L'image de vaches en train de paître dans un champ a longtemps évoqué une nostalgie romantique du rythme détendu de la vie rurale. En y regardant de plus près, cependant, les chercheurs ont reconnu que ce qui semble être un troupeau dispersé au hasard mangeant paisiblement de l'herbe est en fait un système complexe d'individus dans un groupe confronté à des tensions différentes. Une équipe de mathématiciens et d'un biologiste a maintenant construit un modèle mathématique qui intègre une fonction de coût au comportement dans un tel troupeau pour comprendre la dynamique de tels systèmes.

La recherche sur les systèmes complexes examine comment les systèmes affichent des comportements au-delà de ceux capables de composants individuels isolément. Ce domaine en pleine émergence peut être utilisé pour élucider des phénomènes observés dans de nombreuses autres disciplines dont la biologie, Médicament, ingénierie, physique et économie.

"La science des systèmes complexes cherche à comprendre non seulement les composants isolés d'un système donné, mais comment les composants individuels interagissent pour produire un comportement de groupe « émergent », " a déclaré Erik Bollt, directeur du Clarkson Center for Complex Systems Science et professeur de mathématiques et de génie électrique et informatique.

Bollt a mené les travaux avec son équipe, rédigé par le boursier post-doctoral Kelum Gajamannage, qui a été rapporté cette semaine dans le journal le chaos .

« Les vaches qui paissent en troupeau sont un exemple intéressant de système complexe, " a déclaré Bollt. " Une vache individuelle effectue trois activités principales tout au long d'une journée ordinaire. Ça mange, il se tient debout pendant qu'il effectue certains processus digestifs, et puis il se couche pour se reposer."

Bien que ce processus semble assez simple, il y a aussi un équilibre des dynamiques de groupe au travail.

« Les vaches se déplacent et mangent en troupeau pour se protéger des prédateurs, " dit Bollt. " Mais comme ils mangent à des vitesses variables, le troupeau peut passer avant que les vaches plus lentes aient fini de manger. Cela laisse ces vaches plus petites face à un choix difficile :continuer à manger dans un plus petit, groupe moins sûr, ou avancez affamé avec le grand groupe. Si le conflit entre l'alimentation et le maintien d'un groupe devient trop important, il peut être avantageux pour certains animaux de se diviser en sous-groupes ayant des besoins nutritionnels similaires."

Bollt et ses collègues intègrent une fonction de coût dans leur modèle pour capturer ces tensions. Cela ajoute de la complexité mathématique à leur travail, mais il est devenu évident qu'après avoir discuté du comportement des vaches avec leur co-auteur, Marian Dawkins, un biologiste expérimenté dans la recherche sur les vaches.

"Certaines conclusions de la simulation étaient surprenantes, " dit Bollt. " On aurait pu penser qu'il y aurait deux groupes statiques de vaches - les mangeurs rapides et les mangeurs lents - et que les vaches au sein de chaque groupe menaient leurs activités de manière synchronisée. Au lieu de cela, nous avons découvert qu'il y avait aussi des vaches qui allaient et venaient entre les deux. »

"La cause principale est que ce système complexe a deux rythmes concurrents, " Bollt a également déclaré. "Le groupe d'animaux de grande taille avait un rythme plus rapide et le groupe d'animaux de petite taille avait un rythme plus lent. Pour le mettre en contexte, une vache peut se retrouver dans un groupe, et après un certain temps le groupe est trop rapide. Ensuite, il passe au groupe le plus lent, ce qui est trop lent, mais en se déplaçant entre les deux groupes, la vache s'expose davantage au danger des prédateurs, provoquant une tension entre le besoin de manger de la vache et son besoin de sécurité. »

Le modèle et la fonction de coût existants pourraient servir de base à l'étude d'autres animaux d'élevage. À l'avenir, il peut même être possible de l'intégrer dans des études sur le comportement humain en groupe. « La fonction de coût est un outil puissant pour explorer les résultats dans des situations où des tensions individuelles et au niveau du groupe sont en jeu, " dit Bollt.