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.
Como os cardumes conseguem nadar em harmonia? E como as minúsculas células do nosso cérebro dão origem à consciência, às memórias e aos pensamentos complexos que formam quem nós somos? Por incrível que pareça, essas perguntas têm a mesma resposta: a emergência, ou a criação espontânea de comportamentos e funções sofisticados a partir de grandes grupos de elementos simples. Como muitos animais, os peixes formam grupos, mas não só porque gostam de companhia. É uma questão de sobrevivência. Os cardumes exibem comportamentos pululantes complexos que ajudam os peixes a se esquivar de predadores famintos, enquanto um peixe solitário é rapidamente escolhido como presa. Mas qual é o peixe brilhante no comando do cardume? Na verdade, nenhum deles e todos eles. Mas como? Enquanto o cardume se contorce, gira e se esquiva de tubarões no que parece uma coordenação intencional, cada peixe está, na verdade, apenas seguindo duas regras básicas que nada têm a ver com o tubarão: primeiro, ficar perto, mas não perto demais de seu vizinho e, segundo, continuar nadando. Como indivíduos, os peixes focam as minúcias dessas interações locais, mas, se peixes suficientes se juntam ao grupo, algo impressionante acontece. O movimento de cada peixe é ofuscado por uma entidade totalmente nova: o cardume, que possui seu próprio conjunto de comportamentos. O cardume não é controlado por qualquer dos peixes. Ele apenas surge se houver peixes o bastante seguindo o conjunto certo de regras locais. É como um acidente que ocorre contínuas vezes, permitindo que peixes em todo o oceano evitem predadores de forma segura. E não apenas peixes: a emergência é propriedade básica de muitos sistemas complexos de elementos que interagem. Por exemplo, a forma específica como milhões de grãos de areia se chocam uns contra os outros e caem uns sobre os outros quase sempre produz o mesmo padrão básico de ondulações. Quando a umidade congela na atmosfera, as propriedades específicas de ligação das moléculas de água certamente produzem reticulados radiantes que se transformam em lindos flocos de neve. O que torna a emergência tão complexa é que não é possível entendê-la simplesmente analisando suas partes, como no caso do motor de um carro. Dividir em partes é um bom primeiro passo para entender um sistema complexo, mas, ao reduzir um cardume a indivíduos, ele perde a capacidade de se esquivar de predadores e nada resta para ser estudado. Se reduzirmos o cérebro a neurônios individuais, o que nos resta é algo evidentemente incerto, nada parecido com a forma como pensamos ou nos comportamos, pelo menos na maioria das vezes. Seja como for, o que quer que você esteja pensando agora não depende de apenas um neurônio alojado num canto do seu cérebro. Em vez disso, a mente surge a partir de atividades coletivas de muitos, muitos neurônios. Há bilhões de neurônios no cérebro humano e trilhões de conexões entre esses neurônios. Ao ligarmos um sistema complicado como esse, ele pode funcionar de várias formas estranhas, mas isso não ocorre. Os neurônios em nosso cérebro seguem regras simples, como os peixes, de forma que, em grupo, suas atividades se auto-organizam em padrões confiáveis que nos permitem reconhecer rostos, repetir com sucesso a mesma tarefa várias vezes e ter todos os pequenos hábitos bobos que todos curtem em você. Então, quais são as regras simples no que se refere ao cérebro? A função básica de cada neurônio no cérebro é ou estimular ou inibir outros neurônios. Interconectando alguns neurônios, formando um circuito simples, podemos gerar padrões rítmicos de atividade, circuitos de retorno que conduzem ou interrompem um sinal, detectores de coincidência e de desinibição, quando dois neurônios inibitórios podem, na verdade, ativar outro neurônio, removendo freios inibitórios. Quanto mais e mais neurônios se interconectam, padrões de atividade cada vez mais complexos surgem dessa rede. Logo, haverá tantos neurônios interagindo de formas tão diversas ao mesmo tempo, que o sistema ficará caótico. A trajetória da atividade da rede não pode ser facilmente explicada pelos circuitos locais simples descritos antes. Mesmo assim, desse caos, padrões podem surgir, e surgir de novo e de novo, de forma reprodutível. Em certo momento, esses padrões emergentes de atividade tornam-se complexos o bastante e curiosos por estudar suas próprias origens biológicas, e até a emergência. O que descobrimos em fenômenos emergentes em escalas amplamente diferentes é a mesma característica marcante demonstrada pelos peixes: que a emergência não requer que alguém ou algo esteja no comando. Se as regras certas estiverem atuando e algumas condições básicas forem atendidas, um sistema complexo cairá nos mesmos hábitos repetidas vezes, transformando o caos em ordem. Isso vale para a confusão molecular que permite que suas células funcionem, para o emaranhado de neurônios que produzem sua identidade e pensamentos, para sua rede de amigos e família, até as estruturas e economias de nossas cidades em todo o planeta.