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.
Come fanno i banchi di pesci a nuotare in armonia? Come fanno le cellule del nostro cervello a dar vita a quei pensieri complessi, quei ricordi, quella coscienza, che di fatto siamo noi? Straordinariamente, queste domande hanno la stessa risposta, in generale: proprietà emergente, o creazione spontanea di comportamenti e funzioni sofisticate da grandi gruppi di elementi semplici. Come molti animali, i pesci si raggruppano tra loro, non solo per il piacere di stare insieme ma per una questione di sopravvivenza. I banchi di pesci mostrano comportamenti complessi da sciame che li aiutano a evitare i predatori affamati, mentre un pesce solitario è individuato come preda facile. Allora, quale pesce intelligente è il capo di tutti gli altri? In realtà, non lo è nessuno, e lo sono tutti. E questo cosa significa? Mentre il banco di pesci ruota, gira e schiva gli squali con eleganza in un movimento volontario e coordinato, ogni pesce sta solo seguendo due semplici regole che non hanno nulla a che vedere con lo squalo: primo, stai vicino, ma non troppo, al pesce accanto a te e secondo, continua a nuotare. Ogni singolo pesce si concentra su queste minuscole interazioni locali ma se si uniscono abbastanza pesci, succede qualcosa di interessante. Il movimento del singolo pesce si confonde in un'entità nuova: il banco, che ha il suo personale assetto di comportamenti. Il banco non è controllato da un singolo pesce. Nasce quando abbastanza pesci seguono la giusta serie di regole locali. è come un caso che si ripete all'infinito, permettendo ai pesci di tutto l'oceano di sfuggire ai predatori. E non vale solo per i pesci. La proprietà emergente esiste in molti sistemi complessi di elementi interagenti. Per esempio, il modo particolare in cui milioni di granelli di sabbia collidono e rotolano gli uni sugli altri, crea quasi sempre lo stesso motivo ondulato. E quando l'umidità si congela nell'atmosfera, le specifiche proprietà di legame delle molecole dell'acqua producono reticoli che si irradiano e formano bellissimi fiocchi di neve La proprietà emergente è così complessa che non la si può capire semplicemente scomponendola, come il motore di un'auto. Smontare gli elementi è un primo passo per capire i sistemi complessi. Ma se riduciamo un banco di pesci, a dei pesci singoli, perderà la sua capacità di evitare i predatori e non ci resterà più niente da studiare. E se riduciamo il cervello, a dei singoli neuroni, rimarremo con qualcosa di totalmente inaffidabile, che non c'entra niente con il nostro modo di pensare e comportarci, o almeno la maggior parte del tempo. Comunque, qualunque cosa stiate pensando in questo momento non dipende da un singolo neurone in un angolo del vostro cervello. Al contrario, la mente si sviluppa grazie all'attività collettiva di molti, molti neuroni. Ci sono milioni di neuroni nel cervello umano, e miliardi di collegamenti tra tutti quei neuroni. Quando accendiamo un sistema così complicato, questo potrebbe comportarsi in una miriade di modi strani, ma non lo fa. I neuroni nel nostro cervello seguono semplici regole, come i pesci cosicché in gruppo, la loro attività si organizza secondo schemi affidabili che ci fanno fare cose come riconoscere i volti, compiere con successo la stessa azione all'infinito, e conservare quelle semplici abitudini, che tutti apprezzano di noi. Quindi, nel caso del cervello quali sono queste semplici regole? La funzione principale di ogni neurone nel cervello è di stimolare o inibire gli altri neuroni. Se colleghiamo tra loro alcuni neuroni in un circuito semplice, possiamo generare schemi di attività ritmici, anelli reattivi che intensificano o smorzano un segnale, rivelatori di coincidenza e disinibizione, in cui due neuroni inibitori possono attivare un altro neurone rimuovendo i freni inibitori. A mano a mano che i neuroni si connettono, si sviluppano sempre maggiori schemi di attività complessi. Presto, diversi neuroni interagiscono in diversi modi contemporaneamente tanto da rendere il sistema caotico. La traiettoria dell'attività della rete non può essere spiegata così facilmente dai circuiti locali semplici descritti finora. Eppure, da questo caos, gli schemi emergono, e si sviluppano sempre di più duplicandosi. A un certo punto, questi schemi emergenti di attività diventano sufficientemente complessi e curiosi da iniziare a studiare le proprie origini biologiche, senza parlare della proprietà emergente. E ciò che abbiamo trovato nel fenomeno emergente in scale differenti è la stessa straordinaria caratteristica che ci hanno mostrato i pesci: che la proprietà emergente non pretende qualcuno o qualcosa per esserci. Se ci sono le giuste regole, e si incontrano le condizioni essenziali, un sistema complesso ricadrà nelle stesse abitudini, ripetutamente, trasformando il caos in ordine. Succede così nel pandemonio molecolare che fa funzionare le cellule, l'intricata selva di neuroni che produce i pensieri e l'identità, la nostra rete di amici e famiglia, fino ad arrivare alle strutture ed economie cittadine del nostro pianeta.