How do schools of fish swim in harmony? And how do the tiny cells in your brain give rise to the complex thoughts, memories, and consciousness that are you? Oddly enough, those questions have the same general answer: emergence, or the spontaneous creation of sophisticated behaviors and functions from large groups of simple elements. Like many animals, fish stick together in groups, but that's not just because they enjoy each other's company. It's a matter of survival. Schools of fish exhibit complex swarming behaviors that help them evade hungry predators, while a lone fish is quickly singled out as easy prey. So which brilliant fish leader is the one in charge? Actually, no one is, and everyone is. So what does that mean? While the school of fish is elegantly twisting, turning, and dodging sharks in what looks like deliberate coordination, each individual fish is actually just following two basic rules that have nothing to do with the shark: one, stay close, but not too close to your neighbor, and two, keep swimmming. As individuals, the fish are focused on the minutiae of these local interactions, but if enough fish join the group, something remarkable happens. The movement of individual fish is eclipsed by an entirely new entity: the school, which has its own unique set of behaviors. The school isn't controlled by any single fish. It simply emerges if you have enough fish following the right set of local rules. It's like an accident that happens over and over again, allowing fish all across the ocean to reliably avoid predation. And it's not just fish. Emergence is a basic property of many complex systems of interacting elements. For example, the specific way in which millions of grains of sand collide and tumble over each other almost always produces the same basic pattern of ripples. And when moisture freezes in the atmosphere, the specific binding properties of water molecules reliably produce radiating lattices that form into beautiful snowflakes. What makes emergence so complex is that you can't understand it by simply taking it apart, like the engine of a car. Taking things apart is a good first step to understanding a complex system. But if you reduce a school of fish to individuals, it loses the ability to evade predators, and there's nothing left to study. And if you reduce the brain to individual neurons, you're left with something that is notoriously unreliable, and nothing like how we think and behave, at least most of the time. Regardless, whatever you're thinking about right now isn't reliant on a single neuron lodged in the corner of your brain. Rather, the mind emerges from the collective activities of many, many neurons. There are billions of neurons in the human brain, and trillions of connections between all those neurons. When you turn such a complicated system like that on, it could behave in all sorts of weird ways, but it doesn't. The neurons in our brain follow simple rules, just like the fish, so that as a group, their activity self-organizes into reliable patterns that let you do things like recognize faces, successfully repeat the same task over and over again, and keep all those silly little habits that everyone likes about you. So, what are the simple rules when it comes to the brain? The basic function of each neuron in the brain is to either excite or inhibit other neurons. If you connect a few neurons together into a simple circuit, you can generate rhythmic patterns of activity, feedback loops that ramp up or shut down a signal, coincidence detectors, and disinhibition, where two inhibitory neurons can actually activate another neuron by removing inhibitory brakes. As more and more neurons are connected, increasingly complex patterns of activity emerge from the network. Soon, so many neurons are interacting in so many different ways at once that the system becomes chaotic. The trajectory of the network's activity cannot be easily explained by the simple local circuits described earlier. And yet, from this chaos, patterns can emerge, and then emerge again and again in a reproducible manner. At some point, these emergent patterns of activity become sufficiently complex, and curious to begin studying their own biological origins, not to mention emergence. And what we found in emergent phenomena at vastly different scales is that same remarkable characteristic as the fish displayed: That emergence doesn't require someone or something to be in charge. If the right rules are in place, and some basic conditions are met, a complex system will fall into the same habits over and over again, turning chaos into order. That's true in the molecular pandemonium that lets your cells function, the tangled thicket of neurons that produces your thoughts and identity, your network of friends and family, all the way up to the structures and economies of our cities across the planet.
¿Cómo nadan en armonía los bancos de peces? Y ¿cómo las diminutas células de tu cerebro dan lugar a pensamientos complejos, recuerdos, y la conciencia de lo que eres tú? Por extraño que parezca, esas preguntas tienen la misma respuesta general: emergencia o surgimiento, la creación espontánea de comportamientos y funciones sofisticadas a partir de grandes grupos de elementos simples. Al igual que muchos animales, los peces se juntan en grupos, pero no solo porque disfrutan de su mutua compañía. Es una cuestión de supervivencia. Los bancos de peces o cardúmenes muestran comportamientos complejos de enjambre que les ayudan a evadir a depredadores hambrientos, mientras que un solo pez es rápidamente una presa fácil. Entonces, ¿cuál es el pez genial y líder al mando? En realidad, ninguno, y todos a la vez. ¿Qué significa eso? Mientras el banco de peces se contornea elegantemente esquivando tiburones en lo que parece una coordinación deliberada, cada ejemplar de pez, en realidad, no hace más que seguir dos reglas básicas que no tienen nada que ver con el tiburón. Una, permanecer cerca, pero no demasiado cerca de su vecino, y dos, seguir nadando. Como individuos, los peces se centran en detalles de esas interacciones locales, pero, si suficientes peces se unen al grupo, algo extraordinario sucede. El movimiento individual de los peces se eclipsa por una entidad totalmente nueva: el cardumen, que tiene su conjunto propio y único de comportamientos. El cardumen no está controlado por ningún pez individual. Solo surge si hay suficientes peces siguiendo las correctas reglas locales. Es como un accidente que ocurre una y otra vez, permitiendo a los peces en todo el océano evitar la depredación de forma estable. Y no se trata solo de peces. La emergencia es una propiedad básica de muchos sistemas complejos de elementos interactuando. Por ejemplo, la forma específica de que millones de granos de arena choquen y caigan uno sobre otro casi siempre produce el mismo patrón básico de ondas. Y cuando la humedad se congela en la atmósfera, las propiedades específicas de cómo se unen las moléculas de agua producen enrejados radiantes que forman hermosos copos de nieve. Lo que convierte la emergencia en algo tan complejo es que no se puede entender simplemente desarmando sus partes, como el motor de un auto. Desarmar cosas es un buen primer paso para entender un sistema complejo. Pero si se reduce un banco de peces a los individuos, pierde la capacidad para evadir depredadores, y no hay nada más que estudiar. Y si se reduce el cerebro a las neuronas individuales, uno se queda con algo que es muy poco fiable, en relación a cómo pensamos y actuamos, por lo menos la mayor parte del tiempo. En cualquier caso, lo que piensas en este momento no depende de una sola neurona situada en la esquina de tu cerebro. Más bien, la mente emerge de las actividades colectivas de muchas, muchas neuronas. Hay miles de millones de neuronas en el cerebro humano, y billones de conexiones entre todas esas neuronas. Cuando se activa un sistema tan complicado como ese podría comportarse en todo tipo de formas extrañas, pero no es así. Las neuronas en nuestro cerebro siguen reglas simples, como los peces, de modo que, como grupo, su actividad se autoorganiza en patrones fiables que le permiten hacer cosas como reconocer caras, repetir con éxito la misma tarea una y otra vez, y mantener todos esos pequeños hábitos tontos que a todos les gustan de ti. Así que, ¿cuáles son las reglas simples cuando hablamos del cerebro? La función básica de cada neurona en el cerebro es excitar o inhibir a las otras neuronas. Si se conectan dos neuronas en un circuito simple, pueden generar patrones rítmicos de actividad, bucles de retroalimentación que aceleran o cierran una señal, detectores de coincidencia y desinhibición, donde dos neuronas inhibitorias en realidad puede activar otra neurona mediante la eliminación de frenos inhibitorios. A medida que más y más neuronas están conectadas, patrones cada vez más complejos de actividad emergen de la red. Pronto, tantas neuronas interactúan de tantas maneras diferentes a la vez que el sistema se vuelve caótico. La trayectoria de la actividad de la red no se puede explicar fácilmente por los circuitos locales simples descritos anteriormente. Y, sin embargo, a partir de este caos, pueden surgir patrones, y después surgir una y otra vez de manera reproducible. En algún momento, estos patrones emergentes de actividad son suficientemente complejos, y curiosos para comenzar a estudiar sus propios orígenes biológicos, por no hablar de la emergencia. Y lo que vemos en fenómenos emergentes en muy diferentes escalas es esa misma característica notable como sucede con los peces. Que la emergencia no requiere que alguien o algo esté al mando. Si las reglas correctas están en su lugar, y se cumplen algunas condiciones básicas, un complejo sistema volverá sobre los mismos hábitos una y otra vez, convirtiendo el caos en orden. Eso es así en el caos molecular que permite funcionar a células, en la espesura enmarañada de neuronas que produce tus pensamientos y tu identidad, en tu red de amigos y familiares, en todo el camino hasta las estructuras y