Исследователи из Университета штата Мичиган описали механизмы возникновения кооперативного поведения на основе математической модели Изинга.
Кооперация характерна для многих животных. Так, вороны (Corvus corax) и голубые сороки (Cyanopica cyana) способны на взаимный альтруизм, а собаки (Canis lupus familiaris) и капуцины (Cebus) нетерпимы к несправедливости, которую наблюдают со стороны. При этом особенности подобного поведения нередко зависят от таксона, и эволюционные механизмы этой вариативности неясны. В частности, собственная значимость может быть неочевидна для отдельных особей эусоциальных видов — трутней, единственной функцией которых выступает оплодотворение пчелиной матки, или рабочих муравьев, перемещающих предметы в интересах гнезда.
В новой работе американские ученые рассмотрели эгоцентричное и кооперативное поведение живых организмов внутри популяций в качестве переключаемых фаз. По аналогии атомы, имеющие на внешнем энергетическом уровне один электрон, могут изменять его спин из условного положения «вниз» на положение «вверх» и наоборот. Этот механизм (для намагничивания материалов) описывается моделью Изинга и обусловливается одним из двух факторов: переключение происходит либо под воздействием внешнего магнитного поля, либо соседних атомов. В случае биологических систем роль магнитного поля исполняют экологические факторы.
Кроме того, при построении модели авторы учитывали дилемму заключенного — фундаментальную проблему теории игр. Она заключается в том, что один из изолированных подозреваемых, предположительно, совершивших преступление по сговору, может избежать наказания только в случае предательства при условии отказа второго от дачи показаний. Таким образом, наиболее продуктивной стратегией оказывается эгоцентричное поведение одного из агентов, тогда как при кооперации (взаимных молчании или предательстве) оба попадут в заключение. Модель предполагала серию «допросов» на фоне внешнего параметра (среды).
На первых этапах вероятность результата взаимодействия игроков носит характер случайности, но со временем стороны вырабатывают определенные стратегии. При увеличении числа агентов каждого из них можно представить как владельца горшка с монетами. Он регулярно делает выбор: сделать (и в каком объеме) вклад на общий счет или отказаться от него. В определенные моменты блага поровну распределяются между членами группы, которые в зависимости от решений каждого получают больше или меньше средств. Внедрение в модель внешних сил позволяло наказать эгоцентричный элемент или повлиять на всю популяцию.
Анализ показал, что баланс между кооперативным и эгоцентричным поведением во многом зависит от внешних, экологических факторов. Например, наказание игрока, который отказался вносить вклад, помогает стимулировать членов группы на сотрудничество. Модель Изинга для размерностей выше первой, в свою очередь, предполагает, что в случае ферромагнетиков выравнивание спинов произойдет при достаточно высоких температурах, а охлаждение материала ориентирует большинство спинов в одном направлении. По мнению ученых, сочетание физики и теории игр может помочь в изучении многих эволюционных механизмов.
Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.org.
По информации http://nauchkor.ru/media/evolyutsiyu-altruizma-opisali-na-yazyke-fiziki-594ee1da5f1be756daff6f14
Обозрение "Terra & Comp".
