Het beeld van grazende koeien in een veld roept al lang een romantische nostalgie op over een ontspannen tempo van het plattelandsleven. Bij nadere inspectie, echter, onderzoekers hebben erkend dat wat een willekeurig verspreide kudde lijkt te zijn die vreedzaam gras eet, in feite een complex systeem is van individuen in een groep die met verschillende spanningen worden geconfronteerd. Een team van wiskundigen en een bioloog heeft nu een wiskundig model gebouwd dat een kostenfunctie voor gedrag in zo'n kudde omvat om de dynamiek van dergelijke systemen te begrijpen.

Onderzoek naar complexe systemen kijkt naar hoe systemen gedrag vertonen dat verder gaat dan wat in staat is van afzonderlijke componenten afzonderlijk. Dit snel opkomende veld kan worden gebruikt om verschijnselen op te helderen die in veel andere disciplines worden waargenomen, waaronder biologie, medicijn, Engineering, natuurkunde en economie.

"De wetenschap van complexe systemen probeert niet alleen de geïsoleerde componenten van een bepaald systeem te begrijpen, maar hoe de individuele componenten op elkaar inwerken om 'opkomend' groepsgedrag te produceren, " zei Erik Bolt, directeur van het Clarkson Center for Complex Systems Science en hoogleraar wiskunde en elektrotechniek en computertechniek.

Bollt voerde het werk uit met zijn team, hoofdauteur van postdoctoraal onderzoeker Kelum Gajamannage, die deze week in het journaal stond Chaos .

"Koeien die grazen in een kudde is een interessant voorbeeld van een complex systeem, " zei Bollt. "Een individuele koe voert drie belangrijke activiteiten uit gedurende een gewone dag. Het eet, het staat terwijl het sommige spijsverteringsprocessen uitvoert, en dan gaat het liggen om te rusten."

Hoewel dit proces eenvoudig genoeg lijkt, er is ook een evenwicht in de groepsdynamiek op het werk.

"Koeien bewegen en eten in kuddes om zichzelf te beschermen tegen roofdieren, " zei Bollt. "Maar aangezien ze met verschillende snelheden eten, de kudde kan verder voordat de langzamere koeien klaar zijn met eten. Hierdoor staan ​​deze kleinere koeien voor een moeilijke keuze:doorgaan met eten in een kleinere, minder veilige groep, of beweeg hongerig mee met de grotere groep. Als het conflict tussen eten en het bijhouden van een groep te groot wordt, het kan voor sommige dieren voordelig zijn om zich op te splitsen in subgroepen met vergelijkbare voedingsbehoeften."

Bollt en zijn collega's nemen een kostenfunctie op in hun model om deze spanningen vast te leggen. Dit voegt wiskundige complexiteit toe aan hun werk, maar het werd duidelijk dat het nodig was na bespreking van het gedrag van koeien met hun co-auteur, Marian Dawkins, een bioloog met ervaring in het onderzoeken van koeien.

"Sommige bevindingen uit de simulatie waren verrassend, "Zei Bollt. "Je zou kunnen denken dat er twee statische groepen koeien zouden zijn - de snelle eters en de langzame eters - en dat de koeien binnen elke groep hun activiteiten op een gesynchroniseerde manier zouden uitvoeren. In plaats daarvan ontdekten we dat er ook koeien waren die heen en weer bewogen tussen de twee."

"De belangrijkste oorzaak is dat dit complexe systeem twee concurrerende ritmes heeft, Bollt zei ook. "De grote dierengroep had een sneller ritme en de kleine dierengroep had een langzamer ritme. Om het in context te plaatsen, een koe kan zich in één groep bevinden, en na een tijdje is de groep te snel. Dan gaat het naar de langzamere groep, wat te traag is, maar tijdens het bewegen tussen de twee groepen, de koe stelt zich meer bloot aan het gevaar van roofdieren, waardoor een spanning ontstaat tussen de behoefte van de koe om te eten en haar behoefte aan veiligheid."

Het bestaande model en de kostenfunctie zouden kunnen worden gebruikt als basis voor het bestuderen van andere hoedende dieren. In de toekomst, er is misschien zelfs ruimte om het op te nemen in studies over menselijk gedrag in groepen. "De kostenfunctie is een krachtig hulpmiddel om resultaten te onderzoeken in situaties waarin er spanningen op individueel en groepsniveau spelen, ' zei Bolt.