Сети регулируют все, от муравьиных колоний и средних школ до эпидемий и Интернета. Вот как они работают

Мы живем в сети. Интернет, общество, тело, муравьиная колония, опухоль: все они представляют собой сети взаимодействия между людьми, муравьями или клетками — агрегаты узлов или локаций, связанных каким-то отношением. Сила сетей в их локальных связях. Все сети растут, сокращаются, сливаются или делятся, связываются по ссылке.

Как они функционируют и меняются, зависит от того, какие формы или нарушает связи между узлами. Интернет доминирует в нашей жизни не потому, что он огромен, а потому, что каждый из нас может сделать так много местных ссылок. Его размер является результатом, а не причиной, влияющим на наше общение.

Нигде решающее влияние местных взаимодействий не так легко увидеть, как у муравьев, которые я изучаю. Местное - это все, что знает муравей. Колония работает без центрального контроля, основанная на сети простых взаимодействий между муравьями. Они локальны по необходимости, потому что муравей не может обнаружить ничего очень далекого.

Большинство видов муравьев не видят, и все они полагаются на запах, что они делают со своими усиков. Важные взаимодействия — это когда муравьи прикасаются к антеннам, нюхая друг друга или землю, нюхающие химические вещества, отлагаемые другими муравьями. Сетевая сеть кратких взаимодействий преобразует группу муравьев, каждый из которых не может оценить глобальную цель, в упорядоченный хаос, который является поведением муравьиной колонии.

В запутанных ветвях и лозах в тропическом сухом лесу Estación Biológica de Chamela в западной Мексике муравьи-черееводы создают и восстанавливают цепь троп, которая связывает их гнезда и источники пищи. Муравьи-черепахи никогда не спускаются на землю, поэтому тропы могут идти только по ветке или стебле растения.

По мере того, как каждый муравей движется вперед, он ставит маленькие капли феромона троп, которые быстро испаряются.

Всякий раз, когда муравей доходит до соединения, где один стебель пересекает другой, он выбирает путь, который наиболее сильно пахнет феромоном, который является путем, по которому большинство муравьев вышли совсем недавно.

Таким образом, тропы муравьев создают сеть в сети тропической растительности.

Схема сети Trult Trail Trail в течение нескольких дней.

Вежливость автора.

В джунглях сеть растительности может быть нарушена.

Проходящаяся хамелеон может уничтожить муравейную тропу многих узлов, разбив скопление нежных переплетенных лиан и ветвей.

Муравьиные гнезда делаются в туннелях личиночных жуков, которые предпочитают зарыться в мягкую дровяную древесину, и в результате ветки с гнездами легко ломаются.

Гнездо приземляется на землю, и муравьи выливаются, многие несут личинок и куколок и поднимаются на ближайшее дерево в поисках тропы.

Исследователь, указывающий на узл 5.

Гнездо 3 обведено справа среди запутанной растительности, в которой муравьи строят свои сети.

Вежливость автора.

В ответ на любой разрыв тропы муравьи восстанавливают его небольшими изменениями в своем локальном выборе пути от узлов к узлу.

Группа студентов и я отметили муравьев лаком для ногтей и обнаружили, что день за днем одни и те же муравьи склонны использовать одну и ту же часть сети.

Но муравьи не всегда могут идти в одно и то же место, иначе они никогда не найдут новых источников пищи.

Выкладывая приманки в нескольких узлах от тропы, я узнал, что муравьи иногда сворачивают с пути и следуют за веткой, в которой нет самого феромона.

Эти локальные ошибки, идущие по пути, который не укреплен, делают всю сеть устойчивой.

Когда путь разорван, некоторые муравьи должны отказаться от того, что вдруг превратилось в тупик.

Несколько муравьев идут к узлу, ближайшем к сломанному, и пытаются оттуда добраться до первоначальной тропы.

(Это называется «жадным поиском» на языке алгоритмов компьютерного поиска.) В конце концов новая часть отремонтированного пути, соединяющая два конца исходной, усиливается муравьями, идущими с другого направления.

Иногда блуждание по пересечениям также позволяет муравьям находить пищу или более короткие или менее сложные дорожки и обрезать ненужные узлы или петли с тропы.

Локальные взаимодействия между муравьями являются ключом к эффективному поиску.

Коллективный поиск всегда включает в себя компромиссы между тщательностью, гарантируя, что ничто не будет упущено из виду, и покрывая землю, гарантируя, что вся территория будет обыскована.

Подумайте, что произойдет, если вы потеряете кольцо с бриллиантом на футбольном поле.

Если у вас есть всего несколько друзей, которые помогут вам найти, им всем приходится много перемещаться, чтобы покрыть все поле, но если есть много искателей, то каждый из них может очень тщательно искать поблизости.

Аргентинские муравьи решают эту проблему, используя локальные взаимодействия для регулирования их поиска.

Они подстраивают свои пути поиска в плотности.

Когда ищет много муравьев, каждый муравей много оборачивается, почти случайно.

Если муравьев всего несколько, они ходят прямыми линиями.

Придаю плотности, по-видимому, являются короткие контакты усиков с другими муравьями.

Очевидное правило таково: «Если я часто встречаю другого муравья, я могу повернуться еще больше.

Если я не сделаю, мне придется идти по более прямой линии.

Эти простые взаимодействия между парами муравьев в совокупности функционируют, чтобы подстроить масштаб сети до оптимального размера для количества доступных муравьев.

Недавно мы попросили другой вид муравья решить эту проблему в микрогравитации, на Международной космической станции (МКС).

Мы отправили муравьи по тротуару на МКС на небольших аренах с барьером внутри.

Чтобы узнать, как муравьи корректируют свои пути, когда плотность уменьшается, астронавты открыли барьер, так что исследуемые муравьи внезапно оказались в большем пространстве, где они встречались реже.

Арены были очень мелкими, поэтому муравьям было не так много места, чтобы плавать вокруг, но время от времени муравей потерял хватку и ходил в танце, похожем на Майкла-Джекса, пока он не смог вернуться.

Казалось, что муравьи так усердно работали, чтобы оставаться привязанными к поверхности, что они не могли приспособить свои пути так же эффективно, как муравьи на контрольных аренах на земле.

Вы можете попробовать себя в гравитации с вашим любимым видом муравьев (поиск муравьев); простая арена, без красивой механической обработки, которую делал НАСА, работает просто отлично.

Инженеры, проектирующие роботов для поиска горящего здания или другой планеты, используют системы, подобные системам муравьев, основанные на сетях локальной связи.

Эти методы роя могут быть проще, дешевле и надежнее к поломке, чем система с использованием центрального управления.

Если каждый ищущий должен передать информацию обратно на центральную станцию, которая, в свою очередь, создает карту и сообщает каждому игроку, что делать, требуется сложный центральный контроль, и если он выходит из строя, все функции теряются.

Напротив, локальные взаимодействия имеют избыточность, если одна не работает, может быть, другая.

Локальные взаимодействия регулируют многие природные системы.

Экологические сети показывают огромное разнообразие типов связей: один организм может жить внутри другого, прилипать к нему, лазать по нему, кушать его, кормить, собирая или переваривая питательные вещества, помогая ему размножаться, неся пыльцу или рассеивая семена.

Все организмы действуют в какой-то экологической сети, ни одно живое существо не действует независимо.

Даже каждая из наших клеток содержит органеллы, соединенные вместе в древнем сотрудничестве между бактериями.

Например, рак, как и все остальное, что делают клетки, прогрессирует в ответ на локальные взаимодействия.

Раковые клетки являются потомками здоровых, и они могут процветать и размножаться, потому что они все еще говорят на местном языке своих предков.

Эти разговоры позволяют им найти удобные районы, в которых можно метастазировать, вызвать кровоснабжение, обезоружную иммунную систему двоюродных братьев и отключить инструкции от других клеток, которые мешают им размножаться.

Прерывание этих разговоров мешало бы росту рака.

Отношения между раковыми клетками составляют многие сбои химиотерапии.

Опухоли содержат много различных форм раковых клеток, каждая из которых происходит из другой эволюционной линии.

Даже когда химиотерапия уничтожает обнаруживаемые признаки опухоли, раковые клетки все еще могут оставаться.

Продолжающееся применение ядовитого лечения способствует развитию все более устойчивых клеток.

Эти устойчивые клетки, больше не конкурирующие за ресурсы со своими покойными, более чувствительными соседями, могут быстро размножаться, и не может быть никаких лекарств, чтобы убить их.

Точно так же вмешательство человека в экологические сети вызвало насекомые-бича, которые сельхозкультур и бактериальные инфекции, которые не могут остановить лекарства.

Особи в популяции отличаются друг от друга по восприимчивости.

Использование одних и тех же ресурсов связывает их друг с другом по конкуренции — то, что ест один человек, — это потеря для другого.

Пестицид или нападение антибиотиками убивают всех, кроме самых устойчивых людей, выбирая устойчивость к чувствительности.

У резистентных внезапно есть ресурсы, чтобы быстро расти.

Разрабатываются новые методы для поддержания как восприимчивых, так и устойчивых людей в сетях раковых клеток, патогенов или сельскохозяйственных вредителей, чтобы они продолжали конкурировать друг с другом.

Интегрированное лечение вредителей и «адаптивная химиотерапия», например, оба работают на то, чтобы убить только некоторых, а не все чувствительных вредителей или раковых клеток.

Остальное они оставляют, чтобы помочь подавить устойчивые.

Эти новые формы контроля учитывают локальные взаимодействия, которые регулируют сети вредителей или клеток.

Самая популярная девушка — самая связанная — все узы дружбы проходят через ее сети в разных формах, в зависимости от расположения ссылок.

Знакомая древовидная сеть, например, является иерархией.

Заводской владелец отдает приказы менеджеру, который отдает приказы бригадирам, которые отдают приказы рабочим.

Эволюция породила филогенетические древовидные сети предков и потомков.

Первоначальные одноклеточные организмы породили огромное дерево бактерий, в то время как еще один раскол в стволе привел к нашей небольшой ветви позвоночных, расположенной в партии веток, называемых млекопитателями.

Дерево и полностью подключенная сеть находятся на крайних концах спектра возможных форм сети.

Социальная жизнь человека может создавать сложные сетевые формы, как знает любая девушка, которая когда-либо училась в средней школе.

Две девушки связаны в сети тем, что их публично признают в друзьях.

Популярные девушки являются центрами сети, с множеством друзей, некоторые из которых также связаны со многими другими, в то время как у одиночек или посторонних вообще нет друзей.

Между хабами и посторонними мы находим девушек, связанных с кем-то из Золотого ближайшего окружения, а также с некоторыми, кто не надеется когда-нибудь быть замеченным помазанником.

Выпускник 6-го класса автора (автора нет на этом фото).

Две девушки, обращенные к камере справа, достигли высокой промежуточности в 7-м и 8-м классах.

Фото предоставлено Marcy Licht Comerchero.

Где бы ни находится девушка в сети, ее можно описать по тому, насколько она полностью связана с остальной частью сети.

Это называется его «между центральностью»: оно обозначает количество связей между всеми другими парами узлов, проходящих через этот узел.

Самая популярная девушка — это самая связанная с ней — все узы дружбы со временем проходят через нее.

В моей средней школе понимание «между центральности между центральным» было настолько сложным и важным, что одна девочка вела тетрадь, отслеживая повседневные изменения в ссылках.

С помощью диаграммы, с кем дружил, было легко увидеть, насколько близко каждый из них был к самому популярному, «между центральностью» каждого претендента на внутренний круг.

За обедом девочки собрались вокруг владельца блокнота, чтобы посмотреть, где в тот день появилось их имя в списке.

Facebook сделал многих из нас девочек средней школой, поскольку его функции выполняют все эти функции, и не только в обед, а 24/7.

Программное обеспечение, которое предлагает вам продукты на Amazon, делает почти то же самое.

Для каждого продукта, который вы покупаете, он подсчитывает ссылки, количество раз, когда кто-то еще купил X, а также покупал Y, Z и т.

д., и выдает продукты, которые чаще всего связаны с X.

Индекс H в Google Scholar, с тревогой контролируемый учеными и докладывавшийся комитетам декламов и сроков, является другой версией.

Подсчет этих местных связей между учеными, когда один цитирует работу другого, начал править наймом и продвижением по службе в университетах.

Чем больше центральность промежуточности любого узла, тем больше власти над сетью он оказывает.

В политическом плане, если вы хотите править, настройте все так, чтобы другие не могли действовать без вашего разрешения, т.е.

так, чтобы ваша центральность между промежуточностью была очень высокой и хорошо соблюдалась.

Но такую власть может подрывать местные, например, изменение климата не может быть отвергаемо, когда все понимают, что это то, что они видят за окном (наземные разговоры), и разрозненные реалии начинают сливаться, когда их приверженцы вступают в беседу лицом к лицу.

Неявное признание силы хорошо связанной сети лежит в основе широко распространенного страха перед муравьями.

Что страшно в муравьях на кухонном столе?

Размышление минут должно заверить кого-то, что он действительно намного больше и сильнее, чем даже сотни муравьев.

Что вызывает тревогу, так это ощущение, что муравьи все связаны и работают вместе.

Но муравьи функционируют, используя сети взаимодействия, а не так, как в фильмах ужасов, призывают к атаке со стороны злобных лидеров.

Их эффективность не связана с влиятельными людьми, которые могут влиять на поведение других.

Муравьи прекрасно справляются без всякой идентичности, ничто не отличает хабы от посторонних.

Центральность между ними не важна для них: скорость взаимодействия муравья зависит только от того, сталкивается ли она с другими, и муравьям все равно, с какими другими муравьями они встречаются.

В своем романе «Война и мир» (1869) Львов Толстой утверждает, что местные отношения между людьми, а не военная стратегия генералов, позволили и отразили вторжение Наполеона в Россию.

Как указал Толстый, а не следовало приказам, люди вели себя как муравьи.

Высокосвязанные сети торговые устойчивость для безопасности.

Больше соединений означает более простой ремонт, но также и большую уязвимость.

Интернет вещей скоро позволит вашему телефону направлять ваш термостат и кофеварку, но не стоит надеяться, что ваш соседский душ.

Для предотвращения этого потребуется система, которая разрешает локальные соединения между некоторыми близлежащими устройствами, но предотвращает другие.

У муравьев тоже есть такая проблема.

Было замечено, что несколько видов муравьев считывают химические сигналы другого вида.

Это связывает сети обоих видов: один находит пищу и прокладывает химическую тропу; другой вид прыгает по той же тропе и вместо этого может брать еду.

Первый зараженный человек прилетел на другой континент, и была запущена мировая эпидемия, как сеть меняется, зависит не только от ее формы, но и от того, как быстро и как часто меняются местные связи.

Нейронные сети, например, формируют связи медленно, что глубоко влияет на человеческое общество.

Нейроны должны расти, чтобы найти других, а рост нейронов производит синапсы, которые несут сигналы.

Если синапсы в нейронных сетях не используются, они обрезаются, исчезая из аксона.

Обрезка происходит гораздо быстрее у молодых млекопитающих, чем у старых, сети в головном мозге младенцев находятся в быстром движении.

Таким образом, временной ход изменения нейронных сетей формирует другую сеть, семейную, которая основана на обязательстве защищать младенцев, пока формируются их мозг, пока они не смогут защитить себя.

Эпидемия — это еще одна форма сети, чей длительность времени зависит от того, как формируются ссылки, поскольку один больной заражает другую.

Эпидемия распространяется наиболее стабильно, в расширении волны болезней, когда все легко связаны со всеми остальными.

Если вирус может жить на дверных ручках, кранах и кнопках лифта, быстрое прикосновение может заразить проходящих мимо незнакомцев.

В фильме «Заражение» (2011) был ужасно реалистичный пример, основанный на фактическом распространении атипичной пневмонии в 2002 году в отеле в Гонконге, сети инфекций, которая быстро распространилась по всему миру.

В фильме вирус перешел от рукопожатия между шеф-поваром и клиентом, официанту, который коснулся стакана клиента, и оттуда всем, кто прикоснулся к любому из них, к которому прикасался любой из них.

Первый зараженный человек отправился в аэропорт и прилетел на другой континент, и была запущена всемирная эпидемия.

Напротив, когда инфекция требует, чтобы передаваться особые обстоятельства, временной течение эпидемии будет медленнее и неустойчивее.

Поначалу наблюдается быстрый всплеск числа больных, как все хабы, люди, которые могут передать многим людям, заразить всех, кого могут.

После этого болезнь будет медленнее вытекать от тех, у кого меньше звеньев.

Например, если один человек заразит другого венерическим заболеванием, должно произойти гораздо больше, чем быстрое прикосновение к дверной ручке, и поэтому люди сильно различаются по количеству, которое они заражают.

Первоначально ВИЧ путешествовали среди людей, у которых было много половых контактов, но затем, в местах, где люди имели доступ к информации и презервативы для предотвращения передачи, вирус уже не дошел до всех половых партнеров всех инфицированных людей, и скорость его распространения замедлилась.

Вакцины замедляют эпидемии не только потому, что вакцина предотвращает инфекцию, но и потому, что каждый человек, не заразившийся, не распространяет ее сам.

Сети в природе показывают, как для сетей, которые мы проектируем, и тех, которые связывают нас друг с другом, шаблон ссылок в локальном масштабе устанавливает параметры стабильности и трансформации.

Почти все, что происходит в жизни, является результатом сети.

Создание или ломка локальных ссылок — это способ измениться.