Bilden av betande kor på en åker har länge framkallat en romantisk nostalgi om en avslappnad takt på landsbygden. Med närmare granskning, dock, forskare har insett att det som verkar vara en slumpmässigt spridd flock som fredligt äter gräs i själva verket är ett komplext system av individer i en grupp som står inför olika spänningar. Ett team av matematiker och en biolog har nu byggt en matematisk modell som innehåller en kostnadsfunktion för beteende i en sådan besättning för att förstå dynamiken i sådana system.

Komplex systemforskning ser på hur system visar beteenden utöver de som kan isoleras från enskilda komponenter. Detta snabbt framväxande område kan användas för att belysa fenomen som observerats inom många andra discipliner, inklusive biologi, medicin, teknik, fysik och ekonomi.

"Komplex systemvetenskap försöker förstå inte bara de isolerade komponenterna i ett givet system, men hur de enskilda komponenterna interagerar för att producera 'framväxande' gruppbeteende, sa Erik Bollt, chef för Clarkson Center for Complex Systems Science och professor i matematik och i el- och datorteknik.

Bollt utförde arbetet med sitt team, författad av postdoktor Kelum Gajamannage, som rapporterades i veckan i tidningen Kaos .

"Kor som betar i en besättning är ett intressant exempel på ett komplext system, "sa Bollt." En enskild ko utför tre stora aktiviteter under en vanlig dag. Det äter, det står medan det utför några matsmältningsprocesser, och sedan ligger den för att vila. "

Även om denna process verkar tillräckligt enkel, det finns också en balansering av gruppdynamik på jobbet.

"Kor rör sig och äter i hjordar för att skydda sig mot rovdjur, "sa Bollt." Men eftersom de äter i olika hastigheter, flocken kan gå vidare innan de långsammare korna ätit klart. Detta lämnar dessa mindre kor inför ett svårt val:Fortsätt äta i en mindre, mindre säker grupp, eller gå hungrig med den större gruppen. Om konflikten mellan matning och att hänga med i en grupp blir för stor, Det kan vara fördelaktigt för vissa djur att dela upp sig i undergrupper med liknande näringsbehov. "

Bollt och hans kollegor införlivar en kostnadsfunktion i sin modell för att fånga dessa spänningar. Detta ger matematisk komplexitet till deras arbete, men det blev uppenbart att det var nödvändigt efter att ha diskuterat korens beteende med sin medförfattare, Marian Dawkins, en biolog med erfarenhet av att forska på kor.

"Några fynd från simuleringen var överraskande, "Sa Bollt." Man kunde ha trott att det skulle finnas två statiska grupper av kor - de snabbätande och de långsamma - och att korna inom varje grupp utförde sina aktiviteter på ett synkroniserat sätt. Istället fann vi att det också fanns kor som rörde sig fram och tillbaka mellan de två. "

"Den främsta orsaken är att detta komplexa system har två konkurrerande rytmer, "Bollt sa också." Den stora djurgruppen hade en snabbare rytm och den lilla djurgruppen hade en långsammare rytm. För att sätta det i sitt sammanhang, en ko kan befinna sig i en grupp, och efter en tid är gruppen för snabb. Sedan flyttar den till den långsammare gruppen, vilket är för långsamt, men när man rör sig mellan de två grupperna, kon utsätter sig mer för faran för rovdjur, orsakar en spänning mellan koens behov av att äta och dess behov av säkerhet. "

Den befintliga modellen och kostnadsfunktionen kan användas som grund för att studera andra valldjur. I framtiden, det kan till och med finnas utrymme att införliva det i studier om mänskligt beteende i grupper. "Kostnadsfunktionen är ett kraftfullt verktyg för att utforska resultat i situationer där det finns individuella och gruppspänningar på spel, sa Bollt.