تئوری هیبریدی: راهکاری نوین برای مدل‌سازی سیستم‌های پیچیده

چالش‌های مدل‌سازی سیستم‌های پیچیده چند مقیاسی

در زمینه‌هایی مانند ایمنی‌شناسی، بوم‌شناسی، اقتصاد و ترمودینامیک، سیستم‌های پیچیده چند مقیاسی به وفور وجود دارند. با این حال، مدل‌سازی این سیستم‌ها به شدت دشوار است. روش‌های متداول معمولاً یا از پایین به بالا (bottom-up) یا از بالا به پایین (top-down) عمل می‌کنند. اما در سیستم‌های مختل‌شده، مانند اکوسیستم‌های جنگلی پس از آتش‌سوزی، این رویکردها ممکن است ناکافی باشند.

نظریه جدید در اکولوژی ماکرو: DynaMETE

با افزایش موارد بیماری در سطح کلان، افراد ممکن است متوجه تغییرات پیرامون خود شوند و رفتارهای خود را تغییر دهند که این امر می‌تواند منجر به کاهش سطح موارد بیماری گردد. به همین ترتیب، در یک اقتصاد، تصمیماتی که افراد در مورد پذیرش شغل یا خرید کالا اتخاذ می‌کنند تحت تأثیر ویژگی‌های سیستم‌محور مانند رشد تولید ناخالص ملی (GNP) و نرخ تورم قرار دارد. در این میان، هزینه‌های مصرف‌کننده یکی از عوامل محرک در اقتصاد است و می‌تواند بر رشد یا کاهش اقتصادی تأثیر بگذارد.

در سال 2021، هارت و همکارانش رویکرد جدید خود را در نشریه Ecology Letters با مقاله‌ای تحت عنوان “DynaMETE: نظریه ترکیبی MaxEnt و مکانیزم در اکولوژی ماکرو دینامیک” ارائه کردند. با آزمایش نظریه خود بر روی داده‌های یک جنگل به شدت آسیب‌دیده در پاناما، این تیم نشان داد که مدل ترکیبی آن‌ها می‌تواند تغییرات در توزیع گونه‌ها را توضیح دهد. اکنون، نویسندگان مدل خود را برای کاربردهای ممکن در سناریوهای دیگر تعمیم می‌دهند.

هارت می‌گوید: “این مدل به ما اجازه می‌دهد تا چیزهایی را محاسبه کنیم که قبلاً قابل محاسبه نبودند. در این سیستم‌های دو سطحی، وقتی تأثیرات از بالا به پایین و از پایین به بالا وجود دارد، چگونه می‌توانیم محاسبه کنیم که وقتی سیستم مختل می‌شود، سیستم و افراد چگونه در طول زمان پاسخ خواهند داد؟ نظریه‌ای مناسب برای این موضوع وجود نداشت. این نظریه به ما اجازه می‌دهد تا مسیر متغیرهای سطح سیستم و توزیع احتمال اجزای فردی در آن سیستم را پیش‌بینی کنیم.”

هارت پیشنهاد می‌کند که نظریه را در یک مخزن احتراق – یک سیستم ترمودینامیکی ساده – آزمایش کند و می‌گوید که آزمایش‌های دیگری نیز لازم است. او می‌افزاید: “بزرگ‌ترین بینش در اینجا درک اهمیت سؤال بود. ما فکر می‌کنیم این نظریه خوب است، اما ممکن است درست نباشد. هنوز باید در انواع مختلف سیستم‌ها آزمایش شود.”

در ترمودینامیک غیرتعادلی، مانند آزمایش پیشنهادی مخزن احتراق، پیش‌بینی توزیع احتمال انرژی‌های جنبشی مولکولی یک مسئله مرزی بوده است. هارت می‌گوید: “این موضوع در برابر محاسبه مقاومت کرده است.” نظریه ترکیبی یک روش جدید برای مطالعه دینامیک ارائه می‌دهد، چه در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی و چه در برخی از مهم‌ترین و چالش‌برانگیزترین مسائل پیش روی بشریت، از تغییرات اقلیمی و پاندمی‌ها تا نوسانات اقتصادی.