La emergencia del comportamiento complejo, o lo que podemos aprender de una humilde hormiga

Es asombroso cómo las cosas sencillas pueden acabar produciendo obras complejas. Una hormiga es sólo un insecto, pero muchas hormigas juntas, si se cumplen ciertas condiciones, forman una sociedad jerarquizada y rica en matices (castas, división de tareas, importancia de las distancias genéticas, construcción de estructuras arquitectónicas, cierto tipo de lenguaje químico social, y un objetivo común compartido por todos los integrantes del hormiguero). No vamos a hablar hoy sobre la etología de los insectos, sino del admirable salto desde lo más sencillo a lo más complejo. Y digo bien, salto, cuando me refiero a la emergencia de propiedades complejas.



El emergentismo es una de las características más notables de los sistemas dinámicos (ver una entrada previa sobre el tema), y con frecuencia es invocado en la explicación de las conductas y los fenómenos psicológicos, aunque hoy en día es invocado desde todos los ámbitos de las ciencias naturales como una parte esencial del mismísimo pensamiento científico (Cohen, 1997).

Un sistema (por ejemplo, un hormiguero o una colmena de abejas) es un conjunto de elementos que forman una entidad distinguible del resto, y que interactúan entre sí (también con otros sistemas) de manera que el conjunto entero de elementos resulta afectado cuando uno, o unos pocos, de sus elementos integrantes es alterado. En los sistemas dinámicos podemos observar a menudo propiedades emergentes: el sistema contemplado como un todo exhibe características que no aparecen en ninguno de los elementos que lo componen, cuando éstos se observan por separado. Las propiedades han "emergido" a partir de la interacción de los elementos. Es algo que ya observaron los partidarios de la escuela de la Gestalt (aquí tenéis un artículo de Héctor sobre las leyes de la Gestalt): "El todo es más que la suma de las partes". Por ejemplo, cada integrante de una enfervorecida masa de hinchas de un equipo de fútbol carece de algunas propiedades que sí son visibles cuando estudiamos la masa como un todo. La sociedad de las hormigas exhibe una complejidad inaprehensible si únicamente podemos examinar una hormiga individualmente. Cada pincelada en un cuadro carece de la belleza o la emoción que sí es capaz de transmitirnos la obra ya terminada.
Los matemáticos han formalizado en la medida de lo posible algunas ideas relacionadas con este asunto, dando lugar, por ejemplo, a las teorías del caos (sistemas inestables), o de la impredecibilidad en los sistemas complejos (eso de "si una mariposa bate sus alas en Japón...").

Cuando se trata de explicar realidades muy complejas (como la conducta de los animales, la evolución mediante selección natural, o el funcionamiento de los genes), la tentación es recurrir a explicaciones igualmente complejas, al mismo nivel. Pero lo atractivo del emergentismo es la idea de que, a partir de elementos muy sencillos que se relacionan entre sí de formas no necesariamente complicadas, pueden surgir espontáneamente propiedades muy complejas y organizadas en el nivel superior. Un ejemplo excelente lo tenemos en las redes conexionistas, de las que algún día nos tocará hablar: un nodo (también llamado "neurona" o "célula", o "unidad") en una red neuronal artificial de un modelo conexionista no es más que un elemento que puede estar activado o inactivo (o bien activo en cierto grado, según el tipo de neuronas de las que esté hecha la red), y que está conectado con otros nodos mediante enlaces (sinapsis) que pueden ser más o menos sólidos. Los nodos no hacen nada más que eso: recibir la señal de otros nodos, y activarse (o no activarse). Con estos mimbres tan sencillos, análogos al sistema nervioso animal, una red conexionista puede mostrar comportamientos tan complejos como el reconocimiento espontáneo (sin supervisión ni reglas previas) de patrones visuales o auditivos, o el aprendizaje de gramáticas simples. El gran poder del conexionismo no está en la complejidad de los elementos que componen el sistema (¡ni siquiera en su cantidad!), sino en su alta interactividad. Lo mismo que las hormigas del ejemplo inicial del post.

Y no menciono a las hormigas en vano. Un ejemplo muy bonito de emergencia espontánea de propiedades más o menos complejas u organizadas es la "hormiga virtual" de Langton (1986). Langton, biólogo de formación, es uno de los nombres a recordar en el campo de la inteligencia artificial. La "hormiga" de Langton no es más que un programa de ordenador en el que un autómata unicelular sencillo (la hormiga) se mueve a través de un universo compuesto por casillas que pueden tener uno de dos estados (representados a veces por colores blanco y negro). Cuando la hormiga entra en una casilla, pueden ocurrir dos cosas:
(a) Si la casilla es negra, entonces la hormiga gira a la izquierda y después avanza a la casilla siguiente; la casilla que acaba de abandonar se vuelve blanca;
(b) Si la casilla es blanca, entonces la hormiga gira a la derecha y después avanza a la casilla siguiente; la casilla recién abandonada se vuelve negra.

Como se puede apreciar, los elementos constituyentes del sistema (un plano con casillas de colores, un autómata que lo único que hace es moverse de casilla en casilla) son realmente simples, así como las reglas que lo gobiernan. Esto no es obstáculo para que, si dejamos que el sistema evolucione por sí mismo durante un periodo lo suficientemente largo (es decir, si dejamos tiempo a la hormiga para que recorra su universo virtual), aparezcan sorprendentes pautas en la ruta seguida por la hormiga en el tablero. A menudo las rutas son recurrentes, insistiendo en pasar por determinadas zonas del tablero y evitar otras. En ocasiones, se observan simetrías y hasta pautas reconocibles, con el aspecto de haber sido diseñadas de antemano por un creador inteligente. La más característica y quizá más común de todas es la "autopista", líneas de cuadros que avanzan en distintas direcciones (diagonal, vertical u horizontalmente) de forma organizada. Una de las regularidades más interesantes es la aparición espontánea de dibujos con simetría bilateral como la que exhibimos muchos animales (desde los artrópodos a los vertebrados). Por último, a veces el comportamiento de la hormiga es caótico, llevando a desarrollar rutas impredecibles de máxima complejidad.


He aquí tres hormigas de distintos colores echando una caótica carrera en un universo monocromo (de color negro).

En el siguiente enlace, tenéis un applet en java donde podéis modificar distintos parámetros en el universo de una hormiga similar a la originalmente propuesta por Langton, y comprobar cómo el universo (el tablero) cambia drásticamente y muestra regularidades (o bien rutas totalmente caóticas) y patrones interesantes. Probad a jugar cambiando la disposición del tablero y observad qué ocurre cuando lo recorre la hormiga virtual. Por cierto, aquí hay otro applet con más opciones, y aquí una versión sencilla cuyo curso se estabiliza en un patrón ciertamente impactante:



Aunque los matemáticos han seguido experimentando con versiones más sofisticadas de la hormiga de Langton ("hormigas generalizadas"; leed por favor Gale et al., 1995), todavía hoy sigue siendo asombroso admirar cómo unos patrones y comportamientos complejos surgen espontáneamente a partir de elementos y reglas muy sencillos. No hay necesidad de un diseñador, de una mano inteligente que dibuje las rutas simétricas y las "autopistas" por las que a menudo circula la hormiga virtual. Éstas aparecen por sí solas de manera muy elegante y natural, como propiedades emergentes del sistema inicial.

Es divertido, y estimulante, pensar en las implicaciones que se derivan de las evoluciones en el tablero de la humilde hormiga virtual para aspectos tan cruciales como la evolución biológica (donde el llamado "diseño inteligente" cuenta con muchos acólitos hoy en día), la embriología (pensad cómo las comunidades celulares se pueden auto-organizar hasta cierto punto para producir estructuras complejas), y por supuesto el comportamiento animal y en particular el humano. Lo que algunos psicólogos y filósofos explicaron mediante complejas reglas en un nivel superior, abstracto (como el aprendizaje del lenguaje humano, al que se atribuyó un origen innato), podría no ser más que una propiedad emergente, un producto natural de la interacción de elementos sencillos en un nivel de análisis inferior (como muestran algunas simulaciones conexionistas en las que se reproducen el curso del desarrollo ontogénico humano y sus consecuencias en el aprendizaje de la lengua; Elman, 1996).

Por cierto, me interesa resaltar que el emergentismo es una cualidad no sólo estudiada en los sistemas vivos (hasta ahora mis ejemplos se han basado en la biología y la psicología) o que simulen características de éstos (como los autómatas). Es una cuestion que atañe a toda la ciencia por ser una característica de la naturaleza. Estudiamos, por ejemplo, en el instituto que los gases exhiben distintas propiedades en función de variables contextuales: sabemos que hay una relación entre temperatura, presión y volumen. Pero... ¿podríamos estudiarla observando una sola molécula del gas? El reduccionismo de algunos científicos es sencillamente "ciego al contexto" (Cohen, 1997), cuando el contexto es vital para la comprensión de gran parte de los fenómenos naturales.

Referencias:
-Cohen, J. (1997). Content, Context, Fungibility and Disproof. The Critical Rationalist, 3.
-Elman, J. (1993). Learning and development in neural networks: The importance of starting small. Cognition, 48, 71-99.
-Gale, D., Propp, J., Sutherland, S., and Troubetzkoy, S. (1995). Further Travels with my Ant. Mathematical Intelligencer, 17, 48-56.

Crédito de la imagen: Wikipedia.

PD: Por fin he colgado mi tesis en Psicoteca, la tenéis aquí para descargar ;-)
(Aquí está la lista completa de tesis disponibles).

12 comentarios:

Anónimo dijo...

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Muy buen post, te dejo algunas fotines curiosas de gusanillos y hormigas que he sacado recientemente.

Héctor dijo...

Me he leído las primeras 20 paginas de la tesis, y la verdad es que te invita a que sigas leyendo (de hecho empecé leyendo un par de páginas y sin darme cuenta ya estaba por la 20).
Está bastante bien redactada en ese sentido para ser una tesis (invita a seguir leyendo), como se nota que te gusta la divulgación.

Un saludo ;)

Ahskar dijo...

Una entrada genial. Este es un de los temás que más interesante me resulta, por su enorme elegancia y sus aún inexploradas posibilidades.

pasabaporaqui dijo...

Me sumo al comentario de Héctor, Gracias por poner tu tesis disponible.

Yo he estoy ahora finiquitando la mía y sé lo difícil que es (para mí casi imposible) redactar de una forma tan amena. Me das envidia, que lo sepas :-)

Gilgamesh dijo...

Hola chicos,
la idea de escribir un post sobre este tema surgió del debate que tuvimos en la anterior entrada, en el que uno de los participantes se mostraba explícitamente partidario del reduccionismo y en contra del emergentismo como punto de partida para hacer "buena ciencia". Me gustaría escuchar qué pensáis al respecto, pues es un debate con años a sus espaldas y que, por lo visto, aún sigue dando qué hablar en todos los frentes. El tema de la hormiga de Langton es un clásico que no deja de ser curioso y estimulante. ¿No se quedan tuertos los reduccionistas ante este tipo de fenómenos?

Sobre la tesis: bueno, por supuesto que agradezco vuestros comentarios. Lo que ocurre, y ya verás si me equivoco, PPA, es que cuando uno pasa demasiado tiempo volcado en el mismo tema, acaba totalmente harto. Sí, poca gente se siente realmente "orgullosa" de su tesis doctoral y yo no soy uno de esos afortunados (o no afortunados, según se mire). La ojeo de nuevo y veo mil fallos fruto de haberse escrito a toda prisa (y entre otros mil cometidos por resolver a la vez); algunos de los experimentos fueron mis primeros estudios, o sea, previos incluso a mi titulación como psicólogo, y por eso soy consciente de sus muchos fallos de todo tipo, pero especialmente metodológicos, etc. También es cierto que como autor que soy, conozco la obra mejor que nadie y eso incluye sus debilidades :-D

El mejor halago que podéis hacer es decirme que la tesis es fácil de entender y que se transmite bien el mensaje. De eso sí me siento satisfecho porque todo el mundo me dice lo mismo (el tribunal insistió en el punto), y me salgan bien o mal las cosas como investigador, espero conservar algo de capacidad comunicativa en el futuro. Gracias por vuestra opinión ;-)

Héctor dijo...

Se entiende bien y de hecho invita a seguir leyedo Fernendo, en ese sentido está muy bien.

En cuanto al reduccionismo ya sabéis lo que opino. Hay que usar la reducción todo lo que sea posible, pero en ningún caso hay que confundir ciencia con reduccionismo.

pasabaporaqui dijo...

Hola,

Cualquier cosa que uno haga se puede mejorar, eso debe ser una constante universal, pero a mí siempre me recuerdan, y creo que es verdad, que una tesis es sobre todo una oportunidad para aprender. Si ese objetivo se cumple, el resultado, dentro de unos límites, es secundario. Por eso si además de aprender a investigar conseguiste un buen nivel didáctico, mejor que mejor.

Sobre el reduccionismo, creo que en lo básico coincido con vosotros. Creo que el criterio es hacer ciencia de forma que el reduccionismo sea posible, aunque no obligatorio. Intento explicarlo mejor: hay que definir los conceptos y variables de manera que aquellos interesados puedan vincular el nivel inferior y superior (ej. Psicología y Biología), pero sin que sea necesario apelar obligatoriamente al nivel inferior para que las variables consideradas (si están bien definidas) tengan sentido en el nivel de análisis en el que se trabaja. Además, está el principio de parsimonia, es decir, que no se deberían proponer variables de un nivel “superior” si se puede explicar lo mismo sólo con el nivel inferior. Sólo se deberían proponer nuevos conceptos y variables para dar sentido a fenómenos que no lo tienen considerando exclusivamente las variables del nivel inferior.

Por ejemplo, las proteínas o los azúcares se pueden reducir a un compuesto de moléculas, que se pueden describir en términos de sus elementos y éstos por las propiedades cuánticas. Pero ésas características no explican por completo sus propiedades en un organismo vivo. Su estructura tridimensional puede determinar si una proteína es un anticuerpo o si un azúcar es asimilable por un determinado organismo o no. Si seguimos hacia arriba, la estructura y configuración de un polisacárido unido a la las enzimas que pueda fabricar condicionará si para un determinado organismo es un reforzador o no (p. ej. la glucosa es asimilable para los humanos, pero la celulosa no). Durante mucho tiempo en nuestra evolución la glucosa fue un reforzador, pero no la celulosa. Sin embargo, a partir del descubrimiento de la fabricación de papel la celulosa también pasó a ser apreciada y se convirtió además en un elemento de transformación de la sociedad al facilitar la generalización de la escritura y posibilitar la imprenta y más allá, si llegamos al nivel de la Sociología y la Historia. Evidentemente las propiedades de uno y otro compuesto dependen de las propiedades cuánticas de sus elementos, etc. etc. pero ¿podríamos entender todos los niveles mencionados sólo conociendo cada una de las ecuaciones de onda de sus átomos?

Saludos,
Pasabaporaqui.

P.D. Estaré de viaje unos días, así que no sé si podré conectarme con facilidad

Héctor dijo...

Estoy de acuerdo con todo lo que comentas pasabaporaquí, menos por una cosa. Aunque pudiera reducirse todo a un nivel inferior, para trabajar es útil los conceptos de nivel superior, aunque no necesariamente añadan cosas nuevas incluso.

Por una sencilla razón, nuestra capacidad es limitada.
Y en algunas ocasiones puede ser útil hacerlo así, y en otras no. Como concimiento siempre tendremos que llegar a la explicación más completa. Al trabajar sobre la realidad tendremos que usar aquellos conceptos más prácticos.

Por otra parte es evidente que muchas veces aparecen cualidades emergentes no explicables solamente mediente la reducción. Con lo cual es bastante evidente que en la ciencia debe aparecer el emergentismo como algo natural y necesario para aprender del mundo. Y de hecho que yo sepa "esto se considera ciencia", a menos a día de hoy, si no han cambiado mucho las cosas desde ayer, jejeje.

Hacer una caza de brujas de esto y decir que sólo el reduccionismo es ciencia no tiene ningún sentido. Es más, es casi como la pseudociencia, ya que roza la negación de la evidencia. Hablemos claro, sin intención de flatar el respeto a nadie. Y que yo sepa el reduccionismo lo defienden 4 gatos, la tendencia científica, lógicamente no es reduccionista.

Gilgamesh dijo...

[Héctor]:
Aunque pudiera reducirse todo a un nivel inferior, para trabajar es útil los conceptos de nivel superior, aunque no necesariamente añadan cosas nuevas incluso.
[Gilgamesh]:
De acuerdo, a veces hay una utilidad no tan valorada de los conceptos "de nivel superior", y es que permiten "empaquetar" conjuntos de objetos de un nivel inferior mediante una "etiqueta". Hay muchas conductas que yo puedo registrar en un experimento de inhibición condicionada, pero la etiqueta "inhibición condicionada" está en ese plano superior de análisis ya que trasciende las circunstancias de cada experimento en particular y alude a un mecanismo que es común a todos esos estudios. La etiqueta no aporta ningún dato nuevo, simplemente agrupa todos los datos existentes y eso es de por sí informativo: da a entender que todos esos datos tienen algo en común, eso es conocimiento nuevo, añadido.
Sin esas etiquetas (que veréis, por otra parte y aunque lo nieguen, en todas las ciencias), es muy difícil avanzar en la investigación.

La segunda utilidad del análisis en niveles superiores es, como señala PPA, la oportunidad de lidiar con las propiedades emergentes, o más generalmente, de estudiar los contextos. A veces un contexto se convierte en un elemento modulador del fenómeno de estudio, y una investigación reduccionista es simplemente una investigación ciega al contexto.

Y en tercer lugar, movernos en niveles superiores también se convierte en una herramienta heurística nada despreciable. ¿Y qué importa si mi teoría trata sobre duendes y hadas, mientras haga predicciones empíricamente falsables y que se demuestran correctas en un experimento? Es decir, el papel de una teoría es a veces el de guiar la investigación empírica, independientemente del contenido de la teoría. Después de recoger los datos vendrá el refinamiento de esa teoría, su reformulación, o su cambio por otra distinta, pero en cierto sentido ya ha cumplido un cometido muy importante: sin esa teoría, la que fuere, señalando a un punto en concreto en el vacío, nadie habría mirado en esa dirección ni habría encontrado valiosos datos.

Héctor dijo...

Estoy de acuerdo con todo lo que comentas Fernando, bueno, menos con los duendes y hadas.

No sé exactamente lo que querrás decir, igual lo entiendo mal. Pero en principio eso yo lo veo fuera del tema de los niveles de análisis y emergentismo.

Lo veo más relacionado con el tema de la diferenciación entre ciencia, protociencia y pseudociencia.

Y la teoría no podría ir sobre hadas si se sabe que no existen. Bueno todo esto ya sé que tú lo conoces de sobra, así que tampoco tiene mucho sentido que lo comente :) Igual tampoco he entendido bien el ejemplo...

richie007 dijo...

nice post

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