211service.com
Ny evolutionsmodel afslører endelig, hvordan samarbejde udvikler sig
Et af de store ubesvarede spørgsmål i biologi er, hvorfor organismer har udviklet sig til at samarbejde. De langsigtede fordele ved samarbejde er klare - se på de ekstraordinære strukturer, som termitter bygger, for eksempel, eller det komplekse samfund, mennesker har skabt.
Men evolution er en tilfældig proces baseret på de kortsigtede fordele, der opstår i hver generation. Naturligvis kan individer samarbejde eller handle egoistisk, og det giver dem mulighed for at opnå fordele eller lide omkostninger, afhængigt af omstændighederne. Men hvordan denne adfærd kan spredes og føre til den langsigtede fremkomst af samarbejde som den dominerende adfærd, er en gåde, der har ramt evolutionære biologer i årtier.
I dag kan det ændre sig takket være Christoph Adamis og Arend Hintzes arbejde ved Michigan State University i East Lansing. De har skabt en simpel matematisk model ved hjælp af velforståede fysiske principper for at vise, hvordan samarbejde opstår under evolution.
Deres model antyder, at balancen mellem samarbejde og egoistisk adfærd, kaldet defektion, kan gennemgå hurtige faseovergange, hvor individer matcher deres adfærd med deres naboer. Hvad mere er, viser sig en afgørende faktor at være strafprocessen. Straf virker som et magnetfelt, der fører til en 'alignment' mellem spillere og opmuntrer dermed til samarbejde, siger Adami og Hintze.
Denne nye tilgang har potentialet til at ændre den måde, evolutionsbiologer, økonomer og dataloger tænker på samarbejde og den rolle, som straf spiller for at opmuntre det.
Først lidt baggrund. En lang række fænomener afhænger af mange individuelle aktørers adfærd i stor skala. For eksempel: økonomien, spredning af sygdomme, evolution, Brownsk bevægelse, magnetisering, for blot at nævne nogle få.
I nogle tilfælde er skuespillerne relativt simple. Ved magnetisering er aktørerne for eksempel individuelle atomer med et spin, der kan være op eller ned, og som interagerer med deres naboer.
Ved første øjekast virker den måde, hvorpå et stort antal atomer interagerer i et magnetisk materiale, kompleks ud over fantasi. Men der er en relativt simpel matematisk model kaldet en Ising spin-model, der intuitivt forklarer, hvordan magnetiske domæner dannes.
I denne model kan atomer have et spin op eller ned og påvirke deres naboer. I det enkleste tilfælde starter atomer i et gitter med spins i tilfældige retninger. Men de kan vende deres spins på en måde, der afhænger af deres naboers spins. Et eksternt magnetfelt kan også få spins til at justere, forudsat at temperaturen er under et kritisk niveau.
Ved hjælp af denne model kan fysikere udforske de omstændigheder, hvor domæner opstår, hvor alle atomerne deler det samme spin. De kan også undersøge, hvordan dette afhænger af miljøfaktorer som temperatur og et eksternt magnetfelt.
Spørgsmålet, som Adami og Hintze undersøger, er, om en Ising-spinmodel kan kaste lys over den måde, samarbejdet udvikler sig på.
For at finde ud af det skabte de en Ising-spin-model, hvor hvert atom interagerer med sine naboer ved enten at samarbejde eller hoppe af i et spil med fangens dilemma. I dette spil mellem to atomer kan hver spiller enten samarbejde eller defekt og derefter modtage en udbetaling, der afhænger af den anden spillers adfærd.
Spillerne modtager en belønning, hvis de begge samarbejder, men intet, hvis de begge fejler. Dilemmaet opstår dog, fordi den højeste udbetaling gives til en spiller, der defekter, mens modstanderen samarbejder, som så intet får.
I slutningen af spillet kan hvert atom ændre sin strategi til sin nabos eller ej, afhængigt af hvor succesfuld naboen har haft.
Fordelingen af strategier er tilfældig til at starte med. Men over tid skulle denne proces føre til spredning af vellykkede strategier i en analog proces med dannelse og spredning af magnetiske domæner.
Adami og Hintzes arbejde er at udforske termodynamikken i denne proces, de betingelser, hvorunder samarbejdet breder sig.
Deres resultater giver fascinerende læsning. Det viser sig, at strategierne for samarbejde og frafald er i en hårfin balance, men at der under nogle omstændigheder sker en faseovergang, hvor samarbejdet spreder sig gennem befolkningen som en steppebrand. Faktisk siger Adami og Hintze, at der er en formel matematisk analogi med magnetisme i denne henseende.
De generaliserer også systemet til at inkludere flere atomer, der spiller det velkendte offentlige gods-spil. I dette spil har hver spiller en pulje med penge og skal beslutte, hvor meget der skal lægges i den offentlige pengepung, hvor det vil blive ganget med et tal større end 1. Dette omfordeles derefter til alle spillerne ligeligt.
Det er klart, at spillere har mest at vinde, hvis de alle lægger alle deres penge i den offentlige pengepung. Men en enkelt spiller kan vinde mere ved ikke at lægge noget ind og høste belønningen.
Adami og Hintze indfører også straf. Så atomer, der ikke bidrager, kan få en omkostning.
I dette tilfælde har straf en dyb effekt. Straf virker som et magnetfelt, der fremmer justering af spins, siger forskerne.
Det er et interessant resultat. Det indebærer, at adfærd kan manipuleres i stor skala ved at indføre visse omkostninger. Det indebærer også, at resultatet kan modelleres ved hjælp af relativt simpel fysik.
Interessant nok har fysikere udviklet en bred vifte af teknikker til at studere denne slags spin-systemer i betydelige detaljer. Den største betydning af Adami og Hintzes arbejde er, at dette matematiske maskineri nu kan bringes i spil på problemet med samarbejde.
Det burde give mere indsigt i en ikke alt for fjern fremtid. Og det kan have enorme konsekvenser for den måde, sociologer, økonomer og politiske beslutningstagere tænker på samfundets natur og måden, det kan manipuleres på i fremtiden.
Ref: arxiv.org/abs/1706.03058 : Termodynamik af evolutionære spil