I en ny tidning publicerad i ett specialnummer av Philosophical Transactions of the Royal Society A , SFI-professor Jessica Flack erbjuder ett praktiskt svar på en av de viktigaste, och de mest förvirrade frågorna inom evolutionär biologi – kan högre organisationsnivåer driva beteendet hos komponenter på lägre nivå?

Kallas nedåtgående orsakssamband, ett exempel på denna idé skulle vara ett mänskligt socialt system på hög nivå, som en regering, stifta lagar som mer eller mindre tvingar individer på en lägre nivå att agera på vissa sätt – att stanna vid en stoppskylt, till exempel. Det finns många liknande vardagsexempel inom biologiska och sociala vetenskaper, från celler till samhällen. Dock, så fort man ägnar lite tid åt att fundera över hur denna kausalitet fungerar, problem uppstår.

För att sammanfatta en lång och invecklad debatt, nedåtgående orsakssamband lider av kritiken att högre organisationsnivåer "bara" är tidsmässiga och rumsliga mönster som är resultatet av dynamik på en lägre nivå. Som mönster, de har ingen byrå och kan därför inte betraktas som orsaker.

I den nya tidningen, Flack föreslår att för att få grepp om detta problem måste vi ta ett steg tillbaka och överväga vad som gör adaptiva system annorlunda än fysiska system.

Fysiken domineras av begrepp som tryck, temperatur, och entropi. Dessa uppstår genom enkla kollektiva interaktioner och ger djupa insikter om det fysiska universums beteende.

Biologi och samhällsvetenskap, som handlar om adaptiva system, använda sig av jämförbara kollektiva begrepp, inklusive metabolism, konflikthantering, och robusthet, men i motsats till fysiken, dessa är "funktionella" egenskaper. Där fysiken skapar ordning genom minimering av energi, adaptiva system producerar ordning och ny funktion genom tillägg av informationsbehandling.

"Varför adaptiva system har det här extra steget och om det gör dem fundamentalt subjektiva är stort, öppna frågor, " Flack förklarar. Hon säger att grundläggande subjektivitet kan innebära att adaptiva system skulle vara svårhanterliga för vetenskapliga försök att förutsäga deras beteende, eller karakterisera den genom universella lagar.

För att göra framsteg i dessa frågor, Flack hävdar att vi först måste förstå hur adaptiva system hittar fungerande lösningar på utmaningar från miljön, vilket skulle kräva att de övervinner subjektiviteten.

"Tänk på att varje enskild kropp, varje hjärna, består av flera bullriga komponenter – celler, neuroner, etc, bearbeta bullriga data, " säger hon. "När vi ser världen på det här sättet, från botten och upp, frågan blir hur alla komponentbeslut kombineras för att producera en funktionell utdata, eller lösning på ett problem. Vi kan se den här processen som en kollektiv beräkning."

Flack, David Krakauer, och deras kollegor har upptäckt i sitt arbete med neurala och sociala system att kollektiv beräkning kan producera "lager" eller nivåer som uppstår genom en process av kollektiv grovkornning av systemkomponenterna, där oväsentlig information kasseras från ett lager till nästa. Beteendevariationer på mikroskopisk nivå eller i miljön blir komprimerade eller grovkorniga för att producera nästa nivå upp, och sedan dessa regelbundenheter "feedback" till lagret nedan för att minska variansen eller informera om beslutsfattande på lägre nivå. Konsolideringen eller förstärkningen av lagren skapar i huvudsak vad Flack i Phil Trans tidningen kallar för "effektiv nedåtriktad orsakssamband" – vilket gör att det verkar som att lösningen på högre nivå är orsaken till beteendet på lägre nivå när det som verkligen händer är komponenterna på lägre nivåer använda de grovkorniga variablerna som utgör den högre nivån för att styra beslutsfattandet.

"Denna iterativa grovkorniga och variansminskningen verkar tillåta systemkomponenterna att kollektivt konvergera eller komma överens om vilka regelbundenheter som finns i världen, vilket minskar osäkerheten och gör det möjligt för dem att bättre anpassa sig och bättre utvinna energi för att utföra arbete, " skriver Flack. "Ibland fångar den här processen en grundsanning om världen och ibland resulterar det i att komponenterna kollektiv beräkningar—i huvudsak skapar— sina makroskopiska världar. De bredare effekterna av detta sätt att tänka har potential att bli enorma. Om denna uppfattning är korrekt kan lagar som verkar på universella kvantiteter härledda från mikroskopiska processer också styra biologiska system. Men i motsats till fysiska system som identifierar dessa lagar i levande system kommer det att kräva en teori om kollektiv beräkning – en förståelse för de algoritmer som adaptiva system använder för att beräkna och hur fel och ofullkomlig information kan övervinnas genom grovkornighet och komprimering för att producera långsamt föränderlig, förutsägande, och därför, funktionellt användbar, egenskaper på aggregatnivå."