Вычисление оптимальной скорости обучения организма на основе его жизненного цикла и окружающей среды

Исследователи из Complexity Science Hub и Института Санта-Фе разработали модель для расчета оптимальной скорости обучения организма в зависимости от скорости изменения окружающей среды и его жизненного цикла.

Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

Каждый организм сталкивается с необходимостью адаптации к постоянно меняющейся среде. Обучение требует времени и энергии: слишком медленное обучение отстает от изменений, а слишком быстрое тратит ресурсы на отслеживание бессмысленных колебаний.

Новая математическая модель дает количественный ответ на вопрос об оптимальном темпе обучения. Ключевое понимание: идеальная скорость обучения увеличивается одинаково независимо от скорости изменения среды.

Обучение пропорционально квадратному корню от изменений

Модель предсказывает универсальный закон: временной масштаб обучения должен масштабироваться как квадратный корень из временного масштаба изменения среды.

Например, если среда меняется в два раза медленнее, скорость обучения организма должна уменьшиться в 1.4 раза (квадратный корень из 2). Это соотношение представляет собой оптимальный компромисс.

Модель также симулирует организмы, способные активно формировать свою среду — способность, называемую конструированием ниши. Если организм может стабилизировать среду, он получает эволюционное преимущество. Однако это преимущество работает только если организм может монополизировать выгоды от стабильной ниши.

Пример: Бобры, строя плотины, создают стабильные пруды. Но если другие виды (ондатры, рыбы) начинают эксплуатировать созданную среду, преимущество бобров уменьшается.

Метаболические затраты для крупных животных

Исследователи оценили, как способность к обучению взаимодействует с метаболическими затратами на поддержание жизни (энергетические потребности тела).

Прогноз модели:

• Для мелких короткоживущих существ (насекомые) затраты на обучение и память первостепенны.
• Для крупных долгоживущих животных (млекопитающие) затраты на обучение затмеваются метаболическими накладными расходами.

Это предсказывает, что у мелких организмов память хорошо настроена под их среду. У крупных организмов (слоны) память длиннее, но ее продолжительность может больше зависеть от неметаболических затрат или других типов сред, например, социальных групп.

Новая модель предлагает количественную основу для понимания того, как организмы балансируют между требованиями обучения и другими императивами выживания в меняющемся мире.