Računsko intenzivni kompleksni sistemi

Ko opazujemo obnašanje obsežnih sistemov, lahko zaradi manjšega števila razločljivih stanj in omejenega nabora možnih vedenj, matematični opis sistema poenostavimo. Omenjeno tudi pomeni, da se obnašanje sistema na mikro-ravni ne odraža tudi v obnašanju istega sistema v makroskopski razsežnosti. Prehod iz kapljevinskega v plinasto agregatno stanje, pri vretju vode ima npr. podobne lastnosti kot prehod, ki se pojavi pri segrevanju magneta do točke, kjer se razmagneti. Podobne prehode lahko opazimo tudi, ko neenakost v človeški družbi postane tako velika, da večina živi na robu revščine, ali ko katastrofalne spremembe v ekosistemih privedejo do množičnega izumrtja in lakote. V teh sistemih so prehodi iz enega stanja v drugo običajno označeni s pomembnimi spremembami v obnašanju in konflikti. Področje kompleksnih sistemov se je nedavno pojavilo kot krovna znanstvena disciplina za proučevanje takšnih univerzalnih, kolektivnih pojavov v veliko raznolikih socialnih, bioloških in tehnoloških sistemih. Naš cilj je združiti znanja s področja fizike, biologije, matematike in računalništva v inovativnem programu z namenom postaviti Slovenijo v sam vrh raziskav na področju kompleksnih sistemov. Osredotočili se bomo na raziskovalna področja:  (i) algebraičnih, kombinatoričnih in topoloških metod pri raziskovanju kompleksnih sistemov; (ii) evolucijo kooperativnosti znotraj človeških in živalskih družb;  (iii) tekmovanje zaradi omejenih virov in pretočnosti vrst;  (iv) prostorsko-časovne interakcije v rastlinskih združbah; in  (v) kompleksno vedenje kot posledica okoljskih sprememb.  Vse navedene tematike predstavljajo temeljne izzive, ki segajo od ublažitve socialnih kriz in konfliktov do ohranjanja naravnih virov in biotske raznovrstnosti, s katerimi se bodo srečevale prihodnje generacije. Skupni imenovalec vseh izzivov je teorija kompleksnih sistemov, ki temelji na t.i. agentnih modelih, matematičnih simulacijah obsežnih sistemov, kompleksnih omrežjih, analizi velike količine podatkov (ang. big-data) kot tudi komplementarno eksperimentalno in terensko delo. Interdisciplinarna skupina strokovnjakov, ki poseduje vso potrebno strokovno znanje ter dela v neposredni bližini drug z drugim, bo posvečena uspešnemu zaključku raziskovalnega programa. Z vključevanjem študentov in mladih raziskovalcev v naš program, bomo olajšali pretok znanja in ustvarjali vkjlučujoče delovno okolje.  Nenazadnje pričakujemo, da bomo razvili računsko teorijo z napovedno močjo, ki nam bo omogočila boljše razumevanje širokega nabora pojavov, ki temeljijo na sodelovanju v obsežnih sistemih, tako naravnih kot tudi sistemih, ki so produkt človeka. Naša spoznanja bodo predstavljala najsodobnejša dognanja na področju kompleksnih sistemov. Omenjeno bo imelo tudi daljnosežno praktično uporabnost pri razvoju učinkovitejših politik za trajnostno prihodnost, spodbujanju biotske raznovrstnosti in sodelovanju ter tudi pri zmanjševanju širjenja nalezljivih bolezni, kriminala in sporov.

Teorija kompleksnih sistemov je v zadnjih desetih letih postala zelo priljubljena, kar potrjuje število znanstvenih člankov, indeksiranih v Web of Science. Pod iskano ključno besedo "complex system" se je v WOS število iskanih člankov iz 1.000 v letu 2005, povečalo na 21.423 v letu 2017. V skladu z omenjenim, teorija kompleksnih sistemov utrjuje svoje mesto v znanosti predvsem tam, kjer se znanja in napredek iz različnih področji združujejo v sinergiji in težijo k temu, da postanejo široko uporabni v odkritjih, ki so pomembna za vse nas. Vizija, ki že postaja realnost in katero želimo v prihodnosti gojiti po svojih najboljših močeh v našem raziskovalnem programu. Na podlagi skrbno izbranih raziskovalnih tem smo prepričani, da bomo prispevali prelomne in izvirne rezultate, ki bodo vzpodbudili nadaljnje raziskave v teoriji kompleksnih sistemov in nenazadnje, pričakujemo izvirne rezultate tudi zaradi inherentno interdisciplinarne narave našega raziskovalnega programa. Naše raziskovalne smeri vključujejo trenutno zelo pomembne teme, ki so predmet intenzivnega kontinuiranega dela, kot so razvoj sodelovanja, tekmovalnost zaradi omejenih virov ter kompleksno vedenje kot posledice sprememb v okolju. Načrt razvoja pričujočega programa torej časovno sovpada in se vsebinsko navezuje na najsodobnejše trende raziskav kompleksnih sistemov, zato smo popolnoma prepričani, da bomo pomembno prispevali k razvoju tega področja. Rezultate raziskav bomo objavili v najbolj vplivnih znanstvenih revijah na različnih področjih ter aktivno sodelovali na mednarodnih znanstvenih konferencah, kjer bomo predstavili rezultate širšemu krogu znanstvenikov. Nove algebrske, kombinatorne in topološke metode raziskovanja kompleksnih sistemov nam bodo omogočile uporabo novih modelov ter razvoj algoritmov na učinkovitejše in poenostavljene načine. Napovedi, vezane na vedenjsko dinamiko v socialnih medijih, ki temeljijo na analizi velike količine podatkov, bodo postale natančnejše, pridobivanje podatkov in analiza pa hitrejše. Raziskave povezane z razvojem sodelovanja bodo razkrile nove mehanizme, s pomočjo katerih lahko nepredvidljive motnje, kompleksne topološke interakcije ter strateška kompleksnost konstruktivno vplivajo na razvoj sodelovanja, tako na združbo ljudi kot živali. Upoštevanje fitnesa v modeliranju živih sistemov nam bo približalo uporabo teorije kompleksnih sistemov z dejanskimi problemi v realnem življenju.  S preučevanjem kompleksnih interakcij, ki so jih mikrobiote razvile kot prilagoditev na globalne spremembe v biosferi, pomanjkanje hranil in drugih limitirajočih faktorjev, ki se pojavljajo v industrijskih bioprocesih, bomo poglobili naše znanje o mehanizmih, ki mikroorganizmom omogočajo preživetje v dinamičnem okolju. To nam bo tudi omogočilo nadaljevanje že začetega sodelovanja s priznanimi raziskovalnimi skupinami (npr. na inštitutu Karolinska v Sockholmu). To znanje je pomembno tudi zaradi boljšega razumevanja kompleksnih odzivov skupin mikroorganizmov, ki se uporabljajo v biotehnološki industriji.  Ob že obstoječem internem sodelovanju z Univerzo v Ljubljani in Inštitutom Jožef Štefan bomo v prihodnje nadgradili tudi našo že uspešno mednarodno mrežo sodelujočih univerz in znanstvenih inštitucij, ki so razpršene širom sveta. Aktualni partnerji tako prihajajo iz ETH Zürich, iz številih inštitutov združenja Max Planck, iz univerz Harvard, Yale, Boston, Aalto, Peking, Tsinhua, Hong Kong mesto, Bologna, Ca' Foscari Benetke ter Stockholma, če izpostavimo le bolj prepoznavne. Z omenjenim sodelovanjem bomo izboljšali znanstveno komunikacijo med raziskovalci z različnih znanstvenih področij in na ta način okrepili prepletenost znanstvene skupnosti kompleksnih sistemov tako na nacionalnem kot na mednarodnem nivoju.  Glede na to, da programska skupina vključuje člane z različnimi kompetencami na področju fizike, biologije, matematike in računalništva, bo naše raziskovalno delo transformativno in usmerjeno k odpiranju novih raziskovalnih po

Raziskovalni program naše skupine stremi k temu, da Slovenijo popelje v ospredje raziskav kompleksnih sistemov. Raziskovalne smeri, ki jih razvijamo, se vse po vrsti ukvarjajo s pomembnimi, trenutno relevantnimi konkretnimi problemi, zato je povsem naravno pričakovati, da bo naše delo predstavljalo pomemben doprinos v socialnem, ekonomskem in kulturnem razvoju Slovenije. Še posebej zato, ker naše predvidene raziskave temeljijo tudi na mednarodnem sodelovanju, bodo rezultati programske skupine imeli posebno težo v luči socio-ekonomskega razvoja Slovenije. Zlasti specifikacija optimalnih pogojev v smislu moči soodvisnosti topoloških interakcij in strateške kompleksnosti, pri kateri je sodelovanje in s tem povezano socialno varstvo največje, lahko pozitivno vpliva na socio-ekonomski razvoj, seveda pod pogojem, da je izkazan primeren interes in angažiranost pristojnih posameznikov in/ali inštitucij. Študije, ki bodo pripravljene v sklopu programa, bodo razkrile natančne mehanizme in optimalne pogoje pri katerih imajo pogosto preproste tehnike najustreznejši učinek na razvoj sodelovanja in interakcijo populacij. Poleg tega bo s tem na preizkušnji značilna hierarhična zaposlitvena struktura in soodvisnost večine organizacij v javnem sektorju, pri čemer se bo opredelilo, če takšen sistem res zagotavlja optimalno organizacijo za maksimalen donos in delovno učinkovitost. Preliminarne študije namreč kažejo, da se slednje ne zgodi, zato bodo predstavljene ustrezne alternative. Glede na opisan angažma raziskovalnega programa se lahko pričakujejo številne koristi za socio-ekonomski razvoj Slovenije v najširšem smislu. Programska skupina bo naredila vse potrebno za distribucijo raziskovalnih rezultatov širši javnosti na prijazen in lahko-razumljiv način.  Neposredno je preučevanje in razumevanje razvoja sodelovanja izjemno pomembno za dobrobit naše družbe kot tudi za razumevanje mnogih nadvse zanimivih primerov tega vedenja, ki ga lahko opazimo v naravi. Obstajajo številni primeri iz biologije, ekologije, ekonomije in družboslovja, kjer je poglobljena analiza prostorske dinamike sodelovanja bistvenega pomena za pravilno interpretacijo preteklosti, in za ustrezno načrtovanje prihodnosti. Na spoznanjih, pridobljenih s študijem kompleksih sistemov sodelovanja, bomo pridobili tudi znanja, uporabna v inženirstvu, zlasti na področju koordinacije in nadzora, kjer je mogoče doseči stabilno stanje postopoma med koevolucijo sistemske zmogljivosti in sistema. Ker računsko intenzivne metode ogromno prispevajo k preučevanju kompleksnih sistemov, bomo pokazali, da za mnoge rešitve največjih izzivov današnjega časa potrebujemo le drobne spremembe trenutno utečenih praks javne politike.  Nadalje, zaradi podnebnih sprememb in naraščanja števila prebivalstva po vsem svetu, pa tudi zaradi izbruhov raznih bolezni, postopoma začenja primanjkovati raznoraznih dobrin. V tem kontekstu je razumevanje procesov kompeticije ključnega pomena za učinkovito odločanje in za vzpostavljanje prihodnje politike. To lahko pomaga omiliti težave z distribucijo virov, ki jih primanjkuje, in to v dobrobit človeške družbe, divjine in ekosistemov na lokalni in globalni ravni.  Ker je naše raziskovanje izjemno interdisciplinarno, bo naš doprinos bistven tudi na drugih področjih raziskovanja v Sloveniji. Organizirali bomo znanstvena srečanja in konference, kar bo omogočilo lažjo izmenjavo znanja in idej. S tem bomo prav tako utrdili vezi med raziskovalci v Sloveniji in drugod. S postavitvijo Slovenije na vodilno mesto v raziskovanju kompleksnih sistemov bodo naše raziskave pomagale krepiti nivo moderne znanstvene miselnosti v državi. Poleg tega načrtujemo, da bomo naše rezultate predstavili tudi širši javnosti in tako utrdili zavedanje pomembnosti znanosti. Naša organizacija bo nadaljevala z aktivno pripravo Noči raziskovalcev, delavnic za srednješolske in osnovnošolske učitelje, javnih predavanj, kot tudi aktivnosti v okviru dni odprtih vrat. Prav tako bomo lokalne in nacio