Le paradoxe de la diversité et de la stabilité : des chercheurs israéliens résolvent un mystère de 50 ans

« Quelles sont les stratégies de nature tortueuse pour assurer la stabilité des réseaux complexes ?

Cette question, connue dans le domaine sous le nom de paradoxe diversité-stabilité, continue de contrarier les chercheurs depuis plus de cinq décennies. Dans une étude qui vient d’être publiée dans la revue physique de la natureDes chercheurs de l’Université Bar-Ilan (BIU) de Ramat Gan ont résolu ce mystère en apportant pour la première fois une réponse fondamentale à cette question de longue date.

Une espèce envahit un écosystème, provoquant son effondrement. Une cyberattaque sur le système électrique provoque un effondrement massif. Ce genre d’événement est toujours dans nos esprits, mais il entraîne rarement des conséquences graves. Alors, comment ces systèmes sont-ils si stables et résilients qu’ils peuvent résister à de telles perturbations externes ? En effet, ces systèmes manquent d’une conception centralisée ou schématique, cependant, ils affichent des fonctionnalités exceptionnellement fiables.

Au début des années 1970, le domaine environnemental était divisé sur la question de savoir si la biodiversité était bonne ou mauvaise pour un écosystème. En 1972, Sir Robert May, un scientifique australien devenu conseiller scientifique en chef du gouvernement britannique et président de la Royal Academy, qui s’est concentré sur la dynamique des populations animales et la relation entre complexité et stabilité dans les communautés naturelles, a montré qu’une augmentation de la la biodiversité cause moins de stabilité écologique. Il a noté qu’un grand écosystème ne peut pas maintenir ses fonctions stables au-delà d’un certain niveau de biodiversité et s’effondrera inévitablement face à la moindre secousse.

La publication de May contredit non seulement les connaissances actuelles et les observations empiriques des écosystèmes réels, mais, à plus grande échelle, elle remet en question tout ce qui est généralement connu sur les réseaux d’interaction dans les systèmes sociaux, technologiques et biologiques.

Alors que les prédictions de May indiquent que tous ces systèmes sont instables, les chercheurs de la Bircham International University ont déclaré que leur expérience était en contradiction directe, car « la biologie se manifeste par des réseaux d’interaction génétique, notre cerveau fonctionne sur la base d’un réseau complexe de neurones et de synapses , et nos systèmes sociaux et économiques sont pilotés par des réseaux. « Notre infrastructure sociale et technologique, d’Internet au réseau électrique, ce sont tous de grands réseaux complexes qui fonctionnent en fait très puissamment. »

La pièce manquante du puzzle

Des scientifiques israéliens dirigés par le professeur Baruch Barzel du Département de mathématiques de l’Université internationale de Bircham et du Centre de recherche interdisciplinaire sur le cerveau de Gonda (Goldschmied) ont découvert que la pièce manquante du puzzle dans la formulation originale de Mayo était que les modèles d’interaction dans les domaines social, biologique et technologique les réseaux sont hautement non aléatoires.

Les réseaux aléatoires ont tendance à être assez homogènes et tous les nœuds de ces réseaux sont à peu près les mêmes. Par exemple, la probabilité qu’un même individu ait plus d’amis que la moyenne est faible. Ces réseaux peuvent être sensibles et instables. D’autre part, les réseaux du monde réel sont très divers et hétérogènes. « Il s’agit d’un groupe de nœuds intermédiaires, généralement clairsemés, avec ceux contenant de nombreux liens – des hubs – qui peuvent être 10, 100 ou même 1 000 fois plus connectés que la moyenne », écrivent-ils dans un article intitulé « Emerging Stability in a Complex Network . » . »

Lorsque l’équipe de Bircham University International a effectué les calculs, elle a constaté que cette asymétrie pouvait modifier radicalement le comportement du système. Étonnamment, cela améliore en fait la stabilité. L’analyse indique que lorsque le réseau est grand et hétérogène, il acquiert une très forte stabilité garantie contre les forces extérieures. Cela démontre clairement le fait que la plupart des réseaux qui nous entourent – d’Internet à nos cerveaux – présentent des fonctionnalités hautement résilientes malgré des perturbations et des obstacles constants.

« Cette variabilité extrême peut être observée dans presque tous les réseaux qui nous entourent, des réseaux génétiques aux réseaux sociaux et technologiques », a déclaré Barzel. Pour mettre cela en contexte, considérons votre ami Twitter qui a 10 000 abonnés, soit mille fois la moyenne. Au quotidien, si la personne moyenne mesure environ deux mètres, un tel écart de mille fois reviendrait à rencontrer un individu qui est deux kilomètres de haut, ce qui est évidemment impossible, mais c’est ce que nous observons chaque jour dans le contexte des réseaux sociaux, biologiques et technologiques », a-t-il ajouté, expliquant le lien étroit entre l’analyse mathématique abstraite et des phénomènes quotidiens apparemment simples.

Les grands réseaux complexes hétérogènes, a poursuivi Barzel, non seulement ne peuvent pas être stables, mais ils devraient, en fait, l’être souvent. « Découvrir les règles qui assurent la stabilité d’un système vaste et complexe peut fournir de nouvelles orientations pour relever le défi scientifique et politique urgent de concevoir des réseaux d’infrastructures stables qui peuvent non seulement protéger contre les menaces viables, mais également renforcer la résilience des écosystèmes critiques et fragiles. . »