Dans les domaines allant de l'immunologie et de l'écologie à l'économie et à la thermodynamique, les systèmes complexes à grande échelle sont omniprésents. Ils sont également notoirement difficiles à modéliser. Les approches conventionnelles prennent soit de bas ou approche descendante. Mais dans les systèmes perturbés, comme un écosystème forestier post-feu ou une société en pandémie, ces modèles unidirectionnels ne peuvent pas capturer les interactions entre les comportements à petite échelle et les propriétés au niveau du système. Le professeur externe SFI John Harte (UC Berkeley) et ses collaborateurs ont travaillé pour résoudre ce défi en créant une méthode hybride qui relie les comportements ascendants et la causalité descendante dans une seule théorie.
Le papier de Harte et al dans le Actes de l'Académie nationale des sciencespublié le 6 décembre, décrit leur approche et fournit quatre exemples épurés où il pourrait être appliqué.
« Au cours des 14 dernières années, nous avons écrit une série d'articles montrant que dans l'écologie, cette approche descendante est très puissante et révèle des modèles dans les écosystèmes », explique Harte. « Il prédit avec précision les schémas écologiques tels que la relation espèce (comment la diversité augmente avec la zone de parcelle) et la distribution des abondances et de la taille des espèces. Mais il y a six ans, nous avons découvert que lorsqu'un écosystème est fortement dérangé – et en tant que comme un Résultat, les propriétés au niveau du système sont en constante évolution – alors l'approche descendante échoue misérablement. » Et donc, Harte et ses collègues ont décidé de développer une théorie qui pourrait décrire à la fois la dynamique au niveau du système et les distributions de probabilité qui caractérisent les composants du système pour les systèmes complexes en flux.
Les perturbations et les commentaires bidirectionnels qu'ils peuvent provoquer apparaissent dans de nombreux types de systèmes. Dans le cas d'une pandémie, des équations (SIR) (SIR), conventionnelles de bas en haut, infectées par soupfecté (SIR) aident à mesurer la probabilité qu'un individu puisse devenir malade grâce à une personne infectée. Ce que cette approche ne capture pas, cependant, c'est l'interaction entre les échelles micro et macro. À mesure que les cas de maladie augmentent au niveau macro, les individus peuvent en prendre note et changer leurs comportements, entraînant la baisse des niveaux de cas.
De même, dans une économie, les décisions que les individus prennent sur l'opportunité de prendre un emploi ou de faire un achat sont influencées par des propriétés au niveau du système comme la croissance du GNP et les taux d'inflation. Pendant ce temps, les dépenses de consommation sont un facteur moteur de l'économie et peuvent avoir un impact sur la croissance économique ou la baisse.
En 2021, Harte et ses collègues ont présenté pour la première fois leur nouvelle approche dans la revue Lettres d'écologie avec leur article « Dynamite: une théorie hybride maxent-plus-mécanisme de la macroécologie dynamique ». Testant leur théorie contre les données d'une forêt fortement perturbée au Panama, l'équipe a montré que leur modèle hybride pouvait expliquer les changements dans la distribution des espèces. Maintenant, les auteurs généralisent leur modèle pour une application possible dans d'autres scénarios.
« Ce modèle nous permet de calculer des choses qui n'ont pas été calculables auparavant », explique Harte. « Dans ces systèmes de niveau biologique, lorsqu'il y a à la fois une influence descendante et ascendante, comment calculez-vous, lorsque le système est perturbé, comment le système et Les individus répondront au fil du temps? Il n'y avait pas de théorie adéquate auparavant. Cette théorie nous permet de prédire la trajectoire des variables au niveau du système et la distribution de probabilité de parties individuelles dans ce système. «
Harte propose un test de la théorie dans un réservoir de combustion – un simple système thermodynamique – et dit que d'autres tests sont nécessaires. « Le plus grand aperçu ici a été de réaliser l'importance de la question. Nous pensons que cette théorie est bonne, mais elle peut ne pas être juste. Il doit toujours être testé sur de nombreux types de systèmes. »
Dans la thermodynamique sans valeur telle que l'expérience du réservoir de combustion proposé, prédire la distribution de probabilité des énergies cinétiques moléculaires a été un problème de frontière. « Il a résisté au calcul », explique Harte.
La théorie hybride offre une nouvelle façon d'étudier la dynamique, que ce soit dans des milieux de laboratoire contrôlés ou dans certains des problèmes les plus alléchants et les plus critiques auxquels l'humanité est confrontée, du changement climatique et des pandémies à la volatilité économique.
