Les chercheurs développent une méthode pour prédire des événements sans précédent

Un événement de cygne noir est un incident hautement improbable mais massivement conséquent, comme la récession mondiale de 2008 et la perte d’un tiers de l’antilope saïga mondiale en quelques jours en 2015. Remettre en question la nature par essence imprévisible des événements de cygne noir, les bio-ingénieurs à l’Université de Stanford proposent une méthode pour prévoir ces fluctuations supposées imprévisibles.

«En analysant les données à long terme de trois écosystèmes, nous avons pu montrer que les fluctuations qui se produisent dans différentes espèces biologiques sont statistiquement les mêmes dans différents écosystèmes», a déclaré Samuel Bray, assistant de recherche dans le laboratoire de Bo Wang, professeur assistant de bioingénierie à Stanford. « Cela suggère qu’il existe certains processus universels sous-jacents dont nous pouvons profiter pour prévoir ce type de comportement extrême. »

La méthode de prévision développée par les chercheurs, détaillée récemment dans Biologie computationnelle PLOS, est basé sur des systèmes naturels et pourrait être utilisé dans les soins de santé et la recherche environnementale. Il a également des applications potentielles dans des disciplines en dehors de l’écologie qui ont leurs propres événements de cygne noir, tels que l’économie et la politique.

«Ce travail est passionnant car c’est l’occasion de tirer parti des connaissances et des outils de calcul que nous développons en laboratoire et de les utiliser pour mieux comprendre – voire prévoir ou prévoir – ce qui se passe dans le monde qui nous entoure», a déclaré Wang, qui est l’auteur principal de l’article. « Cela nous relie au monde plus vaste. »

Des microbes aux avalanches

Au fil des années d’étude des communautés microbiennes, Bray a remarqué plusieurs cas où une espèce subirait un boom démographique imprévu, dépassant ses voisins. En discutant de ces événements avec Wang, ils se sont demandé si ce phénomène s’était également produit en dehors du laboratoire et, dans l’affirmative, s’il pouvait être prédit.

Afin de répondre à cette question, les chercheurs ont dû trouver d’autres systèmes biologiques qui subissent des événements de cygne noir. Les chercheurs avaient besoin de détails, non seulement sur les événements du cygne noir eux-mêmes, mais aussi sur le contexte dans lequel ils se sont produits. Ils ont donc spécifiquement recherché des écosystèmes que les scientifiques surveillent de près depuis de nombreuses années.

«Ces données doivent capturer de longues périodes de temps et c’est difficile à collecter», a déclaré Bray, qui est l’auteur principal de l’article. « C’est bien plus qu’un doctorat d’information. Mais c’est la seule façon de voir le spectre de ces fluctuations à grande échelle. »

Bray a opté pour trois ensembles de données éclectiques: une étude de huit ans sur le plancton de la mer Baltique avec des niveaux d’espèces mesurés deux fois par semaine; mesures nettes de carbone d’une forêt de feuillus à feuilles caduques à l’Université de Harvard, recueillies toutes les 30 minutes depuis 1991; et des mesures des bernacles, des algues et des moules sur la côte de la Nouvelle-Zélande, prises mensuellement pendant plus de 20 ans.

Les chercheurs ont ensuite analysé ces trois ensembles de données en utilisant la théorie sur les avalanches – des fluctuations physiques qui, comme les événements du cygne noir, présentent un comportement extrême, soudain et à court terme. À la base, cette théorie tente d’expliquer la physique de systèmes tels que les avalanches, les tremblements de terre, les braises de feu ou même les emballages de bonbons froissés, qui répondent tous à des forces externes par des événements discrets de différentes magnitudes ou tailles – un phénomène que les scientifiques appellent «bruit de crépitement». « 

Sur la base de l’analyse, les chercheurs ont développé une méthode de prédiction des événements du cygne noir, conçue pour être flexible selon les espèces et les périodes, et capable de travailler avec des données beaucoup moins détaillées et plus complexes que celles utilisées pour les développer.

« Les méthodes existantes s’appuient sur ce que nous avons vu pour prédire ce qui pourrait se passer dans le futur, et c’est pourquoi elles ont tendance à manquer les événements du cygne noir », a déclaré Wang. « Mais la méthode de Sam est différente en ce qu’elle suppose que nous ne voyons qu’une partie du monde. Elle extrapole un peu ce qui nous manque, et il s’avère que cela aide énormément en termes de prédiction. »

Prévisions dans le monde réel

Les chercheurs ont testé leur méthode en utilisant les trois ensembles de données écosystémiques sur lesquels elle a été construite. En utilisant uniquement des fragments de chaque ensemble de données, en particulier des fragments contenant les plus petites fluctuations de la variable d’intérêt, ils ont pu prédire avec précision les événements extrêmes qui se sont produits dans ces systèmes.

Ils aimeraient étendre l’application de leur méthode à d’autres systèmes dans lesquels les événements du cygne noir sont également présents, tels que l’économie, l’épidémiologie, la politique et la physique. À l’heure actuelle, les chercheurs espèrent collaborer avec des scientifiques de terrain et des écologistes pour appliquer leur méthode à des situations du monde réel où ils pourraient faire une différence positive dans la vie d’autres personnes et de la planète.