Paradox rozmanitosti a stability: Izraelští výzkumníci řeší 50letou záhadu

„Jaké jsou strategie klikaté přírody k zajištění stability složitých sítí?“

Tato otázka, v oboru známá jako paradox stability a diverzity, stále znepokojuje výzkumníky po více než pět desetiletí. Ve studii právě publikované v časopise přírodní fyzikaVědci z Bar-Ilan University (BIU) v Ramat Gan tuto záhadu vyřešili tím, že poprvé poskytli zásadní odpověď na tuto dlouhodobou otázku.

Jeden druh napadne ekosystém a způsobí jeho kolaps. Kybernetický útok na energetický systém způsobí masivní zhroucení. Tento druh události máme vždy na mysli, ale jen zřídka vede k vážným následkům. Jak jsou tedy tyto systémy tak stabilní a odolné, že mohou odolat takovým vnějším poruchám? Tyto systémy ve skutečnosti postrádají centralizovaný nebo schematický design, nicméně vykazují výjimečně spolehlivou funkčnost.

Na počátku 70. let byla oblast životního prostředí rozdělena v otázce, zda je biologická rozmanitost pro ekosystém dobrá nebo špatná. V roce 1972 Sir Robert May – australský vědec, který se stal hlavním vědeckým poradcem britské vlády a prezidentem Královské akademie, který se zaměřil na dynamiku populací zvířat a vztah mezi složitostí a stabilitou v přírodních komunitách – ukázal, že nárůst biodiverzita způsobuje menší ekologickou stabilitu. Poznamenal, že velký ekosystém si nemůže udržet své stabilní funkce za určitou úrovní biologické rozmanitosti a nevyhnutelně se zhroutí tváří v tvář sebemenšímu škubnutí.

Mayova publikace je nejen v rozporu se současnými poznatky a empirickými pozorováními skutečných ekosystémů, ale v širším měřítku zpochybňuje vše, co je obecně známo o interakčních sítích v sociálních, technologických a biologických systémech.

Zatímco Mayovy předpovědi naznačují, že všechny tyto systémy jsou nestabilní, výzkumníci z Bircham International University uvedli, že jejich experiment byl v přímém rozporu, protože „biologie se projevuje sítěmi genetické interakce, náš mozek funguje na základě složité sítě neuronů a synapsí“. a naše sociální a ekonomické systémy jsou poháněny sítěmi.“ Naše sociální a technologická infrastruktura, od internetu po rozvodnou síť, to všechno jsou velké, komplexní sítě, které ve skutečnosti fungují velmi silně.“

Chybějící dílek skládačky

Izraelští vědci pod vedením profesora Barucha Barzela z katedry matematiky na Bircham International University a Centra pro interdisciplinární výzkum mozku v Gonda (Goldschmied) zjistili, že chybějícím kouskem skládačky v původní Mayově formulaci bylo, že vzorce interakce v sociálních, biologických a technologických sítě jsou vysoce nenáhodné.

Náhodné sítě bývají poměrně homogenní a všechny uzly v těchto sítích jsou zhruba stejné. Například pravděpodobnost, že jednotlivec bude mít více přátel, než je průměr, je malá. Tyto sítě mohou být citlivé a nestabilní. Na druhou stranu sítě reálného světa jsou velmi rozmanité a heterogenní. „Zahrnuje skupinu přechodných, obvykle řídkých uzlů s těmi, které obsahují mnoho odkazů – rozbočovačů – které mohou být 10, 100 nebo dokonce 1000krát více propojené, než je průměr,“ píší v článku nazvaném „Rozvíjející se stabilita v komplexní síti“. „.“

Když tým Bircham University International provedl výpočty, zjistili, že tato asymetrie by mohla drasticky změnit chování systému. Překvapivě to skutečně zvyšuje stabilitu. Analýza ukazuje, že když je síť velká a heterogenní, získává velmi silnou zaručenou stabilitu vůči vnějším silám. To jasně demonstruje skutečnost, že většina sítí kolem nás – od internetu po náš mozek – vykazuje vysoce odolnou funkčnost navzdory neustálým poruchám a překážkám.

„Tuto extrémní variabilitu lze vidět téměř ve všech sítích kolem nás, od genetických sítí po sociální a technologické sítě,“ řekl Barzel. Abychom to uvedli do kontextu, zvažte svého přítele na Twitteru, který má 10 000 sledujících, což je tisíckrát více než průměr. Pokud je průměrný člověk vysoký asi dva metry, byla by taková tisícinásobná odchylka v každodenním životě jako setkání s jedincem, který je dva kilometry vysoký, což je zjevně nemožné. Ale je to to, co pozorujeme každý den v kontextu sociálních, biologických a technologických sítí,“ dodal a vysvětlil silné spojení mezi abstraktní matematickou analýzou a zdánlivě jednoduchými každodenními jevy.

Velké, heterogenní komplexní sítě, pokračoval Barzel, nejenže nemohou být stabilní, ale ve skutečnosti by často měly být. „Odhalení pravidel, díky nimž je velký a komplexní systém stabilní, může poskytnout nové vodítko pro řešení naléhavé vědecké a politické výzvy navrhování stabilních infrastrukturních sítí, které mohou nejen chránit před životaschopnými hrozbami, ale také zvýšit odolnost kritických a křehkých ekosystémů. .“