En campos que van desde la inmunología y la ecología hasta la economía y la termodinámica, los sistemas complejos de múltiples escalas son omnipresentes. También son notoriamente difíciles de modelar. Los enfoques convencionales adoptan una estrategia ascendente o enfoque de arriba hacia abajo. Pero en sistemas perturbados, como un ecosistema forestal posterior a un incendio o una sociedad en una pandemia, estos modelos unidireccionales no pueden capturar las interacciones entre los comportamientos a pequeña escala y las propiedades a nivel del sistema. El profesor externo de SFI John Harte (UC Berkeley) y sus colaboradores han trabajado para resolver este desafío mediante la construcción de un método híbrido que vincula comportamientos ascendentes y causalidad de arriba hacia abajo en una sola teoría.
El artículo de Harte et al en PNASpublicado el 6 de diciembre, describe su enfoque y proporciona cuatro ejemplos reducidos donde podría aplicarse.
«Durante los últimos 14 años, hemos escrito una serie de artículos que muestran que en ecología, este enfoque de arriba hacia abajo es muy poderoso y revela patrones en los ecosistemas», dice Harte. «Predice con precisión patrones ecológicos como la relación especie-área (cómo aumenta la diversidad con el área de la parcela) y la distribución de la abundancia y el tamaño corporal de las especies. Pero hace seis años, descubrimos que cuando un ecosistema está muy perturbado, y como Como resultado, las propiedades a nivel del sistema están cambiando; entonces el enfoque de arriba hacia abajo falla estrepitosamente». Y así, Harte y sus colegas se propusieron desarrollar una teoría que pudiera describir tanto la dinámica a nivel de sistema como las distribuciones de probabilidad que caracterizan los componentes del sistema para sistemas complejos en proceso de cambio.
Las perturbaciones y la retroalimentación bidireccional que pueden provocar aparecen en muchos tipos de sistemas. En el caso de una pandemia, las ecuaciones convencionales de abajo hacia arriba de susceptibles-infectados-recuperados (SIR) ayudan a medir la probabilidad de que un individuo pueda enfermarse por la proximidad a una persona infectada. Sin embargo, lo que este enfoque no capta es la interacción entre las escalas micro y macro. A medida que los casos de la enfermedad aumentan a nivel macro, los individuos pueden darse cuenta y cambiar sus comportamientos, lo que hace que los niveles de casos disminuyan.
De manera similar, en una economía, las decisiones que toman los individuos sobre si aceptar o no un trabajo o realizar una compra están influenciadas por propiedades a nivel del sistema, como el crecimiento del PNB y las tasas de inflación. Mientras tanto, el gasto del consumidor es un factor impulsor de la economía y puede afectar el crecimiento o la caída económica.
En 2021, Harte y sus colegas presentaron por primera vez su nuevo enfoque en la revista. Cartas de Ecología con su artículo «DynaMETE: una teoría híbrida de macroecología dinámica del mecanismo MaxEnt-plus». Al probar su teoría con datos de un bosque muy perturbado en Panamá, el equipo demostró que su modelo híbrido podría explicar los cambios en la distribución de las especies. Ahora, los autores generalizan su modelo para una posible aplicación en otros escenarios.
«Este modelo nos permite calcular cosas que antes no eran calculables», dice Harte. «En estos sistemas de dos niveles, cuando hay influencia tanto de arriba hacia abajo como de abajo hacia arriba, ¿cómo se calcula, cuando el sistema está perturbado, cómo funciona el sistema? y ¿Los individuos responderán con el tiempo? Antes no existía una teoría adecuada. Esta teoría nos permite predecir la trayectoria de las variables a nivel del sistema y la distribución de probabilidad de las partes individuales de ese sistema».
Harte propone una prueba de la teoría en un tanque de combustión (un sistema termodinámico simple) y dice que se necesitan otras pruebas. «La idea más importante aquí fue darnos cuenta de la importancia de la cuestión. Creemos que esta teoría es buena, pero puede que no sea correcta. Aún debe probarse en muchos tipos de sistemas».
En la termodinámica de desequilibrio, como el experimento del tanque de combustión propuesto, predecir la distribución de probabilidad de las energías cinéticas moleculares ha sido una cuestión fronteriza. «Se ha resistido al cálculo», afirma Harte.
La teoría híbrida ofrece una nueva forma de estudiar la dinámica, ya sea en entornos de laboratorio controlados o en algunos de los problemas más tentadores y críticos que enfrenta la humanidad, desde el cambio climático y las pandemias hasta la volatilidad económica.
