自私的个体怎样演化出合作行为?

2021-08-24 19:13

自私的个体怎样演化出合作行为?

本文来自微信公众号:集智俱乐部(ID:swarma_org),作者:郭瑞东,头图来自:unsplash

一、自私的个体为什么会合作互助?

自古以来,故事中最打动人的就是情义,我们会为了朋友牺牲自己,母象会保护并非自己孩子的小象,海豚会帮助落海的水手。利他互助似乎和适者生存的理念相悖,自然演化为何允许这种行为存在?对此的常见解释包括:

群体选择:进化是在群体层面发生的,那些利他行为会促成整个种群竞争力的提升。

亲缘选择:亲缘关系越近,彼此合作倾向和利他行为也就越强烈;亲缘越远,则表现越弱。

互惠:今天A捕猎的收获多,分享给没什么收获的B,过几天A捕猎没什么收获时,可以从B的分享中获得保命的食物。

不过这些解释都需要引入额外的假设,以调和自然选择和无私合作之间的冲突。但归根到底,这些解释的根源还是假设,自然选择的结果是自私的,只是这个自我的范围更大了。而该文介绍的研究,不需要上述的额外假设,通过数学模型,论证了演化注定会让合作发生,从而最大化种群的生育能力。

如果自然选择关注的不仅仅是选择那些能最大化个体收益的行为,还会选择能够最小化个体间生育能力的行为,这时合作的起源,就是生物体为了满足一个更基础的需求,在对其最大化过程中,无意产生的的副产品。就可在不对主体的性质或他们之间的相互作用做任何额外的假设时,构建出一个数学模型,经由主体的收益是否在不同场景下生育能力的相关性(发生同方向的变化),解释合作是如何演化出来的。除了解释自然界的演化,经济学家也使用该模型来解释人与人在经济金融活动中的相互影响。

二、合作为何发生?——关于合作演化的过往研究

对于合作为何发生,Nowak指出[1]:如果利他行为的好处b,除以成本c,超过平均数量的邻居,k,这意味着 b/c > k。在这种情况下,演化会促进合作的产生。

之后的研究考虑了更复杂的情况,例如推文《Nature通讯:合作如何产生?来自时序网络的回答》中,观察时序网络[2]中同时进行的多通道(multichannel,即同时进行多局游戏)中合作的演化;而 [3] 发现在随机游戏中,上一次探索环境的反馈,对促进合作有所帮助。

其它促进合作的方法还包括:让不合作的个体聚集起来,能够促成合作[4];增加潜在合作者身上的标签(例如声望值、好人卡),能在不包含互惠的条件下促成合作[5];讲故事能促进合作[6];对合作带来的收益保持未知,能够促成合作[7];以及社交活动中的不确定性对社交活动有益[8]

从Nowak最初研究得出的简单直接到结论,到之后列出的研究讨论的更接近真实的情况,可以看出,合作的产生依赖于信息,尤其是关于收益多少信息的模糊性。当个体完全理性时,是不愿意参与合作的,使合作出现的,恰恰是声望、标签或者故事这些带有模糊性的因素。而该文进一步假设,再不存在这些外生的干预,只考虑种群内在动态影响时。

三、新研究:对多样性的追求,带来合作

1. 生育能力相关性低,对种群整体有利

让我们设想一个最简单的生态系统,其中只要两个物种,每个种群都只能繁衍一次,且是无性繁衍。例如:在一个只存在两个物种的生态系统(大猫与羚羊),大猫只有雨天捕猎羚羊,可假设在这时其相对收益是3:1;晴天两者相安无事,羚羊因为吃草而长大了,可假设这段时间其相对收益是1:3。且这个生态系统中不知道什么时候雨天会到来,知道的只是晴天和雨天的出现概率是对半的。

对于羚羊,如果某一随机突变,使得其能够躲避大猫,这时其雨天的相对收益变为3:2,晴天的相对收益变为2:3,这样一来,突变种将逐渐在羚羊的种群中占据优势。现在假设演化的最优解,是找出能够使大猫和羚羊共同生长率最大化的方案。在这种情况下,对于个体来说,经由数学证明可论证,每个物种的最优行为会让自身的生育力最大的同时,让种群内部的其它个体间生育能力的相关性最低,既在不同的环境下,不会所有个体的生育能力同步增减,而是参差不齐的变化。

下图中横轴是时间,纵轴是生态系统中总生物量(biomass)的增长,不同颜色代表一个种群中不同个体间的生育能力的相关系数。可以看到同一物种间,在不同环境下的相关系数越低,多物种组成的生态系统,其总生物量增长越快。

图1. 不同参数下,rho(种间生育力相关系数)越小,物种的总增长率越高

由于不同策略组合的种群能产生多少后代,取决于另一个物种在当前采取怎样的策略组合,另一物种这一未知因素的出现,使得种群内部个体的生育能力的负相关性越强,该系统总的繁育能力就越高(上图所示)。这就如同金融市场中,交易策略中并不存在最优的,哪种策略更好取决于市场环境。因此不同交易策略之间相关性越低,市场整体越稳定且总市值增加。

当不同生存策略稳定出现在同一种群内部,那么采取不同策略的物种,就需要通过合作,使得不管晴天雨天,都能够过上好日子——这就可以看成是合作现象。例如有的羚羊会在面临大猫来袭时在种群内部协调,牺牲部分以拯救种群。

2. 该模型解释专业化、牺牲现象

与合作密切相关的现象是专业分工,该模型还可以探讨为何两个物种(如wr和ws)之间会出现专业分工。下图的行为1表示,不论环境是A或B哪种情况,物种ws的生育能力都好于wr,此时没有专业分工,而有了专业分工的行为2,就是不同情况的优势物种。如下图所示:

图2. 物种的专业分工案例

专业化,即通过让行为2占据种群中的主导地位,能增加生态系统整体的生育能力。这可以理解为让一部分羚羊演化出尖角对付大猫,即使这样这些长尖角的羚羊在白天收益会低一些,也会使得整个生态系统的繁育能力更高。

图3. 物种间为他者牺牲策略的案例

此外该文证明,在满足一定条件时,上图中的行为2优于行为1,行为2可以看成是在特定环境下为同伴做出的牺牲。由此,该模型解释了种群中为何会出现专业分工和为同伴牺牲自我。

四、为何需要一个模型来解释合作的出现?

我们知道合作会出现,同时也意识到,在某些场景下,合作并不是总会出现。这一矛盾,促使我们想要对合作的起源有深刻的了解,以便搞清楚如何促成更多的合作。

之前的模型假设合作者需要有一个群体的概念,或者能够记住之前谁帮助了自己。而新的模型对种群中个体的知识、智力,甚至感知能力不做任何假设,让合作现象成为数学上最优化过程中的必然结果。模型证明,在一个有两种类型个体的种群中,两种类型之间各自个体的繁殖力相关性的降低,会增加种群指数增长的增长率。

该模型预测,如果市场中人与人之间的策略都相同,相当于繁育力的相关性增强时,合作现象会变得稀少,而整个种群的繁育力也会下降。所谓竞争策略相同,用当前的话,就是在同一赛道竞争有限的存量资源。从该模型的结论出发,这样的策略多样性降低,对整个种群的持续发展是不利的,虽然从一个演化模型推出的这一结论,需要额外的假设,但其提供的繁育力相关性最小化与合作诞生的洞见,还是值得参考的。

论文链接:https://www.pnas.org/content/118/26/e2015572118,论文题目:The origin of cooperation

相关文献:

[1] https://www.nature.com/articles/nature04605

[2] https://www.nature.com/articles/s41467-020-17730-3

[3] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0277-x

[4] https://www.nature.com/articles/s41562-018-0368-6

[5] https://www.nature.com/articles/35106555

[6] https://www.nature.com/articles/s41467-017-02036-8

[7] https://www.nature.com/articles/ncomms15147

[8] https://www.nature.com/articles/s41467-018-04493-1

本文来自微信公众号:集智俱乐部(ID:swarma_org),作者:郭瑞东

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