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  • Foto do escritorNara Pinski

Pesquisadores da BIU resolvem o paradoxo diversidade-estabilidade de 50 anos

E explicar a estabilidade das redes



Uma única espécie invade um ecossistema causando seu colapso. Um ataque cibernético no sistema de energia causa um grande colapso. Esses tipos de eventos estão sempre em nossa mente, mas raramente resultam em consequências tão significativas. Então, como é que esses sistemas são tão estáveis ​​e resilientes que podem suportar tais interrupções externas? De fato, esses sistemas carecem de um projeto ou projeto central e, ainda assim, exibem uma funcionalidade excepcionalmente confiável. No início dos anos 70, o campo da ecologia estava dividido sobre a questão de saber se a biodiversidade é uma coisa boa ou ruim para um ecossistema. Em 1972, Sir Robert May mostrou, matematicamente, que um aumento na biodiversidade leva à diminuição da estabilidade ecológica. Portanto, um grande sistema ecológico não pode sustentar sua funcionalidade estável além de um certo nível de biodiversidade e inevitavelmente entrará em colapso diante do menor tremor.


A publicação de May não apenas vai contra o conhecimento atual e as observações empíricas de ecossistemas reais, mas, de forma mais ampla, parece desafiar tudo o que é comumente conhecido sobre as interações de redes em sistemas sociais, tecnológicos e biológicos. Embora a previsão de May sugira que todos esses sistemas são instáveis, nossa experiência está em contradição direta. Nossa biologia se manifesta por redes de interação genética, nosso cérebro opera com base em uma complexa teia de neurônios e sinapses, nossos sistemas sociais e econômicos são conduzidos por redes sociais e nossa infraestrutura tecnológica, da Internet à rede elétrica, são todos grandes complexos redes que realmente funcionam de forma bastante robusta. O próprio May entendeu as deficiências de sua solução, levando-o a perguntar: “quais são as estratégias tortuosas da natureza para garantir a estabilidade de redes complexas?” Essa questão, conhecida no campo como o paradoxo da estabilidade da diversidade, continua atormentando os pesquisadores por mais de cinco décadas. Em um estudo publicado em 20 de abril de 2023 na revista Nature Physics, pesquisadores da Universidade Bar-Ilan, em Israel, resolvem esse paradoxo oferecendo, pela primeira vez, uma resposta fundamental para essa pergunta persistente.


Os pesquisadores descobriram que a peça que faltava no quebra-cabeça na formulação original de May é que os padrões de interação em redes sociais, biológicas e tecnológicas são altamente não aleatórios. As redes aleatórias tendem a ser bastante homogêneas e todos os nós dentro dessas redes são aproximadamente os mesmos. Por exemplo, a probabilidade de um indivíduo ter muito mais amigos do que a média é pequena. Essas redes podem ser sensíveis e instáveis. As redes do mundo real, por outro lado, são extremamente diversas e heterogêneas. Eles incluem uma combinação de nós médios, normalmente pouco conectados, com aqueles que têm muito mais links – hubs – que podem ser dez, 100 ou até 1.000 vezes mais conectados do que a média. Quando a equipe de Bar-Ilan fez as contas, descobriu que essa heterogeneidade pode alterar fundamentalmente o comportamento do sistema. Surpreendentemente, ele realmente aumenta a estabilidade. A análise indica que quando uma rede é grande e heterogênea ela adquire uma estabilidade garantida e extremamente robusta contra forças externas. Isso explica claramente o fato de que a maioria das redes ao nosso redor – da Internet ao nosso cérebro – exibe uma funcionalidade altamente resiliente, apesar de suportar constantes perturbações e obstruções. "Essa extrema heterogeneidade pode ser vista em quase todas as redes ao nosso redor, desde redes genéticas até redes sociais e tecnológicas", diz o Prof. autor principal. "Para colocar isso em contexto, considere seu amigo no Twitter que tem 10.000 seguidores, mil vezes a média. indivíduo alto, o que obviamente é impossível. Mas é o que observamos todos os dias no contexto das redes sociais, biológicas e tecnológicas", acrescenta Barzel ao explicar a forte ligação entre a análise matemática abstrata e fenômenos cotidianos aparentemente simples.


Redes complexas grandes e heterogêneas não apenas podem ser estáveis, mas, de fato, muitas vezes devem ser estáveis. Descobrir as regras que tornam um sistema grande e complexo estável pode oferecer novas diretrizes para enfrentar o desafio científico e político premente de projetar redes de infraestrutura estáveis ​​que possam não apenas proteger contra ameaças viáveis, mas também fortalecer a resiliência de ecossistemas cruciais, porém frágeis. A equipe de pesquisa de Barzel incluiu o Prof. Simi Haber da Bar-Ilan University e os pesquisadores de pós-doutorado Dr. Chandrakala Meena, Dr. Chittaranjan Hens e Dr. Suman Acharyya, bem como o Prof. Stefano Boccaletti (CNR - Instituto de Sistemas Complexos, Florença, Itália) . Este estudo foi financiado pela Israel Science Foundation, pelo programa de pesquisa conjunta Israel-China ISF-NSFC, pelo prêmio US National Science Foundation-CRISP e pelo Bar-Ilan University Data Science Institute.

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