Un nouveau modèle d'évolution révèle enfin comment la coopération évolue

L'une des grandes questions sans réponse en biologie est de savoir pourquoi les organismes ont évolué pour coopérer. Les avantages à long terme de la coopération sont clairs - regardez les structures extraordinaires que construisent les termites, par exemple, ou la société complexe que les humains ont créée.

Mais l'évolution est un processus aléatoire basé sur les avantages à court terme qui émergent à chaque génération. Bien sûr, les individus peuvent coopérer ou agir de manière égoïste, ce qui leur permet d'accumuler des avantages ou de subir des coûts, selon les circonstances. Mais comment ce comportement peut se propager et conduire à l'émergence à long terme de la coopération en tant que comportement dominant est une énigme qui a déconcerté les biologistes de l'évolution pendant des décennies.

Aujourd'hui, cela pourrait changer grâce au travail de Christoph Adami et Arend Hintze de la Michigan State University à East Lansing. Ils ont créé un modèle mathématique simple utilisant des principes physiques bien compris pour montrer comment la coopération émerge au cours de l'évolution.

Leur modèle suggère que l'équilibre entre la coopération et le comportement égoïste, appelé défection, peut subir des transitions de phase rapides, dans lesquelles les individus adaptent leur comportement à celui de leurs voisins. De plus, un facteur crucial s'avère être le processus de punition. La punition agit comme un champ magnétique qui conduit à un 'alignement' entre les joueurs, encourageant ainsi la coopération, disent Adami et Hintze.

Cette nouvelle approche a le potentiel de changer la façon dont les biologistes évolutionnistes, les économistes et les informaticiens pensent de la coopération et du rôle que la punition joue pour l'encourager.

Tout d'abord un peu de contexte. Un large éventail de phénomènes dépend du comportement à grande échelle de nombreux acteurs individuels. Par exemple : l'économie, la propagation des maladies, l'évolution, le mouvement brownien, la magnétisation, pour n'en citer que quelques-uns.

Dans certains cas, les acteurs sont relativement simples. Dans l'aimantation, par exemple, les acteurs sont des atomes individuels avec un spin qui peut être vers le haut ou vers le bas et qui interagissent avec leurs voisins.

À première vue, la façon dont un grand nombre d'atomes interagissent dans un matériau magnétique semble complexe au-delà de l'imagination. Mais il existe un modèle mathématique relativement simple appelé modèle de spin d'Ising qui explique intuitivement comment se forment les domaines magnétiques.

Dans ce modèle, les atomes peuvent avoir un spin vers le haut ou vers le bas et influencer leurs voisins. Dans le cas le plus simple, les atomes d'un réseau commencent avec des spins dans des directions aléatoires. Mais ils peuvent inverser leurs rotations d'une manière qui dépend des rotations de leurs voisins. Un champ magnétique externe peut également provoquer l'alignement des spins à condition que la température soit inférieure à un certain niveau critique.

En utilisant ce modèle, les physiciens peuvent explorer les circonstances dans lesquelles émergent des domaines où tous les atomes partagent le même spin. Ils peuvent également explorer comment cela dépend de facteurs environnementaux tels que la température et un champ magnétique externe.

La question sur laquelle Adami et Hintze étudient est de savoir si un modèle de spin d'Ising peut éclairer la manière dont la coopération évolue.

Pour le savoir, ils ont créé un modèle de spin d'Ising dans lequel chaque atome interagit avec ses voisins en coopérant ou en faisant défection dans un jeu de dilemme du prisonnier. Dans ce jeu entre deux atomes, chaque joueur peut soit coopérer, soit faire défaut, puis recevoir un paiement qui dépend du comportement de l'autre joueur.

Les joueurs reçoivent une récompense s'ils coopèrent tous les deux mais rien s'ils font défaut tous les deux. Cependant, le dilemme se produit parce que le paiement le plus élevé est donné à un joueur qui fait défaut alors que l'adversaire coopère, qui n'obtient alors rien.

À la fin du jeu, chaque atome peut changer ou non sa stratégie pour celle de son voisin, en fonction du succès de celui-ci.

La distribution des stratégies est aléatoire au départ. Mais au fil du temps, ce processus devrait conduire à la diffusion de stratégies réussies dans un processus analogue à la formation et à la propagation des domaines magnétiques.

Le travail d'Adami et Hintze consiste à explorer la thermodynamique de ce processus, les conditions dans lesquelles la coopération se propage.

Leurs résultats rendent la lecture fascinante. Il s'avère que les stratégies de coopération et de défection sont dans un équilibre délicat, mais que dans certaines circonstances, une transition de phase se produit dans laquelle la coopération se propage à travers la population comme une traînée de poudre. En effet, Adami et Hintze disent qu'il existe une analogie mathématique formelle avec le magnétisme à cet égard.

Ils généralisent également le système pour inclure plus d'atomes jouant le jeu bien connu des biens publics. Dans ce jeu, chaque joueur dispose d'un pot d'argent et doit décider du montant à mettre dans le trésor public, où il sera multiplié par un nombre supérieur à 1. Celui-ci est ensuite redistribué à tous les joueurs de manière égale.

Évidemment, les joueurs ont le plus à gagner s'ils mettent tous leur argent dans les deniers publics. Mais un seul joueur peut gagner plus en ne mettant rien et en récoltant la récompense.

Adami et Hintze introduisent également la punition. Ainsi, les atomes qui ne contribuent pas peuvent subir un coût.

Dans ce cas, la punition a un effet profond. La punition agit comme un champ magnétique qui encourage l'alignement des spins, disent les chercheurs.

C'est un résultat intéressant. Cela implique que le comportement peut être manipulé à grande échelle par l'introduction de certains coûts. Cela implique également que le résultat peut être modélisé en utilisant une physique relativement simple.

Fait intéressant, les physiciens ont développé un large éventail de techniques pour étudier ces types de systèmes de spin de manière très détaillée. La plus grande signification des travaux d'Adami et Hintze est que cette machinerie mathématique peut désormais être appliquée au problème de la coopération.

Cela devrait apporter plus de perspicacité dans un avenir pas trop lointain. Et cela pourrait avoir d'énormes implications sur la façon dont les sociologues, les économistes et les décideurs politiques pensent la nature de la société et la façon dont elle peut être manipulée à l'avenir.

Réf : arxiv.org/abs/1706.03058 : Thermodynamique des jeux évolutifs

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