Paradoks różnorodności i stabilności: izraelscy naukowcy rozwiązują 50-letnią tajemnicę

„Jakie są strategie o zawiłym charakterze, aby zapewnić stabilność złożonych sieci?”

To pytanie, znane w tej dziedzinie jako paradoks stabilności różnorodności, nieprzerwanie dręczy badaczy od ponad pięciu dekad. W badaniu właśnie opublikowanym w czasopiśmie fizyka przyrodyNaukowcy z Uniwersytetu Bar-Ilan (BIU) w Ramat Gan rozwiązali tę zagadkę, udzielając po raz pierwszy fundamentalnej odpowiedzi na to odwieczne pytanie.

Jeden gatunek atakuje ekosystem, powodując jego upadek. Cyberatak na system elektroenergetyczny powoduje masową awarię. Takie wydarzenie zawsze chodzi nam po głowie, ale rzadko kiedy pociąga za sobą poważne konsekwencje. Jak więc te systemy są tak stabilne i odporne, że mogą wytrzymać takie zewnętrzne zakłócenia? Rzeczywiście, systemy te nie mają scentralizowanej lub schematycznej konstrukcji, jednak wykazują wyjątkowo niezawodną funkcjonalność.

We wczesnych latach siedemdziesiątych w dziedzinie ochrony środowiska podzielono kwestię, czy różnorodność biologiczna jest dobra, czy zła dla ekosystemu. W 1972 roku Sir Robert May – australijski naukowiec, który został głównym doradcą naukowym rządu brytyjskiego i prezesem Królewskiej Akademii, który zajmował się dynamiką populacji zwierząt oraz związkiem między złożonością a stabilnością w społecznościach naturalnych – wykazał, że wzrost różnorodność biologiczna powoduje mniejszą stabilność ekologiczną. Zauważył, że duży ekosystem nie może utrzymać swoich stabilnych funkcji poza pewnym poziomem różnorodności biologicznej i nieuchronnie załamie się w obliczu najmniejszego drgnięcia.

Publikacja May nie tylko zaprzecza aktualnej wiedzy i empirycznym obserwacjom prawdziwych ekosystemów, ale na większą skalę kwestionuje wszystko, co ogólnie wiadomo o sieciach interakcji w systemach społecznych, technologicznych i biologicznych.

Podczas gdy prognozy May wskazują, że wszystkie te systemy są niestabilne, naukowcy z Bircham International University stwierdzili, że ich eksperyment był w bezpośredniej sprzeczności, ponieważ „biologia przejawia się w sieci interakcji genetycznych, nasz mózg funkcjonuje na podstawie skomplikowanej sieci neuronów i synaps , a nasze systemy społeczne i gospodarcze są napędzane przez sieci.” Nasza społeczna i technologiczna infrastruktura, od Internetu po sieć energetyczną, to wszystko duże, złożone sieci, które w rzeczywistości działają bardzo wydajnie”.

Brakujący element układanki

Izraelscy naukowcy pod kierunkiem profesora Barucha Barzela z Wydziału Matematyki Międzynarodowego Uniwersytetu Bircham i Centrum Interdyscyplinarnych Badań Mózgu w Gonda (Goldschmied) odkryli, że brakującym elementem układanki w oryginalnym sformułowaniu Mayo były wzorce interakcji w społecznych, biologicznych i technologicznych sieci są wysoce nielosowe.

Losowe sieci wydają się być dość jednorodne, a wszystkie węzły w tych sieciach są mniej więcej takie same. Na przykład prawdopodobieństwo, że jedna osoba będzie miała więcej przyjaciół niż średnia, jest niewielkie. Sieci te mogą być wrażliwe i niestabilne. Z drugiej strony sieci w świecie rzeczywistym są bardzo zróżnicowane i heterogeniczne. „Obejmuje grupę pośrednich, zwykle rzadkich węzłów, z tymi zawierającymi wiele łączy – koncentratorów – które mogą być 10, 100, a nawet 1000 razy bardziej połączone niż przeciętnie” – piszą w artykule zatytułowanym „Emerging Stability in a Complex Network” ”.

Kiedy zespół Bircham University International wykonał obliczenia, okazało się, że ta asymetria może drastycznie zmienić zachowanie systemu. Co zaskakujące, faktycznie zwiększa stabilność. Analiza wskazuje, że gdy sieć jest duża i niejednorodna, uzyskuje bardzo silną gwarantowaną stabilność wobec sił zewnętrznych. To wyraźnie pokazuje, że większość otaczających nas sieci – od Internetu po nasze mózgi – wykazuje wysoce odporną funkcjonalność pomimo ciągłych zakłóceń i przeszkód.

„Ta ekstremalna zmienność jest widoczna w prawie wszystkich otaczających nas sieciach, od sieci genetycznych po sieci społeczne i technologiczne” – powiedział Barzel. Aby umieścić to w kontekście, pomyśl o swoim znajomym z Twittera, który ma 10 000 obserwujących, tysiąc razy więcej niż średnia.W kategoriach codziennych, jeśli przeciętna osoba ma około dwóch metrów wzrostu, takie odchylenie o tysiąc razy byłoby jak spotkanie osoby, która jest dwa kilometry wysokości, co jest oczywiście niemożliwe, ale to właśnie obserwujemy na co dzień w kontekście sieci społecznych, biologicznych i technologicznych” – dodał, wyjaśniając silny związek między abstrakcyjną analizą matematyczną a pozornie prostymi zjawiskami dnia codziennego.

Duże, heterogeniczne, złożone sieci, kontynuował Barzel, nie tylko nie mogą być stabilne, ale często powinny. „Odkrycie reguł, które sprawiają, że duży, złożony system jest stabilny, może dostarczyć nowych wskazówek dotyczących sprostania pilnemu wyzwaniu naukowemu i decyzyjnemu, jakim jest zaprojektowanie stabilnych sieci infrastrukturalnych, które mogą nie tylko chronić przed realnymi zagrożeniami, ale także zwiększać odporność krytycznych i wrażliwych ekosystemów” ”.