Naukowcy z Complexity Science Hub i Santa Fe Institute opracowali model pozwalający obliczyć, jak szybko lub wolno organizm powinien w idealnym przypadku uczyć się w swoim otoczeniu. Twierdzą, że idealne tempo uczenia się organizmu zależy od tempa zmian środowiska i jego cyklu życiowego.
Każdego dnia budzimy się w innym świecie i dostosowujemy się do niego. Firmy stają przed nowymi wyzwaniami i konkurencją i dostosowują się do nowych warunków lub upadają. W biologii jest to kwestia przetrwania: każdy organizm, od bakterii po płetwal błękitny, stoi przed wyzwaniem dostosowania się do stale zmieniających się środowisk. Zwierzęta muszą nauczyć się, gdzie szukać pożywnego pożywienia, nawet jeśli źródła pożywienia zmieniają się wraz z porami roku. Jednak uczenie się wymaga czasu i energii — organizm, który uczy się zbyt wolno, pozostanie w tyle za zmianami środowiskowymi, natomiast organizm, który uczy się zbyt szybko, zmarnuje wysiłek na śledzenie bezsensownych wahań.
Nowy model matematyczny daje ilościową odpowiedź na pytanie: Jakie jest optymalne tempo uczenia się organizmu w zmieniającym się świecie? „Kluczowym spostrzeżeniem jest to, że idealny wskaźnik uczenia się rośnie w ten sam sposób niezależnie od tempa zmian środowiskowych, niezależnie od tego, czy organizm zmienia swoje środowisko, czy też zmienia swoje interakcje z nim. Sugeruje to możliwe do uogólnienia zjawisko, które może leżeć u podstaw uczenia się w różnych ekosystemach ”, stwierdza CSH PostDoc Eddie Lee.
Model badaczy wyobraża sobie środowisko, które zmienia się w charakterystycznym tempie między różnymi stanami, takimi jak pora deszczowa i sucha. Organizm wyczuwa ten stan środowiska i zapamiętuje stany przeszłe. Jednak starsze wspomnienia tracą na znaczeniu z biegiem czasu, w tempie, które określa skalę czasu uczenia się organizmu.
Uczenie się u podstaw zmiany
Jaki jest optymalny harmonogram nauki, aby zmaksymalizować adaptację do środowiska? Model przewiduje uniwersalne prawo: skala czasu uczenia się powinna być skalowana jako pierwiastek kwadratowy skali czasu środowiska.
Na przykład, jeśli środowisko podlega dwukrotnie wolniejszym zmianom, tempo uczenia się organizmu powinno spaść 1,4-krotnie (pierwiastek kwadratowy z 2). To skalowanie pierwiastkowe stanowi optymalny kompromis pomiędzy zbyt szybkim i zbyt wolnym uczeniem się. Co ważne, pierwiastek kwadratowy wskazuje, że korzyści z dłuższej pamięci maleją.
„Model symuluje także organizmy, które nie tylko pasywnie się uczą, ale mogą aktywnie przekształcać swoje środowisko – jest to umiejętność zwana konstruowaniem nisz” – mówi Lee, który jest stypendystą ESPRIT w Austriackim Funduszu Naukowym (FWF) w CSH. Jeśli organizm ma zdolności „stabilizujące”, dzięki którym jego środowisko staje się bardziej stałe, zyskuje przewagę ewolucyjną. Jednak ta przewaga pojawia się tylko wtedy, gdy organizm może zmonopolizować korzyści płynące ze stabilnego środowiska. Jeśli konkurenci zajmujący się darmowym ładowaniem również wykorzystają ustabilizowaną niszę, strategia budowy niszy rozpadnie się. Przykład: Bobry aktywnie kształtują swoje środowisko budując tamy na rzekach, tworząc stabilne stawy, które zapewniają siedliska dla nich samych i innych gatunków. Taka konstrukcja zapewnia im znaczną przewagę ewolucyjną, ponieważ zapewnia stałe zaopatrzenie w pożywienie i ochronę przed drapieżnikami. Jednak przewaga ta może się zmniejszyć, jeśli inne organizmy, np. piżmaki czy ryby, będą eksploatować zasoby utworzonego siedliska.
NAKŁADY METABOLICZNE DLA DUŻYCH ZWIERZĄT
Na koniec badacze oceniają, w jaki sposób zdolność uczenia się oddziałuje na koszty metaboliczne życia, czyli zapotrzebowanie organizmu na energię. Przewidują, że w przypadku małych, krótkotrwałych stworzeń, takich jak owady, koszty uczenia się i pamięci są najważniejsze. Z kolei w przypadku większych, dłużej żyjących zwierząt, takich jak ssaki, koszty uczenia się są mniejsze w porównaniu z narzutem metabolicznym.
To przewiduje, że małe, krótkotrwałe organizmy mają dobrze dostrojoną pamięć do swojego środowiska. „Z drugiej strony większe organizmy, takie jak słonie, mają dłuższą pamięć, ale dokładny czas przechowywania informacji może mieć więcej wspólnego z kosztami niezwiązanymi z uczeniem się lub innymi typami środowisk, takimi jak grupy społeczne, które nakładają dalsze wymagania poznawcze” – mówi Lee. Dlatego wyśmiewanie dobrze dostrojonej „pamięci pcheł” może nie być całkowicie właściwe.
Nowy model oferuje ramy ilościowe umożliwiające zrozumienie, w jaki sposób organizmy równoważą konkurencyjne wymagania w zakresie uczenia się i innych imperatywów przetrwania w stale zmieniającym się świecie. Wyniki sugerują optymalne tempo adaptacji dostosowane do szybkości zmian środowiskowych i długości życia organizmu w całym świecie żywym – od drobnoustrojów po ludzi.