Emergência: como a ordem emerge do caos

A diferença entre o complexo e o complicado.

por Francisco Rodrigues, Universidade de São Paulo.

Um automóvel é composto por várias partes, cada uma desenvolvida por um engenheiro com uma função específica e cuidadosamente planejada. No projeto de um carro, são considerados não apenas o seu funcionamento, mas também aspectos relacionados à segurança, preço e design. Quando ocorre uma falha em uma peça, como as pastilhas de freio ou as engrenagens no câmbio, é necessário substituí-la, pois um carro não possui um sistema de auto-reparo. Periodicamente, é recomendável realizar uma revisão de alguns itens que precisam ser substituídos devido ao desgaste causado pelo uso e pelo tempo.

Carros apresentam milhares de partes, cada uma desenvolvida com um propósito específico. Fonte: Volkswagen.

O corpo humano também é composto por muitas partes, cada uma desempenhando uma função específica, desenvolvida ao longo de milhões de anos de evolução. Ao contrário do carro, no entanto, não foi um engenheiro que projetou cada parte, mas sim fatores externos que moldaram desde nosso sistema nervoso até o digestivo. Utilizando regras simples, nosso corpo foi otimizado para o ambiente em que evoluímos, levando em consideração a presença de luz, oxigênio, carbono, água, gravidade, entre outros. De acordo com a Teoria da Evolução Darwiniana, nosso corpo foi aprimorado com base em dois princípios fundamentais: (i) variação genética e (ii) sobrevivência do mais adaptado. A variação genética resulta em nossa não exata semelhança, tornando alguns mais adaptados ao ambiente. Por exemplo, portadores de anemia falciforme apresentam maior resistência à malária em comparação com indivíduos com glóbulos vermelhos normais, permitindo que sejam mais adaptados em regiões onde essa doença é endêmica, como na África. Logo, nessas regiões, ao longo de milhares de anos, indivíduos portadores desse tipo de anemia tiveram uma vantagem evolutiva e geraram mais descendentes. Por conta disso, em países como Gâmbia, Senegal, Camarões, Benin e República Centro-africana, há uma incidência maior de anemia falciforme do que em outros países. Por outro lado, ter anemia não é uma vantagem evolutiva em países temperados, onde não há epidemias de malária. Por conta disse, hoje há tratamento de forma a amenizar os sintomas da doença.

Embora carros e corpos humanos possuam diversas similaridades, como serem formados por muitas partes que se conectam, existem diferenças fundamentais. Enquanto um veículo requer um agente externo para consertar ou trocar suas partes, o corpo humano possui mecanismos de reparo e evolução. Por exemplo, quando ocorre um ferimento, neutrófilos são recrutados para formar uma barreira contra a invasão de microorganismos, desencadeando uma inflamação. Em seguida, fibroblastos entram na ferida e começam a produzir colágeno para a reconstrução do tecido danificado. Finalmente, o colágeno é reorganizado e modificado para fortalecer a cicatriz [saiba mais]. Assim, nosso corpo é bastante robusto à perturbações externas, evoluindo e se adaptando de acordo com ambiente. Por isso, afirmamos que o carro é um sistema complicado, enquanto nosso corpo é um sistema complexo

“Cada objeto que a biologia estuda é um sistema de sistemas”. — Francois Jacob.

Muitos carros modernos são capazes de se movimentar de forma autônoma, graças a um sistema visual desenvolvido por engenheiros. Apesar de eficiente, esse sistema não se compara ao olho humano, que evoluiu ao longo de milhões de anos de maneira “cega”. Centenas de milhões de anos atrás, seres unicelulares desenvolveram estruturas sensíveis à luz para sobreviverem em um ambiente com intensa radiação solar. Na época, a Terra não possuía a atmosfera protetora que temos hoje, incluindo a camada de ozônio. Assim, alguns organismos desenvolveram estruturas fotossensíveis, devido à mutações, que permitiram uma sobrevivência por um período maior, pois submergiam durante o dia para se protegerem da radiação, evitando danos ao seu código genético. Com menos mutações nocivas, esses organismos tinham uma vida mais longa, gerando mais descendentes e passando essa mutação benéfica para seus descendentes.

Essas estruturas fotosensíveis evoluíram e se transformaram em órgãos primitivos nos trilobitas durante o período Cambriano, aproximadamente 500 milhões de anos atrás [saiba mais]. Ao longo do tempo, esses órgãos evoluíram para cavidades oculares, que se adaptaram para captar mais luz, aprimorando a resolução das imagens formadas na retina. Com a evolução, surgiram peixes, répteis e mamíferos. Paralelamente, nosso cérebro também evoluiu, desenvolvendo o córtex visual.

Assim, nosso sistema visual se assemelha a um sistema tecnológico contemporâneo, com câmeras que captam imagens e placas de vídeo que as processam, melhorando a resolução e interpretando o conteúdo por meio de redes neurais artificiais. No entanto, é importante notar que nosso sistema visual não exigiu um projetista, mas sim a pressão do ambiente, que selecionou os organismos mais adaptados ao longo da evolução. Sem a pressão do ambiente, humanos não teriam aparecido em nosso planeta.

“Quando digo um sistema complexo, quero dizer um sistema formado por muitas partes que interagem em uma maneira não simples”. — Herbert Simon.

Nossa inteligência também é fruto da emergência. Há cerca de 70 mil anos, ocorreu a revolução cognitiva, quando novas formas de comunicação surgiram, possibilitando que o Homo sapiens dominasse o planeta. Essa revolução fez com nossa espécie se sobressaísse em relação às outras espécies humanas existentes na época, como os homem de Neandertal e Homo erectus. A alteração em nossa cognição foi um fenômeno emergente que levou-nos a entender o Universo e desenvolver tecnologias que hoje permitem-nos desenvolver outras inteligências, mas artificiais.

Assim como existem diversos sistemas complicados, como telefones celulares, aviões, trens e aparelhos de ressonância magnética, também há muitos sistemas complexos. Os ecossistemas, nossa sociedade, os sistemas econômicos, a internet e as citações entre artigos científicos são exemplos de sistemas complexos [saiba mais]. Esses sistemas são compostos por várias partes que interagem, mas, ao contrário de um sistema complicado, apresentam uma propriedade fundamental chamada emergência. Em essência, emergência refere-se ao surgimento de um comportamento inteligente sem um controle central ou um projeto prévio. Ou seja, as propriedades emergem das interações entre os elementos do sistema e com o meio ambiente.

Num formigueiro, por exemplo, túneis favorecem uma ventilação adequada para que o dióxido de carbono seja expelido, há regiões para o cultivo de fungos, usados como alimentos, áreas para armazenamento de ovos e até cemitérios para o depósito de dejetos, formando uma estrutura organizada semelhante a uma cidade [saiba mais]. Assim como o nosso sistema visual, embora pareçam desenvolvidos por engenheiros, os formigueiros são gerados sem um controle central. Não há uma formiga rainha que comande a organização, gerencie as atividades, atribua funções ou faça o planejamento diário. Na verdade, o mito da formiga rainha, ou seja, a ideia de que ela comanda o ninho, não é verdadeiro. Estudos mostram que a formiga rainha apresenta um sistema nervoso menos desenvolvido do que observado em outras classes de formigas, como as cortadeiras [saiba mais]. A função principal da formiga rainha é colocar ovos e manter a reposição de novas vidas no formigueiro.

Ao mesmo tempo, as formigas cortadeiras desempenham funções bastante básicas, como procurar e transportar alimentos. Formigas não possuem mapas ou bússolas para se movimentarem, e muitas vezes o alimento está a uma distância considerável. Então, como elas encontram e transportam alimentos? Através de um fenômeno emergente. Quando se movimentam, as formigas deixam um rastro de feromônio que permite que o caminho de volta ao ninho não seja perdido. Ao encontrar um alimento, voltam pelo mesmo caminho, reforçando o rastro e sinalizando para outras formigas que esse percurso é promissor. Isso estabelece uma trilha que vai do formigueiro até a fonte de alimento, criando os padrões de fila indiana que observamos em nossos piqueniques.

Formigas usam um comportamento emergente para encontrar alimento. Fonte: creativemarket

Portanto, embora o formigueiro seja uma estrutura altamente complexa, ele emerge da interação de elementos bastante simples, que são as formigas. Esse comportamento pode ser observado na figura a seguir, quando as formigas constroem uma ponte. A ponte surge quando as formigas se acumulam em um dos lados da parede. Esse acúmulo faz com que algumas formigas alcancem o outro lado, formando assim a ponte. No entanto, elas não tem consciência de que a ponte exista e não haviam planejado a sua construção.

Formigas criam uma ponte. Quando pretendem passar de uma parede para outra, as formigas começam a subir umas sobre as outras, formando a ponte, que depois é usada para a passagem das demais formigas. Esse comportamento inteligente não é devido a um controle central [5].

“Você não precisa de algo mais para obter algo mais. Isso é o que significa emergência”. — Murray Gell-Mann, ganhador do plano Nobel de Física em 1969 e fundador do Santa Fe Institute, que foi o primeiro Instituto para estudo de sistemas complexos no mundo.

Esse comportamento coletivo, sem um controle central, também pode ser observado em revoadas de pássaros e cardumes de peixes. Quando testemunhamos padrões emergindo enquanto um bando de pássaros é atacado por um predador, estamos presenciando um comportamento coletivo sem comando central. Cada pássaro observa seu vizinho e determina sua ação ao copiar seu comportamento. Assim, quando um gavião ataca o bando, ocorre um movimento síncrono para aumentar as chances de sobrevivência do grupo. Esse movimento possibilita um transporte rápido de informações ao longo do sistema. Em vez de observar as centenas, ou até milhares, de aves no grupo, cada pássaro se concentra em apenas dois ou três vizinhos para orientar seu movimento. Isso resulta em uma rápida propagação das informações, permitindo que as aves desviem do ataque e protejam o grupo de maneira altamente eficiente. Ou seja, sem terem consciência, aves adotam um comportamento que maximiza a propagação de informação no grupo.

Pássaros e peixes se organizam de modo a fugirem de um predador, originando um comportamento emergente.

O fenômeno da emergência também está presente em nosso cérebro, no sistema circulatório e até nos movimentos peristálticos em nosso estômago, responsáveis por processar os alimentos. Ao movermos nossa mão, neurônios na região motora disparam em uníssono, fazendo com que os músculos se contraiam e induzam o movimento. No coração, células oscilam de maneira coordenada, realizando batimentos sincronizados que permitem o transporte de sangue para as artérias e vasos. Entretanto, esse movimento síncrono nem sempre é desejado. Crises de epilepsia ocorrem porque regiões corticais sincronizam de forma exagerada, enquanto o Mal de Parkinson é resultado da sincronização ininterrupta de regiões motoras [saiba mais].

Esse mecanismo de sincronização pode ser observado de maneira qualitativa em sistemas artificiais. Quando colocamos metrônomos para oscilarem, a interação entre eles gera um movimento coordenado, como mostrado na figura a seguir.

A sincronização espontânea de metrônomos pode ser vista nesse link: https://www.youtube.com/watch?v=T58lGKREubo

“Ordem surge do caos.”― Ilya Prigogine.

A interação entre os osciladores leva o sistema a se comportar de modo ordenado. No entanto, o sistema é bastante frágil, pois perturbações podem desordenar o sistema de modo permanente. De fato, o comportamento de sistemas complexos se situa entre a ordem a a desordem, termo denominado "borda do chaos" (edge of chaos, em inglês). Por exemplo, as democracias se situam entre regimes autoritários ou anárquicos e as conexões em redes sociais estão entre uma organização regular ou completamente aleatória. O filósofo alemão Georg Wilhelm Friedrich Hegel (1770–1831) afirmava que um estado de tirania gera demanda por liberdade, mas que quando alcançada pode levar à anarquia. No equilíbrio, elementos da tirania se juntam à liberdade gerando as leis. É assim que as democracias se equilibram, dando liberdade ao indivíduo, mas ao mesmo tempo tendo leis que restringem essa liberdade de modo a garantir a ordem social. Hegel acreditava que a sociedade constitui uma unidade orgânica, na qual os indivíduos estão intricadamente conectados e dependentes uns dos outros. Segundo ele, o progresso social se desdobra por meio de transformações dialéticas, em que cada estágio sucessivo representa um nível elevado de consciência e liberdade. Ou seja, ele via a sociedade como um sistema complexo emergente.

Assim, sistemas complexos exibem uma combinação única de ordem e aleatoriedade, permitindo a emergência de padrões complexos e comportamentos imprevisíveis. Em ecossistemas, essa característica é crucial, pois mudanças sutis no ambiente, como introdução ou remoção de uma espécie, podem desencadear extinções em cascata imprevisíveis. Um exemplo disso ocorreu na Austrália, onde uma única introdução de apenas 24 coelhos-europeus em 1859, em Melbourne, deu início a um grande crescimento populacional, prejudicando plantações e espécies nativas do território [saiba mais]. Hoje, calcula-se que a população de coelhos na Austrália é da ordem de 200 milhões.

O comportamento emergente também pode ser observado em nossa sociedade, como afirmou Adam Smith em seu livro “A Riqueza das Nações”. No mercado, uma “mão invisível” regula os preços e encontra compradores para os produtos fabricados. Por exemplo, um padeiro deve produzir um pão de qualidade com um preço razoável, de modo que o preço não seja mais alto do que o dos competidores. O padeiro, visando seu próprio benefício, ajusta-se à competição estabelecida pelo mercado, melhorando constantemente seu produto para atrair mais clientes e aumentar seu lucro. Assim, pensando em benefício próprio, o padeiro melhora a sociedade, oferecendo produtos com preços justos e melhor qualidade. Essa dinâmica se aplica a qualquer item produzido em nossa economia, desde a fabricação de carros até o mercado de ações.

“Um sistema não é a soma do comportamento de suas partes, é o produto de suas interações.” — Russ Ackoff.

As explicações sobre fenômenos emergentes frequentemente recorrem a conceitos de áreas como sociologia, ecologia ou economia. Contudo, é possível observar comportamentos emergentes por meio de simulações computacionais. Em 1986, Craig Reynolds, especialista em vida artificial e simulações computacionais, desenvolveu um programa para simular revoadas de pássaros, denominado Boids (bird-oid object). Esse programa é fundamentado em três regras básicas [saiba mais]:

1. Separação: comportamento em que um agente se afasta de seus vizinhos próximos.
2. Alinhamento: um agente se orienta de modo a ter a mesma direção que outros agentes locais.
3. Coesão: um agente move-se em relação ao bando local, ajustando sua posição em relação à média do grupo.

Utilizando três regras, é possível simular revoadas de pássaros, como ilustrado neste link: https://medium.com/@sowmyab/implementing-boids-in-python-ede6e2ad652d. Fonte: Wikipedia.

Usando essas três regras básicas, podemos reproduzir os comportamentos emergentes observados em revoadas de pássaros ou cardume de peixes.

No site Complexity Explorables é possível simular diversos comportamentos emergentes, desde pássaros até formigas formando trilhas:
http://www.complexity-explorables.org

Observamos que a natureza evolui a partir de regras simples, as quais geram toda a complexidade ao nosso redor. De maneira mais fundamental, físicos teóricos propuseram que o tempo e o espaço são propriedades emergentes das interações entre a função de onda da mecânica quântica. Em outras palavras, como afirmado por Natalie Paquette, física da Universidade de Washington, tempo e espaço podem não ser quantidades fundamentais, mas sim produtos de algo mais fundamental [saiba mais]. Essa ideia surge da tentativa de unificar a Teoria da Relatividade Geral de Einstein com a Mecânica Quântica, duas teorias altamente precisas, mas atualmente incompatíveis, resultando na busca por uma equação fundamental que descreva todas as interações no Universo. Enquanto a Teoria Quântica considera tempo e espaço como imutáveis, a Teoria da Relatividade os trata como relativos e inter-relacionados. Essa relação é fascinante, mas deixaremos sua discussão para um texto futuro.

Dessa forma, ao contemplarmos o conceito de emergência, podemos afirmar que nossa existência é o desdobramento da intrincada interação entre átomos e moléculas. Estes se organizam para dar origem a organelas, entrelaçam-se na criação de células, estabelecem comunicação para a formação de tecidos e órgãos, e, em uma sinergia harmoniosa, constituem a complexidade que é o nosso corpo. Além disso, estamos interligados em uma sociedade que é influenciada por economias, ecossistemas, epidemias e clima. Todo esse complexo conjunto de relações está inserido em um sistema muito maior chamado Terra.

O emergente é diferente na medida em que os seus componentes são incomensuráveis, ele não pode ser reduzido a sua soma ou sua diferença. — George Henry Lewes, em Problems of Life and Mind.

O estudo da complexidade tem implicações significativas em nossa saúde e sociedade. A compreensão das doenças e dos processos fisiológicos de nosso organismo requer uma descrição precisa dos processos emergentes envolvidos. A propagação de notícias falsas, a emergência da polarização e regimes extremistas são processos emergentes que demandam uma compreensão mais profunda. Simultaneamente, o aquecimento global nos conduz a um ponto de inflexão capaz de alterar diversos ecossistemas ao redor do mundo, resultando em novas adaptações, extinção de espécies e impactos na produção de alimentos e na distribuição de água potável. Fenômenos emergentes devem surgir devido a essas mudanças e precisamos estar preparados para se adaptar à essa nova realidade.

Além disso, num futuro próximo, testemunharemos o desenvolvimento de sistemas tecnológicos que não serão apenas complicados, mas sim complexos, como aviões capazes de autorreparação e medicamentos que percorrem nosso corpo para corrigir órgãos e tecidos de forma autônoma. A implementação bem-sucedida de robôs, carros autônomos, e máquinas inteligentes dependerá integralmente do estudo da complexidade.

Finalmente, é importante salientar que o estudo da emergência também suscita questões filosóficas. Seriam nossos sentimentos, sensações, consciência e inteligência resultados de processos emergentes em nosso sistema nervoso, envolvendo células, substâncias químicas, hormônios e neurotransmissores? Seria a afirmação a seguir correta?

"Você, suas alegrias e tristezas, suas memórias e ambições, seu senso de identidade pessoal e livre arbítrio são, na verdade, nada mais do que o comportamento de um vasto conjunto de células nervosas e suas moléculas associadas.” — Francis Crick.

Estas indagações integram a Filosofia da Mente, que, desde o dualismo cartesiano, busca compreender a relação entre mente e corpo. São perguntas intrigantes, mas ainda sem respostas. Portanto, o conceito de emergência atravessa diferentes áreas do conhecimento, indo desde a Biologia até a Filosofia.

Quem tiver interesse em estudar o fenômeno da emergência, pode considerar as referências abaixo. Notem que podemos estudar esse conceito não apenas em física, química ou biologia, mas também em filosofia, uma área chamada emergentismo [saiba mais]. Embora a emergência seja um fato observado na natureza, a sua formulação matemática ou filosófica ainda necessita de avanços. Portanto, é uma área de pesquisa interessante para aqueles que querem entender como o mundo funciona.

Caso tenham curiosidade em conhecer minhas pesquisas, visitem esse link: https://sites.icmc.usp.br/francisco.

Até a próxima!

Material adicional

Textos de divulgação:

1. Emergência: A dinâmica de rede em formigas, cérebros, cidades e softwares, Steven Johnson.
2. Complexity: A Guided Tour, Melanie Mitchell.
3. How Nature Works: The Science of Self-Organized Criticality, Per Bak.

Cursos

1. ComplexityExplorer, Santa Fe Institute.
2. Simulation and modeling of natural processes, Coursera.
3. Introduction to Complexity Science, Coursera.

Livro mais avançados:

1. Introduction to the Theory of Complex Systems, Stefan Thurner, Rudolf Hanel e Peter Klimek.
2. Modeling Complex Systems, Nino Boccara.
3. Dynamics of Complex Systems, Yaneer Bar-Yam.