Изображение пасущихся коров в поле уже давно вызывает в воображении романтическую ностальгию по спокойному темпу сельской жизни. Однако при ближайшем рассмотрении исследователи обнаружили, что то, что кажется случайным образом рассредоточенным стадом, мирно поедающим траву, на самом деле представляет собой сложную систему людей в группе, сталкивающихся с различной напряженностью. Команда математиков и биолога построила математическую модель, которая включает функцию стоимости поведения в таком стаде, чтобы понять динамику таких систем.
Исследования сложных систем смотрят на то, как системы демонстрируют поведение, выходящее за рамки того, на что способны отдельные компоненты в отдельности. Эта быстро развивающаяся область может быть использована для объяснения явлений, наблюдаемых во многих других дисциплинах, включая биологию, медицину, инженерию, физику и экономику.
«Наука о сложных системах стремится понять не только изолированные компоненты данной системы, но и то, как отдельные компоненты взаимодействуют, вызывая «эмерджентное» групповое поведение», - сказал Эрик Боллт, директор Центра изучения сложных систем Кларксона. и профессор математики, электротехники и вычислительной техники.
Боллт руководил работой со своей командой под руководством постдокторанта Келума Гаджаманнаге, о которой сообщалось на этой неделе в журнале Chaos из AIP Publishing.
«Коровы, пасущиеся стадом, - интересный пример сложной системы», - сказал Боллт. «Отдельная корова выполняет три основных действия в течение обычного дня. Она ест, стоит, выполняя некоторые пищеварительные процессы, а затем ложится отдыхать».
Несмотря на то, что этот процесс кажется достаточно простым, в работе также присутствует баланс групповой динамики.
«Коровы передвигаются и едят стадами, чтобы защитить себя от хищников», - сказал Боллт. «Но поскольку они едят с разной скоростью, стадо может двигаться дальше до того, как более медленные коровы закончат есть. Это ставит этих более мелких коров перед трудным выбором: продолжать есть в меньшей и менее безопасной группе или продолжать голодать вместе с большей группой., Если конфликт между кормлением и не отставанием от группы становится слишком большим, некоторым животным может быть выгодно разделиться на подгруппы со схожими потребностями в питании».
Боллт и его коллеги включили в свою модель функцию стоимости, чтобы отразить эти противоречия. Это усложняет их работу с математической точки зрения, но после обсуждения поведения коров с их соавтором Мэриан Докинз, биологом, имеющим опыт исследования коров, стало очевидно, что это необходимо.
«Некоторые результаты моделирования оказались неожиданными, - сказал Боллт. «Можно было подумать, что есть две статические группы коров - те, кто ест быстро, и те, кто ест медленно, - и что коровы в каждой группе выполняют свою деятельность синхронно. Вместо этого мы обнаружили, что были также коровы, которые двигались назад и вперед между двумя."
«Основная причина в том, что эта сложная система имеет два конкурирующих ритма», - также сказал Боллт. «Группа крупных животных имела более быстрый ритм, а группа мелких животных - более медленный. Для сравнения: корова может оказаться в одной группе, а через некоторое время группа становится слишком быстрой. переходит в более медленную группу, которая слишком медленная, но при перемещении между двумя группами корова подвергается большей опасности хищников, вызывая напряжение между потребностью коровы в еде и ее потребностью в безопасности."
Существующая модель и функция стоимости могут быть использованы в качестве основы для изучения других пастушьих животных. В будущем, возможно, даже появится возможность включить его в исследования человеческого поведения в группах. «Функция затрат - это мощный инструмент для изучения результатов в ситуациях, когда существуют противоречия на индивидуальном и групповом уровне», - сказал Боллт.