211service.com
Ny modell for evolusjon avslører endelig hvordan samarbeid utvikler seg
Et av de store ubesvarte spørsmålene i biologi er hvorfor organismer har utviklet seg til å samarbeide. De langsiktige fordelene med samarbeid er klare - se på de ekstraordinære strukturene som termitter bygger, for eksempel, eller det komplekse samfunnet mennesker har skapt.
Men evolusjon er en tilfeldig prosess basert på de kortsiktige fordelene som dukker opp i hver generasjon. Selvfølgelig kan enkeltpersoner samarbeide eller opptre egoistisk, og dette gjør at de kan oppnå fordeler eller lide kostnader, avhengig av omstendighetene. Men hvordan denne oppførselen kan spre seg og føre til den langsiktige fremveksten av samarbeid som den dominerende atferden er en gåte som har slått evolusjonsbiologer i stykker i flere tiår.
I dag kan det endre seg takket være arbeidet til Christoph Adami og Arend Hintze ved Michigan State University i East Lansing. De har laget en enkel matematisk modell ved å bruke godt forståtte fysiske prinsipper for å vise hvordan samarbeid oppstår under evolusjon.
Modellen deres antyder at balansen mellom samarbeid og egoistisk atferd, kalt avhopp, kan gjennomgå raske faseoverganger, der individer matcher oppførselen sin til naboene. Dessuten viser det seg at en avgjørende faktor er prosessen med straff. Straff fungerer som et magnetisk felt som fører til en 'justering' mellom spillere, og oppmuntrer dermed til samarbeid, sier Adami og Hintze.
Denne nye tilnærmingen har potensial til å endre måten evolusjonsbiologer, økonomer og datavitere tenker på samarbeid og rollen som straff spiller for å oppmuntre det.
Først litt bakgrunn. Et bredt spekter av fenomener avhenger av den store oppførselen til mange individuelle aktører. For eksempel: økonomien, spredningen av sykdom, evolusjon, Brownsk bevegelse, magnetisering, for bare å nevne noen.
I noen tilfeller er skuespillerne relativt enkle. Ved magnetisering, for eksempel, er aktørene individuelle atomer med et spinn som kan være opp eller ned og som samhandler med naboene.
Ved første øyekast virker måten et stort antall atomer samhandler på i et magnetisk materiale komplekst hinsides fantasi. Men det er en relativt enkel matematisk modell kalt en Ising spin-modell som intuitivt forklarer hvordan magnetiske domener dannes.
I denne modellen kan atomer snurre opp eller ned og påvirke naboene. I det enkleste tilfellet starter atomer i et gitter med spinn i tilfeldige retninger. Men de kan snu spinnene sine på en måte som avhenger av spinnene til naboene. Et eksternt magnetfelt kan også føre til at spinnene justeres forutsatt at temperaturen er under et kritisk nivå.
Ved å bruke denne modellen kan fysikere utforske omstendighetene der domener oppstår der alle atomene deler samme spinn. De kan også utforske hvordan dette avhenger av miljøfaktorer som temperatur og et eksternt magnetfelt.
Spørsmålet som Adami og Hintze undersøker er om en Ising-spinnmodell kan kaste lys over hvordan samarbeidet utvikler seg.
For å finne ut av det laget de en Ising-spinnmodell der hvert atom samhandler med naboene ved enten å samarbeide eller hoppe av i et spill med fangenes dilemma. I dette spillet mellom to atomer kan hver spiller enten samarbeide eller defekte og deretter motta en utbetaling som avhenger av oppførselen til den andre spilleren.
Spillerne får en belønning hvis de begge samarbeider, men ingenting hvis de begge svikter. Imidlertid oppstår dilemmaet fordi den høyeste utbetalingen gis til en spiller som defekter mens motstanderen samarbeider, som da ikke får noe.
På slutten av spillet kan hvert atom endre sin strategi til naboens eller ikke, avhengig av hvor vellykket naboen har vært.
Fordelingen av strategier er tilfeldig til å begynne med. Men over tid skulle denne prosessen føre til spredning av vellykkede strategier i en prosess som er analog med dannelsen og spredningen av magnetiske domener.
Adami og Hintzes arbeid er å utforske termodynamikken i denne prosessen, forholdene der samarbeidet sprer seg.
Resultatene deres gir fascinerende lesning. Det viser seg at strategiene for samarbeid og avhopp er i en hårfin balanse, men at det under noen omstendigheter oppstår en faseovergang der samarbeid sprer seg gjennom befolkningen som en ild i tørt gress. Faktisk sier Adami og Hintze at det er en formell matematisk analogi med magnetisme i denne forbindelse.
De generaliserer også systemet til å inkludere flere atomer som spiller det velkjente fellesgodsspillet. I dette spillet har hver spiller en pott med penger og må bestemme hvor mye de skal legge inn i pengepungen, hvor det vil multipliseres med et tall som er større enn 1. Dette blir deretter omfordelt til alle spillerne likt.
Det er klart at spillerne har mest å vinne hvis de alle legger alle pengene sine i den offentlige pengekassen. Men en enkelt spiller kan få mer ved å ikke legge inn noe og høste belønningen.
Adami og Hintze introduserer også straff. Så atomer som ikke bidrar kan få en kostnad.
I dette tilfellet har straff en dyp effekt. Straff fungerer som et magnetfelt som oppmuntrer til justering av spinn, sier forskerne.
Det er et interessant resultat. Det innebærer at atferd kan manipuleres i stor skala ved innføring av visse kostnader. Det innebærer også at resultatet kan modelleres ved hjelp av relativt enkel fysikk.
Interessant nok har fysikere utviklet et bredt spekter av teknikker for å studere denne typen spinnsystemer i betydelig detalj. Den største betydningen av Adami og Hintzes arbeid er at dette matematiske maskineriet nå kan tas i bruk på samarbeidsproblemet.
Det burde gi mer innsikt i en ikke altfor fjern fremtid. Og det kan ha enorme implikasjoner for måten sosiologer, økonomer og beslutningstakere tenker på samfunnets natur og måten det kan manipuleres på i fremtiden.
Ref: arxiv.org/abs/1706.03058 : Termodynamikk av evolusjonære spill