I en starkt förorenad miljö, är det mer vettigt för ett företag att fortsätta att förorena eller börja städa upp? Om den väljer att använda renare teknik och miljön blir hälsosammare, gäller samma kalkyl?

Dessa återkopplingar mellan beslutsstrategi och miljö kommer upp inom så olika områden som fiske, ekonomi, och mänskliga sociala interaktioner. Spelteoretiker har utforskat dessa så kallade återkopplingar med hjälp av individuella modeller för att tillämpa på särskilda scenarier. Men i en ny publikation i Naturkommunikation , forskare från Penns School of Arts and Sciences presenterar en enande modell som förklarar dessa olika interaktioner och understryker likheten mellan deras egenskaper.

"Vad vi gör i vår tidning är att försöka uttryckligen införliva det sätt på vilket evolutionär speldynamik kan påverkas av miljön och kan förändra miljön, " säger Andrew Tilman, första författare på tidningen och en postdoktor vid institutionen för biologi. "Så, du får denna feedback mellan strategier som används i spelet och miljöförändringar."

Tilman var medförfattare till arbetet med rådgivarna Erol Akçay och Joshua Plotkin, fakultetsmedlemmar vars arbete är specialiserat på teoretiska och beräkningsmässiga förhållningssätt till biologiska frågor.

Resultaten kastar ljus över de sammansvetsade krafter som kopplar förändringar i strategiska åtgärder till miljöförändringar, och vice versa.

"Ta fiskbestånd som går upp eller ner beroende på en populations fiskestrategier, eller halter av näringsämnen i jorden som går upp eller ner beroende på om det finns kvävefixare eller icke-fixerande växter, " säger Akçay. "Hur mycket fisk eller kväve det finns kommer sedan att avgöra utdelningen från olika strategier och gynna den ena eller andra strategin. Den här situationen dyker upp överallt och medan det fanns olika modeller här och där, vad Andrew gjorde var att knyta ihop allt i ett. Han visade att man kan kartlägga dessa modeller på en gemensam modell och sedan analysera den modellen och göra förutsägelser för många olika system."

"Att förstå hur balansen mellan strategiska typer i en befolkning påverkar miljön, och hur miljön sedan återkopplar för att förändra strategiska interaktioner, är en ny utmaning för ekologer och beteendevetare, " säger Plotkin. "Det är ett roligt teoretiskt problem, men det har också en mängd implikationer i tillämpade inställningar, där vi i allt högre grad känner igen den snäva interkalationen av mänskliga beteenden och den föränderliga miljön."

Projektet uppstod ur Tilmans doktorandarbete, som tittade på de ekonomiska incitamenten människor möter när de hanterar en gemensam resurs, till exempel en fiske- eller hälsosam miljö.

"Jag gjorde det på ett ad hoc sätt, sätta ihop en modell för miljödynamik med en evolutionär spelteorimodell för var och en, " säger han. "Jag blev inspirerad att arbeta på ett sätt att förena många olika problem som alla tänker på dessa strategiska interaktioner kopplade till en föränderlig miljö."

Forskarna fann att en relativt enkel linjär modell kunde kartlägga dynamiken i en mängd av dessa typer av strategi-miljöåterkopplingar.

"Vi skapade några olinjära modeller också, och vissa nyanser kan uppstå, men de linjära modellerna ger dig intuition för varför dessa nya saker kan hända, " säger Akçay. "De är förvånansvärt kraftfulla."

Deras analys fungerade för system som ett föroreningsexempel, där miljöpåverkan – mer föroreningar – bleknar med tiden. Men modellen passade också scenarier där miljöprodukten regenererades, som i ett fiskeexempel.

Modellen gjorde det möjligt för dem att förutsäga hur strategier skulle förändras, om de skulle cykla eller uppnå en jämvikt, utifrån de incitament som aktörerna möter när både miljöförhållandena och strategierna i en befolkning var extrema. Återigen till föroreningsmodellen:"Du kan föreställa dig att en strategi skulle vara att släppa ut höga nivåer av föroreningar, och en annan skulle vara att släppa ut låga nivåer av föroreningar, och beroende på vilken blandning av strategier som används, det kommer att påverka nivån av föroreningar som finns, ", säger Tilman. "Vi kan förstå vad som kommer att hända i spelet baserat på hur starka incitamenten är att byta till en högföroreningsstrategi när miljön är i ett lågföroreningstillstånd samt incitamenten att byta till en högföroreningsstrategi. förorenande strategi när miljön är i ett lågförorenande tillstånd."

Tillvägagångssättet belyser samtida frågor, som att reglera de globala utsläppen inför klimatförändringarna.

"Vi ser att om allt är rent, du vill döda alla incitament att vara en förorenare. Annars kan cykeln tippa tillbaka mot förorenande strategier, säger Akçay.

Blickar framåt, forskarna hoppas kunna införliva prognoser i sin modell. Med andra ord, om en aktör kan förutsäga hur miljön kommer att förändras, kommer de att ändra sina strategier tidigare eller senare än de annars skulle göra?

"Dessa evolutionära och spelteoretiska modeller tenderar att betrakta skådespelarna som närsynta, byter sina strategier baserat på deras omedelbara incitament, " säger Tilman. "Men för att mer realistiskt efterlikna de beslutsprocesser som människor engagerar sig i, vi vill börja fundera på att införliva prognoser i modelleringsramverket."