Evolutionen och det kollektiva

[080417] Livet bygger på samarbete. Vi människor samarbetar i samhällen medan fiskar och andra djur såsom fåglar och gräshoppor samarbetar i flockar. Grupper av djur visar sig skapa komplicerad dynamik som inte nödvändigtvis beror på individernas komplexitet utan istället beror på de enkla interaktioner som uppstår mellan individerna. Gruppdynamiken har alltid varit viktig i naturen. Man talar om att grupperna och själva samarbetet inom grupperna är självorganiserade, alltså att det kan uppstå samarbete och komplicerade strukturer genom enkla medel. Man tänker sig att evolutionen använt sig av detta för att skapa den biologiska mångfald vi ser i dagens natur. Den stora utmaningen i dagens forskning ligger i att finna de underliggande strukturerna hos det kollektiva och dess självorganiserande egenskaper.

Var man än vänder sig i naturen eller i samhället så ser man komplicerade strukturer och interaktioner. Den traditionella uppfattningen att ett komplicerat system på något sätt måste vara byggt av komplicerade mekanismer har på senare år reviderats. Detta har skett på grund av att man de senaste decennierna funnit att komplexa strukturer kan uppstå i både matematiken och naturen där det saknats underliggande komplexitet. Insikten var att interaktionen mellan en mängd relativt enkla aktörer kan skapa en nästan obegränsad komplexitet. Ett slående exempel på detta är myrsamhällen där forskare lyckats visa att myror med en rad enkla beteenden kan skapa storslagna funktioner i ett fungerande samhälle. Frågan är hur detta kan ha uppkommit?

Man tänker sig att svaret ligger i att naturen använder sig av en övergripande princip: självorganisation. Principen bygger på att individer med relativt enkla egenskaper kan anpassas för att tillsammans med andra åstadkomma en stor komplexitet. Den moderna forskningen om kollektiva beteenden fokuserar på att modellera enkla interaktioner och förhoppningen är att kunna åstadkomma komplicerade strukturer och kunna förklara bland annat biologins avancerade funktioner. Hittills har man funnit att strukturer så som myrstigar samt viss gruppdynamik hos människor kan förklaras med hjälp av självorganisation. En utmaning i dagens forskning är att finna de principer som ligger till grund för självorganisationen av kollektiva beteenden. Teoretiska resultat inom detta område är användbara inom många olika områden, bland annat ekonomi och organisationsteori.

Modeller av samarbete
Alla har vi sett exempel på kollektiva djurbeteenden. Exempelvis ser man ofta fågelflockar som kollektivt byter riktning i kvällssolen, fiskstim som undviker ett hot från ett rovdjur och myror som skapar stigar. I dessa fall så är individen underordnad gruppen av en viktig anledning – samhällets och individens överlevnad hänger på det. Inom populationsbiologin studerar man djurs beteende i grupp genom att ställa upp en modell över deras beteende, en så kallad mekanistisk modell. En sådan modell är ofta matematisk och beskriver rakt av hur djuren beter sig och agerar i vissa situationer. Exempel på sådana modeller kan vara vilken väg en myra statistiskt sett tar från stacken, på vilket sätt fiskstim reagerar på rovdjur eller vart trafikstockningar uppstår i en stad. I nästa steg söker man en rad premisser hos djuren, så som exempelvis enkla egenskaper och förutsättningar. Dessa egenskaper modelleras matematiskt och resultatet jämförs med den mekanistiska modellen. På detta sätt kan man söka enkla samband mellan individers enkla beteenden och gruppernas komplicerade beteenden.

Myrstigar
Det kanske mest typiska exemplet på samarbetande djur är myror. Ett vanligt förekommande fenomen bland myror är myrstigar. Dessa stigar byggs upp av feromon som myrorna utsöndrar (De kallas även för feromonstigar). Många typer av djur lämnar efter sig feromonstigar, det är ett effektivt sätt att skapa en väg som är lätt att följa från nästet till maten. Individen som finner mat lämnar efter sig en feromonstig för att kunna hitta tillbaka. Feromonhalten förstärks i stigen varje gång en myra hämtar mat. Vilket ger att ett starkare spår indikerar att det kanske finns ett stort förråd av mat. Denna process skapar ett nätverk av feromonstigar mellan mat och näste som fort byggs upp. En individ eller mindre grupp myror startar med den enkla uppsättningen strategier att finna mat, lämna feromonspår och följa feromonspår. Ur detta skapas ett komplicerat nätverk av myrstigar som är effektivt för myrsamhällets matbehov. Man har visat experimentiellt att denna metodik är effektiv för att finna och utnyttja matresurser. Ett av experimenen gjordes av Beckers et al. (1992) där utsvultna Lasius Niger myror i en koloni blev erbjudna ”två broar” som båda ledde till mat. Då en av broarna konstruerades att vara 40% längre så valde 80% av myrorna den kortare bron. Detta kan förklaras genom att den längre vägen innebar ett tunnare feromonspår. Experimentet hade distanser i tiotal centimeter medans i naturen kan skalan var kilometer, till och med hundratals kilometer.

Universiella principer
Ett exempel på typiskt kollektiva beteenden från djurvärlden är fågelflockar. Ett forskarlag lett av Iain Couzin vid Princeton Universitetet i USA föreslog att individerna endast beter sig enligt enkla regler:

• Undvika vara mycket nära en annan individ. (Undvika krockrisk)
• Välja samma flygrikning som de närmaste individerna.
• Undvika att bli isolerad.

Dessa regler verkar gälla för inte bara fågelflockar utan även för till exempel fiskstim. Ett annat exempel på en ofta förekommande princip är synkronisering. Exempelvis har man visat att kvinnliga menstruationscykler synkroniseras när flera kvinnor lever tillsammans. Andra synkroniseringseffekter återfinns hos eldflugor. Faktum är att detta inte endast verkar hålla sig inom biologins ram, man har visat att liknande synkronisering förekommer vid handklappning. När en orkester slutat spela och handklappningen startar så är den diffus och asynkron och utgör ett brus. Detta övergår så småningom övergår detta till ett synkront klappande. Samma universiella underliggande regler verkar gälla för uppkonsten av vågen som går runt en fotbollsstadium. Man kan ana att det verkar finnas universiella principer för de situationer där gruppen kan uträtta så mycket mer än bara summan av sina respektive individers egenskaper och förutsättningar.

Det smarta kollektivet
Vid en tillställning i början av förra århundradet så skulle deltagare gissa vikten på en oxe. 800 personer deltog och spridningen på gissningarna var givetvis stor men medelvärdet på alla gissningar låg mindre än ett halvt kilo från den korrekta vikten på 544.5 kg. Detta är ett exempel på när kollektivet kan göra smarta beslut utan att individerna själva nödvändigtvis har den sanna bilden. Ett annat exempel på detta är ”vem vill bli miljonär” där den utfrågade kan fråga publiken, det visar sig ofta att publikens ”medel” varit rätt. Det finns många tillställningar då kollektivet haft en mycket bra uppfattning om utfallet av ett speciellt spel eller kunskapen om något speciellt trots att inte individerna haft vetskapen. Detta verkar även ofta gälla vadslagningssidor på internet, vilka ofta har rätt i vem som kommer vinna ett val eller vilket lag som kommer vinna en viss match exempelvis.

Kollektivt eller inte?
Trots samarbete är otroligt vanligt i naturen finns det djur som inte samarbetar. Maskar och björnar är exempel på djur som inte samarbetar. Dessa tjänar inte på att samarbeta, utan överlever och fortplantas bäst som individer. Djur samarbetar ifall utfallet av deras samarbete kan ge mer i form av mat eller fortplantingsmöjligheter än om de hade agerat ensamma. Ett bra mått på om samarbete är fördelaktigt eller inte är att tala om ifall gruppen kan skapa mer än summan av indivdernas egna insatser. Detta stämmer i synnerhet för myror och människor till exempel. Det finns dock flera fall där i alla fall fler individer inte ökar gruppens effektivitet. Exempel på detta är ”Wood Ants” som arbetar tillsammans för att bygga ”Domes”. Man har experimentiellt visat att dubbla mängden myror helt enkelt bara skapar dubbel storlek av ”dome”. Det finns ofta optimala gruppstorlekar i naturen, ibland är den stor, ibland är den att vara ensam.

Modellbegränsningar
Även om många grupper av djur i stort sett styrs av enkla premisser så är det ett faktum att de flesta individer är komplicerade. När man skapar modeller av djurs beteenden måste man bortse från vissa av de mera komplexa funktionerna hos individerna. Trots detta kan man ofta återskapa de strukturer som naturen återspeglar med smarta men relativt enkla premisser. Modeller av mänskliga beteenden i speciella situationer så som i paniktillstånd eller matköer är relativt tillförlitliga meddans modellering av mänskliga beteenden i flesta situationer ligger på en mycket högre komplexitetsnivå. Man har sedan länge sökt en enhetlig teori eller bild av hur grupper och enkla strukturer kan skapa sådan enorm komplexitet, alltså hur självorganisationen fungerar helt enkelt. Försök har gjorts av bland andra Stephen Wolfram, grundare av programmet Mathematica. Dock har ingen dock lyckats med detta, utan många forskare så som David Sumpter vid Matematiska Institutionen vid Uppsala Universitet ser mera pragmatiskt på det hela och löser de enskilda problemen som uppstår.

Den själviska evolutionen?
En fundamental fråga när det kommer till självorganisation och kollektiva djurs beteenden är hur evolutionen skapat dessa. Den evolutionära hypotesen är att den individ vars strategi bäst sprider sina gener vidare är mest levnadsduglig. Detta har visat sig vara svårt att visa hur detta fungerar när det kommer till grupper av djur. Bland de problem som uppstår så kan man konstatera att vissa individer verkar samarbeta för det allmännyttiga, alltså de kan ge upp sin individuella fördel för att hjälpa någon annan eller gruppen som helhet. Det är till och med så att vissa individer i en grupp inte är mest anpassade för att överleva som individer, utan de verkar vara direkt anpassade för gruppens överlevnad.

Man tänker sig att det finns en speciell evolutionär anledning till att samarbete uppstår i vissa fall och det är att det finns släktskap. Att offra sig själv som individ för någon eller ett antal med liknande gener kan ses som att skydda sin gens överlevnad och spridning. Detta är ett intiuitivt sätt som man kan överskåda den evolutionära dynamiken för att frivilligt hjälpa andra. Evolutionär spelteori är ett bra verktyg för att hantera och kunna beräkna evolutionära fördelar mellan samarbetande och icke samarbetande individer.

Till sist
Grupper och samarbeten kan skapa beteenden som ingen av de ingående medlemmarna enskilt kan återreproducera. Detta fascinerande koncept ligger till grunden för den moderna forskningen inom kollektiva beteenden. Över de fåtal decennier som detta forskningsfält på allvar funnits så har flertalet universiella principer och övergripande lagar för dessa beteenden konstaterats. Man söker ännu efter en god grund för självorganisationen hos vissa djurarter och grupper och stora steg har tagits de senaste åren. Flera forskare söker en enhetlig teoretisk grund för självorganisation, en sådan skulle sammanfatta och förenkla stukturerna och klargöra många av problemen som kvarstår. Kanske är den enhetliga teorin för den biologiska självorganisationen inte så långt borta när man karlagt evolutionsbiologins fullständiga mekanismer.

Referenser
[Daw76] R.Dawkins, ”Den själviska genen”, Oxford University Press, 1976.

J.D.Munkhammar, ”Mechanistic and stable group sizes in collective Cockroach behavior”, UUDM project report 2007:26 (2007).

Smith M., ”Evolution and the theory of games”, Cambridge Univ. Press. (1982).

Sumpter, D. , ”Collective Behavior”, book preprint. (2008).

D.J.T. Sumpter, ”Principles of collective animal behavior”, Phil. Trans. R. Soc. B (2006) 361, 5-22

▪ Joakim Munkhammar

Joakim Munkhammar är verksam som vetenskapskonsult, han har skrivit flera rapporter och gjort datorsimuleringar i ämnet samt byggt upp hemsidan www.collective-behavior.com

Taggar
Skänk ett bidrag till Alba!

swishGillar du denna artikel? Redaktionen arbetar gratis, men vi behöver stöd till driften. Ditt stöd skulle betyda mycket för oss. Swisha valfritt belopp till Tidskriften Alba.

Swisha till 1231666452

Mer information om Swish och Alba.nu

Dela den här artikeln: