|
Исследователи решают загадку 50-летней давности
|
|
|
|
Один вид вторгается в экосистему, вызывая ее коллапс. Кибератака на энергосистему вызывает серьезную аварию. Мы постоянно думаем о таких событиях, но они редко приводят к таким значительным последствиям. Так как же эти системы настолько стабильны и устойчивы, что могут выдерживать такие внешние сбои? Действительно, в этих системах отсутствует центральный дизайн или план, и тем не менее они демонстрируют исключительно надежную функциональность. В начале 70-х годов область экологии разделилась по вопросу о том, является ли биоразнообразие благом или злом для экосистемы. В 1972 году сэр Роберт Мэй математически показал, что увеличение биоразнообразия снижает экологическую стабильность. Следовательно, большая экологическая система не может поддерживать свою стабильную функциональность за пределами определенного уровня биоразнообразия и неизбежно рухнет даже при малейшем подергивании.
|
|
|
|
Вывод Мэя не только противоречит современным знаниям и эмпирическим наблюдениям за реальными экосистемами, но и, в более широком смысле, кажется, бросает вызов всему общеизвестному о сетях взаимодействия в социальных, технологических и биологических системах. Хотя предсказание Мэя предполагает, что все эти системы нестабильны, наш опыт прямо противоречит этому. Наша биология представлена сетями генетических взаимодействий, наш мозг работает на основе сложной сети нейронов и синапсов, наши социальные и экономические системы управляются социальными сетями, а наша технологическая инфраструктура, от Интернета до энергосистемы, представляет собой большую сложную структуру. сети, которые на самом деле функционируют довольно надежно.
|
|
|
Мэй сам понял недостатки своего решения, что заставило его задаться вопросом: «Какие же тогда коварные стратегии природы обеспечивают стабильность сложных сетей?» Этот вопрос, известный в этой области как парадокс разнообразия-стабильности, продолжает беспокоить исследователей уже более пяти десятилетий. В исследовании, опубликованном сегодня (20 апреля 2023 г.) в журнале Nature Physics, исследователи из Университета Бар-Илан в Израиле решили эту загадку, впервые предложив фундаментальный ответ на этот затянувшийся вопрос.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что недостающая часть головоломки в первоначальной формулировке Мэя заключается в том, что паттерны взаимодействия в социальных, биологических и технологических сетях в высшей степени неслучайны. Случайные сети имеют тенденцию быть довольно однородными, и все узлы в этих сетях примерно одинаковы. Например, вероятность того, что у одного человека будет намного больше друзей, чем в среднем, ничтожно мала. Такие сети могут быть чувствительными и нестабильными. С другой стороны, реальные сети чрезвычайно разнообразны и неоднородны. Они включают в себя комбинацию средних, как правило, слабо связанных узлов с узлами, имеющими намного больше связей — концентраторов, которые могут быть в десять, 100 или даже в 1000 раз более связанными, чем в среднем.
|
|
|
|
Когда команда Бар-Илана провела расчеты, они обнаружили, что эта неоднородность может коренным образом изменить поведение системы. Удивительно, но на самом деле это повышает стабильность. Анализ показывает, что, когда сеть большая и неоднородная, она приобретает гарантированную устойчивость, чрезвычайно устойчивую к внешним воздействиям. Это ясно объясняет тот факт, что большинство окружающих нас сетей — от Интернета до нашего мозга — обладают высокой отказоустойчивостью, несмотря на постоянные помехи и препятствия. «Эту крайнюю неоднородность можно увидеть почти во всех сетях вокруг нас, от генетических сетей до социальных и технологических сетей», — говорит профессор Барзель с факультета математики Университета Бар-Илан и Многодисциплинарного исследовательского центра мозга Гонда (Гольдшмид). ведущий автор.
|
|
|
|
«Для понимания контекста рассмотрим своего друга в Твиттере, у которого 10 000 подписчиков, что в тысячу раз превышает средний показатель. В повседневном исчислении, если рост среднего человека примерно два метра, такое тысячекратное отклонение было бы равносильно встрече с двухкилометровой дистанцией. высокий человек, что, очевидно, невозможно. Но это то, что мы наблюдаем каждый день в контексте социальных, биологических и технологических сетей», — добавляет Барзель, объясняя прочную связь между абстрактным математическим анализом и, казалось бы, простыми повседневными явлениями. Большие и разнородные сложные сети не только могут быть устойчивыми, но и часто должны быть устойчивыми. Раскрытие правил, которые делают большую сложную систему стабильной, может предложить новые рекомендации для решения неотложной научной и политической задачи по разработке стабильных инфраструктурных сетей, которые могут не только защитить от реальных угроз, но и повысить устойчивость критически важных, но хрупких экосистем.
|
|
|
|
Источник
|
