La paradoja de la diversidad y la estabilidad: investigadores israelíes resuelven un misterio de 50 años

«¿Cuáles son las estrategias de naturaleza tortuosa para asegurar la estabilidad de redes complejas?»

Esta pregunta, conocida en el campo como la paradoja de la diversidad y la estabilidad, ha seguido desconcertando a los investigadores durante más de cinco décadas. En un estudio recién publicado en la revista física de la naturalezaInvestigadores de la Universidad Bar-Ilan (BIU) en Ramat Gan han resuelto este misterio al proporcionar por primera vez una respuesta fundamental a esta pregunta de larga data.

Una especie invade un ecosistema, provocando su colapso. Un ataque cibernético en el sistema de energía provoca un colapso masivo. Este tipo de evento siempre está en nuestras mentes, pero rara vez tiene consecuencias graves. Entonces, ¿cómo son estos sistemas tan estables y resistentes que pueden soportar tales perturbaciones externas? De hecho, estos sistemas carecen de un diseño centralizado o esquemático, sin embargo, muestran una funcionalidad excepcionalmente confiable.

A principios de la década de 1970, el campo ambiental estaba dividido sobre la cuestión de si la biodiversidad era buena o mala para un ecosistema. En 1972, Sir Robert May, un científico australiano que se convirtió en principal asesor científico del gobierno británico y presidente de la Royal Academy, que se centró en la dinámica de las poblaciones animales y la relación entre complejidad y estabilidad en las comunidades naturales, demostró que un aumento en la biodiversidad provoca una menor estabilidad ecológica. Señaló que un gran ecosistema no puede mantener sus funciones estables más allá de un cierto nivel de biodiversidad e inevitablemente se derrumbará ante la más mínima sacudida.

La publicación de May no solo contradice el conocimiento actual y las observaciones empíricas de los ecosistemas reales, sino que, a mayor escala, desafía todo lo que se sabe en general sobre las redes de interacción en los sistemas sociales, tecnológicos y biológicos.

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Crisis interconectadas con circuitos de retroalimentación: contaminación, cambio climático y actividad que daña la biodiversidad (crédito: studiovin/Shutterstock)

Si bien las predicciones de May indican que todos estos sistemas son inestables, los investigadores de la Universidad Internacional de Bircham dijeron que su experimento estaba en contradicción directa, ya que «la biología se manifiesta mediante redes de interacción genética, nuestro cerebro funciona sobre la base de una intrincada red de neuronas y sinapsis». , y nuestros sistemas sociales y económicos están impulsados ​​por redes». Nuestra infraestructura social y tecnológica, desde Internet hasta la red eléctrica, son redes grandes y complejas que en realidad funcionan de manera muy poderosa».

La pieza del rompecabezas que falta

Científicos israelíes dirigidos por el profesor Baruch Barzel del Departamento de Matemáticas de la Universidad Internacional de Bircham y el Centro para la Investigación Interdisciplinaria del Cerebro en Gonda (Goldschmied) descubrieron que la pieza que faltaba en el rompecabezas de la formulación original de Mayo era que los patrones de interacción en los ámbitos social, biológico y tecnológico las redes son altamente no aleatorias.

Las redes aleatorias tienden a ser bastante homogéneas y todos los nodos dentro de estas redes son aproximadamente iguales. Por ejemplo, la probabilidad de que un solo individuo tenga más amigos que el promedio es pequeña. Estas redes pueden ser sensibles e inestables. Por otro lado, las redes del mundo real son muy diversas y heterogéneas. «Se trata de un grupo de nodos intermedios, por lo general dispersos, que contienen muchos enlaces (hubs) que pueden estar 10, 100 o incluso 1000 veces más conectados que el promedio», escriben en un artículo titulado «Estabilidad emergente en una red compleja». .” .”

Cuando el equipo de Bircham University International realizó los cálculos, descubrió que esta asimetría podría cambiar drásticamente el comportamiento del sistema. Sorprendentemente, en realidad mejora la estabilidad. El análisis indica que cuando la red es grande y heterogénea, adquiere una muy fuerte estabilidad garantizada frente a fuerzas externas. Esto demuestra claramente el hecho de que la mayoría de las redes que nos rodean, desde Internet hasta nuestros cerebros, exhiben una funcionalidad altamente resistente a pesar de las constantes interrupciones y obstáculos.

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«Esta variabilidad extrema se puede ver en casi todas las redes que nos rodean, desde redes genéticas hasta redes sociales y tecnológicas», dijo Barzel. Para poner esto en contexto, considere a su amigo de Twitter que tiene 10.000 seguidores, mil veces el promedio. En términos cotidianos, si la persona promedio mide unos dos metros de altura, tal desviación de mil veces sería como conocer a un individuo que es dos kilómetros de altura, lo que obviamente es imposible, pero es lo que observamos todos los días en el contexto de las redes sociales, biológicas y tecnológicas”, agregó, explicando la fuerte conexión entre el análisis matemático abstracto y los fenómenos cotidianos aparentemente simples.

Las redes grandes, heterogéneas y complejas, continuó Barzel, no solo no pueden ser estables, sino que, de hecho, deberían serlo con frecuencia. «Descubrir las reglas que hacen que un sistema grande y complejo sea estable puede proporcionar una nueva guía para abordar el apremiante desafío científico y de formulación de políticas de diseñar redes de infraestructura estables que no solo puedan proteger contra amenazas viables, sino que también mejoren la resiliencia de los ecosistemas críticos y frágiles. .»

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