Das Diversitäts- und Stabilitätsparadoxon: Israelische Forscher lösen ein 50-jähriges Rätsel

„Welche Strategien sind verschlungener Natur, um die Stabilität komplexer Netzwerke zu gewährleisten?“

Diese Frage, die in der Fachwelt als Diversity-Stability-Paradoxon bekannt ist, beschäftigt Forscher seit mehr als fünf Jahrzehnten. In einer Studie, die gerade in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur PhysikForscher der Bar-Ilan-Universität (BIU) in Ramat Gan haben dieses Rätsel gelöst, indem sie erstmals eine grundlegende Antwort auf diese seit langem bestehende Frage lieferten.

Eine Art dringt in ein Ökosystem ein und bringt es zum Zusammenbruch. Ein Cyberangriff auf das Stromnetz verursacht eine massive Kernschmelze. Diese Art von Ereignis beschäftigt uns ständig, führt jedoch selten zu schwerwiegenden Folgen. Wie also sind diese Systeme so stabil und belastbar, dass sie solchen äußeren Störungen standhalten? Tatsächlich fehlt diesen Systemen ein zentralisiertes oder schematisches Design, sie weisen jedoch eine außergewöhnlich zuverlässige Funktionalität auf.

In den frühen 1970er Jahren war der Umweltbereich über die Frage gespalten, ob Biodiversität gut oder schlecht für ein Ökosystem sei. 1972 zeigte Sir Robert May – ein australischer Wissenschaftler, der leitender wissenschaftlicher Berater der britischen Regierung und Präsident der Royal Academy wurde, der sich auf die Dynamik von Tierpopulationen und die Beziehung zwischen Komplexität und Stabilität in natürlichen Gemeinschaften konzentrierte –, dass eine Zunahme von Biodiversität verursacht weniger ökologische Stabilität. Er stellte fest, dass ein großes Ökosystem seine stabilen Funktionen ab einem bestimmten Grad an Biodiversität nicht aufrechterhalten kann und angesichts der kleinsten Bewegung unweigerlich zusammenbrechen wird.

Mays Veröffentlichung widerspricht nicht nur aktuellem Wissen und empirischen Beobachtungen realer Ökosysteme, sondern stellt in größerem Maßstab alles in Frage, was allgemein über Interaktionsnetzwerke in sozialen, technologischen und biologischen Systemen bekannt ist.

Während die Vorhersagen von May darauf hindeuten, dass all diese Systeme instabil sind, sagten die Forscher der Bircham International University, dass ihr Experiment in direktem Widerspruch stehe, da „die Biologie durch Netzwerke genetischer Interaktion manifestiert wird, unser Gehirn auf der Grundlage eines komplizierten Netzwerks von Neuronen und Synapsen funktioniert , und unsere sozialen und wirtschaftlichen Systeme werden von Netzwerken angetrieben.

Das fehlende Puzzleteil

Israelische Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Baruch Barzel vom Fachbereich Mathematik der Bircham International University und dem Zentrum für interdisziplinäre Hirnforschung in Gonda (Goldschmied) fanden heraus, dass das fehlende Puzzleteil in Mayos ursprünglicher Formulierung die Interaktionsmuster in sozialen, biologischen und technologischen Zusammenhängen waren Netzwerke sind in hohem Maße nicht zufällig.

Zufällige Netzwerke neigen dazu, ziemlich homogen zu sein, und alle Knoten innerhalb dieser Netzwerke sind ungefähr gleich. Beispielsweise ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine einzelne Person mehr Freunde als der Durchschnitt hat, gering. Diese Netzwerke können empfindlich und instabil sein. Andererseits sind Netzwerke in der realen Welt sehr vielfältig und heterogen. „Es handelt sich um eine Gruppe von Zwischenknoten, die normalerweise spärlich besetzt sind, wobei diese viele Verbindungen enthalten – Hubs – die 10-, 100- oder sogar 1.000-mal stärker als der Durchschnitt verbunden sein können“, schreiben sie in einem Artikel mit dem Titel „Emerging Stability in a Complex Network .“ .“

Als das Team der Bircham University International die Berechnungen durchführte, stellte es fest, dass diese Asymmetrie das Verhalten des Systems drastisch verändern könnte. Überraschenderweise verbessert es tatsächlich die Stabilität. Die Analyse zeigt, dass, wenn das Netzwerk groß und heterogen ist, es eine sehr starke garantierte Stabilität gegen externe Kräfte erhält. Dies zeigt deutlich, dass die meisten Netzwerke um uns herum – vom Internet bis zu unserem Gehirn – trotz ständiger Störungen und Hindernisse eine hochgradig belastbare Funktionalität aufweisen.

„Diese extreme Variabilität ist in fast allen Netzwerken um uns herum zu sehen, von genetischen Netzwerken bis hin zu sozialen und technologischen Netzwerken“, sagte Barzel. Um dies in einen Zusammenhang zu bringen, stellen Sie sich Ihren Twitter-Freund vor, der 10.000 Follower hat, das Tausendfache des Durchschnitts.Wenn die durchschnittliche Person etwa zwei Meter groß ist, wäre eine solche tausendfache Abweichung im Alltag so, als würde man einen Menschen treffen, der es ist zwei Kilometer hoch, was natürlich unmöglich ist, aber wir beobachten es jeden Tag im Kontext sozialer, biologischer und technologischer Netzwerke“, fügte er hinzu und erläuterte die starke Verbindung zwischen abstrakter mathematischer Analyse und scheinbar einfachen Alltagsphänomenen.

Große, heterogene komplexe Netzwerke, so Barzel weiter, könnten nicht nur nicht stabil sein, sondern müssten es sogar oft sein. „Die Aufdeckung der Regeln, die ein großes, komplexes System stabil machen, kann neue Leitlinien für die Bewältigung der dringenden wissenschaftlichen und politischen Herausforderung liefern, stabile Infrastrukturnetzwerke zu entwerfen, die nicht nur vor lebensfähigen Bedrohungen schützen, sondern auch die Widerstandsfähigkeit kritischer und fragiler Ökosysteme verbessern können .“