Ny modell för evolution avslöjar äntligen hur samarbete utvecklas

En av de stora obesvarade frågorna inom biologi är varför organismer har utvecklats för att samarbeta. De långsiktiga fördelarna med samarbete är tydliga – titta på de extraordinära strukturer som termiter bygger till exempel, eller det komplexa samhälle som människor har skapat.

Men evolution är en slumpmässig process baserad på de kortsiktiga fördelar som dyker upp i varje generation. Naturligtvis kan individer samarbeta eller agera själviskt, och detta gör att de kan tjäna på fördelar eller drabbas av kostnader, beroende på omständigheterna. Men hur detta beteende kan spridas och leda till det långsiktiga uppkomsten av samarbete som det dominerande beteendet är en gåta som har stört evolutionsbiologer i årtionden.

Idag kan det förändras tack vare Christoph Adamis och Arend Hintzes arbete vid Michigan State University i East Lansing. De har skapat en enkel matematisk modell med välförstådda fysiska principer för att visa hur samarbete uppstår under evolutionen.

Deras modell antyder att balansen mellan samarbete och själviskt beteende, kallat avhopp, kan genomgå snabba fasövergångar, där individer matchar sitt beteende med sina grannar. Vad mer är, en avgörande faktor visar sig vara bestraffningsprocessen. Bestraffning fungerar som ett magnetfält som leder till en 'anpassning' mellan spelare och uppmuntrar därmed samarbete, säger Adami och Hintze.

Detta nya tillvägagångssätt har potential att förändra hur evolutionsbiologer, ekonomer och datavetare tänker på samarbete och den roll som straff spelar för att uppmuntra det.

Först lite bakgrund. Ett brett spektrum av fenomen beror på det storskaliga beteendet hos många enskilda aktörer. Till exempel: ekonomin, spridningen av sjukdomar, evolution, Brownsk rörelse, magnetisering, för att bara nämna några.

I vissa fall är skådespelarna relativt enkla. Vid till exempel magnetisering är skådespelarna individuella atomer med ett spinn som kan vara uppåt eller nedåt och som interagerar med sina grannar.

Vid första anblicken verkar det sätt på vilket ett enormt antal atomer interagerar i ett magnetiskt material komplext bortom fantasi. Men det finns en relativt enkel matematisk modell som kallas en Ising-spinmodell som intuitivt förklarar hur magnetiska domäner bildas.

I denna modell kan atomer snurra upp eller ner och påverka sina grannar. I det enklaste fallet börjar atomer i ett gitter med snurr i slumpmässiga riktningar. Men de kan vända sina snurr på ett sätt som beror på sina grannars snurr. Ett externt magnetfält kan också göra att snurren anpassas förutsatt att temperaturen är under någon kritisk nivå.

Med hjälp av denna modell kan fysiker utforska de omständigheter under vilka domäner uppstår där alla atomer delar samma spinn. De kan också utforska hur detta beror på miljöfaktorer som temperatur och ett externt magnetfält.

Frågan som Adami och Hintze undersöker är om en Ising-spinmodell kan kasta lite ljus över hur samarbetet utvecklas.

För att ta reda på det skapade de en Ising-spinmodell där varje atom interagerar med sina grannar genom att antingen samarbeta eller hoppa av i ett spel med fångars dilemma. I det här spelet mellan två atomer kan varje spelare antingen samarbeta eller hoppa av och sedan få en utbetalning som beror på den andra spelarens beteende.

Spelarna får en belöning om de båda samarbetar men ingenting om de båda hoppar av. Dilemmat uppstår dock eftersom den högsta vinsten ges till en spelare som defektar medan motståndaren samarbetar, som då inte får någonting.

I slutet av spelet kan varje atom ändra sin strategi till sin grannes eller inte, beroende på hur framgångsrik grannen har varit.

Fördelningen av strategier är slumpmässig till att börja med. Men med tiden bör denna process leda till spridningen av framgångsrika strategier i en process som är analog med bildandet och spridningen av magnetiska domäner.

Adami och Hintzes arbete är att utforska termodynamiken i denna process, villkoren under vilka samarbetet sprider sig.

Deras resultat ger fascinerande läsning. Det visar sig att strategierna för samarbete och avhopp är i en hårfin balans, men att det under vissa omständigheter inträffar en fasövergång där samarbetet sprider sig genom befolkningen som en löpeld. Adami och Hintze säger faktiskt att det finns en formell matematisk analogi med magnetism i detta avseende.

De generaliserar också systemet till att inkludera fler atomer som spelar det välkända spelet för kollektiva nyttigheter. I det här spelet har varje spelare en pott med pengar och måste bestämma hur mycket som ska läggas i statskassan, där den kommer att multipliceras med ett tal större än 1. Detta omfördelas sedan till alla spelare lika.

Uppenbarligen har spelarna mest att vinna om de alla lägger alla sina pengar i offentliga kassan. Men en enskild spelare kan vinna mer genom att inte lägga in något och skörda belöningen.

Adami och Hintze inför också straff. Så atomer som inte bidrar kan få en kostnad.

I det här fallet har straff en djupgående effekt. Bestraffning fungerar som ett magnetfält som uppmuntrar inriktning av snurr, säger forskarna.

Det är ett intressant resultat. Det innebär att beteendet kan manipuleras i stor skala genom införandet av vissa kostnader. Det innebär också att resultatet kan modelleras med hjälp av relativt enkel fysik.

Intressant nog har fysiker utvecklat ett brett utbud av tekniker för att studera dessa typer av spinnsystem i stor detalj. Den största betydelsen av Adami och Hintzes arbete är att detta matematiska maskineri nu kan användas på problemet med samarbete.

Det borde ge mer insikt inom en inte alltför avlägsen framtid. Och det kan få enorma konsekvenser för hur sociologer, ekonomer och beslutsfattare tänker på samhällets natur och hur det kan manipuleras i framtiden.

Ref: arxiv.org/abs/1706.03058 : Thermodynamics of Evolutionary Games

Dölj