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.
Tại sao những đàn cá lớn có thể bơi trong trật tự? Tại sao những tế bào nhỏ bé trong não bạn có thể tạo ra các suy nghĩ phức tạp, những kí ức, và sự nhận thức về bản thân bạn? Kì lạ là những câu hỏi này đều có chung một đáp án: đó là sự xuất hiện, hay sự hình thành của những hành vi và chức năng phức tạp xuất phát từ số lượng lớn các yếu tố đơn giản. Như nhiều loài động vật, cá sống theo đàn, nhưng lý do không phải vì chúng thích đi chung với nhau. Đó là vấn đề về sinh tồn. Chúng thể hiện những hành vi theo bầy đàn rất phức tạp giúp tránh kẻ thù săn mồi, trong khi một con cá đơn độc sẽ nhanh chóng trở thành con mồi. Vậy thì con cá nổi bật nào sẽ trở thành con đầu đàn? Thực sự thì không con nào cả, hay con cá nào cũng như nhau. Điều này thể hiện việc gì? Trong khi những đàn cá khéo léo di chuyển và tránh cá mập, sự kết hợp đó có vẻ rất nhịp nhàng, nhưng thực ra từng cá thể chỉ tuân theo hai quy tắc rất cơ bản chẳng liên quan gì đến cá mập hết: thứ nhất, hãy ở gần nhau, nhưng đừng quá gần con bên cạnh, và thứ hai, hãy bơi liên tục. Trên quy mô cá thể, chúng tập trung vào từng chi tiết trong mối tương tác đó, nhưng nếu số lượng cá trong đàn đủ lớn, một điều kì diệu sẽ xảy ra. Sự chuyển động của từng con cá bị che khuất bởi thực thể hoàn toàn mới: bầy đàn, ở đó tập hợp những hành vi độc đáo. Đàn cá không bị điều khiển bởi bất kì một con cá đơn lẻ nào. Nó đơn giản chỉ xuất hiện nếu có đủ số cá và chúng tuân theo các "luật" nội bộ. Điều đó giống như một sự việc được lặp đi lặp lại nhiều lần, giúp chúng sở hữu khả năng tránh kẻ săn mồi. Điều đó không chỉ xảy ra ở mỗi cá. Trong mọi hệ thống, các liên kết mới thường xuất hiện khi số cá thể đủ lớn. Ví dụ, cách hàng triệu hạt cát va chạm và xếp chồng llên nhau gần như luôn tạo ra các mô hình gợn sóng giống nhau. Và khi hơi nước đóng băng trong không khí, những liên kết đặc trưng của các phân tử nước sẽ tạo ra những tinh thể và hình thành nên các bông tuyết xinh đẹp. Điều phức tạp ở đây đó là bạn không thể hiểu nó nếu chỉ tìm cách bóc tách chúng ra, như cách bạn làm với động cơ xe. Bóc tách thành các phần nhỏ là bước đầu để tìm hiểu một hệ thống phức tạp. Nhưng nếu bạn tách đàn cá ra những cá thể riêng, chúng sẽ mất khả năng tránh kẻ săn mồi, và sẽ chẳng còn gì để nghiên cứu. Nếu bạn chia nhỏ não bộ thành những nơ-ron đơn lẻ, sẽ chỉ còn lại những phần tử chẳng thể làm việc, chúng chẳng thể suy nghĩ và hành động như chúng ta, gần như chắc chắn là như vậy. Mọi thứ bạn đang suy nghĩ không hề phụ thuộc vào một nơ-ron đơn lẻ nằm sâu trong não bạn. Thay vào đó, suy nghĩ của bạn xuất hiện từ những một tập hợp các hoạt động của rất nhiều nơ-ron. Có hàng tỷ nơ-ron trong não người và hàng nghìn tỷ kết nối giữa các nơ-ron đó. Khi bạn khởi động hệ thống vô cùng phức tạp đó, nó sẽ không hoạt động một cách vô tổ chức. Những nơ-ron trong não đều tuân theo các quy tắc đơn giản, cũng giống như cá, với tư cách một tập hợp thống nhất, chúng hoạt động một cách rất đáng tin cậy, khiến bạn làm được các việc như nhận dạng khuôn mặt, giúp bạn làm tốt các công việc lặp đi lặp lại, và giữ những thói quen nhỏ ngớ ngẩn mà ai cũng thích về bạn. Như vậy, các quy tắc đơn giản của bộ não là gì? Chức năng cơ bản của nơ-ron trong não là kích thích hoặc ức chế các nơ-ron khác. Nếu bạn nối vài nơ-ron với nhau thành một vòng nhỏ bạn có thể tạo ra một chu trình thể hiện hoạt động của bạn, đó có thể là vòng phản hồi, làm tăng cường hoặc triệt tiêu một tín hiệu, phát hiện các liên kết ngẫu nhiên, hay loại bỏ yếu tố gây ức chế, khi hai nơ-ron bị bất hoạt có thể đánh thức một nơ-ron khác bằng việc loại bỏ thành phần gây ức chế nơ-ron. Khi số lượng nơ-ron được kết nối tăng cao, các hành vi ngày càng phức tạp có thể được tạo ra. Sau đó, các nơ-ron cùng lúc sẽ hoạt động theo nhiều cách khác nhau khiến hệ thống trở nên hỗn loạn. Việc giải thích cách hoạt động của mạng nơ-ron không hề dễ dàng nếu chỉ dùng những vòng kết nổi nhỏ ta đã nói đến lúc trước. Tuy nhiên, từ sự hỗn loạn đó, những mô hình phức tạp xuất hiện, và chúng xuất hiện càng nhiều nhờ kế thừa các mô hình trước đó. Đến một thời điểm nào đó, những mô hình hoạt động trong não trở nên đủ phức tạp và đủ tò mò để tự tìm hiểu nguồn gốc sinh học và sự xuất hiện của chính bản thân nó. Những gì ta đã biết về sự khác biệt của các cá thể khi chúng trong tập hợp lớn đó chính là những diều đặc biệt như những gì loài cá đã thể hiện: chúng chẳng cần con đầu đàn hay một chỉ huy trưởng. Nếu những luật lệ được đặt đúng chỗ, và những điều kiện cơ bản được thỏa mãn, một hệ thống phức tạp sẽ lặp lại những thói quen giống nhau và biến hỗn loạn thành trật tự. Sự thật là sự hỗn loạn ở mức phân tử khiến những tế bào của bạn hoạt động, đống lộn xộn này của tế bào tạo nên ý nghĩ và bản chất của bạn, mạng lưới bạn bè và gia đình bạn, xa hơn là cấu trúc thượng tầng và kinh tế của các thành phố trên khắp hành tinh.