ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆ ಎಂಬ ಸೋಜಿಗ (Collective Animal Behaviour and Self-Organization)

Review

Disha Hegde

  ಜಗತ್ತಿನ ಬುದ್ಧಿವಂತ ಪ್ರಾಣಿಗಳಲ್ಲಿ ಒಂದಾಗಿದ್ದರೂ ಮನುಷ್ಯರು ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿನ ಚಲನೆಯನ್ನು ಸರಿಯಾಗಿ ನಿಭಾಯಿಸಲಾರದೆ ಟ್ರಾಫಿಕ್ ಜಾಮ್ಗಳಲ್ಲಿ ಸಿಲುಕುವುದನ್ನು ನಾವು ಕಾಣಬಹುದು. ಆದ್ದರಿಂದ ಇರುವೆ, ಹಕ್ಕಿ, ಮೀನುಗಳು ತಮ್ಮ ಸೀಮಿತ ಇಂದ್ರಿಯಗಳ ಸಹಾಯದೊಂದಿಗೆ ಯಾವ ರೀತಿ ಸರಾಗವಾಗಿ ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುತ್ತವೆ ಎಂಬುದು ಆಸಕ್ತಿದಾಯಕವಾಗಿದೆ. ಈ ರೀತಿಯ ಸರಾಗ ಚಲನೆಗೆ ಒಂದು ಕಾರಣ ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆ.

Tweet

  ಕೆಲವು ದಿನಗಳ ಹಿಂದೆ ಉತ್ತರ ಮತ್ತು ಪಶ್ಚಿಮ ಭಾರತದಲ್ಲಿನ ಮಿಡತೆಗಳ ದಾಳಿ ನಿಮಗೆ ನೆನಪಿರಬಹುದು. ಎಂದಾದರೂ ಅಷ್ಟೊಂದು ಕೋಟಿಗಟ್ಟಲೆ ಮಿಡತೆಗಳು ಹೇಗೆ ಒಟ್ಟಾರೆಯಾಗಿ ಸಂವಹಿಸಿ ಚಲಿಸುತ್ತವೆ ಎಂದು ಆಶ್ಚರ್ಯ ಪಟ್ಟಿದ್ದೀರಾ? ಆಗಸದಲ್ಲಿ ಸ್ವಚ್ಚಂದವಾಗಿ ಹಾರಾಡುವ ಹಕ್ಕಿಗಳು, ನೀರಿನಲ್ಲಿ ಈಜುವ ಮೀನುಗಳು, ನೆಲದ ಮೇಲಿನ ಇರುವೆಗಳು, ಕಾಡಿನಲ್ಲಿನ ಜಿಂಕೆಗಳು ಮತ್ತು ಆನೆಗಳು, ಹೀಗೆ ನಮ್ಮ ಸುತ್ತಲಿನ ಪರಿಸರದಲ್ಲಿನ ಹಲವಾರು ಜೀವಿಗಳು ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುತ್ತವೆ. ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿನ ಚಲನೆ ಸಂಘಜೀವಿಗಳಲ್ಲಿ ಸೀಮಿತವಾಗಿಲ್ಲ. ಗೆದರೆ, ಸೋಧಿ ಮೀನುಗಳು, ಬೆಳ್ಳಕ್ಕಿ, ಪಾರಿವಾಳಗಳಂತಹ ಹಕ್ಕಿಗಳು ಸಹ ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುವುದನ್ನು ನಾವು ನೋಡಬಹುದು.

  ಹೀಗೆ ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿ ಒಟ್ಟಿಗೆ ಓಡಾಡುವುದರಿಂದ ಪ್ರಾಣಿಗಳಿಗೆ ಅನೇಕ ಪ್ರಯೋಜನಗಳಿವೆ—ಭಕ್ಷಕರಿಂದಾಗುವ ಅಪಾಯ ಕಡಿಮೆ, ಬೇಟೆಯಾಡುವ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ ಹೆಚ್ಚು ಹಾಗೂ ಬಹು ದೂರ ಹೋಗಬಲ್ಲವು. ಇಂತಹ ಗುಂಪುಗಳಲ್ಲಿರುವ ಪ್ರತಿಯೊಂದು ಜೀವಿಗೂ ಗುಂಪಿನ ಸಂಪೂರ್ಣ ರಚನೆಯ ಅರಿವಿಲ್ಲದ್ದಿದ್ದರೂ, ಯಾವುದೇ ನಾಯಕತ್ವವಿಲ್ಲದೆ, ಇಂತಹ ರಚನೆಯನ್ನು ಪರಿಣಾಮಕಾರಿಯಾಗಿ ನಿಯಂತ್ರಿಸುತ್ತವೆ. ಗುಂಪಿನ ಎಲ್ಲ ಸದಸ್ಯರು ತಮ್ಮ ನೆರೆಹೊರೆಯವರೊಂದಿಗಿನ ಸಂವಹನ ಅಥವಾ ರಾಸಾಯನಿಕಗಳಿಂದ ದೊರಕುವ ಸೀಮಿತವಾದ ಸ್ಥಳೀಯ ಮಾಹಿತಿಯ ಆಧಾರದ ಮೇಲೆ ಚಲಿಸುತ್ತವೆ. ಇಂತಹ ಸ್ಥಳೀಯ ನಿಯಮಗಳಿಂದ ನಿರ್ಮಾಣವಾಗುವ ಜಾಗತಿಕ ರಚನೆಯನ್ನು ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆ(self-organization) ಎನ್ನುತ್ತೇವೆ.

  ಸ್ವಯಂ ಸಂಘಟಿತ ಚಲನೆಯನ್ನು ಪ್ರದರ್ಶಿಸುವ ಜೀವಿಗಳಿಗೆ ಒಂದು ಉತ್ತಮ ಉದಾಹರಣೆಯೆಂದರೆ ಇರುವೆಗಳು. ಇರುವೆಗಳು ತಾವು ಸಾಗುವ ಮಾರ್ಗದ ಸಂಪೂರ್ಣ ಅರಿವಿಲ್ಲದಿದ್ದರೂ ಸಾಲಿನಲ್ಲಿ ಸರಿಯಾದ ಜಾಗವನ್ನು ಸುಲಭವಾಗಿ ತಲುಪುತ್ತವೆ. ಹಲವಾರು ರೀತಿಯ ಇರುವೆಗಳು ತಾವು ಚಲಿಸುವ ಮಾರ್ಗದಲ್ಲಿ ಫೆರೊಮೋನ್(pheromone) ಎಂಬ ರಾಸಾಯನಿಕವನ್ನು ಸ್ರವಿಸುತ್ತವೆ. ಇರುವೆಗಳು ರಾಸಾಯನಿಕವನ್ನು ಸ್ರವಿಸುವುದಲ್ಲದೆ, ಅದನ್ನು ಪತ್ತೆ ಹಚ್ಚುವ ಕ್ಷಮತೆಯನ್ನೂ ಹೊಂದಿವೆ. ಈ ರಾಸಾಯನಿಕವು ಇರುವೆಗೆ ಹಿಂತಿರುಗುವ ಮಾರ್ಗ ಮಾತ್ರವಲ್ಲದೆ ಬೇರೆ ಇರುವೆಗಳಿಗೆ ಆಹಾರವನ್ನು ತಲುಪಲು ದಾರಿ ತೋರಿಸುತ್ತದೆ. ಪ್ರತಿಯೊಂದು ಇರುವೆಯೂ ರಾಸಾಯನಿಕವನ್ನು ಅನುಸರಿಸಿ ನಡೆದಾಗ ಇರುವೆಗಳ ಸ್ವಯಂ ಸಂಘಟಿತ ಚಲನೆಯು ಸಾಧ್ಯವಾಗುತ್ತದೆ.

  ಹಕ್ಕಿಗಳು ಮತ್ತು ಮೀನುಗಳು ಇರುವೆಗಳ ಹಾಗೆ ಸಾಲಿನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸದೆ ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುತ್ತವೆ. ಇವುಗಳ ಚಲನೆಯನ್ನು ಅನುಕರಿಸುವ ಮಾದರಿಗಳನ್ನು ಶೋಧಿಸಲು ಜೀವಶಾಸ್ತ್ರಜ್ಞರು, ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರಜ್ಞರು ಸೇರಿದಂತೆ ಹಲವಾರು ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಪ್ರಯತ್ನಿಸಿದ್ದಾರೆ. ೧೯೯೫ ರಲ್ಲಿ ಥಾಮಸ್ ವಿಚೆಕ್ ಮತ್ತು ಸಂಗಡಿಗರು ಕಂಪ್ಯೂಟರ್'ನಲ್ಲಿ ಇವುಗಳ ಗುಂಪಿನ ಚಲನೆಯನ್ನು ಅನುಕರಿಸುವ ಸಾಧ್ಯತೆಯನ್ನು ತೋರಿಸಿದರು. ಈ ಮಾದರಿಯ ಪ್ರಕಾರ ಪ್ರತಿಯೊಂದು ಜೀವಿಯು ತನ್ನ ಸುತ್ತಲಿನ ಜೀವಿಗಳ ಸರಾಸರಿ ವೇಗದಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುತ್ತದೆ. ಈ ನಿಯಮವನ್ನು ಕಂಪ್ಯೂಟರ್'ನಲ್ಲಿ ಅನುಕರಿಸಿದಾಗ ಜೀವಿಗಳ ಗುಂಪು ಚಲನೆಯು ಚಿತ್ರ ೧ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಿದ ಹಾಗೆ ಹಲವಾರು ವೈವಿಧ್ಯಮಯ ಮಾದರಿಗಳಲ್ಲಿ ಕಂಡುಬರುತ್ತವೆ. ಈ ಮಾದರಿಯು 'ವಿಚೆಕ್ ಮಾದರಿ' (Vicsec model) ಎಂದೇ ಪ್ರಸಿದ್ಧವಾಗಿದೆ.

ಚಿತ್ರ ೧: ಚಲನೆಯ ಸ್ಥಳದ ಅಳತೆ ಮತ್ತು ಸುತ್ತಲಿನ ಗದ್ದಲದ ಪ್ರಮಾಣವನ್ನು ಬದಲಾಯಿಸಿದಾಗ ಹಲವಾರು ರಚನೆಗಳನ್ನು ಕಾಣಬಹುದು. (Vicsec et al. 1995)   ವಿವಿಧ ಹಕ್ಕಿ ಮತ್ತು ಮೀನುಗಳ ಆಕಾರ ಮತ್ತು ಚಲನೆಯಲ್ಲಿ ವ್ಯತ್ಯಾಸವಿದ್ದರೂ, ಇವು ವೈಯಕ್ತಿಕವಾಗಿ ಪಾಲಿಸುವ ನಿಯಮಗಳಲ್ಲಿನ ಸಣ್ಣ ವ್ಯತ್ಯಾಸದಿಂದ ಅವುಗಳ ಚಲನೆಯಿಂದಾಗುವ ರಚನೆಯು ವಿಭಿನ್ನವಾಗಬಹುದು. ಈ ಸಾಧ್ಯತೆಯನ್ನು ಪರಿಶೀಲಿಸಲು ಕೌಝನ್ ಮತ್ತು ಸಂಗಡಿಗರು ೨೦೦೨ರಲ್ಲಿ ಒಂದು ಮಾದರಿಯನ್ನು ಪ್ರಸ್ತಾಪಿಸಿದರು. ಈ ಮಾದರಿಯ ಪ್ರಕಾರ ಪ್ರತಿಯೊಂದು ಜೀವಿಯು ತುಂಬಾ ಹತ್ತಿರದ ನೆರೆಯ ಜೀವಿಗಳಿಂದ ದೂರ ಚಲಿಸುತ್ತದೆ (ವಿಕರ್ಷಣೆಯ ವಲಯ, zone of repulsion, zor). ವಿಕರ್ಷಣೆಯ ವಲಯದಲ್ಲಿ ಯಾವುದೇ ಜೀವಿಗಳಿಲ್ಲದಿದ್ದಲ್ಲಿ ದಿಕ್ಸೂಚನೆಯ ವಲಯದಲ್ಲಿರುವ (zone of orientation, zoo) ಜೀವಿಗಳ ಸರಾಸರಿ ವೇಗದಲ್ಲಿ ಹಾಗೂ ಆಕರ್ಷಣೆಯ ವಲಯದಲ್ಲಿರುವ (zone of attraction, zoa) ಜೀವಿಗಳ ಸರಾಸರಿ ದಿಕ್ಕಿನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುತ್ತದೆ. ಕಣ್ಣುಗಳ ಹಿಂಭಾಗದಲ್ಲಿರುವ ಕುರುಡು ತಾಣವನ್ನು (blind spot) ಹೊರತುಪಡಿಸಿ ಈ ಎಲ್ಲ ವಲಯಗಳು ಗೋಳಾಕಾರದಲ್ಲಿರುತ್ತವೆ (ಚಿತ್ರ ೨a ರಲ್ಲಿ ಗಮನಿಸಿ). ಈ ವಲಯಗಳ ತ್ರಿಜ್ಯವನ್ನು ಹೆಚ್ಚು ಅಥವಾ ಕಡಿಮೆ ಮಾಡಿದಾಗ ವಿವಿಧ ರೀತಿಯ ಗುಂಪು ಚಲನೆಗಳು ಕಂಡುಬರುತ್ತವೆ ಎಂದು ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಗಮನಿಸಿದರು (ಚಿತ್ರ ೨ b, c, d). ಈ ಎಲ್ಲ ಮಾದರಿಗಳು ಹಕ್ಕಿ, ಮೀನುಗಳಂತಹ ಗುಂಪಿನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುವ ಜೀವಿಗಳು ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆಯ ನಿಯಮವನ್ನು ಬಳಸಬಹುದು ಎಂಬ ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳ ವಾದಕ್ಕೆ ಪುಷ್ಟಿ ನೀಡುತ್ತವೆ.

ಚಿತ್ರ ೨: a)ಜೀವಿಯ ಸುತ್ತಲಿನ ಕಾಲ್ಪನಿಕ ವಲಯಗಳು ಮತ್ತು ಕುರುಡು ತಾಣ , b-d)ವಿವಿಧ ವಲಯಗಳ ತ್ರಿಜ್ಯಗಳನ್ನು ಬದಲಾಯಿಸಿದಾಗ ರಚನೆಗಳು ಬದಲಾಗುತ್ತವೆ- a)ದಲ್ಲಿ ಸಮೂಹದಲ್ಲಿರುವ ಜೀವಿಗಳು (swarm), b)ದಲ್ಲಿ ಗೋಳಾಕಾರದಲ್ಲಿ ತಿರುಗುತ್ತಿರುವ ಜೀವಿಗಳು (torus) c)ದಲ್ಲಿ ಸಮಾನಾಂತರವಾಗಿ ಸಾಗುತ್ತಿರುವ(parallelly moving) ಜೀವಿಗಳನ್ನು ಕಾಣಬಹುದು. (Couzin et al. (2002))   ಈ ವಿಸ್ಮಯಕಾರಿ ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆಯ ನಿಯಮ ಕೇವಲ ಜೀವಿಗಳ ಗುಂಪು ಚಲನೆಯಲ್ಲಷ್ಟೇ ಅಲ್ಲ, ಹಲವಾರು ಬೇರೆ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಗಳಲ್ಲೂ ಅನ್ವಯಿಸುತ್ತದೆ. ಪ್ರೊಟೀನ್'ಗಳ ಮಡಿಚುವಿಕೆ, ಜೀವಕೋಶಗಳಲ್ಲಿ ಲಿಪಿಡ್ ದ್ವಿಪದರಗಳ ರಚನೆ, ಜೀವಿಗಳ ಮೇಲ್ಮೈ ವಿನ್ಯಾಸ ರಚನೆ, ಮಿಂಚುಹುಳುಗಳ ಏಕಕಾಲಿಕ ಮಿನುಗುವಿಕೆ, ಜೇನುಗೂಡಿನ ವಿನ್ಯಾಸ, ಗೆದ್ದಲು ಹುತ್ತಗಳ ರಚನೆ, ಮುಂತಾದ ಕಾರ್ಯಗಳನ್ನು ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆಯ ನಿಯಮದ ಸಹಾಯದಿಂದ ವಿವರಿಸಬಹುದು. ಅಷ್ಟೇ ಅಲ್ಲದೆ, ದೊಡ್ಡ ಜನಸಮೂಹಗಳಲ್ಲಿ ಚಪ್ಪಾಳೆಯ ಸದ್ದು, ಟ್ರಾಫಿಕ್ ಜಾಮ್'ನಲ್ಲಿ ಮನುಷ್ಯರ ವರ್ತನೆ, ಭಾಷೆಯ ವಿಕಸನ ಮುಂತಾದ ಮನುಷ್ಯರ ಹಲವು ವರ್ತನೆಗಳು ಕೂಡ ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆಯನ್ನು ಅವಲಂಬಿಸಿವೆ ಎಂದು ಸಂಶೋಧಕರು ವಿವರಿಸುತ್ತಾರೆ.

  ಈ ಕುತೂಹಲಕಾರಿ ಅಂಶಗಳು ಕೇವಲ ಪ್ರಕೃತಿಗೆ ಸೀಮಿತವಾಗಿಲ್ಲ. ಜೈವಿಕ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳಿಂದ ಪ್ರೇರಿತವಾದ ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆಯ ಕಲ್ಪನೆಯನ್ನು ಮಾನವರ ಉಪಯೋಗಕ್ಕೂ ಅನ್ವಯಿಸಬಹುದು. ಹಕ್ಕಿಗಳ ಚಲನೆಯಿಂದ ಕಲಿತ ಪಾಠವು ಡ್ರೋನ್'ಗಳ ಸುಗಮ ಹಾರಾಟಕ್ಕಾಗಿ, ಇರುವೆಗಳ ಚಲನೆಯನ್ನು ಟ್ರಾಫಿಕ್ ಜಾಮ್ ಸಮಸ್ಯೆಯನ್ನು ಪರಿಹರಿಸಲು, ಕೃತಕ ನರಮಂಡಲ ಜಾಲಗಳಲ್ಲಿ (artificial neural networks) ಮೇಲ್ವಿಚಾರಣೆಯಿಲ್ಲದ ಕಲಿಕೆಗೆ (unsupervised learning), ಹೀಗೆ ಸ್ವಯಂ-ಸಂಘಟನೆಯ ನಿಯಮಗಳನ್ನು ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಹಲವಾರು ಸಂಶೋಧನೆಗೆ ಬಳಸುತ್ತಿದ್ದಾರೆ.

Editor's Note: (Summary in English)

From the flock of birds in the sky to the fish school in the water, we observe many animals around us that show collective movement. One of the reasons that make this collective behaviour in animals possible is Self-organization. Self-organization is a phenomenon where the overall order of a system arises from the local interactions between the system's parts, here the individual animals. Scientists have come up with many computational models that model such movement of animals. Vicsec model shows that if each individual moves with the average speed of its neighbours, the group can move as a collective unit, even when there is no global knowledge about the movement to any individual.
The phenomenon of self-organization can be observed not only in the collective animal behaviour, but also in many other processes like protein folding, lipid bilayer formation, clapping by human beings etc., and is also being used in the development of many technologies.

ಆಕರಗಳು

1. Wilson, E. O. 1971 The insect societies. Cambridge, MA: Belknap Press of Harvard University Press
2. Couzin, I. D., Krause, J., James, R., Ruxton, G. D. & Franks, N. R. 2002 Collective memory and spatial sorting in animal groups. J. Theor. Biol. 218, 1–11.
3. T. Vicsek, A. Czirok, E. Ben-Jacob, I. Cohen, and O. Shochet. Novel type of phase transition in a system of self-driven particles. Phys. Rev. Lett., 1995.
4. Wikipedia - Self-Organization.
5. Sumpter, D. J. e principles of collective animal behaviour. Philos. Trans. R. Soc. B 361, 5–22 (2006).
6. G. Di Caro and M. Dorigo. Ant colonies for adaptive routing in packet-switched communications networks. In Proceedings of PPSN V - Fifth International Conference on Parallel Problem Solving from Nature, volume 1498 of LNCS. SpringerVerlag, 1998.

ದಿಶಾ ಹೆಗಡೆ ಭಾರತೀಯ ವಿಜ್ಞಾನ ಶಿಕ್ಷಣ ಮತ್ತು ಸಂಶೋಧನಾ ಸಂಸ್ಥೆ, ಕೋಲ್ಕತಾದಲ್ಲಿ ಬಿಎಸ್-ಎಮ್ಎಸ್ ಓದುತ್ತಿರುವ ವಿದ್ಯಾರ್ಥಿನಿ. ಗಣಿತದಲ್ಲಿನ ಆಸಕ್ತಿಯ ಜೊತೆಗೆ ತನ್ನ ಸುತ್ತಮುತ್ತಲಿನ ಪರಿಸರದ ಬಗ್ಗೆ ಕುತೂಹಲ ಹೊಂದಿರುವಳು.