Nowy model ewolucji wreszcie ujawnia, jak rozwija się współpraca

Jednym z wielkich pytań bez odpowiedzi w biologii jest to, dlaczego organizmy wyewoluowały do ​​współpracy. Długoterminowe korzyści ze współpracy są jasne – spójrz na przykład na niezwykłe struktury, które budują termity, lub na złożone społeczeństwo, które stworzyli ludzie.

Ale ewolucja jest procesem losowym, opartym na krótkoterminowych korzyściach, które pojawiają się w każdym pokoleniu. Oczywiście jednostki mogą współpracować lub działać egoistycznie, co pozwala im czerpać korzyści lub ponosić koszty, w zależności od okoliczności. Jednak sposób, w jaki to zachowanie może się rozprzestrzeniać i prowadzić do długoterminowego pojawienia się współpracy jako zachowania dominującego, jest zagadką, która od dziesięcioleci wprawia biologów ewolucyjnych w zakłopotanie.

Dziś może się to zmienić dzięki pracy Christopha Adamiego i Arenda Hintze z Michigan State University w East Lansing. Stworzyli prosty model matematyczny wykorzystujący dobrze poznane zasady fizyczne, aby pokazać, w jaki sposób podczas ewolucji pojawia się współpraca.

Ich model sugeruje, że równowaga między współpracą a samolubnym zachowaniem, zwana dezercją, może podlegać szybkim przemianom fazowym, w których jednostki dopasowują swoje zachowanie do sąsiadów. Co więcej, kluczowym czynnikiem okazuje się proces karania. Kara działa jak pole magnetyczne, które prowadzi do wyrównania między graczami, zachęcając w ten sposób do współpracy, mówią Adami i Hintze.

To nowe podejście może zmienić sposób, w jaki biolodzy ewolucyjni, ekonomiści i informatycy myślą o współpracy i roli, jaką kara odgrywa w jej zachęcaniu.

Najpierw trochę tła. Szeroki zakres zjawisk zależy od wielkoskalowego zachowania wielu indywidualnych aktorów. Na przykład: gospodarka, rozprzestrzenianie się chorób, ewolucja, ruchy Browna, magnetyzacja, żeby wymienić tylko kilka.

W niektórych przypadkach aktorzy są stosunkowo prości. Na przykład w magnetyzacji aktorami są pojedyncze atomy, których spin może być skierowany w górę lub w dół i które wchodzą w interakcje z sąsiadami.

Na pierwszy rzut oka sposób, w jaki ogromna liczba atomów oddziałuje w materiale magnetycznym, wydaje się skomplikowany i niewyobrażalny. Istnieje jednak stosunkowo prosty model matematyczny zwany modelem spinu Isinga, który intuicyjnie wyjaśnia, w jaki sposób tworzą się domeny magnetyczne.

W tym modelu atomy mogą obracać się w górę lub w dół i wpływać na swoich sąsiadów. W najprostszym przypadku atomy w sieci zaczynają się od spinów w losowych kierunkach. Ale mogą odwrócić swoje spiny w sposób, który zależy od spinów ich sąsiadów. Zewnętrzne pole magnetyczne może również powodować wyrównanie spinów, pod warunkiem, że temperatura jest poniżej pewnego krytycznego poziomu.

Korzystając z tego modelu, fizycy mogą badać okoliczności, w których pojawiają się domeny, w których wszystkie atomy mają ten sam spin. Mogą również zbadać, w jaki sposób zależy to od czynników środowiskowych, takich jak temperatura i zewnętrzne pole magnetyczne.

Pytanie, które badają Adami i Hintze, dotyczy tego, czy model spinu Isinga może rzucić trochę światła na ewolucję współpracy.

Aby się tego dowiedzieć, stworzyli model spinu Isinga, w którym każdy atom oddziałuje ze swoimi sąsiadami, współpracując lub uciekając w grę dylematu więźnia. W tej grze pomiędzy dwoma atomami, każdy gracz może współpracować lub zdezerterować, a następnie otrzymać wypłatę zależną od zachowania drugiego gracza.

Gracze otrzymują nagrodę, jeśli oboje będą współpracować, ale nic, jeśli obaj uchybią. Jednak dylemat pojawia się, ponieważ najwyższą wypłatę otrzymuje gracz, który schodzi z boiska, podczas gdy przeciwnik współpracuje, a następnie nic nie otrzymuje.

Na koniec gry każdy atom może zmienić swoją strategię na strategię sąsiada lub nie, w zależności od sukcesu sąsiada.

Na początek rozkład strategii jest losowy. Jednak z biegiem czasu proces ten powinien prowadzić do rozpowszechniania skutecznych strategii w procesie analogicznym do tworzenia i rozprzestrzeniania się domen magnetycznych.

Praca Adamiego i Hintze polega na badaniu termodynamiki tego procesu, warunków, w których rozwija się współpraca.

Ich wyniki stanowią fascynującą lekturę. Okazuje się, że strategie współpracy i dezercji są w delikatnej równowadze, ale w pewnych okolicznościach następuje faza przejścia, w której współpraca rozprzestrzenia się w populacji jak pożar. Rzeczywiście, Adami i Hintze twierdzą, że pod tym względem istnieje formalna matematyczna analogia z magnetyzmem.

Uogólniają również system tak, aby zawierał więcej atomów grających w dobrze znaną grę na rzecz dóbr publicznych. W tej grze każdy gracz ma pulę pieniędzy i musi zdecydować, ile włożyć do portfela publicznego, gdzie zostanie ona pomnożona przez pewną liczbę większą niż 1. Następnie zostanie ona rozdzielona równo między wszystkich graczy.

Oczywiście gracze mogą najwięcej zyskać, jeśli wszyscy włożą wszystkie swoje pieniądze do publicznej kieszeni. Ale pojedynczy gracz może zyskać więcej, nic nie wkładając i zbierając nagrodę.

Adami i Hintze również wprowadzają karę. Tak więc atomy, które nie wnoszą wkładu, mogą ponieść koszty.

W tym przypadku kara ma głęboki wpływ. Jak twierdzą naukowcy, kara działa jak pole magnetyczne, które zachęca do wyrównania spinów.

To ciekawy wynik. Oznacza to, że zachowaniem można manipulować na dużą skalę poprzez wprowadzenie pewnych kosztów. Oznacza to również, że wynik można modelować przy użyciu stosunkowo prostej fizyki.

Co ciekawe, fizycy opracowali szereg technik do bardzo szczegółowego badania tego rodzaju układów spinowych. Największe znaczenie pracy Adamiego i Hintze polega na tym, że tę matematyczną maszynerię można teraz sprowadzić do problemu współpracy.

To powinno przynieść więcej wglądu w niezbyt odległą przyszłość. I może mieć ogromne implikacje dla sposobu, w jaki socjologowie, ekonomiści i decydenci polityczni myślą o naturze społeczeństwa i sposobie, w jaki można nim manipulować w przyszłości.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1706.03058 : Termodynamika gier ewolucyjnych

ukryć