,

о возможности которых мы не знали.

Мы знали, что приматы,

слоны и дельфины, способны на это,

но по сравнению с летучими мышами
они имеют мозг огромного размера.

Так как же это возможно,

что летучие мыши поддерживают комплексную

устойчивую социальную структуру

с такими весьма ограниченными
когнитивными способностями?

Вот тут комплексность помогает с ответом.

Чтобы понять эту систему,

мы создали компьютерную модель
гнездования,

основанную на отдельных, простых правилах,

и сымитировали тысячи и тысячи дней

в виртуальной колонии летучих мышей.

Это математическая модель,

но она не так уж и сложна.

Модель показывает, что, по сути,

каждая летучая мышь считает
нескольких членов колонии

своими друзьями
и она немного более склонна

к гнездованию в домике с ними.

Отдельные простые правила.

Вот и всё, что требуется,
чтобы объяснить

социальную комплексность
этих летучих мышей.

Но становится ещё интереснее.

Между 2010 и 2011 годами

колония потеряла
более двух третьих членов,

вероятно, вследствие очень холодной зимы.

Следующей весной они
не образовали две общины,

как каждый год до этого,

что могло привести к смерти всей колонии,

которая стала слишком малочисленной.

Вместо этого они создали
сплочённую социальную единицу,

что позволило колонии выжить в тот сезон

и снова разрастись
в течение следующих двух лет.

Мы знаем, что летучие мыши

не осведомлены, что их колония это делает.

Они просто следуют
простым правилам объединения,

и из этой простоты

возникает социальная комплексность,

позволяющая колонии быть устойчивой

к радикальным переменам
в структуре популяции.

Я нахожу это невероятным.

Теперь хочу рассказать вам другую историю,

для чего нам придётся отправиться из Европы

в пустыню Калахари в Южной Африке.

Это место, где живут сурикаты.

Я уверен, вы знаете, кто они такие.

Это удивительные существа.

Они живут в группах с очень чёткой
социальной иерархией.

Есть одна доминирующая пара

и множество подчинённых;

некоторые действуют, как хищники,

другие — как няньки,

третьи воспитывают детёнышей,
и так далее.

Мы одели крошечные GPS ошейники

на этих животных,

чтобы изучить, как они
перемещаются вместе

и как это соотносится
с их социальной структурой.

У сурикатов есть очень интересный пример

коллективного передвижения.

Посреди парка, где они живут,

пролегает дорога.

По этой дороге ездят автомобили,
так что она опасная.

Но сурикатам приходиться пересекать её,

чтобы перейти от одного
места кормления к другому.

Мы задались вопросом:
как именно они это делают?

Мы заметили, что доминирующая самка —

это, в основном, та,
которая ведёт группу к дороге,

но, когда нужно пересечь дорогу,

она уступает первенство подчинённым,

как бы говоря:

«Идите вперёд, сообщите,
безопасно ли там».

Чего я не знал, так это того,

каким правилам поведения
следуют сурикаты

для совершения этой замены,

и достаточно ли простых правил
для объяснения этого.

Поэтому я построил модель —
смоделированные сурикаты

пересекают сымитированную дорогу.

Это упрощённая модель.

Передвигающиеся сурикаты
похожи на случайные частицы,

единственное правило которых, —
это правило группировки.

Они просто передвигаются вместе.

Когда эти частички достигают дороги,

они ощущают своего рода препятствие

и врезаются в него.

Единственным отличием

между доминирующей самкой
(здесь показана красным)

и другими особями

является то, что для неё
высота препятствия,

что, по сути, и есть риск от дороги,

всего лишь немного больше;

и эта малюсенькая разница

в правиле передвижения особи

достаточна для объяснения того,
что мы наблюдаем:

доминирующая самка

ведёт свою группу к дороге,

а потом уступает первенство другим,

чтобы они пересекли её первыми.

Джордж Бокс, британский статист,

однажды написал: «Все модели ошибочны,

но некоторые — полезны».

И на деле эта модель очевидно ошибочна,

потому как в реальности сурикаты —
что угодно, но точно не случайные частицы.

Но она также и полезна,

потому что показывает нам,
что крайняя простота

в правилах передвижения
на уровне особи

может в результате привести
к невероятной комплексности

на уровне группы.

Повторюсь, это упрощающая комплексность.

Я бы хотел завершить тем,

что всё это значит для целого вида.

Когда доминирующая самка

уступает первенство подчинённому,

это происходит не из вежливости.

В действительности, доминирующая самка

крайне важна для сплочённости группы.

Если она умрёт на дороге,
вся группа окажется в опасности.

Поэтому нежелание рисковать —

весьма закоренелая эволюционная реакция.

Сурикаты копируют развитую тактику,

насчитывающую тысячи поколений,

и адаптируют её к современным рискам —

в данном случае, к дороге,
построенной людьми.

Они адаптируют очень простые правила,

и основанное на них
комплексное поведение

позволяет им противостоять
человеческому вторжению

в их естественную среду обитания.

В итоге,

это могут быть летучие мыши,
меняющие социальную структуру

в ответ на резкое снижение популяции,

или сурикаты,

демонстрирующие новаторскую
адаптацию к людским дорогам,

или какой-нибудь другой вид.

Моя мысль — и она не сложная,
а простая мысль

с изумлением и надеждой —

моя идея в том, что животные

демонстрируют необычайную
социальную комплексность,

и это позволяет им адаптироваться

и реагировать на изменения
в их окружающей среде.

В трёх словах, в царстве животных

простота ведёт к комплексности,

которая в свою очередь
ведёт к устойчивости.

Спасибо.

(Аплодисменты)

Дания Герхарт: Большое спасибо, Николас,

за такое превосходное начало.
Немного волнуешься?

Николас Перони: Я в порядке, спасибо.

ДГ: Отлично. Уверена, что много
людей в аудитории

попытались создать связи

между животными,
о которых ты говорил, —

летучие мыши, сурикаты и люди.

Ты привёл несколько примеров:

женские особи более общительны,

женские особи доминируют.

Не уверена, кто как думает.

Нормально ли создавать такие объединения?

Разве ты не подтверждаешь стереотипы,

которые действительны для всех видов?

НП: Я бы сказал, существуют

и противоположные
этим стереотипам примеры.

Например, среди морских коньков или коал

именно мужские особи
всегда заботятся о потомстве.

А урок в том, что проводить параллель
между животными и людьми

всегда тяжело,

а иногда даже и опасно.

Вот и всё.

ДГ: Ясно. Спасибо большое
за это прекрасное начало.

Спасибо, Николас Перони.