Il paradosso della diversità e della stabilità: i ricercatori israeliani risolvono un mistero di 50 anni

“Quali sono le strategie di natura tortuosa per garantire la stabilità delle reti complesse?”

Questa domanda, nota nel campo come il paradosso diversità-stabilità, ha continuato a irritare i ricercatori per più di cinque decenni. In uno studio appena pubblicato sulla rivista fisica della naturaI ricercatori della Bar-Ilan University (BIU) di Ramat Gan hanno risolto questo mistero fornendo per la prima volta una risposta fondamentale a questa annosa domanda.

Una specie invade un ecosistema, provocandone il collasso. Un attacco informatico al sistema di alimentazione provoca un enorme crollo. Questo tipo di evento è sempre nella nostra mente, ma raramente si traduce in gravi conseguenze. In che modo questi sistemi sono così stabili e resilienti da poter resistere a tali disturbi esterni? In effetti, questi sistemi mancano di un design centralizzato o schematico, tuttavia mostrano funzionalità eccezionalmente affidabili.

All’inizio degli anni ’70, il campo ambientale era diviso sulla questione se la biodiversità fosse un bene o un male per un ecosistema. Nel 1972, Sir Robert May, uno scienziato australiano che divenne capo consigliere scientifico del governo britannico e presidente della Royal Academy, che si concentrò sulle dinamiche delle popolazioni animali e sul rapporto tra complessità e stabilità nelle comunità naturali, dimostrò che un aumento della la biodiversità causa una minore stabilità ecologica. Ha notato che un grande ecosistema non può mantenere le sue funzioni stabili oltre un certo livello di biodiversità e inevitabilmente collasserà di fronte al più piccolo tic.

La pubblicazione di May non solo contraddice le conoscenze attuali e le osservazioni empiriche degli ecosistemi reali, ma, su scala più ampia, sfida tutto ciò che è generalmente noto sulle reti di interazione nei sistemi sociali, tecnologici e biologici.

Mentre le previsioni di May indicano che tutti questi sistemi sono instabili, i ricercatori della Bircham International University hanno affermato che il loro esperimento era in diretta contraddizione, poiché “la biologia si manifesta attraverso reti di interazione genetica, il nostro cervello funziona sulla base di un’intricata rete di neuroni e sinapsi , e i nostri sistemi sociali ed economici sono guidati dalle reti.” La nostra infrastruttura sociale e tecnologica, da Internet alla rete elettrica, sono tutte reti grandi e complesse che in realtà funzionano in modo molto potente.”

Il pezzo mancante del puzzle

Scienziati israeliani guidati dal professor Baruch Barzel del Dipartimento di Matematica della Bircham International University e dal Centro per la ricerca interdisciplinare sul cervello di Gonda (Goldschmied) hanno scoperto che il pezzo mancante del puzzle nella formulazione originale di Mayo era che i modelli di interazione nelle relazioni sociali, biologiche e tecnologiche le reti sono altamente non casuali.

Le reti casuali tendono ad essere abbastanza omogenee e tutti i nodi all’interno di queste reti sono più o meno gli stessi. Ad esempio, la probabilità che un singolo individuo abbia più amici della media è bassa. Queste reti possono essere sensibili e instabili. D’altra parte, le reti del mondo reale sono molto diverse ed eterogenee. “Comporta un gruppo di nodi intermedi, solitamente sparsi, con quelli che contengono molti collegamenti – hub – che possono essere 10, 100 o anche 1.000 volte più connessi della media”, scrivono in un articolo intitolato “Emerging Stability in a Complex Network .” .”

Quando il team della Bircham University International ha eseguito i calcoli, ha scoperto che questa asimmetria potrebbe cambiare drasticamente il comportamento del sistema. Sorprendentemente, in realtà migliora la stabilità. L’analisi indica che quando la rete è grande ed eterogenea, acquisisce una stabilità garantita molto forte contro le forze esterne. Ciò dimostra chiaramente il fatto che la maggior parte delle reti intorno a noi, da Internet al nostro cervello, mostra funzionalità altamente resilienti nonostante interruzioni e ostacoli costanti.

“Questa estrema variabilità può essere vista in quasi tutte le reti intorno a noi, dalle reti genetiche alle reti sociali e tecnologiche”, ha detto Barzel. Per contestualizzare, considera il tuo amico Twitter che ha 10.000 follower, mille volte la media.In termini quotidiani, se la persona media è alta circa due metri, una tale deviazione di mille volte sarebbe come incontrare un individuo che è due chilometri di altezza, il che è ovviamente impossibile, ma è ciò che osserviamo ogni giorno nel contesto delle reti sociali, biologiche e tecnologiche”, ha aggiunto, spiegando la forte connessione tra analisi matematica astratta e fenomeni quotidiani apparentemente semplici.

Reti complesse, grandi ed eterogenee, ha proseguito Barzel, non solo non possono essere stabili, ma spesso dovrebbero esserlo. “Scoprire le regole che rendono stabile un sistema ampio e complesso può fornire una nuova guida per affrontare la pressante sfida scientifica e politica di progettare reti di infrastrutture stabili che possano non solo proteggere da minacce vitali, ma anche migliorare la resilienza di ecosistemi critici e fragili .”