Hey City Zen!

I don't often post about our science on this blog, but it is also my Zen, I am going to start posting updates of that dimension here as well.

In a paper in the journal Journal of the Royal Society Interface,  in a collaboration started long ago with Manuel Marques-Pita and Santosh Manicka, we show that a large amount of redundancy exists in how genes, proteins and other biochemical components process signals. This results in much robustness to perturbations, allowing biological systems to exist in a stable or near-critical dynamical regime, despite being composed of thousands of biochemical variables which would ordinarily result in chaotic dynamics.

The measure of effective connectivity we developed captures redundancy in automata networks and is shown in the paper to be highly predictive of dynamical regime of biochemical systems ranging from flower development to breast cancer in humans. The approach thus adds empirical validity to several  well-known hypotheses in theoretical biology: 1) that canalization adds robustness to biological development put forth by C.H. Waddington, 2) that redundancy is essential for evolvability put forth by Michael Conrad, and 3) that biological organisms exist in a near-critical dynamical regime put forth by Stuart Kauffman. The new work further connects the three hypotheses by equating canalization with redundancy, providing a  measure of effective connectivity based on dynamical redundancy, and further showing that this measure very accurately predicts the dynamical regime of biochemical networks.

Beyond the biochemical models we tested, because automata networks are canonical examples of complex systems, the work suggests that redundancy and canalization should be important design principles of resilient and evolvable organizations.

You can read the article following the links in reference:

Manicka Santosh, Marques-Pita Manuel and Rocha Luis M. [2022]. "Effective connectivity determines the critical dynamics of biochemical networks." J. R. Soc. Interface. 19(186):20210659. doi: 10.1098/rsif.2021.0659.

Labels: #Biology, #Complexity, #ComplexNetworks, #ComplexSystems, #Evolution, #Resilience, #Robustness, #Science

Se há uma consequência positiva da Pandemia de COVID-19 que nos assola, é o novo apreço na sociedade em geral pela matemática e ciência. De repente toda a gente prefere ler sobre curvas exponencias em epidemiologia a ver programas na TV sobre astrologia−aliás, como mostrou ironicamente Ricardo Araújo Pereira, esta pandemia ridiculariza todas as “previsões” de horóscopos e tarots do início do ano e deveria envergonhar os canais de media que propagam essas verdadeiras “fake news”.

No entanto, apesar do novo respeito, os cientistas devem agora também frisar que os governos ocidentais, incluindo o Português, não deram atenção suficiente à ciência, previsão e gestão da sociedade moderna face a epidemias. O investimento na investigação científica em áreas interdisciplinares necessárias para lidar com epidemias−incluindo a necessária translação de conhecimento científico para as estruturas de governação e execução de saúde pública−tem sido muito aquém do necessário em Portugal, na Europa e nos EUA. Lembro-me de uma reunião há cerca de 15 anos com o então ministro da ciência (e físico) Mariano Gago por iniciativa do então Presidente da Fundação para a Ciencia e Tecnologia (o incansável) João Sentieiro. Tentei convencê-lo de que no século XXI seria necessário muito maior investimento e treino em modelação epidemiológica, uma vez que os patógenos (como o SARS-CoV-2) agora viajam rapidamente em redes biológicas, ecológicas, sociais, económicas e tecnológicas que interagem entre si de forma muito complexa. O ministro não gostou nada quando lhe disse que estar preparada para esta nova realidade era muito mais importante para a sociedade (saúde, economia e defesa) do que aceleradores de partículas no CERN à procura de bosões. Colegas cientistas na Europa e EUA têm histórias semelhantes sobre as suas conversas com dirigentes de política científica nos seus países.

Não quero com isto dizer que não se deva estudar física das partículas; aliás, todo o investimento em Ciência é um multiplicador económico e de conhecimento. A questão é que o investimento científico não é ilimitado e o estudo das redes que ligam rapidamente o mais ínfimo vírus à mais potente economia não tem recebido a atenção necessária no Mundo ocidental (não tanta como campos que foram importantes no século XX por razões de domínio militar, mas não são tão relevantes hoje). Os governantes Europeus e Americanos ainda não perceberam a complexidade das redes que nos afetam. Que a sua resposta a esta crise foi desastrosa não é uma opinião, mas um fato mensurável em vidas humanas em comparação com a reposta de países asiáticos mais perto da origem do problema. Apesar do tempo de avanço sobre Wuhan, a resposta Europeia e Americana foi muito pior que a da Coreia do Sul, Japão, Singapura, Taiwan, Macau e Hong Kong−até da resposta Chinesa após os seus erros iniciais bem graves. Por exemplo, apesar de alguns países como a Itália terem bloqueado voos diretos com a China, as pessoas viajam em rede, e como tal, voos indiretos por outras capitais fizeram-se sem qualquer avaliação dos viajantes vindos de locais contaminados−demonstrando que os governos ainda não percebem, ou não querem perceber, a complexidade das suas redes de transporte.


Os cidadãos ocidentais merecem saber porquê que as suas nações não responderam da melhor maneira possível e devem exigir um sistema de resposta a pandemias bem mais eficiente e que dê maior resiliência à nossa sociedade. Está mais do que na hora de reorganizar as estruturas de financiamento científico, passando de objetivos militares e nacionalistas obsoletos para prioridades de saúde, económicas e ecológicas transnacionais de nos afetam muito mais diretamente. Hoje o nosso inimigo mais mortal não é uma fantasmagórica nação ou sistema político, mas um vírus que entrou nas nossas redes de defesa imunitária pelas redes alimentares, de produção e de transportes que partilhamos com o resto do planeta mas que não são geridas de forma científica.

É de notar uma perda de capacidade de liderança da parte dos EUA nesta matéria. O presidente Obama tomou a iniciativa de liderar a resposta global à epidemia de Ébola em 2014, enviando recursos americanos substanciais para a fonte da crise e criando estruturas governamentais na Casa Branca para responder a crises futuras que a administração Trump encerrou. Mas o que dizer dos governantes europeus que sabendo do recuo internacional de Trump−bem como da sua terrível incompetência−não tiveram a capacidade de liderar uma resposta apropriada dado o vácuo de liderança Americana? Os países Asiáticos, aprendendo com a experiência do H1N1 em 2009, não esperaram pelos EUA para se defenderem. Portugal, apesar de ter sido razoavelmente rápido com as medidas de distanciamento social, só começou a medir a temperatura de passageiros chegando ao aeroporto de Lisboa no dia 20 de Março, quase dois meses depois da OMS declarar uma urgência global de saúde pública−a medição de temperatura não é por si só muito eficiente, mas viajei pelo aeroporto de Lisboa sete vezes de final de janeiro até meados de Março e nunca ninguém me perguntou onde e com quem estive.

Um corolário desta pandemia é que o primeiro Mundo é agora nos países da Ásia que conseguiram defender os seus cidadãos melhor. O que esperamos é que esta pandemia não seja um colapso, mas antes um grito de alerta para o Mundo Ocidental−e a Europa em particular−acordar para a realidade de interligação planetária. Quando sairmos da crise mais imediata, é essencial criar um CERN, uma ESA ou NASA, para estudar e prever não só a parte biológica das pandemias, mas também medidas que aumentem a capacidade de resposta rápida e, em última análise, a resiliência da nossa sociedade complexa a impactos de natureza vária.

Como se vê muito bem com esta pandemia, a nossa vida social e saúde pública depende imenso das interações em rede que se propagam desde o mais ínfimo patógeno até às redes de transporte, saúde, economia, ecologia e governação. A pandemia demonstra também que a saúde publica depende, e muito, de investimento em Ciencia, da capacidade de sistemas de saúde, bem como da observação e regulação de movimentos em momentos chave−tudo fatores necessários que o Mundo ocidental não tem financiado suficientemente por causa de ideologias que otimizam os custos e lucros na estabilidade, mas nos deixam completamente impreparados para crises. Tudo está interligado e a nossa sobrevivência depende de sabermos responder a uma realidade complexa em que se passa da estabilidade ao caos em poucas semanas. Estou farto de ver políticos, advogados e economistas a debater esta pandemia nos media sem ter cientistas à mesa. A realidade mostra que não integrar o conhecimento científico mais diretamente na decisão política, gestão e regulação das redes bio-tecno-socias planetárias é um desastre que se paga muito caro em vidas humanas e desolação económica.

Labels: #ComplexNetworks, #ComplexSystems, #Covid19, #politics, #Science

I remember a meeting in the 00s with Portuguese science minister (and physicist) Mariano Gago (made possible by the tireless João Sentieiro) in his office. I was pitching a doctoral program and collaboration center in computational biology with a focus on complex networks and systems. I told him that in the XXI century much more training & funding for epidemic modelling, and multi-level bio/social/technical network complexity was necessary. He was not happy at all when I said that funding for these problems would be much more more useful to society than funding particle accelerators at CERN. When we got some funding for the idea (from his funding agency and others but much less than CERN :), the first person I brought in was Alessandro Vespignani who was so nice to agree to help the program. He ended up collaborating with Gabriela Gomes and others during his visit to get funding for Epiwork and InfluenzaNet. I wish Gago and all science funding agencies had taken this area more seriously. We need a CERN and an NSF-STC for pandemics and complex multilevel networks and systems.

In the meantime, we have to witness the late and sad response of EU and USA leaders to this pandemic. No government in the West comes out looking good from this pandemic. With all the lead time they had since the outbreak, they cannot match the type of response we have seen from China, South Korea, Japan, Singapore, Taiwan, Hong Kong, and Macau. Leaders in the west still do not understand network, multilevel complexity where viruses travel in technological networks to impact our health, society and economy. The idea that they were not able to track and test travel flows out of Wuhan on transportation networks, rather than direct flights, demonstrates governments still do not understand network complexity---or don't care to.

There has certainly been loss in leadership from Obama to Trump; Obama, after all, lead the effort to contain the Ebola outbreak. For sure this does not look good for the USA. But what to say of European leaders? They cannot muster leadership if the US Emperor is a #TerriblePresident? It is even more pathetic that European leaders, who are not as terrible as Trump and know he is useless, cannot take a leadership role in this instance. I hope this is the ultimate wake-up call for the West, rather than our end--- previous civilizations have fallen from the impact of disease.

Oh, well. In the meantime, let's follow our social containment before we can regroup. Towards that, here is a #StayHome playlist for a hopeful quarantine. I am still hopeful that the younger generations will learn from this and do better than current western leaders have.

Labels: #ComplexNetworks, #ComplexSystems, #Covid19, #Music, #Pandemics, #TerriblePresident