«¿Cuáles son las estrategias tortuosas de la naturaleza para garantizar la estabilidad de las redes complejas?»

Esta pregunta, conocida en el campo como la paradoja de la estabilidad de la diversidad, ha seguido atormentando a los investigadores durante más de cinco décadas. En un estudio recién publicado en la revista física de la naturalezaLos investigadores de la Universidad Bar-Ilan (BIU) en Ramat Gan resuelven este enigma al ofrecer, por primera vez, una respuesta fundamental a esta pregunta prolongada.

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

A principios de la década de 1970, el campo de la ecología estaba dividido sobre si la biodiversidad es buena o mala para un ecosistema. En 1972, Sir Robert May, un científico australiano que se convirtió en el 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 la complejidad y la estabilidad en las comunidades naturales, demostró matemáticamente que un aumento en la biodiversidad provoca menos estabilidad ecológica. Sugirió que un gran sistema ecológico no puede mantener una funcionalidad estable más allá de un cierto nivel de biodiversidad e inevitablemente colapsará ante el menor temblor.

La publicación de May no solo contradice el conocimiento actual y las observaciones empíricas de los ecosistemas reales, sino que, en términos más generales, parece desafiar todo lo que se conoce comúnmente sobre las redes de interacción en los sistemas sociales, tecnológicos y biológicos.

Aunque la predicción de May sugiere que todos estos sistemas son inestables, los investigadores de BIU dijeron que su experiencia estaba en contradicción directa, ya que «la biología se manifiesta a través de redes de interacción genética, nuestro cerebro opera sobre la base de una red compleja de neuronas y sinapsis, nuestro los sistemas sociales y económicos están alimentados por redes sociales, y nuestra infraestructura tecnológica, desde Internet hasta la red eléctrica, son redes grandes y complejas que en realidad funcionan con bastante solidez”.

La pieza faltante del rompecabezas

Científicos israelíes dirigidos por el Prof. Baruch Barzel del departamento de matemáticas de BIU y el Centro Multidisciplinario de Investigación Cerebral Gonda (Goldschmied) descubrió que la pieza que falta en el rompecabezas en la formulación original de May es que los patrones de interacción en las redes sociales, biológicas y tecnológicas no son aleatorios.

“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 individuo tenga muchos más amigos que el promedio es pequeña. Estas redes pueden ser sensibles e inestables. Las redes del mundo real, por otro lado, son extremadamente diversas y heterogéneas. Incluyen una combinación de nodos promedio, generalmente mal conectados, con aquellos que tienen muchos más enlaces (hubs) que pueden estar diez, 100 o incluso 1000 veces más conectados que el promedio”, escribieron en el documento titulado “Estabilidad emergente en Redes dinámicas complejas».

Cuando el equipo de BIU hizo los cálculos, descubrió que esta heterogeneidad puede cambiar fundamentalmente el comportamiento del sistema. Sorprendentemente, en realidad aumenta la estabilidad. El análisis indica que cuando una red es grande y heterogénea, adquiere una estabilidad garantizada y es extremadamente robusta frente a fuerzas externas. Esto explica 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 interrupciones y obstrucciones constantes.

«Esta extrema heterogeneidad se puede ver en casi todas las redes que nos rodean, desde redes genéticas hasta redes sociales y tecnológicas», dijo Barzel. “Por contexto, considere a su amigo en Twitter que tiene 10,000 seguidores, mil veces el promedio. En términos cotidianos, si una persona promedio mide aproximadamente dos metros, tal desviación de mil veces equivaldría a encontrar un individuo de 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 para explicar la fuerte conexión entre el análisis matemático abstracto y los fenómenos cotidianos aparentemente simples.

Las redes complejas grandes y heterogéneas no solo pueden ser estables, sino que, de hecho, a menudo deben ser estables, continuó Barzel. “Descubrir las reglas que hacen que un sistema grande y complejo sea estable puede ofrecer nuevas pautas para abordar el apremiante desafío científico y político de diseñar redes de infraestructura estables que no solo puedan proteger contra amenazas viables, sino que también fortalezcan la resiliencia de ecosistemas cruciales, pero frágiles. ”