A gyenge kapcsolatok stabilizálják a világot?

A hálózat szó hallatán a legtöbb ember valószínűleg az internetre gondol, holott mindennapjainkat, életünket, a Föld egészét hálózatok szövik át. Ezeket úgynevezett gyenge kölcsönhatások stabilizálják. Milyenek a gyenge kölcsönhatások? Hogyan működnek? Mi a helyzet az erős kölcsönhatásokkal? Miért találjuk szépnek Mona Lisa mosolyát? Miért halt volna ki az ember, ha nem volna mindenevő? S mi köze mindezekhez a gyenge kölcsönhatásoknak? Egyebek közt ezekről a kérdésekről beszélgettünk Csermely Péter biokémikussal, a Semmelweis Egyetem professzorával.

Mi kapcsolja össze a bennünk és körülöttünk lévő világot hálózatokká? Miért fontos, hogy hálózatok hálózataként ismerjük meg a világot?
- A hálózatokban való gondolkodás akkor alkalmazható, ha egy szerveződés felbontható egymással szorosabb, illetve gyengébb kapcsolatban álló kisebb részekre, és ezek kapcsolata meghatározza a szerveződés egészének tulajdonságait (amelyeket legtöbbször nem lehet kitalálni a részek tulajdonságaiból). Ezeket csoportjellemző vagy emergens tulajdonságoknak nevezzük. A hálózatokkal kapcsolatban azért használom a "szerveződés" kifejezést, mert az embert felépítő és körülölelő világ önszerveződő. A kisebb egységek egymásra épüléséből egyre nagyobb, komplexebb egységek keletkeznek, amelyek - amellett, hogy önmaguk is hálózatok - egy magasabb szintű hálózat egyedi elemeiként viselkednek.

A hálózatokban való gondolkodás tehát a megismerés egyik fontos módszere. Gyermekkorunkban a világ felfedezését a környezetünkben lévő emberek, tárgyak megfigyelésével kezdjük. Van-e valamiféle hasonlóság a kétféle megismerés között?
- Anélkül, hogy tudnánk róla, kiskorunk óta hálózatokban gondolkodunk, a világot ugyanis a hálózatok teszik számunkra felfoghatóvá. Ha távolabbról nézzük, egységnek tűnik, ha közelebbről, akkor hálózatnak. Barátunkkal beszélgetve nem gondolunk arra, hogy tulajdonképpen ő is sejtek hálózata, és hogy válaszait pszichológiai vonásainak és egész élettörténetének hálózata határozza meg. Ha ilyen mélységig átgondolnánk a ránk mosolygó Józsit, bele is őrülnénk. Ugyanakkor, ha soha senki nem lenne képes belegondolni abba, hogy Józsink számtalan hálózat összessége, akkor Józsit soha nem lehetne meggyógyítani, amikor beteg.

Csermely Péter, a SOTE professzora

Milyen általános, jellemző tulajdonságai vannak a hálózatoknak?
- A legtöbb hálózat felépítése skálafüggetlen eloszlást követ. Erre Barabási László és munkatársai hívták fel a figyelmet 1999-ben. Ez az eloszlás a térben is jelentkezik: ekkor olyan önhasonló objektumok - Benoit Mandelbrot elnevezésével fraktálok - keletkeznek, mint a hópihe, a hegycsúcs, a felhő vagy a fák. Az időben jelentkező, skálafüggetlen eloszlást Mandelbrot József-hatásnak nevezte el a bibliai hét szűk és hét bő esztendőre utalva. A József-hatás egyik első megfogalmazása Daniel Bernoulli nevéhez fűződik. Bernoulli éppen ezüstrubeleseket dobált Leonhard Eulerrel a Néva partján, amikor rájött arra: a pénzdobálás-sorozatok során Euler-nél mindig egy nagyságrenddel többet nyerhet, de ennek a valószínűsége éppen egy nagyságrenddel kisebb. Azt ugyan semmilyen hálózat nem mondja meg, pontosan mikor fogunk egy nagyságrenddel többet nyerni, a hálózatok mégis kiszámíthatóbbá teszik számunkra a véletlent.
A hálózatok egy része úgynevezett kisvilágnak tekinthető. Csak azt a hálózatot nevezzük kisvilágnak, amelyben az egyes elemek néhány, három-hat kapcsolatnyira vannak egymástól. A "kisvilágság" előnyei - az információk könnyű elérése, a gyors mozgósítás a közös cél érdekében stb. - ugyanakkor költségekkel is járnak, hiszen minden egyes kapcsolat kiépítése és fenntartása energiát igényel. Vannak hálózatok, például néhány elektromos hálózat, amelyek számára a kisvilágsághoz szükséges számú kapcsolat kiépítéséhez túl sok energia szükséges, és ez az energiabefektetés már nem térül meg.

A hálózatok komplex, hierarchikus, bonyolult kapcsolatrendszerek, ezért megismerésükhöz bizonyos egyszerűsítésekkel kell élnünk. Ezt nagyon gyakran elvégezzük, voltaképpen ahányszor csak megszólalunk. Amint elkezdünk beszélni valamiről, rögtön meghatározzuk, hogy az egymásba ágyazott hálózati szintek közül melyikkel foglalkozunk, és egyúttal az összes többit elhanyagoljuk.

A rendszerek általában akkor működnek optimálisan, ha stabilak. Gondolom, így van ez a kisvilágokkal is.
- Valóban, a körülöttünk lévő kisvilágok stabilitását a gyenge kapcsolatok biztosítják. De minket, sejtjeinket, és az általunk épített társadalmakat is a gyenge kapcsolatok stabilizálják. A kisvilágok születésük óta stabilabbak, mint a "nagyobb világok". Az igazán érdekes az, hogy a "legkisebb világok" ugyancsak instabilak. Ha egy hálózatot túl sok helyen kötök össze, az ismét instabilitáshoz vezet, a stabilitás kismértékű sérülése pedig fluktuációkat okoz. Feje tetejére áll a világ: az átlagos viselkedés lesz a furcsa, és a furcsa viselkedés lesz az átlagos. Ha a stabilitás még jobban (vagy gyakrabban) sérül, a hálózat hipp-hopp átalakul. A Vicsek Tamás és munkatársai által 2004-ben megfogalmazott elmélet szerint a hálózat ilyenkor formát vált: ha a környezeti feltételek szigorodnak, a hálózat könnyen csillaghálóvá válik (ennek a társadalmi hálózatokban a diktatúra felel meg), vagy apróbb hálózatokká esik szét (ez gyakran a hálózat halálát jelenti).

Mi történik a hálózatokkal, ha, mondjuk stressz hatására, zavar keletkezik bennük? Ez is instabilitáshoz vezet?
- A zavar a legtöbb hálózatban szétoszlik, ezzel megakadályozva az instabilitást. Ez a hálózatok egyik legjobb védekezési mechanizmusa. Ha a zavar a hálózat egyik elemében megreked, akkor ez az elem kizökken eredeti egyensúlyából, tartósan károsodni fog, s ez a legtöbb esetben a széteséséhez, "halálához" vezet. Vagyis a stressz leküzdésében elemi érdekünk, hogy a társadalmi hálózat szerves részei legyünk. A magányos ember stressztűrése rendkívül kicsi.

Az erős kapcsolatok bármikor meggyengülhetnek. Ez is akkor következik be, ha a hálózatban zavar keletkezik. Azok a hálózati elemek, amelyeken a zavar áthalad, erős kapcsolataik egy részét elveszítik, így gyengévé válnak. Gyakran megesik, hogy amikor valami baj támad az életünkben, néhány, korábban is erős kapcsolat még erősebbé válik, és segít átvészelni a bajt. De ugyanilyen gyakori, hogy a bajba jutottnak nincs ereje a "munkaigényes" erős rokoni és baráti kapcsolatok fenntartására, és ezek gyenge kapcsolatokká válnak.

Miért a gyenge és nem az erős kapcsolatok alkalmasak a hálózatok stabilizálására?
- Ahhoz, hogy a fehérjék vagy az RNS-ek mozogni tudjanak, nem szabad, hogy túl erős kapcsolatok stabilizálják őket. Más szavakkal: fehérjéinknek és RNS-einknek mindig a szétesés határán kell táncolniuk. Az állandóan változó, gyenge kapcsolatok tartják fenn azt a viszonylagos állandóságot, ami például egy sejt belsejében fennáll, és ami a négymilliárd éves földi evolúció egyik legfontosabb vívmánya.

A sejt stabilitását a benne előforduló makromolekulák kapcsolódásai (vagyis hálózata) adják. A mechanikai stabilitásért a citoszkeleton a felelős, a folyamatok stabilitásáért pedig a fehérje- és RNS-hálózatok gyenge kapcsolatai. Ugyanakkor a sejt nagyobb alkotóelemei, a sejtszervecskék is részt vehetnek ebben. Nemrégiben kiderült, hogy mitokondriumaink is hálózatot alkotnak, amely összeköttetésben áll a sejtmaggal, az endoplazmatikus retikulummal és sok más sejtalkotóval. Minden bizonnyal az e részek közötti gyenge kapcsolatok is hozzájárulnak sejtjeink stabilitásához.