Il nuovo modello di evoluzione rivela finalmente come si evolve la cooperazione

Una delle grandi domande senza risposta in biologia è perché gli organismi si sono evoluti per cooperare. I vantaggi a lungo termine della cooperazione sono chiari: guarda le strutture straordinarie che costruiscono le termiti, per esempio, o la società complessa che gli esseri umani hanno creato.

Ma l'evoluzione è un processo casuale basato sui vantaggi a breve termine che emergono in ogni generazione. Naturalmente, gli individui possono cooperare o agire egoisticamente, e questo consente loro di accumulare benefici o subire costi, a seconda delle circostanze. Ma come questo comportamento possa diffondersi e portare all'emergere a lungo termine della cooperazione come comportamento dominante è un enigma che ha sconcertato i biologi evoluzionisti per decenni.

Oggi le cose potrebbero cambiare grazie al lavoro di Christoph Adami e Arend Hintze alla Michigan State University di East Lansing. Hanno creato un semplice modello matematico utilizzando principi fisici ben conosciuti per mostrare come la cooperazione emerge durante l'evoluzione.

Il loro modello suggerisce che l'equilibrio tra cooperazione e comportamento egoistico, chiamato defezione, può subire rapide transizioni di fase, in cui gli individui abbinano il loro comportamento ai loro vicini. Inoltre, un fattore cruciale risulta essere il processo di punizione. La punizione agisce come un campo magnetico che porta a un 'allineamento' tra i giocatori, incoraggiando così la cooperazione, affermano Adami e Hintze.

Questo nuovo approccio ha il potenziale per cambiare il modo in cui biologi evoluzionisti, economisti e informatici pensano alla cooperazione e al ruolo che la punizione gioca nell'incoraggiarla.

Prima un po' di background. Una vasta gamma di fenomeni dipende dal comportamento su larga scala di molti singoli attori. Ad esempio: l'economia, la diffusione delle malattie, l'evoluzione, il moto browniano, la magnetizzazione, solo per citarne alcuni.

In alcuni casi, gli attori sono relativamente semplici. Nella magnetizzazione, ad esempio, gli attori sono atomi individuali con una rotazione che può essere in alto o in basso e che interagiscono con i loro vicini.

A prima vista, il modo in cui un gran numero di atomi interagiscono in un materiale magnetico sembra complesso oltre ogni immaginazione. Ma esiste un modello matematico relativamente semplice chiamato modello di spin di Ising che spiega intuitivamente come si formano i domini magnetici.

In questo modello, gli atomi possono avere una rotazione verso l'alto o verso il basso e influenzare i loro vicini. Nel caso più semplice, gli atomi in un reticolo iniziano con spin in direzioni casuali. Ma possono capovolgere i loro giri in un modo che dipende dai giri dei loro vicini. Un campo magnetico esterno può anche far allineare gli spin a condizione che la temperatura sia inferiore a un livello critico.

Utilizzando questo modello, i fisici possono esplorare le circostanze in cui emergono domini in cui tutti gli atomi condividono lo stesso spin. Possono anche esplorare come ciò dipenda da fattori ambientali come la temperatura e un campo magnetico esterno.

La domanda che Adami e Hintze indagano è se un modello di spin di Ising può gettare luce sul modo in cui si evolve la cooperazione.

Per scoprirlo, hanno creato un modello di spin di Ising in cui ogni atomo interagisce con i suoi vicini cooperando o disertando in un gioco del dilemma del prigioniero. In questo gioco tra due atomi, ogni giocatore può cooperare o disertare e quindi ricevere una vincita che dipende dal comportamento dell'altro giocatore.

I giocatori ricevono una ricompensa se entrambi collaborano, ma niente se entrambi disertano. Tuttavia, il dilemma si verifica perché la vincita più alta viene data a un giocatore che difetta mentre l'avversario collabora, che quindi non ottiene nulla.

Alla fine del gioco, ogni atomo può cambiare la sua strategia con quella del suo vicino o meno, a seconda del successo che ha avuto il vicino.

La distribuzione delle strategie è casuale per cominciare. Ma nel tempo, questo processo dovrebbe portare alla diffusione di strategie di successo in un processo analogo alla formazione e alla diffusione dei domini magnetici.

Il lavoro di Adami e Hintze consiste nell'esplorare la termodinamica di questo processo, le condizioni in cui si diffonde la cooperazione.

I loro risultati creano una lettura affascinante. Si scopre che le strategie di cooperazione e defezione sono in un delicato equilibrio, ma che in alcune circostanze si verifica una transizione di fase in cui la cooperazione si diffonde a macchia d'olio tra la popolazione. In effetti, Adami e Hintze affermano che esiste un'analogia matematica formale con il magnetismo a questo riguardo.

Generalizzano anche il sistema per includere più atomi che giocano al noto gioco dei beni pubblici. In questo gioco, ogni giocatore ha un piatto di denaro e deve decidere quanto mettere nella borsa pubblica, dove verrà moltiplicato per un numero maggiore di 1. Questo viene quindi ridistribuito a tutti i giocatori equamente.

Ovviamente, i giocatori hanno di più da guadagnare se tutti mettono tutti i loro soldi nella borsa pubblica. Ma un singolo giocatore può guadagnare di più non inserendo nulla e raccogliendo la ricompensa.

Anche Adami e Hintze introducono la punizione. Quindi gli atomi che non contribuiscono possono subire un costo.

In questo caso, la punizione ha un effetto profondo. La punizione agisce come un campo magnetico che incoraggia l'allineamento degli spin, affermano i ricercatori.

È un risultato interessante. Implica che il comportamento può essere manipolato su larga scala mediante l'introduzione di determinati costi. Implica anche che il risultato può essere modellato usando una fisica relativamente semplice.

È interessante notare che i fisici hanno sviluppato un'ampia gamma di tecniche per studiare questi tipi di sistemi di spin in modo molto dettagliato. Il più grande significato del lavoro di Adami e Hintze è che questa macchina matematica può ora essere utilizzata per affrontare il problema della cooperazione.

Ciò dovrebbe portare maggiori informazioni in un futuro non troppo lontano. E potrebbe avere enormi implicazioni per il modo in cui sociologi, economisti e responsabili politici pensano alla natura della società e al modo in cui può essere manipolata in futuro.

Rif: arxiv.org/abs/1706.03058 : Termodinamica dei giochi evolutivi

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