Nuevo modelo de evolución finalmente revela cómo evoluciona la cooperación

Una de las grandes preguntas sin respuesta en biología es por qué los organismos han evolucionado para cooperar. Los beneficios a largo plazo de la cooperación son claros: observe las extraordinarias estructuras que construyen las termitas, por ejemplo, o la compleja sociedad que han creado los humanos.

Pero la evolución es un proceso aleatorio basado en las ventajas a corto plazo que surgen en cada generación. Por supuesto, los individuos pueden cooperar o actuar de manera egoísta, y esto les permite acumular beneficios o sufrir costos, según las circunstancias. Pero cómo este comportamiento puede extenderse y conducir al surgimiento a largo plazo de la cooperación como el comportamiento dominante es un enigma que ha dejado perplejos a los biólogos evolutivos durante décadas.

Hoy, eso podría cambiar gracias al trabajo de Christoph Adami y Arend Hintze en la Universidad Estatal de Michigan en East Lansing. Han creado un modelo matemático simple usando principios físicos bien entendidos para mostrar cómo surge la cooperación durante la evolución.

Su modelo sugiere que el equilibrio entre la cooperación y el comportamiento egoísta, llamado deserción, puede sufrir transiciones de fase rápidas, en las que los individuos igualan su comportamiento al de sus vecinos. Además, un factor crucial resulta ser el proceso de castigo. El castigo actúa como un campo magnético que conduce a una 'alineación' entre los jugadores, fomentando así la cooperación, dicen Adami y Hintze.

Este nuevo enfoque tiene el potencial de cambiar la forma en que los biólogos evolutivos, los economistas y los informáticos piensan sobre la cooperación y el papel que juega el castigo para alentarla.

Primero algunos antecedentes. Una amplia gama de fenómenos depende del comportamiento a gran escala de muchos actores individuales. Por ejemplo: la economía, la propagación de enfermedades, la evolución, el movimiento browniano, la magnetización, por nombrar solo algunos.

En algunos casos, los actores son relativamente simples. En la magnetización, por ejemplo, los actores son átomos individuales con un espín que puede estar hacia arriba o hacia abajo y que interactúan con sus vecinos.

A primera vista, la forma en que un gran número de átomos interactúan en un material magnético parece compleja más allá de la imaginación. Pero hay un modelo matemático relativamente simple llamado modelo de espín de Ising que explica intuitivamente cómo se forman los dominios magnéticos.

En este modelo, los átomos pueden girar hacia arriba o hacia abajo e influir en sus vecinos. En el caso más simple, los átomos en una red comienzan con espines en direcciones aleatorias. Pero pueden voltear sus giros de una manera que depende de los giros de sus vecinos. Un campo magnético externo también puede hacer que los espines se alineen siempre que la temperatura esté por debajo de un nivel crítico.

Con este modelo, los físicos pueden explorar las circunstancias en las que surgen dominios donde todos los átomos comparten el mismo espín. También pueden explorar cómo esto depende de factores ambientales como la temperatura y un campo magnético externo.

La pregunta que investigan Adami y Hintze es si un modelo de giro de Ising puede arrojar algo de luz sobre la forma en que evoluciona la cooperación.

Para averiguarlo, crearon un modelo de espín de Ising en el que cada átomo interactúa con sus vecinos cooperando o desertando en un juego del dilema del prisionero. En este juego entre dos átomos, cada jugador puede cooperar o desertar y luego recibir un pago que depende del comportamiento del otro jugador.

Los jugadores reciben una recompensa si ambos cooperan, pero nada si ambos desertan. Sin embargo, el dilema ocurre porque el pago más alto se le da a un jugador que deserta mientras que el oponente coopera, quien luego no obtiene nada.

Al final del juego, cada átomo puede cambiar su estrategia a la de su vecino o no, dependiendo del éxito que haya tenido el vecino.

La distribución de estrategias es aleatoria para empezar. Pero con el tiempo, este proceso debería conducir a la difusión de estrategias exitosas en un proceso análogo a la formación y difusión de dominios magnéticos.

El trabajo de Adami y Hintze consiste en explorar la termodinámica de este proceso, las condiciones en las que se propaga la cooperación.

Sus resultados son una lectura fascinante. Resulta que las estrategias de cooperación y deserción se encuentran en un delicado equilibrio, pero que en algunas circunstancias se produce una transición de fase en la que la cooperación se extiende por la población como la pólvora. De hecho, Adami y Hintze dicen que existe una analogía matemática formal con el magnetismo a este respecto.

También generalizan el sistema para incluir más átomos que juegan el conocido juego de los bienes públicos. En este juego, cada jugador tiene un bote de dinero y tiene que decidir cuánto poner en el erario público, donde se multiplicará por algún número mayor que 1. Esto luego se redistribuirá a todos los jugadores por igual.

Obviamente, los jugadores tienen más que ganar si todos ponen todo su dinero en el erario público. Pero un solo jugador puede ganar más al no poner nada y cosechar la recompensa.

Adami y Hintze también introducen el castigo. Entonces, los átomos que no contribuyen pueden sufrir un costo.

En este caso, el castigo tiene un efecto profundo. El castigo actúa como un campo magnético que fomenta la alineación de espines, dicen los investigadores.

Ese es un resultado interesante. Implica que el comportamiento puede ser manipulado a gran escala mediante la introducción de ciertos costos. También implica que el resultado se puede modelar usando física relativamente simple.

Curiosamente, los físicos han desarrollado una amplia gama de técnicas para estudiar este tipo de sistemas de espín con considerable detalle. El mayor significado del trabajo de Adami y Hintze es que esta maquinaria matemática ahora puede aplicarse al problema de la cooperación.

Eso debería traer más información en un futuro no muy lejano. Y podría tener enormes implicaciones para la forma en que los sociólogos, economistas y legisladores piensan sobre la naturaleza de la sociedad y la forma en que puede manipularse en el futuro.

Ref: arxiv.org/abs/1706.03058 : Termodinámica de Juegos Evolutivos

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