Szathmáry Eörs az MTA rendes tagja, az ELTE TTK és a müncheni Ludwig Maximilien Egyetem professzora. Fő kutatási témája a nagy evolúciós lépések kérdése. Ezek közé tartozik a sejtek eredete, a valódi sejtmagvas sejtek születése, a többsejtűség és az állati társadalmak megjelenése, s végül a természetes nyelvet használó emberi csoportok színre lépése.

Legfrissebb kutatási eredményei a tanuláselméleti modellek és az elméleti evolúcióbiológia összekapcsolásával születtek. Szathmáry Eörs és kollégái abból indulnak ki, hogy a tanulás és az evolúció között mély analógia áll fent. Egy jól eltalált hasonlat megvilágító erővel bír a tudomány számára, így az akadémikus szerint lehetséges, hogy az evolúció és tanulás közti párhuzamban is még nagyon sok tartalék rejlik. Szathmáry Eörs eredményeit a közelmúltban több rangos szakfolyóirat, így a Trends in Ecology and Evolution és a Biology Direct közölte, és ez irányú munkájáról hamarosan a népszerű New Scientist hírmagazin is beszámol, akárcsak az Magyar Tudományos Akadémia honlapja, az mta.hu. Alább az MTA honlapján közölt cikk főbb állításait olvashatja.

Tanulás és evolúció: formálisan egyenértékű folyamatok

·         Tanulásra képesnek tekinthetünk bármely olyan rendszert, amely tapasztalatszerzés útján egy adott feladatban javítani tudja a saját teljesítményét. Az a mód, ahogyan a tanulásra képes rendszerek egyre gyakrabban használják fel a múltban eredményesnek bizonyult viselkedésmintáikat, hasonlóságot mutat azzal a folyamattal, ahogyan a rátermett fenotípusok a szelekció hatására elterjednek egy populációban.

·         A két folyamat nem csupán hasonló, hanem formálisan egyenértékű. Korábbi elméleti munkákban megmutatták, hogy azok a tanuló algoritmusok, amelyek kiinduló alternatív hipotéziseik egymáshoz viszonyított valószínűségét a beérkező bizonyítékok alapján folyamatosan újraszámolják, matematikailag azonos alakúak azokkal a modellekkel, amelyek egy ivartalanul szaporodó populációban nemzedékről nemzedékre újraosztják az eltérő rátermettségű genotípusok részarányát.

·         Tehát ahogy a bizonyítékokkal jobban alátámasztott hipotézisek felülkerekednek az alternatív feltételezésekkel szemben, úgy szorítják ki az evolúció folyamán az adott környezethez jobban alkalmazkodott genotípusok a kevésbé rátermetteket. Ha pedig a sikeres hipotézisek győzedelmeskedését tanulásnak tartjuk, akkor a sikeres genotípusok térhódítását is annak kell tekintenünk.

Az okos tanuló és a szex

·         Az okos tanulónak azonban nem elégséges a próbálkozások során hozzácsiszolódnia egy adott feladathoz, hiszen a való világban nem egyetlen műveletet kell vég nélkül ismételgetni: a feladatok állandóan változnak. Az evolúció is gyatrán teljesítene, ha csupán véletlenszerűen egymás után ismételgetve illesztené a populációkat aktuális környezetükhöz, annak is egyetlen szűk szegletéhez, mivel így az élőlények képtelenek lennének alkalmazkodni a környezet változásaihoz.

·         Az okos tanuló nem pusztán ismételget, hanem variál. Korábban rögzített viselkedéselemeiből új kombinációkat hoz létre, próbál ki, és némelyek ezek közül minden addiginál sikeresebbek lesznek.

·         Az okos tanuló továbbá általánosít, bevált viselkedéseit olyan újszerű szituációkban is alkalmazza, amelyekkel még nem találkozott ugyan, de amelyek az előzőleg megismertekhez valamely lényegi elemükben hasonlítanak.

·         Az általánosítás és a bevált viselkedéselemek újrakeverésének evolúciós párhuzamaként az ivaros szaporodás kínálkozik. Az ivaros folyamat a szülői gének rekombinációja révén minden nemzedékváltáskor új mintát vesz a már bizonyított génváltozatok állományából.

·         Ahogy a mindig újjal próbálkozó, leleményes tanuló hamarabb rájön a feladat nyitjára, úgy a nemzedékenként új tulajdonságkombinációkkal előálló, így a fenotípusok tárházát hatékonyan végigpásztázó szex is gyorsabban alkalmazkodik a változó körülményekhez.

·         Egy elsőéves egyetemista két hétig is elbajlódna azzal a vizsgaanyaggal, amit végzős társai három nap alatt felfalnak. A különbséget nem az teszi, hogy az ötödéves több ismeretanyaggal rendelkezik, hanem az, hogy rutinosabbá vált az új ismeretek elsajátításában: megtanult tanulni.

·         Ugyanígy, az ivarosan szaporodó populációk nem feltétlenül jobbak az adott viszonyok közt, mint egy ivartalanul szaporodó, de hatékonyabbanalkalmazkodnak, ha a helyzet változik. Ez a szex elsöprő sikerének titka – legalábbis evolúciós szemszögből nézve.

Bukásra ítélt alkalmazkodási stratégiák

·         Szathmáry és mások arra mutatnak rá, hogy a fenti értelemben vett „okos” tanuló rendszernek valamiféle modellt kell kialakítania, amely a múltbeli tapasztalat, a korábbi sikerek és kudarcok alapján új kimeneteket generál. A modell annál hatékonyabb, minél nagyobb valószínűséggel sikeresek az új kimenetek. Ebben az értelmezési keretben a tanulást modellillesztési problémaként foghatjuk fel, melyben a tanulás során csiszolódó modell egyre eredményesebben állít elő sikeres kimeneteket.

·         Nézzünk egy fiktív tanulási helyzetet, amelyben őseink a ragadozókkal szembeni védekezést gyakorolják! Hatékony módszer lehet a ragadozó elől némán és mozdulatlanul elrejtőzni egy bokorban, és ugyanilyen jó lehet ijesztően kiáltozva és egy husánggal vadul hadonászva szembefordulni vele.

·         A két viselkedés átlaga (közepes hangerővel szavalni, közben a husánggal lomhán legyezni) kevés sikerrel kecsegtet. A két viselkedéselem rossz kombinációi (kiáltozva bokorba bújni, némán hadonászni) sem ígérnek sok jót.

·         Ebben a példában csak az a modell generál hatékony viselkedést, amely valamilyen módon leképezi a két viselkedéselem közti kapcsolatot, a rossz megoldásokat sugalló modellek viszont túláltalánosítanak.

·         Hátrányosnak bizonyulhat ennek az ellenkezője is, amikor a tanuló rendszer túlzottan ragaszkodik a már bevált megoldásokhoz. Ez esetben az általánosításra való képesség hiányáról van szó: mintha valaki megtanulná, hogy az autó és a motorkerékpár és a busz is jármű, de a vonatban már nem ismerné fel az előbbiekkel közös lényeget.

·         Ha az evolúció egy adott faj esetében ilyen modellel dolgozik, az abból derül ki, hogy a faj szélsőséges mértékben alkalmazkodott környezete legapróbb részleteihez, szűk ökológiai fülkéjének remek specialistájává vált, ám a legapróbb változásra sem tud a módosult környezetben sikeres új variánsok létrehozásával válaszolni.

·         Az egyik modell a túlzottan merész próbálkozásaiért, a másik modell a rugalmatlanságáért fizet nagy árat.
 

Az ökoszisztéma tanulása

·         Szathmáry és munkatársai érdekes lehetőségként felvetik, hogy a tanuló rendszerek evolúciós analógiája nem csak az egyed szintjén lehet érvényes, hanem esetleg kiterjeszthető az egyed fölött álló szerveződési szintekre is.

·         Az ökoszisztéma mint egész nem képezi a szelekció egységét, tehát nincs olyan evolúciós folyamat, amely a teljes ökoszisztémát valamilyen adaptív irányba terelgetné. Viszont az ökoszisztémát alkotó fajok között olyan kölcsönhatás-hálózat épül ki, amely a neuronhálók súlyozott kapcsolataira emlékeztet.

·         Az idegi hálózatok elméletéből vett matematikai modellel megmutatható, hogy bár az ökoszisztémát alkotó minden egyes faj csak a saját szelekciós nyomásainak engedelmeskedik, a fajok közti kölcsönhatások hálózata mégis közös „memóriát” kölcsönöz a rendszer egészének. A kölcsönhatások kiépülése útján az ökoszisztéma „megtanul” egy állapotot, amelyhez akár súlyos zavarás után is vissza képes találni.