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.