Una sola especie invade un ecosistema causando su colapso. Un ataque cibernético al sistema de energía causa una avería importante. Este tipo de eventos siempre están en nuestra mente, sin embargo, rara vez resultan en 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 o plano central, y aún así, exhiben una funcionalidad excepcionalmente confiable.
A principios de los años 70, el campo de la ecología se dividió sobre la cuestión de si la biodiversidad es algo bueno o malo para un ecosistema. En 1972 Sir Robert May mostró, matemáticamente, que un aumento de la biodiversidad conduce a la disminución de la estabilidad ecológica. Por lo tanto, un gran sistema ecológico no puede mantener su funcionalidad estable más allá de un cierto nivel de biodiversidad e inevitablemente colapsará incluso frente a la contracción más pequeña.
La publicación de May no solo va en contra del conocimiento actual y las observaciones empíricas de ecosistemas reales, sino que, en términos más generales, parece desafiar todo lo comúnmente conocido sobre las interacciones de las redes en los sistemas sociales, tecnológicos y biológicos. Si bien la predicción de May sugiere que todos estos sistemas son inestables, nuestra experiencia está en contradicción directa. Nuestra biología se manifiesta por redes de interacción genética, nuestro cerebro opera basado en una compleja red de neuronas y sinapsis, nuestros sistemas sociales y económicos son impulsados por redes sociales, y nuestra infraestructura tecnológica, desde Internet hasta la red eléctrica, son todas grandes redes complejas que en realidad funcionan de manera bastante robusta.
El propio May comprendió las deficiencias de su solución, lo que lo llevó a preguntarse: «¿Cuáles son entonces las estrategias tortuosas de la naturaleza para garantizar la estabilidad de redes complejas?» Esta pregunta, conocida en el campo como la paradoja diversidad-estabilidad, ha seguido afectando a los investigadores durante más de cinco décadas.
En un estudio publicado el 20 de abril de 2023 en la revista Nature Physics, investigadores de la Universidad Bar-Ilan en Israel resuelven esta paradoja ofreciendo, por primera vez, una respuesta fundamental a esta pregunta persistente.
Los investigadores encontraron que la pieza faltante del rompecabezas en la formulación original de May es que los patrones de interacción en las redes sociales, biológicas y tecnológicas son altamente no 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. Tales 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, típicamente escasamente conectados, con otros que tienen muchos más enlaces, hubs, que pueden estar diez, 100 o incluso 1,000 veces más conectados que el promedio.
Cuando el equipo de Bar-Ilan hizo los cálculos, encontraron que esta heterogeneidad puede alterar fundamentalmente el comportamiento del sistema. Sorprendentemente, en realidad mejora la estabilidad. El análisis indica que cuando una red es grande y heterogénea adquiere una estabilidad garantizada que 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 nuestro cerebro, exhiben una funcionalidad altamente resistente a pesar de soportar constantes perturbaciones y obstrucciones.
«Esta heterogeneidad extrema se puede ver en casi todas las redes que nos rodean, desde redes genéticas hasta redes sociales y tecnológicas», dice el profesor Barzel, del Departamento de Matemáticas de la Universidad Bar-Ilan y del Centro de Investigación Cerebral Multidisciplinaria Gonda (Goldschmied), autor principal del estudio. «Para poner esto en contexto, considere a su amigo en Twitter que tiene 10,000 seguidores, mil veces el promedio. En términos cotidianos, si la persona promedio mide aproximadamente dos metros de altura, tal desviación de mil veces equivaldría a encontrarse con 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», agrega Barzel al explicar el fuerte vínculo 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. Descubrir las reglas que hacen estable un sistema grande y complejo puede ofrecer nuevas pautas para abordar el apremiante desafío científico y de formulación de políticas de diseñar redes de infraestructura estables que no solo puedan proteger contra amenazas viables, sino también fortalecer la resiliencia de ecosistemas cruciales, pero frágiles.
El equipo de investigación de Barzel incluyó al Prof. Simi Haber de la Universidad Bar-Ilan y a los investigadores postdoctorales Dr. Chandrakala Meena, Dr. Chittaranjan Hens y Dr. Suman Acharyya, así como al Prof. Stefano Boccaletti (CNR – Instituto de Sistemas Complejos, Florencia, Italia).
Este estudio fue apoyado por la Fundación de Ciencia de Israel, el programa de investigación conjunta ISF-NSFC de Israel-China, el premio CRISP de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos y el Instituto de Ciencia de Datos de la Universidad Bar-Ilan.
