2022-01-20
Effective connectivity
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
2021-02-18
O sexo dos anjos, ou como a complexidade das pandemias exige pensamento sistémico
Desde novembro de 2020 já morreram por Covid-19 quase 13000 pessoas em Portugal, sem contar com mortes indiretas devido à falta de atenção médica a outras doenças. É como se mais de 31 aviões Jumbo tivessem caído no nosso país. No meio da morte e devastação económica, é fácil esquecer que tudo isto se deve a um vírus 1000 vezes mais pequeno do que um cabelo humano que transitou de algum organismo para as nossas redes de alimentação, transporte, saúde, educação, economia, comunicação e governação. Já aqui escrevi que o estudo das redes que ligam rapidamente o mais ínfimo vírus à mais potente economia não tem recebido a atenção necessária no Mundo ocidental. Mas é importante perceber porque a resiliência e até a sobrevivência da nossa sociedade face a pandemias necessita de uma abordagem verdadeiramente interdisciplinar e sistémica.
Um dos sucessos da ciência tem sido a sua capacidade de delimitar problemas a uma escala apropriada aos nossos limites cognitivos. Na prática isto é feito agregando os efeitos de níveis em que não estamos interessados, assumindo que são suficientemente constantes para ser ignorados−ou considerados como condições fronteira na linguagem da física. Por exemplo, um oncologista pode na prática ignorar efeitos quânticos quando estuda a transmissão de fatores genéticos ligados ao cancro entre gerações.
Muitos problemas podem de facto ser estudados bem dessa maneira, algo que Herbert Simon atribuiu a hierarquias naturais de organização que permitem que muitos problemas sejam na prática “quase-decomponíveis.” Uma nota para lembrar que Simon foi um dos casos notáveis de interdisciplinaridade, tendo recebido tanto um Nobel em Economia como o premio Turing em computação.
A ciência estuda a natureza e sociedade delimitando-as de acordo com os níveis em que as experienciamos. Disciplinas e departamentos universitários são assim organizados desde o estudo do mais pequeno, como a física de partículas e a biologia molecular, até ao estudo da biosfera e astrofísica, passando pelo estudo de sociedades inteiras, como na economia e sociologia. O problema é que os fenómenos verdadeiramente complexos escapam a essa assunção de organização hierárquica, como demonstra esta pandemia ao emaranhar tantos níveis: desde as interações moleculares que permitiram ao SARS-Cov-2 passar para humanos, até às redes de transporte, economia e saúde publica que foram alteradas por essa transmissão molecular. Pior ainda, o vírus continua a sua evolução por seleção natural, e quanto mais se propaga, mais evolui, o que quer dizer que o seu impacto não é constante.
Como cada
cientista é tipicamente treinado a lidar apenas com um nível, ignorando ou assumindo
a estabilidade dos outros, nenhum é um “especialista” na pandemia que mistura todos
os níveis dinamicamente. Esta complexidade está por trás de imensos problemas
revelados neste contexto. Como disse Theodosius Dobzhansky, “nada faz sentido em Biologia sem ser à luz
da evolução”. Mas até o epidemiologista chefe da Suécia e proponentes da declaração
de Great Barrington
aparentemente a esqueceram. Ao proporem não controlar a propagação,
implicitamente assumiram que a transmissibilidade e letalidade do vírus se
manteria constante, esquecendo que este evolui tanto mais quanto maior for a população de pessoas
por infetar. Infelizmente
as novas variantes demonstram o perigo dessa evolução, tornando medidas anteriormente eficazes (como
confinamentos mais leves ou máscaras sociais) insuficientes
para não ultrapassar a capacidade dos sistemas de saúde antes das vacinas
começarem a fazer efeito (Figura
1).
 |
Esquema conceptual da corrida entre vacinas e variantes mais infeciosas. Já não se trata de achatar a curva mas de ganhar tempo. Com as novas variantes, medidas de contenção anteriormente eficazes não chegam. Imagem retirada com permissão de: Petersen, M.B., et al. 2021. “Communicate Hope to Motivate Action Against Highly Infectious Sars-cov-2 Variants.” PsyArXiv. February 9. doi:10.31234/osf.io/gxcyn.
Também muitos economistas tentam separar o fenómeno epidemiológico do impacto económico e social que medidas de saúde publica têm na população. Tratando em separado estes problemas, parece-lhes óbvio que minimizar as mortes por via de confinamento poderá sair caro demais para os mais pobres. O problema é que quando a propagação fica descontrolada, a mortalidade e desolação são tais que o impacto na economia é ainda maior, especialmente nos mais pobres. Veja-se a teimosia de não fechar as escolas após relaxamento no Natal, quando tantos países europeus fizeram o contrário. Só tornou muito pior tanto o número de mortos como a economia (e daí pior impacto nos mais pobres) porque agora temos de confinar agressivamente por mais tempo−já para não falar da reputação de Portugal que está agora no Top 5 de mortes per capita por covid (países com mais de 3 milhões de habitantes) .
Mas como se pode integrar
a perícia de especialistas, treinados em níveis individuais, para otimizar a
resposta à pandemia e obter sociedades mais resilientes? A resposta passa
certamente por incluir mais pensamento sistémico. Esta aproximação iniciada no Sec. XX por
cientistas como Alan Turing, John Von Neumann, Herbert Simon, Margaret Mead e
outros, baseia-se no estudo de sistemas complexos por equipas
interdisciplinares capazes de integrar o conhecimento de cada nível necessário
ao problema. A aproximação nasceu precisamente para resolver problemas
existenciais que nenhum cientista poderia resolver sozinho, como o Manhattan Project e a decifração das máquinas Lorenz e Enigma da Alemanha
Nazi pelas equipas interdisciplinares de Bletchley Park. A metodologia tem sido extremamente produtiva
desde a sua aplicação na Economia (de Herbert Simon a Elinor Olstrom) até aos melhores modelos de previsão da pandemia de
COVID19 da atualidade.
Para formar estas
equipas é essencial treinar cientistas que sejam 1) “bilingues” em modelos
computacionais e noutra área científica especifica e 2) preparados a trabalhar
em equipas interdisciplinares. Há mais de 15 anos que dirijo um programa
doutoral nos EUA – patrocinado por um grande projeto da National
Science Foundation – para treinar este tipo de especialista. Cada aluno sai
com um duplo doutoramento em sistemas complexos e numa área de foco, desde a
física e biologia, à economia, sociologia e até a história da arte. Vários
programas semelhantes existem pelo Mundo fora, produzindo uma nova geração de
cientista e académico capaz de atravessar os níveis naturais e sociais
envolvidos em problemas complexos.
A existência
destes feedbacks entre níveis que não são separáveis é precisamente o
que define um sistema complexo como a pandemia. Para a resolver é necessário sair de caixas disciplinares e adotar pensamento sistémico. Mais do que
“especialistas” ouvidos individualmente em cacofonia, precisamos de equipas verdadeiramente
interdisciplinares que consigam atacar a pandemia em todo o seu complexo
de níveis interligados. Não é
difícil identificar quando um problema trespassa níveis e não pode ser
resolvido apenas com conceitos usados nesse nível. Por exemplo, os problemas
causados pelo fecho das escolas ou dos restaurantes no confinamento podem ser
quase totalmente resolvidos com mais dinheiro, mas a propagação da pandemia
não. Também não pode ser resolvida só pela virologia, mesmo com as vacinas.
Necessita, entre outras coisas, de alteração e regulação de comportamentos,
incluindo restrições temporárias de direitos civis.
Ficou recentemente em voga defender que não se pode deixar a ciência “colonizar” a política na resposta à pandemia. No Twitter, Susana Peralta disse-me “O confinamento não é ‘necessário’. É uma escolha política. Tem vantagens e desvantagens. Pesá-los é do domínio da política. Nós, os técnicos/académicos, devemos alertar para as consequências de cada opção política nas nossas áreas. Ao governo e só ao governo compete decidir”. Isto é, a Ciência é vista como separada da governação e as suas disciplinas consideradas como variáveis independentes. Mas os países que melhor protegeram os seus cidadãos e economia da pandemia não o fizeram a ler Max Weber, nem levantar bandeiras ideológicas leva o vírus a mudar de comportamento. Finalmente percebo aquela história dos cidadãos de Constantinopla a discutir o sexo dos anjos com o exército Otomano à porta. Tal como os romanos bizantinos, grande parte da opinião está em negação face à realidade complexa da pandemia. A nossa realidade não está em curso estável para que possamos considerar cada um dos seus níveis separadamente; a pandemia é como uma singularidade que os mistura a todos.
Veja-se por
exemplo como a comissão nacional de proteção de dados deu um golpe mortal na
aplicação de rastreio Stay Away Covid, ao deificar a privacidade como um
valor absoluto separado do seu impacto na saúde publica e economia. Especificamente,
exigiu que apenas médicos possam entrar
códigos de casos positivos na aplicação, o que tornou a aplicação inútil. Mas aplicações como esta são componentes
essenciais da aproximação sistémica das democracias da Ásia-Pacifico que controlaram
a pandemia−incluindo países tão pobres como o Butão. Seria bom quantificar quantas mortes e
desolação económica essa decisão da CNPD causou ao considerar a privacidade
separadamente do contexto da pandemia.
Não podemos continuar a
tratar a pandemia com especialistas separados por disciplina, nem tampouco focar
exclusivamente na elevação de ideais políticos como se eles pudessem sobreviver
separadamente se a pandemia continuar a evoluir descontroladamente por anos.
Não está de todo fora das possibilidades este vírus−ou outro num futuro
próximo−evoluir para algo que pode aniquilar a civilização−altura em que a
democracia será tão relevante quanto o sexo dos anjos.
Labels: #ComplexSystems, #Covid19, #Interdisciplinarity
2020-03-31
É necessário mais investimento em ciência de complexidade e resiliência para lidar com pandemias
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
2020-03-22
COVID-19, The West, and Complexity: On terrible leaders and a Playlist
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
2018-11-06
Appropriation R Us
Labels: #Appropriation, #ComplexSystems, #Culture, #DJCulture
