„Aké sú stratégie kľukatej povahy na zabezpečenie stability zložitých sietí?“

Táto otázka, známa v tejto oblasti ako paradox stability a diverzity, neustále trápi výskumníkov už viac ako päť desaťročí. V štúdii práve publikovanej v časopise fyzika prírodyVýskumníci z Bar-Ilan University (BIU) v Ramat Gan vyriešili túto záhadu tým, že po prvý raz poskytli zásadnú odpoveď na túto dlhotrvajúcu otázku.

Jeden druh napadne ekosystém a spôsobí jeho kolaps. Kybernetický útok na energetický systém spôsobuje masívne zrútenie. Takáto udalosť je vždy v našej mysli, no málokedy má za následok vážne následky. Ako sú teda tieto systémy také stabilné a odolné, že dokážu odolať takýmto vonkajším poruchám? Tieto systémy skutočne nemajú centralizovaný alebo schematický dizajn, ale vykazujú mimoriadne spoľahlivú funkčnosť.

Začiatkom 70. rokov bola oblasť životného prostredia rozdelená v otázke, či je biodiverzita pre ekosystém dobrá alebo zlá. V roku 1972 Sir Robert May – austrálsky vedec, ktorý sa stal hlavným vedeckým poradcom britskej vlády a prezidentom Kráľovskej akadémie, ktorý sa zameral na dynamiku populácií zvierat a vzťah medzi komplexnosťou a stabilitou v prírodných spoločenstvách – ukázal, že nárast biodiverzita spôsobuje menšiu ekologickú stabilitu. Poznamenal, že veľký ekosystém si nedokáže udržať svoje stabilné funkcie nad určitú úroveň biodiverzity a pri najmenšom škubnutí sa nevyhnutne zrúti.

Mayova publikácia je v rozpore nielen so súčasnými poznatkami a empirickými pozorovaniami reálnych ekosystémov, ale v širšom meradle spochybňuje všetko, čo je všeobecne známe o interakčných sieťach v sociálnych, technologických a biologických systémoch.

Zatiaľ čo Mayove predpovede naznačujú, že všetky tieto systémy sú nestabilné, vedci z Bircham International University uviedli, že ich experiment bol v priamom rozpore, keďže „biológia sa prejavuje sieťami genetickej interakcie, náš mozog funguje na základe spletitej siete neurónov a synapsií. a naše sociálne a ekonomické systémy sú poháňané sieťami.“ Naša sociálna, technologická infraštruktúra, od internetu až po elektrickú sieť, to všetko sú veľké, komplexné siete, ktoré skutočne fungujú veľmi silno.“

Chýbajúci kúsok skladačky

Izraelskí vedci pod vedením profesora Barucha Barzela z Katedry matematiky na Bircham International University a Centra pre interdisciplinárny výskum mozgu v Gonda (Goldschmied) zistili, že chýbajúci kúsok skladačky v pôvodnej Mayovej formulácii spočíval v tom, že vzorce interakcie v sociálnych, biologických a technologických siete sú veľmi nenáhodné.

Náhodné siete majú tendenciu byť pomerne homogénne a všetky uzly v rámci týchto sietí sú približne rovnaké. Napríklad pravdepodobnosť, že jednotlivec bude mať viac priateľov ako je priemer, je malá. Tieto siete môžu byť citlivé a nestabilné. Na druhej strane siete v reálnom svete sú veľmi rôznorodé a heterogénne. „Zahŕňa skupinu stredných, zvyčajne riedkych uzlov, s tými, ktoré obsahujú veľa odkazov – uzlov – ktoré môžu byť 10, 100 alebo dokonca 1000-krát viac prepojené ako priemer,“ píšu v článku s názvom „Vznikajúca stabilita v komplexnej sieti“. „.“

Keď tím Bircham University International vykonal výpočty, zistil, že táto asymetria by mohla drasticky zmeniť správanie systému. Prekvapivo to skutočne zvyšuje stabilitu. Analýza ukazuje, že keď je sieť veľká a heterogénna, získava veľmi silnú zaručenú stabilitu voči vonkajším silám. To jasne dokazuje skutočnosť, že väčšina sietí okolo nás – od internetu až po naše mozgy – vykazuje vysoko odolnú funkčnosť napriek neustálym poruchám a prekážkam.

„Túto extrémnu variabilitu možno vidieť takmer vo všetkých sieťach okolo nás, od genetických po sociálne a technologické siete,“ povedal Barzel. Ak to chcete uviesť do kontextu, zvážte svojho priateľa na Twitteri, ktorý má 10 000 sledovateľov, čo je tisíckrát viac ako priemer. Ak je priemerný človek vysoký asi dva metre, v každodennom živote by takáto odchýlka tisíckrát bola ako stretnutie s jednotlivcom, ktorý je dva kilometre vysoké, čo je samozrejme nemožné. Ale je to to, čo pozorujeme každý deň v kontexte sociálnych, biologických a technologických sietí,“ dodal a vysvetlil silné prepojenie medzi abstraktnou matematickou analýzou a zdanlivo jednoduchými každodennými javmi.

Veľké, heterogénne komplexné siete, pokračoval Barzel, nielenže nemôžu byť stabilné, v skutočnosti by často mali byť. „Odhalenie pravidiel, vďaka ktorým je veľký a komplexný systém stabilný, môže poskytnúť nový návod na riešenie naliehavej vedeckej a politickej výzvy, ktorou je navrhovanie stabilných infraštruktúrnych sietí, ktoré dokážu nielen chrániť pred životaschopnými hrozbami, ale aj zvýšiť odolnosť kritických a krehkých ekosystémov. .“