In een nieuw artikel gepubliceerd in een speciale uitgave van de Filosofische transacties van de Royal Society A , SFI-hoogleraar Jessica Flack biedt een praktisch antwoord op een van de belangrijkste, en de meest verwarde vragen in de evolutionaire biologie:kunnen hogere organisatieniveaus het gedrag van componenten op een lager niveau sturen?

Neerwaartse causaliteit genoemd, een voorbeeld van dit idee zou een menselijk sociaal systeem op hoog niveau zijn, zoals een regering, wetten maken die individuen op een lager niveau min of meer dwingen om op bepaalde manieren te handelen - stoppen bij een stopbord, bijvoorbeeld. Er zijn veel vergelijkbare informele voorbeelden te vinden in de biologische en sociale wetenschappen, van cellen tot samenlevingen. Echter, zodra men een beetje tijd besteedt aan het nadenken over hoe deze causaliteit werkt, problemen ontstaan.

Om een ​​lang en ingewikkeld debat samen te vatten, neerwaartse causaliteit lijdt onder de kritiek dat hogere organisatieniveaus 'slechts' temporele en ruimtelijke patronen zijn die het resultaat zijn van dynamiek op een lager niveau. als patronen, ze hebben geen invloed en kunnen daarom niet als oorzaken worden beschouwd.

In de nieuwe krant Flack suggereert dat we, om grip op dit probleem te krijgen, een stap terug moeten doen en nadenken over wat adaptieve systemen anders maakt dan fysieke systemen.

Natuurkunde wordt gedomineerd door begrippen als druk, temperatuur, en entropie. Deze ontstaan ​​door eenvoudige collectieve interacties en bieden diepgaande inzichten in het gedrag van het fysieke universum.

Biologie en sociale wetenschappen, die zich bezighouden met adaptieve systemen, gebruik maken van vergelijkbare collectieve concepten, waaronder metabolisme, conflicthantering, en robuustheid, maar in tegenstelling tot de natuurkunde, dit zijn "functionele" eigenschappen. Waar fysica orde schept door het minimaliseren van energie, adaptieve systemen zorgen voor orde en nieuwe functies door de toevoeging van informatieverwerking.

"Waarom adaptieve systemen deze extra stap hebben en of het ze fundamenteel subjectief maakt, is groot, open vragen, " legt Flack uit. Ze zegt dat fundamentele subjectiviteit zou kunnen betekenen dat adaptieve systemen onhandelbaar zouden zijn voor wetenschappelijke pogingen om hun gedrag te voorspellen, of karakteriseren door middel van universele wetten.

Om vooruitgang te boeken op deze vragen, Flack stelt dat we eerst moeten begrijpen hoe adaptieve systemen werkbare oplossingen vinden voor uitdagingen van de omgeving, wat zou vereisen dat ze subjectiviteit overwinnen.

"Bedenk dat elk individueel lichaam, elk brein, bestaat uit meerdere luidruchtige componenten:cellen, neuronen, enzovoort, het verwerken van luidruchtige gegevens, "zegt ze. "Als we de wereld op deze manier zien, van onder naar boven, de vraag wordt hoe alle componentbeslissingen worden gecombineerd om een ​​functionele output te produceren, of oplossing voor een probleem. We kunnen dit proces zien als een collectieve berekening."

Flak, David Krakauer, en hun collega's hebben in hun werk aan neurale en sociale systemen ontdekt dat collectieve berekeningen "lagen" of niveaus kunnen produceren die ontstaan ​​door een proces van collectieve grove korreling door de systeemcomponenten, waarin niet-essentiële informatie van de ene laag naar de andere wordt weggegooid. Gedragsvariatie op microscopisch niveau of in de omgeving wordt gecomprimeerd of grofkorrelig om het volgende niveau hoger te produceren, en vervolgens geven deze regelmatigheden 'feedback' aan de laag eronder om de variantie te verminderen of de besluitvorming op het lagere niveau te informeren. De consolidatie of versterking van de lagen creëert in wezen wat Flack in de Phil Trans-paper "effectieve neerwaartse oorzakelijkheid" noemt - waardoor het lijkt alsof de oplossing op een hoger niveau de oorzaak is van het gedrag op een lager niveau, terwijl in werkelijkheid de componenten op een lager niveau zijn met behulp van de grofkorrelige variabelen die het hogere niveau vormen om de besluitvorming te begeleiden.

"Deze iteratieve grofkorrelige en variantiereductie lijkt de systeemcomponenten in staat te stellen gezamenlijk te convergeren of overeen te komen wat de regelmatigheden in de wereld zijn, wat de onzekerheid vermindert en hen in staat stelt zich beter aan te passen en energie beter te onttrekken aan het werk, " schrijft Flack. "Soms legt dit proces een grondwaarheid over de wereld vast en soms resulteert het erin dat de componenten collectief computeren - in wezen creëren - hun macroscopische werelden. De bredere impact van deze manier van denken kan enorm zijn. Als deze opvatting juist is, kunnen wetten die werken op universele grootheden die zijn afgeleid van microscopische processen, ook biologische systemen beheersen. Maar in tegenstelling tot fysieke systemen die deze wetten in levende systemen identificeren, is een theorie van collectieve berekening vereist - een begrip van de algoritmen die adaptieve systemen gebruiken om te berekenen en hoe fouten en onvolmaakte informatie kunnen worden overwonnen door grove korrel en compressie om langzaam veranderende, voorspellend, en daarom, functioneel bruikbaar, eigenschappen op aggregatieniveau."