Eräs biologian suurista avoimista kysymyksistä on miksi organismit ovat kehittyneet tekemään yhteistyötä. Yhteistyön pitkäaikaiset hyödyt ovat selvät — katsokaa vaikka termiittien rakentamia uskomattomia rakenteita, taikka ihmisten aikaansaamia monimutkaisia yhteiskuntia.
Mutta evoluutio on satunnaisprosessi, joka perustuu lyhytaikaisiin hyötyihin mitkä syntyvät kullekin sukupolvelle. Tottakai yksilöt voivat tehdä yhteistyötä tai toimia itsekkäästi, ja tämä sallii heidän kerryttää hyötyä tai kärsiä kustannuksista, riippuen olosuhteista. Mutta miten tämä käyttäytyminen levisi ja johti pitkäaikaisen yhteistyön syntyyn johtavaksi käyttäytymismalliksi, on kysymys joka on vaivannut evoluutiobiologien päitä jo vuosikymmenet.
Tämä voi kuitenkin muuttua, kiitos East Lansingin Michigan State Universityn Christoph Adamin ja Arend Hintzen. He ovat luoneet yksinkertaisen matemaattisen mallin, joka käyttää hyvin ymmärrettyjä fysiikan periaatteita näyttämään miten yhteistyö saa alkunsa evoluutiossa.
Heidän mallinsa mukaan yhteistyön ja itsekkään käytöksen (petturuus) välillä oleva tasapaino voi kokea nopeita faasimuutoksia, joissa henkilöt sopeuttavat käyttäytymistään naapureihinsa. Kriittinen tekijä osoittautuu rangaistuksen prosessiksi. “Rangaistus toimii magneettikentän lailla, joka johtaa ’linjautumiseen’ pelaajien kesken, mikä näin rohkaisee yhteistyötä”, Adami ja Hintze sanovat.
Tällä uudella lähestymistavalla on potentiaalia muuttaa tapaa miten evoluutiobiologit, ekonomistit ja tietojenkäsittelytieteilijät ajattelevat yhteistyöstä ja rangaistuksen roolista sen rohkaisijana.
Monet erilaiset ilmiöt riippuvat monen yksittäisen toimijan suuren mittakaavan käyttäytymisestä. Esimerkiksi: talous, tautien leviäminen, evoluutio. Brownin liike, magnetisaatio.
Joissain tapauksissa toimijat ovat suhteellisen yksinkertaisia. Magnetisaatiossa esimerkiksi toimijat ovat yksittäisiä atomeja, joiden spin voi olla suunnattu joko ylös tai alas, jotka ovat interaktiossa naapuriensa kanssa.
Ensisilmäyksellä tapa jolla suuri määrä atomeja on vuorovaikutuksessa magneettisessa materiaalissa vaikuttaa aivan liian monimutkaiselta mielikuvituksellemme. Mutta suhteellisen yksinkertainen malli nimeltään Ising spin intuitiivisesti selittää miten magneettisuus syntyy.
Tässä mallissa atomeilla voi olla spin ylös tai alas ja ne voivat vaikuttaa naapureihinsa. Yksinkertaisimmassa tapauksessa atomit hilassa aloittavat satunnaisella spinillä. Mutta ne voivat kääntää spinin suuntaan, joka riippuu naapurien spinistä. Ulkoinen magneettikenttä voi myös aiheuttaa spinin linjautumista jos lämpötila on alle jonkin kriittisen arvon.
Tätä mallia käyttäen fyysikot voivat tutkia olosuhteita, joissa syntyy alueita missä kaikilla atomeilla on sama spin. He voivat myös tutkia sitä miten tämä riippuu ympäristötekijöistä kuten lämpötila ja ulkoinen magneettikenttä.
Adamin ja Hintzen pohtima kysymys on voiko Isin spin -malli valaista sitä miten yhteistyö syntyy.
Tämän selvittääkseen he loivat Ising spin -mallin, jossa jokainen “atomi” on vuorovaikutuksessa naapurinsa kanssa joko tekemällä yhteistyötä tai pettämällä naapurinsa vangin ongelma -pelissä. Tässä pelissä kahden atomin välillä kumpikin pelaaja voi joko tehdä yhteistyötä tai pettää ja sitten saada tästä palkkion riippuen toisen pelaajan valinnasta.
Pelaajat saavat palkkion jos he molemmat tekevät yhteistyötä, mutta eivät mitään jos kumpikin pettää. Kuitenkin, dilemma syntyy siitä, että suurin palkkio maksetaan pelaajalle, joka pettää toisen yhteistyötä tekevän pelaajan (joka taas ei saa mitään).
Pelin lopussa jokainen atomi voi muuttaa strategiaansa naapurin strategiaksi tai olla muuttamatta, riippuen siitä miten menestyksekäs strategia on.
Strategioiden jakauma on alussa satunnainen. Mutta ajan mittaan tämän prosessin pitäisi johtaa menestyvien strategioiden leviämiseen, joka on analogista magneettisten alueiden muodostumiselle ja leviämiselle.
Adamin ja Hintzen työ liittyi tämän prosessin termodynamiikan tutkimiseen, olosuhteiden joissa yhteistyö leviää.
Heidän tuloksensa ovat mielenkiintoista luettavaa. Osoittautuu, että yhteistyön ja petturuuden strategiat ovat herkässä tasapainossa, mutta että joissain tilanteissa tapahtuu faasisiirtymä, jossa yhteistyö leviää populaation keskuudessa kuin maastopalo. Adami ja Hintze sanovat, että tämä on matemaattisesti muodollisen analoginen magnetismin kanssa tässä suhteessa.
He myös yleistävät systeemin ottamaan mukaan enemmän “atomeja” pelaajiksi hyvin tunnetussa julkishyödykkeiden pelissä. Tässä pelissä kullakin pelaajalla on rahasäilö ja hänen pitää päättää miten paljon rahaa antaa yhteiseen kassaan, jossa se kerrotaan jollain kertoimella suurempi kuin 1. Sitten tämä summa jaetaan pelaajien kesken tasan.
Pelaajat selvästikin yhdessä saavat eniten jos he antavat kaikki rahansa yhteiseen kassaan. Mutta yksittäinen pelaaja voi saada enemmän jos hän ei laita mitään ja näin saa kuorittua kerman.
Adami ja Hintze ottavat käyttöön myös rangaistuksen. Atomit, jotka eivät anna kassaan mitään, voidaan pakottaa kärsimään kustannus.
Tässä tapauksessa rangaistuksella on perustavanlaatuinen vaikutus. “Rangaistus toimii kuin magneettikenttä joka rohkaisee spinien linjaamista samaksi”, tutkijat sanovat.
Se on kiinnostava tulos. Se vihjaa, että käytöstä voidaan manipuloida suuressa mittakaavassa ottamalla käyttöön tiettyjä kustannuksia. Se myös vihjaa, että tulokset voidaan mallintaa suhteellisen yksinkertaisella fysiikalla.
Kiinnostavaa kyllä, fyysikot ovat kehittäneet monenlaisia tekniikoita tutkimaan tällaisia spin-järjestelmiä huomattavan yksityiskohtaisesti. Suurin Adamin ja Hintzen työn merkitys on, että tämä matemaattinen kone voidaan nyt ottaa yhteistyön ongelman käsittelyyn.
Sen pitäisi tuoda lisää näkemystä asiaan lähitulevaisuudessa. Ja sillä voi olla suuria vaikutuksia siihen miten sosiologit, ekonomistit ja päättäjät näkevät yhteiskunnan luonteen ja tavan jolla sitä voidaan manipuloida tulevaisuudessa.
Viite: arxiv.org/abs/1706.03058: Thermodynamics of Evolutionary Games
Lähde:
https://www.technologyreview.com/s/608139/new-model-of-evolution-finally-reveals-how-cooperation-evolves/