Kobesætningens adfærd er foder til komplekse systemanalyser

Billedet af græssende køer på en mark har længe fremkaldt en romantisk nostalgi om et afslappet tempo i livet på landet. Ved nærmere eftersyn, imidlertid, forskere har erkendt, at det, der ser ud til at være en tilfældigt spredt flok, der fredeligt spiser græs, faktisk er et komplekst system af individer i en gruppe, der står over for forskellige spændinger. Et team af matematikere og en biolog har nu bygget en matematisk model, der inkorporerer en omkostningsfunktion til adfærd i en sådan flok for at forstå dynamikken i sådanne systemer.

Forskning i komplekse systemer ser på, hvordan systemer udviser adfærd ud over dem, der er i stand til fra individuelle komponenter isoleret. Dette hurtigt voksende felt kan bruges til at belyse fænomener observeret i mange andre discipliner, herunder biologi, medicin, ingeniørarbejde, fysik og økonomi.

"Kompleks systemvidenskab søger at forstå ikke kun de isolerede komponenter i et givet system, men hvordan de individuelle komponenter interagerer for at producere 'emergent' gruppeadfærd, sagde Erik Bollt, direktør for Clarkson Center for Complex Systems Science og professor i matematik og i elektro- og computerteknik.

Bollt udførte arbejdet med sit team, ledet af post-doc-stipendiat Kelum Gajamannage, som blev rapporteret i denne uge i bladet Kaos .

"Køer, der græsser i en flok, er et interessant eksempel på et komplekst system, " sagde Bollt. "En individuel ko udfører tre store aktiviteter i løbet af en almindelig dag. Den spiser, den står, mens den udfører nogle fordøjelsesprocesser, og så lægger den sig til hvile«.

Selvom denne proces virker simpel nok, der er også en afbalancering af gruppedynamikken på arbejdet.

"Køer bevæger sig og spiser i flok for at beskytte sig mod rovdyr, sagde Bollt. Men da de spiser med forskellig hastighed, flokken kan komme videre, før de langsommere køer er færdige med at æde. Dette efterlader disse mindre køer over for et vanskeligt valg:Fortsæt med at spise i en mindre, mindre sikker gruppe, eller gå sulten sammen med den større gruppe. Hvis konflikten mellem at spise og følge med i en gruppe bliver for stor, det kan være fordelagtigt for nogle dyr at opdeles i undergrupper med lignende ernæringsbehov."

Bollt og hans kolleger indarbejder en omkostningsfunktion i deres model for at fange disse spændinger. Dette tilføjer matematisk kompleksitet til deres arbejde, men det blev klart, at det var nødvendigt efter at have diskuteret køers adfærd med deres medforfatter, Marian Dawkins, en biolog med erfaring i at forske i køer.

"Nogle fund fra simuleringen var overraskende, " sagde Bollt. "Man kunne have troet, at der ville være to statiske grupper af køer - de hurtige og de langsomme - og at køerne i hver gruppe udførte deres aktiviteter på en synkroniseret måde. I stedet fandt vi ud af, at der også var køer, der bevægede sig frem og tilbage mellem de to."

"Den primære årsag er, at dette komplekse system har to konkurrerende rytmer, " Bollt sagde også. "Den store dyregruppe havde en hurtigere rytme, og den lille dyregruppe havde en langsommere rytme. For at sætte det i kontekst, en ko kan finde sig selv i én gruppe, og efter noget tid er gruppen for hurtig. Så flytter den til den langsommere gruppe, som er for langsom, men mens man bevæger sig mellem de to grupper, koen udsætter sig selv mere for faren for rovdyr, forårsager en spænding mellem koens behov for at spise og dens behov for sikkerhed."

Den eksisterende model og omkostningsfunktion kunne bruges som grundlag for undersøgelse af andre hyrdedyr. I fremtiden, der kan endda være plads til at inddrage det i undersøgelser om menneskelig adfærd i grupper. "Omkostningsfunktionen er et kraftfuldt værktøj til at udforske resultater i situationer, hvor der er individuelle spændinger og spændinger på gruppeniveau, sagde Bollt.