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Das neue Evolutionsmodell zeigt endlich, wie sich die Zusammenarbeit entwickelt
Eine der großen unbeantworteten Fragen in der Biologie ist, warum sich Organismen entwickelt haben, um zu kooperieren. Die langfristigen Vorteile der Zusammenarbeit liegen auf der Hand – schauen Sie sich zum Beispiel die außergewöhnlichen Strukturen an, die Termiten bauen, oder die komplexe Gesellschaft, die Menschen geschaffen haben.
Aber die Evolution ist ein zufälliger Prozess, der auf den kurzfristigen Vorteilen basiert, die in jeder Generation entstehen. Natürlich können Einzelpersonen kooperieren oder egoistisch handeln, und dies ermöglicht ihnen, je nach den Umständen, Vorteile zu erzielen oder Kosten zu erleiden. Aber wie sich dieses Verhalten ausbreiten und langfristig zur Entstehung von Kooperation als dominierendem Verhalten führen kann, ist ein Rätsel, das Evolutionsbiologen seit Jahrzehnten verwirrt.
Heute könnte sich das dank der Arbeit von Christoph Adami und Arend Hintze von der Michigan State University in East Lansing ändern. Sie haben ein einfaches mathematisches Modell erstellt, das gut verstandene physikalische Prinzipien verwendet, um zu zeigen, wie Kooperation während der Evolution entsteht.
Ihr Modell legt nahe, dass das Gleichgewicht zwischen Kooperation und egoistischem Verhalten, das als Überlaufen bezeichnet wird, schnelle Phasenübergänge durchlaufen kann, in denen Individuen ihr Verhalten an das ihres Nachbarn anpassen. Als entscheidend erweist sich zudem der Bestrafungsprozess. Bestrafung wirkt wie ein Magnetfeld, das zu einer „Ausrichtung“ zwischen den Spielern führt und so die Zusammenarbeit fördert, sagen Adami und Hintze.
Dieser neue Ansatz hat das Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie Evolutionsbiologen, Ökonomen und Informatiker über Kooperation und die Rolle, die Bestrafung bei ihrer Förderung spielt, denken.
Zuerst etwas Hintergrund. Eine Vielzahl von Phänomenen hängt vom großräumigen Verhalten vieler einzelner Akteure ab. Zum Beispiel: Wirtschaft, Ausbreitung von Krankheiten, Evolution, Brownsche Bewegung, Magnetisierung, um nur einige zu nennen.
In einigen Fällen sind die Schauspieler relativ einfach. Bei der Magnetisierung zum Beispiel sind die Akteure einzelne Atome mit einem Spin, der nach oben oder nach unten gerichtet sein kann und die mit ihren Nachbarn interagieren.
Auf den ersten Blick scheint die Art und Weise, wie eine große Anzahl von Atomen in einem magnetischen Material wechselwirkt, unvorstellbar komplex. Aber es gibt ein relativ einfaches mathematisches Modell namens Ising-Spin-Modell, das intuitiv erklärt, wie sich magnetische Domänen bilden.
In diesem Modell können Atome einen Spin nach oben oder unten haben und ihre Nachbarn beeinflussen. Im einfachsten Fall starten Atome in einem Gitter mit Spins in zufällige Richtungen. Aber sie können ihre Drehungen auf eine Weise umdrehen, die von den Drehungen ihrer Nachbarn abhängt. Ein externes Magnetfeld kann auch bewirken, dass sich die Spins ausrichten, vorausgesetzt, die Temperatur liegt unterhalb eines kritischen Niveaus.
Mit diesem Modell können Physiker untersuchen, unter welchen Umständen Bereiche entstehen, in denen alle Atome den gleichen Spin haben. Sie können auch untersuchen, wie dies von Umweltfaktoren wie Temperatur und einem externen Magnetfeld abhängt.
Die Frage, der Adami und Hintze nachgehen, ist, ob ein Ising-Spin-Modell Aufschluss darüber geben kann, wie sich Kooperation entwickelt.
Um das herauszufinden, erstellten sie ein Ising-Spin-Modell, in dem jedes Atom mit seinen Nachbarn interagiert, indem es entweder kooperiert oder in einem Spiel des Gefangenendilemmas überläuft. In diesem Spiel zwischen zwei Atomen kann jeder Spieler entweder kooperieren oder defektieren und erhält dann eine Auszahlung, die vom Verhalten des anderen Spielers abhängt.
Die Spieler erhalten eine Belohnung, wenn sie beide kooperieren, aber nichts, wenn sie beide defekt sind. Das Dilemma tritt jedoch auf, weil die höchste Auszahlung an einen Spieler geht, der einen Fehler macht, während der Gegner kooperiert, der dann nichts bekommt.
Am Ende des Spiels kann jedes Atom seine Strategie zu der seines Nachbarn ändern oder nicht, je nachdem, wie erfolgreich der Nachbar war.
Die Verteilung der Strategien ist zunächst zufällig. Aber im Laufe der Zeit sollte dieser Prozess in einem analogen Prozess zur Bildung und Ausbreitung magnetischer Domänen zur Verbreitung erfolgreicher Strategien führen.
Die Arbeit von Adami und Hintze besteht in der Erforschung der Thermodynamik dieses Prozesses, der Bedingungen, unter denen sich die Zusammenarbeit ausbreitet.
Ihre Ergebnisse sorgen für eine faszinierende Lektüre. Es zeigt sich, dass sich die Strategien von Kooperation und Loslösung in einem empfindlichen Gleichgewicht befinden, dass es aber unter Umständen zu einem Phasenübergang kommt, in dem sich Kooperation wie ein Lauffeuer in der Bevölkerung ausbreitet. Tatsächlich sagen Adami und Hintze, dass es in dieser Hinsicht eine formale mathematische Analogie zum Magnetismus gibt.
Sie verallgemeinern das System auch, um mehr Atome einzubeziehen, die das bekannte Spiel der öffentlichen Güter spielen. Bei diesem Spiel hat jeder Spieler einen Topf mit Geld und muss entscheiden, wie viel Geld er in die öffentliche Kasse steckt, wo es mit einer Zahl größer als 1 multipliziert wird. Dieses wird dann gleichmäßig an alle Spieler verteilt.
Offensichtlich haben die Spieler am meisten zu gewinnen, wenn sie alle ihr Geld in die öffentliche Hand stecken. Aber ein einzelner Spieler kann mehr gewinnen, indem er nichts einsetzt und die Belohnung erntet.
Auch Adami und Hintze führen Bestrafung ein. Atome, die keinen Beitrag leisten, können also Kosten erleiden.
In diesem Fall hat die Bestrafung eine tiefgreifende Wirkung. Die Bestrafung wirkt wie ein Magnetfeld, das die Ausrichtung der Spins fördert, sagen die Forscher.
Das ist ein interessantes Ergebnis. Es impliziert, dass das Verhalten durch die Einführung bestimmter Kosten in großem Umfang manipuliert werden kann. Es impliziert auch, dass das Ergebnis unter Verwendung relativ einfacher Physik modelliert werden kann.
Interessanterweise haben Physiker eine breite Palette von Techniken entwickelt, um diese Art von Spinsystemen sehr detailliert zu untersuchen. Die größte Bedeutung der Arbeit von Adami und Hintze besteht darin, dass diese mathematische Maschinerie nun auf das Problem der Zusammenarbeit angewendet werden kann.
Das sollte mehr Einblick in die nicht allzu ferne Zukunft bringen. Und es könnte enorme Auswirkungen auf die Art und Weise haben, wie Soziologen, Ökonomen und politische Entscheidungsträger über die Natur der Gesellschaft denken und wie sie in Zukunft manipuliert werden kann.
Ref: arxiv.org/abs/1706.03058 : Thermodynamik evolutionärer Spiele