Prognozowanie "punktów krytycznych" w organizmie człowieka i w ekosystemach
Międzynarodowa grupa naukowców wywnioskowała na podstawie przeglądu badań progów krytycznych w różnych złożonych systemach takich jak organizm człowieka, ekosystemy i rynki finansowe, że niezależnie od różnic między nimi, kiedy dynamika każdego z systemów jest bliska "punktu krytycznego", charakteryzuje się wspólnymi, typowymi właściwościami. Dokonany przegląd modelowania wczesnych sygnałów ostrzegawczych opisany w czasopiśmie Nature otwiera nowe możliwości połączenia prac prowadzonych w wielu dyscyplinach nad zjawiskiem punktu krytycznego. Prace zostały sfinansowane w części z programu Europejska Nagroda dla Młodego Naukowca, prowadzonego jako element Szóstego Programu Ramowego (6PR) w celu zachęcenia wybitnych młodych naukowców ze wszystkich dyscyplin naukowych z dowolnego kraju na świecie do tworzenia własnych zespołów naukowych w europejskich ośrodkach badawczych. Nagrody te zostały skutecznie zastąpione przez granty dla początkujących naukowców przyznawane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN). Trudno przewidzieć, kiedy w systemie nastąpi krytyczny zwrot, wywołujący na przykład atak astmy lub załamanie rynku. Tworzenie precyzyjnych modeli do prognozowania progów w najbardziej złożonych systemach znajduje się na etapie początkowym, gdyż w większości przypadków naukowcy nie dysponują pełną wiedzą na temat wszystkich istotnych mechanizmów i sprzężeń zwrotnych. W ramach ostatniego przeglądu naukowcy z Hiszpanii, Holandii, Niemiec i USA badali wczesne sygnały ostrzegawcze w bardzo zróżnicowanych systemach, aby sprawdzić czy wykazują podobne cechy. Przyglądali się podobieństwom między napadami padaczki a końcem okresów lodowcowych, pustynnieniem a napadami astmy oraz zmianami klimatycznymi a ekosystemami. "Coraz wyraźniej widać, że złożone systemy mają krytyczne progi - punkty krytyczne - w których przechodzą gwałtownie z jednego stanu w drugi" - czytamy w artykule. Zespół zauważył, że niektóre wczesne sygnały ostrzegawcze mają ogólny charakter, który - jak twierdzą - sugeruje, że te przejścia mogą być w jakiś sposób powiązane z "rozwidleniami", poprzez które uniwersalne prawa dynamicznych systemów rządzą ich zachowaniami. Mówiąc krótko, takie sygnały mogą być cenną informacją o tym, czy wzrasta prawdopodobieństwo poważnego zdarzenia. Wczesne ostrzeżenia o gwałtownych zmianach w organizmie człowieka cechują się schematami podobnymi do tych obserwowanych na przykład w przyrodzie. "W przypadku astmy wykazano, że płuca człowieka mogą zachowywać się według samoorganizującego się modelu zwężenia oskrzeli [kiedy drogi oddechowe ulegają zwężeniu], który może być zapowiedzią poważnej niewydolności oddechowej i który wykazuje podobieństwa do schematu zanikania roślinności na pustyni" - czytamy w artykule. Zaobserwowanie wczesnych sygnałów ostrzegawczych w złożonych systemach naturalnych stanowi nie lada wyzwanie. Niemniej wyniki ostatnich badań 8 gwałtownych zmian klimatu (np. transformacja typu "cieplarnia-chłodnia" mniej więcej 34 miliony lat temu) wykazują dużą korelację między zrekonstruowaną dynamiką klimatu a jego krytycznymi zmianami. Włączenie rynków finansowych do tej mieszanki jest trudne, dlatego że odkrycie przewidywalności w tym sektorze prowadzi do jej eliminacji - wyjaśniają autorzy. Przewidywalność może przynosić zyski, zatem schematy są szybko likwidowane. Jednakże pojawiają się wczesne sygnały ostrzegawcze, które można zaobserwować za pomocą na przykład takich narzędzi jak "indeks strachu" (którym mierzy się niestabilność) lub badając schematy wyrażające się w cenach opcji. "To istotne spostrzeżenia na temat zmian w organizmie człowieka i w przyrodzie" - powiedział Henry Gholz, dyrektor programowy na Wydziale Biologii Środowiskowej Krajowej Fundacji Nauki (NSF) w USA. "Informacja pojawia się w decydującym momencie [...] kiedy kruchość Ziemi (i nasza) została uwydatniona przez krachy finansowe na całym świecie, debaty na temat reformy opieki zdrowotnej i obawy związane z szybkimi zmianami systemów klimatycznych i ekologicznych." "Systemy, w których można wielokrotnie obserwować zmiany, takie jak jeziora, pola czy fizjologia człowieka, pozwalają nam odkryć te progi" - napisali autorzy. Kluczowym zagadnieniem w praktycznym zastosowaniu "jest kwestia czy sygnał można wykryć wystarczająco wcześnie, aby podjąć działania zapobiegające zmianie lub przygotowujące do niej" - czytamy w podsumowaniu. Potrzebne są dalsze prace - jak twierdzą naukowcy - aby dowiedzieć się, jak silne są te sygnały w różnych modelach matematycznych.
Kraje
Niemcy, Hiszpania, Niderlandy, Stany Zjednoczone