O paradoxo da diversidade e da estabilidade: pesquisadores israelenses resolvem um mistério de 50 anos

“Quais são as estratégias de natureza tortuosa para garantir a estabilidade de redes complexas?”

Essa questão, conhecida no campo como o paradoxo da estabilidade da diversidade, continua a incomodar os pesquisadores por mais de cinco décadas. Em um estudo recém-publicado na revista física da naturezaPesquisadores da Universidade Bar-Ilan (BIU) em Ramat Gan resolveram esse mistério ao fornecer uma resposta fundamental a essa pergunta de longa data pela primeira vez.

Uma espécie invade um ecossistema, causando seu colapso. Um ataque cibernético no sistema de energia causa um colapso maciço. Esse tipo de evento está sempre em nossas mentes, mas raramente resulta em consequências graves. Então, como esses sistemas são tão estáveis ​​e resilientes que podem suportar tais distúrbios externos? De fato, esses sistemas carecem de um design centralizado ou esquemático, no entanto, eles exibem uma funcionalidade excepcionalmente confiável.

No início dos anos 1970, o campo ambiental estava dividido sobre a questão de saber se a biodiversidade era boa ou ruim para um ecossistema. Em 1972, Sir Robert May – um cientista australiano que se tornou o principal consultor científico do governo britânico e presidente da Royal Academy, que se concentrou na dinâmica das populações animais e na relação entre complexidade e estabilidade em comunidades naturais – mostrou que um aumento na biodiversidade causa menos estabilidade ecológica. Ele observou que um grande ecossistema não pode manter suas funções estáveis ​​além de um certo nível de biodiversidade e inevitavelmente entrará em colapso diante da menor contração.

A publicação de May não apenas contradiz o conhecimento atual e as observações empíricas de ecossistemas reais, mas, em uma escala maior, desafia tudo o que é geralmente conhecido sobre redes de interação em sistemas sociais, tecnológicos e biológicos.

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Crises interconectadas com ciclos de feedback: poluição, mudança climática e atividades prejudiciais à biodiversidade (crédito: studiovin/Shutterstock)

Embora as previsões de May indiquem que todos esses sistemas são instáveis, os pesquisadores da Bircham International University disseram que seu experimento estava em contradição direta, pois “a biologia se manifesta por redes de interação genética, nosso cérebro funciona com base em uma intrincada rede de neurônios e sinapses , e nossos sistemas sociais e econômicos são conduzidos por redes.” Nossa infraestrutura social e tecnológica, da internet à rede elétrica, são todas redes grandes e complexas que realmente funcionam de forma muito poderosa.”

A peça que faltava no quebra-cabeça

Cientistas israelenses liderados pelo professor Baruch Barzel, do Departamento de Matemática da Bircham International University e do Centro de Pesquisa Interdisciplinar do Cérebro em Gonda (Goldschmied), descobriram que a peça que faltava no quebra-cabeça na formulação original de Mayo era que os padrões de interação em aspectos sociais, biológicos e tecnológicos as redes são altamente não aleatórias.

As redes aleatórias tendem a ser razoavelmente homogêneas e todos os nós dentro dessas redes são aproximadamente os mesmos. Por exemplo, a probabilidade de um único indivíduo ter mais amigos do que a média é pequena. Essas redes podem ser sensíveis e instáveis. Por outro lado, as redes do mundo real são muito diversas e heterogêneas. “Envolve um grupo de nós intermediários, geralmente esparsos, com aqueles contendo muitos links – hubs – que podem ser 10, 100 ou até 1.000 vezes mais conectados do que a média”, escrevem eles em um artigo intitulado “Emerging Stability in a Complex Network .” .”

Quando a equipe da Bircham University International realizou os cálculos, eles descobriram que essa assimetria poderia mudar drasticamente o comportamento do sistema. Surpreendentemente, ele realmente aumenta a estabilidade. A análise indica que quando a rede é grande e heterogênea, ela adquire uma estabilidade garantida muito forte contra forças externas. Isso demonstra claramente o fato de que a maioria das redes ao nosso redor – da Internet aos nossos cérebros – exibe uma funcionalidade altamente resiliente, apesar das constantes interrupções e obstáculos.

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“Essa variabilidade extrema pode ser vista em quase todas as redes ao nosso redor, desde redes genéticas até redes sociais e tecnológicas”, disse Barzel. Para contextualizar, considere seu amigo do Twitter que tem 10.000 seguidores, mil vezes a média. Em termos cotidianos, se a pessoa média tiver cerca de dois metros de altura, esse desvio de mil vezes seria como encontrar um indivíduo que é dois quilômetros de altura, o que obviamente é impossível, mas é o que observamos todos os dias no contexto das redes sociais, biológicas e tecnológicas”, acrescentou, explicando a forte conexão entre análises matemáticas abstratas e fenômenos cotidianos aparentemente simples.

Redes complexas grandes e heterogêneas, continuou Barzel, não só não podem ser estáveis, como deveriam, de fato, ser com frequência. “Descobrir as regras que tornam um sistema grande e complexo estável pode fornecer novas orientações para enfrentar o desafio científico e de formulação de políticas de projetar redes de infraestrutura estáveis ​​que possam não apenas proteger contra ameaças viáveis, mas também aumentar a resiliência de ecossistemas críticos e frágeis. .”

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