O sistema em rede quebrou?… Sem problemas: quebre mais um pouco.

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Traduzido de: If A Network Is Broken, Break It More

Publicado originalmente em 16 de julho de 2013.
Por: Sophie Bushwick, contribuidora do ISNS
Crédito da Imagem:

Andrew Imanaka via flickr | http://bit.ly/1aM9uH0
Informações sobre direitos: 

Pequenos ajustes podem melhoram o estado de todo um sistema.

(ISNS) — Desde a World Wide Web até a rede de distribuição de energia elétrica, todas as redes são notoriamente difíceis de controlar. Um defeito em um único ponto do sistema pode se espalhar rapidamente e afetar a porcaria toda. Mas este problema pode ser sua própria solução: causar seletivamente mais danos a outras partes da rede, pode trazer todo o sistema a um estado melhor.
Qual é a grande importância em ser capaz de manipular redes? Esses sistemas complexos são onipresentes em nosso dia-a-dia, desde sistemas de telecomunicações, até as redes de neurônios que formam as memórias em nossos cérebros.
Infelizmente, um tranco que atinja uns poucos nodos de uma rede pode fazer o sistema todo dar defeito. Por exemplo, a rede de energia elétrica: umas poucas linhas de cabos de energia interrompidas podem desencadear um apagão de grandes proporções. E são precisos um bocado de trabalho e materiais caros para consertar os componentes quebrados.
E se, em lugar de substituir os cabos quebrados, nós pudéssemos restaurar toda a rede, desligando estrategicamente mais algumas linhas? É justamente isto que os pesquisadores da Universidade Northwestern em Evanston, Illinois, pretendem fazer, porém em mais coisas do que somente na rede elétrica. Em um artigo publicado na Nature Communications, os cientistas delineiam um novo método para controlar qualquer rede complexa.
A técnica tira vantagem do quanto uma rede é interconectada. “Como esses sistemas são conectados, uma perturbação que poderia ser deletéria, tal como uma doença, pode se espalhar pelo sistema e afetar coisas além daquela inicialmente atacada”, explica o autor principal do artigo, o estudante de pós-graduação da Northwestern, Sean Cornelius.
Entretanto, são essas próprias conexões que tornam a manipulação de uma rede muito mais fácil. “Em geral, é possível combater fogo com fogo”, prossegue Cornelius. “Da mesma forma que se pode cutucar um sistema de forma errada e causar danos, que tal se pudéssemos perturbá-lo de uma forma a curá-lo?”
Tomemos como exemplo a rede de interações dentro de uma célula. Se você inibir um gene importante, pode danificar a taxa de crescimento da célula. No entanto, é possível reparar esse dano, não pela substituição do gene perdido, o que é uma tarefa próxima do impossível, mas através da remoção de outros genes.
A chave reside em encontrar as modificações específicas que levem uma rede de um estado indesejável A a um estado preferível B. O modelo matemático de Cornelius fornece um método genérico para descobrir estas mudanças em qualquer rede, desde o metabolismo de uma única célula, até toda uma cadeia alimentar.
Por exemplo, quando uma espécie invasora entra em um ecossistema, ela compete com as espécies nativas pelos recursos disponíveis. A solução óbvia seria eliminar os invasores – só que isso pode ser incrivelmente difícil. Em lugar disto, sugere Cornelius, se pode exterminar a fonte de alimento dos invasores, levando-os à extinção. Neste caso, umas poucas espécies seriam sacrificadas para salvar o ecossistema como um todo.
Pesquisas anteriores aplicaram métodos similares para sistemas específicos, tais como células e ecossistemas, porém o novo estudo visa as redes em geral. “Anteriormente, nossa pesquisa se focalizou em sistemas particulares”, conta Cornelius, “mas não havia uma teoria unificadora que demonstrasse que isso seria possível em redes genéricas”. Esperamos que nosso método seja amplamente aplicável a qualquer que seja sua rede escolhida”.
Para aumentar sua precisão, o novo método emprega um modelo complexo de rede. “Eles acharam algumas novidades, empregando análise não-linear”, comentou um outro pesquisador de redes, Frank Doyle da Universidade da Califórnia em Santa Barbara. Redes são sistemas não-lineares, porém Doyle e vários outros pesquisadores as abordam como se fossem lineares.
Em um sistema linear, uma pequena mudança produz uma pequena resposta. Por exemplo, se você aumentar um pouco um termostato, seu ambiente supostamente deve se aquecer um pouco. No entanto, em certos prédios de escritórios, parece que ajustar o termostato um pouquinho para cima faz a temperatura passar de um tremendo frio para um calor insuportável. Esta resposta desproporcionalmente grande é típica de um sistema não-linear e é que os torna muito difíceis de modelar matematicamente.
Outra característica de um sistema não-linear é que ele pode conseguir estabilidade em mais do que um estado possível, coisa que vem a calhar para a equipe de Cornelius. “Já que são possíveis vários resultados, podemos, mediante ajustes judiciosos, levar a rede de um estado ruim para um bom”, sublinhou Cornelius. “Muito embora a não-linearidade complique as coisas, ela também fornece um mecanismo para controlar a rede”.
Porém tanto faz você escolher um modelo linear ou não-linear: ambos simplificam as circunstâncias do mundo real. “A não-linearidade é um passo na direção certa, mas existem outras complexidades nessas redes na natureza que realmente tornam as coisas muito difíceis”, enfatizou Doyle. “Um método que emprega modelos matemáticos é, por definição, um método aproximativo”.

Sophie Bushwick é uma escritora de ciências freelance da cidade de Nova York. Seus trabalhos foram publicados em diversos meios impressos e online.

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