L'immagine delle mucche al pascolo in un campo ha evocato a lungo una romantica nostalgia di un ritmo rilassato della vita rurale. Con uno sguardo più attento, però, i ricercatori hanno riconosciuto che quello che sembra essere un gregge disperso casualmente che mangia pacificamente l'erba è in realtà un complesso sistema di individui in un gruppo che affronta diverse tensioni. Un team di matematici e un biologo ha ora costruito un modello matematico che incorpora una funzione di costo per il comportamento in un simile gregge per comprendere le dinamiche di tali sistemi.

La ricerca sui sistemi complessi esamina il modo in cui i sistemi mostrano comportamenti al di là di quelli in grado di ottenere dai singoli componenti in isolamento. Questo campo rapidamente emergente può essere utilizzato per chiarire i fenomeni osservati in molte altre discipline tra cui biologia, medicinale, ingegneria, fisica ed economia.

"La scienza dei sistemi complessi cerca di comprendere non solo i componenti isolati di un dato sistema, ma come i singoli componenti interagiscono per produrre comportamenti di gruppo "emergenti", "ha detto Erik Bolt, direttore del Clarkson Center for Complex Systems Science e professore di matematica e di ingegneria elettrica e informatica.

Bollt ha condotto il lavoro con il suo team, autore principale del collega post-dottorato Kelum Gajamannage, che è stato riportato questa settimana sul giornale Caos .

"Le mucche al pascolo in una mandria sono un esempio interessante di un sistema complesso, " ha detto Bollt. "Una singola vacca svolge tre attività principali durante una giornata normale. Mangia, sta in piedi mentre svolge alcuni processi digestivi, e poi si sdraia a riposare."

Anche se questo processo sembra abbastanza semplice, c'è anche un bilanciamento delle dinamiche di gruppo al lavoro.

"Le mucche si muovono e mangiano in mandrie per proteggersi dai predatori, " disse Bollt. "Ma dal momento che mangiano a velocità diverse, la mandria può andare avanti prima che le vacche più lente abbiano finito di mangiare. Questo lascia queste vacche più piccole di fronte a una scelta difficile:continuare a mangiare in un ambiente più piccolo, gruppo meno sicuro, o andare avanti affamato con il gruppo più numeroso. Se il conflitto tra nutrirsi e stare al passo con un gruppo diventa troppo grande, può essere vantaggioso per alcuni animali dividersi in sottogruppi con esigenze nutrizionali simili".

Bollt e i suoi colleghi incorporano una funzione di costo nel loro modello per catturare queste tensioni. Questo aggiunge complessità matematica al loro lavoro, ma è diventato evidente che era necessario dopo aver discusso del comportamento delle mucche con il loro coautore, Marian Dawkins, un biologo con esperienza nella ricerca di mucche.

"Alcuni risultati della simulazione sono stati sorprendenti, " Bollt ha detto. "Si potrebbe pensare che ci sarebbero stati due gruppi statici di mucche - i mangiatori veloci e i mangiatori lenti - e che le mucche all'interno di ciascun gruppo svolgessero le loro attività in modo sincronizzato. Invece abbiamo scoperto che c'erano anche mucche che si muovevano avanti e indietro tra i due".

"La causa principale è che questo sistema complesso ha due ritmi in competizione, " Bollt ha anche detto. "Il gruppo di animali di taglia grande aveva un ritmo più veloce e il gruppo di animali di taglia piccola aveva un ritmo più lento. Per contestualizzarlo, una mucca potrebbe trovarsi in un gruppo, e dopo un po' il gruppo è troppo veloce. Quindi passa al gruppo più lento, che è troppo lento, ma muovendosi tra i due gruppi, la vacca si espone maggiormente al pericolo dei predatori, causando una tensione tra il bisogno di mangiare della mucca e il suo bisogno di sicurezza".

Il modello esistente e la funzione di costo potrebbero essere utilizzati come base per lo studio di altri animali da pastore. Nel futuro, potrebbe anche esserci spazio per incorporarlo negli studi sul comportamento umano nei gruppi. "La funzione di costo è un potente strumento per esplorare i risultati in situazioni in cui sono in gioco tensioni individuali e di gruppo, " disse Bolt.