Science, science has allowed us to know so much about the far reaches of the universe, which is at the same time tremendously important and extremely remote, and yet much, much closer, much more directly related to us, there are many things we don't really understand. And one of them is the extraordinary social complexity of the animals around us, and today I want to tell you a few stories of animal complexity.
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.
But first, what do we call complexity? What is complex? Well, complex is not complicated. Something complicated comprises many small parts, all different, and each of them has its own precise role in the machinery. On the opposite, a complex system is made of many, many similar parts, and it is their interaction that produces a globally coherent behavior. Complex systems have many interacting parts which behave according to simple, individual rules, and this results in emergent properties. The behavior of the system as a whole cannot be predicted from the individual rules only. As Aristotle wrote, the whole is greater than the sum of its parts. But from Aristotle, let's move onto a more concrete example of complex systems.
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.
These are Scottish terriers. In the beginning, the system is disorganized. Then comes a perturbation: milk. Every individual starts pushing in one direction and this is what happens. The pinwheel is an emergent property of the interactions between puppies whose only rule is to try to keep access to the milk and therefore to push in a random direction.
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.
So it's all about finding the simple rules from which complexity emerges. I call this simplifying complexity, and it's what we do at the chair of systems design at ETH Zurich. We collect data on animal populations, analyze complex patterns, try to explain them. It requires physicists who work with biologists, with mathematicians and computer scientists, and it is their interaction that produces cross-boundary competence to solve these problems. So again, the whole is greater than the sum of the parts. In a way, collaboration is another example of a complex system.
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.
And you may be asking yourself which side I'm on, biology or physics? In fact, it's a little different, and to explain, I need to tell you a short story about myself. When I was a child, I loved to build stuff, to create complicated machines. So I set out to study electrical engineering and robotics, and my end-of-studies project was about building a robot called ER-1 -- it looked like this— that would collect information from its environment and proceed to follow a white line on the ground. It was very, very complicated, but it worked beautifully in our test room, and on demo day, professors had assembled to grade the project. So we took ER-1 to the evaluation room. It turned out, the light in that room was slightly different. The robot's vision system got confused. At the first bend in the line, it left its course, and crashed into a wall. We had spent weeks building it, and all it took to destroy it was a subtle change in the color of the light in the room. That's when I realized that the more complicated you make a machine, the more likely that it will fail due to something absolutely unexpected. And I decided that, in fact, I didn't really want to create complicated stuff. I wanted to understand complexity, the complexity of the world around us and especially in the animal kingdom.
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.
Which brings us to bats. Bechstein's bats are a common species of European bats. They are very social animals. Mostly they roost, or sleep, together. And they live in maternity colonies, which means that every spring, the females meet after the winter hibernation, and they stay together for about six months to rear their young, and they all carry a very small chip, which means that every time one of them enters one of these specially equipped bat boxes, we know where she is, and more importantly, we know with whom she is. So I study roosting associations in bats, and this is what it looks like. During the day, the bats roost in a number of sub-groups in different boxes. It could be that on one day, the colony is split between two boxes, but on another day, it could be together in a single box, or split between three or more boxes, and that all seems rather erratic, really. It's called fission-fusion dynamics, the property for an animal group of regularly splitting and merging into different subgroups.
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.
So what we do is take all these data from all these different days and pool them together to extract a long-term association pattern by applying techniques with network analysis to get a complete picture of the social structure of the colony. Okay? So that's what this picture looks like. In this network, all the circles are nodes, individual bats, and the lines between them are social bonds, associations between individuals. It turns out this is a very interesting picture. This bat colony is organized in two different communities which cannot be predicted from the daily fission-fusion dynamics. We call them cryptic social units. Even more interesting, in fact: Every year, around October, the colony splits up, and all bats hibernate separately, but year after year, when the bats come together again in the spring, the communities stay the same.
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.
So these bats remember their friends for a really long time. With a brain the size of a peanut, they maintain individualized, long-term social bonds, We didn't know that was possible. We knew that primates and elephants and dolphins could do that, but compared to bats, they have huge brains. So how could it be that the bats maintain this complex, stable social structure with such limited cognitive abilities?
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?
And this is where complexity brings an answer. To understand this system, we built a computer model of roosting, based on simple, individual rules, and simulated thousands and thousands of days in the virtual bat colony. It's a mathematical model, but it's not complicated. What the model told us is that, in a nutshell, each bat knows a few other colony members as her friends, and is just slightly more likely to roost in a box with them. Simple, individual rules. This is all it takes to explain the social complexity of these bats.
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.
But it gets better. Between 2010 and 2011, the colony lost more than two thirds of its members, probably due to the very cold winter. The next spring, it didn't form two communities like every year, which may have led the whole colony to die because it had become too small. Instead, it formed a single, cohesive social unit, which allowed the colony to survive that season and thrive again in the next two years. What we know is that the bats are not aware that their colony is doing this. All they do is follow simple association rules, and from this simplicity emerges social complexity which allows the colony to be resilient against dramatic changes in the population structure. And I find this incredible.
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.
Now I want to tell you another story, but for this we have to travel from Europe to the Kalahari Desert in South Africa. This is where meerkats live. I'm sure you know meerkats. They're fascinating creatures. They live in groups with a very strict social hierarchy. There is one dominant pair, and many subordinates, some acting as sentinels, some acting as babysitters, some teaching pups, and so on. What we do is put very small GPS collars on these animals to study how they move together, and what this has to do with their social structure. And there's a very interesting example of collective movement in meerkats. In the middle of the reserve which they live in lies a road. On this road there are cars, so it's dangerous. But the meerkats have to cross it to get from one feeding place to another. So we asked, how exactly do they do this? We found that the dominant female is mostly the one who leads the group to the road, but when it comes to crossing it, crossing the road, she gives way to the subordinates, a manner of saying, "Go ahead, tell me if it's safe." What I didn't know, in fact, was what rules in their behavior the meerkats follow for this change at the edge of the group to happen and if simple rules were sufficient to explain it.
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.
So I built a model, a model of simulated meerkats crossing a simulated road. It's a simplistic model. Moving meerkats are like random particles whose unique rule is one of alignment. They simply move together. When these particles get to the road, they sense some kind of obstacle, and they bounce against it. The only difference between the dominant female, here in red, and the other individuals, is that for her, the height of the obstacle, which is in fact the risk perceived from the road, is just slightly higher, and this tiny difference in the individual's rule of movement is sufficient to explain what we observe, that the dominant female leads her group to the road and then gives way to the others for them to cross first. George Box, who was an English statistician, once wrote, "All models are false, but some models are useful." And in fact, this model is obviously false, because in reality, meerkats are anything but random particles. But it's also useful, because it tells us that extreme simplicity in movement rules at the individual level can result in a great deal of complexity at the level of the group. So again, that's simplifying complexity.
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.
I would like to conclude on what this means for the whole species. When the dominant female gives way to a subordinate, it's not out of courtesy. In fact, the dominant female is extremely important for the cohesion of the group. If she dies on the road, the whole group is at risk. So this behavior of risk avoidance is a very old evolutionary response. These meerkats are replicating an evolved tactic that is thousands of generations old, and they're adapting it to a modern risk, in this case a road built by humans. They adapt very simple rules, and the resulting complex behavior allows them to resist human encroachment into their natural habitat.
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.
In the end, it may be bats which change their social structure in response to a population crash, or it may be meerkats who show a novel adaptation to a human road, or it may be another species. My message here -- and it's not a complicated one, but a simple one of wonder and hope -- my message here is that animals show extraordinary social complexity, and this allows them to adapt and respond to changes in their environment. In three words, in the animal kingdom, simplicity leads to complexity which leads to resilience.
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.
Thank you.
Dziękuję.
(Applause) Dania Gerhardt: Thank you very much, Nicolas, for this great start. Little bit nervous? Nicolas Perony: I'm okay, thanks. DG: Okay, great. I'm sure a lot of people in the audience somehow tried to make associations between the animals you were talking about -- the bats, meerkats -- and humans. You brought some examples: The females are the social ones, the females are the dominant ones, I'm not sure who thinks how. But is it okay to do these associations? Are there stereotypes you can confirm in this regard that can be valid across all species? NP: Well, I would say there are also counter-examples to these stereotypes. For examples, in sea horses or in koalas, in fact, it is the males who take care of the young always. And the lesson is that it's often difficult, and sometimes even a bit dangerous, to draw parallels between humans and animals. So that's it. DG: Okay. Thank you very much for this great start. Thank you, Nicolas Perony.
(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.