211service.com
Nieuw evolutiemodel onthult eindelijk hoe samenwerking evolueert
Een van de grote onbeantwoorde vragen in de biologie is waarom organismen zijn geëvolueerd om samen te werken. De langetermijnvoordelen van samenwerking zijn duidelijk - kijk bijvoorbeeld naar de buitengewone structuren die termieten bouwen, of de complexe samenleving die mensen hebben gecreëerd.
Maar evolutie is een willekeurig proces dat gebaseerd is op de kortetermijnvoordelen die in elke generatie naar voren komen. Natuurlijk kunnen individuen samenwerken of zelfzuchtig handelen, en dit stelt hen in staat voordelen op te bouwen of kosten te maken, afhankelijk van de omstandigheden. Maar hoe dit gedrag zich kan verspreiden en kan leiden tot het ontstaan van samenwerking op de lange termijn, aangezien het dominante gedrag een raadsel is waar evolutionaire biologen al tientallen jaren mee bezig zijn.
Vandaag zou dat kunnen veranderen dankzij het werk van Christoph Adami en Arend Hintze aan de Michigan State University in East Lansing. Ze hebben een eenvoudig wiskundig model gemaakt met behulp van goed begrepen fysieke principes om te laten zien hoe samenwerking ontstaat tijdens de evolutie.
Hun model suggereert dat de balans tussen samenwerking en egoïstisch gedrag, afvalligheid genaamd, snelle faseovergangen kan ondergaan, waarbij individuen hun gedrag afstemmen op hun buren. Wat meer is, een cruciale factor blijkt het strafproces te zijn. Straf werkt als een magnetisch veld dat leidt tot een 'alignment' tussen spelers en stimuleert zo samenwerking, zeggen Adami en Hintze.
Deze nieuwe benadering heeft het potentieel om de manier te veranderen waarop evolutionaire biologen, economen en computerwetenschappers denken over samenwerking en de rol die straf speelt bij het aanmoedigen ervan.
Eerst wat achtergrond. Een breed scala aan fenomenen hangt af van het grootschalige gedrag van veel individuele actoren. Bijvoorbeeld: de economie, de verspreiding van ziekten, evolutie, Brownse beweging, magnetisatie, om er maar een paar te noemen.
In sommige gevallen zijn de acteurs relatief eenvoudig. Bij magnetisatie zijn de actoren bijvoorbeeld individuele atomen met een spin die omhoog of omlaag kan gaan en die interageren met hun buren.
Op het eerste gezicht lijkt de manier waarop enorme aantallen atomen in een magnetisch materiaal op elkaar inwerken, onvoorstelbaar complex. Maar er is een relatief eenvoudig wiskundig model, een Ising-spinmodel genaamd, dat intuïtief verklaart hoe magnetische domeinen worden gevormd.
In dit model kunnen atomen een spin omhoog of omlaag hebben en hun buren beïnvloeden. In het eenvoudigste geval beginnen atomen in een rooster met spins in willekeurige richtingen. Maar ze kunnen hun spins omdraaien op een manier die afhankelijk is van de spins van hun buren. Een extern magnetisch veld kan er ook voor zorgen dat de spins uitgelijnd worden, op voorwaarde dat de temperatuur onder een bepaald kritisch niveau ligt.
Met dit model kunnen natuurkundigen de omstandigheden onderzoeken waarin domeinen ontstaan waar alle atomen dezelfde spin delen. Ze kunnen ook onderzoeken hoe dit afhangt van omgevingsfactoren zoals temperatuur en een extern magnetisch veld.
De vraag die Adami en Hintze onderzoeken is of een Ising-spinmodel enig licht kan werpen op de manier waarop samenwerking evolueert.
Om daar achter te komen, creëerden ze een Ising-spinmodel waarin elk atoom interageert met zijn buren door samen te werken of over te lopen in een spel van prisoner's dilemma. In dit spel tussen twee atomen kan elke speler samenwerken of defect raken en vervolgens een uitbetaling ontvangen die afhankelijk is van het gedrag van de andere speler.
De spelers krijgen een beloning als ze allebei meewerken, maar niets als ze allebei defect zijn. Het dilemma doet zich echter voor omdat de hoogste uitbetaling wordt gegeven aan een speler die overloopt terwijl de tegenstander meewerkt, die vervolgens niets krijgt.
Aan het einde van het spel kan elk atoom zijn strategie veranderen in die van zijn buur of niet, afhankelijk van hoe succesvol de buur is geweest.
De verdeling van strategieën is willekeurig om mee te beginnen. Maar na verloop van tijd zou dit proces moeten leiden tot de verspreiding van succesvolle strategieën, analoog aan de vorming en verspreiding van magnetische domeinen.
Het werk van Adami en Hintze is het onderzoeken van de thermodynamica van dit proces, de voorwaarden waaronder samenwerking zich verspreidt.
Hun resultaten zorgen voor fascinerende lectuur. Het blijkt dat de strategieën van samenwerking en afvalligheid in een delicaat evenwicht zijn, maar dat er in sommige omstandigheden een faseovergang optreedt waarin samenwerking zich als een lopend vuurtje door de bevolking verspreidt. Adami en Hintze zeggen inderdaad dat er in dit opzicht een formele wiskundige analogie is met magnetisme.
Ze generaliseren het systeem ook om meer atomen te bevatten die het bekende spel van publieke goederen spelen. In dit spel heeft elke speler een pot met geld en moet hij beslissen hoeveel hij in de staatskas stopt, waar het wordt vermenigvuldigd met een getal groter dan 1. Dit wordt vervolgens gelijkelijk over alle spelers verdeeld.
Het is duidelijk dat spelers het meeste te winnen hebben als ze allemaal al hun geld in de openbare portemonnee stoppen. Maar een enkele speler kan meer winnen door er niets in te stoppen en de beloning binnen te halen.
Adami en Hintze voeren ook straf in. Dus atomen die niet bijdragen, kunnen kosten met zich meebrengen.
In dit geval heeft straf een diepgaand effect. Straf werkt als een magnetisch veld dat de uitlijning van spins stimuleert, zeggen de onderzoekers.
Dat is een interessant resultaat. Het impliceert dat gedrag op grote schaal kan worden gemanipuleerd door het invoeren van bepaalde kosten. Het impliceert ook dat het resultaat kan worden gemodelleerd met behulp van relatief eenvoudige fysica.
Interessant is dat natuurkundigen een breed scala aan technieken hebben ontwikkeld om dit soort spinsystemen tot in detail te bestuderen. De grootste betekenis van het werk van Adami en Hintze is dat deze wiskundige machinerie nu kan worden toegepast op het probleem van samenwerking.
Dat moet meer inzicht geven in de niet al te verre toekomst. En het kan enorme implicaties hebben voor de manier waarop sociologen, economen en beleidsmakers denken over de aard van de samenleving en hoe deze in de toekomst kan worden gemanipuleerd.
Referentie: arxiv.org/abs/1706.03058 : Thermodynamica van evolutionaire spellen