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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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?
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Thank you.
Спасибо.
(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.
(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.