网络包围世界

人们所了解的万维网的网站结构并非万维网所独有。研究人员发现，在像生态学、分子生物学、计算机科学和量子物理学这样不同的领域都具有类似的网络结构，它们的成长方式彼此十分相似，而且它们具有相同的长处和弱点
【英国《新科学家》周刊4月13日一期文章】题：整个世界都是一张网（作者　戴维·科恩）
所有的研究人员都梦想取得一项将会彻底改造本领域的发现。艾伯特—拉兹洛·巴拉巴斯能够略胜一筹。在仅仅三年里，他的发现已经开始在像生态学、分子生物学、计算机科学和量子物理学这样不同的领域中掀起波浪。
一切都是这样开始的：他当时发现万维网上的网站形成一个具有独特数学性质的网络。这一点本身看来可能并没有十分深刻的意义，但很快浮出水面的是，这些性质并非万维网所独有。
我们被网络包围着：社会的和职业的网络。生态系统是网络，甚至我们的身体以及致病细菌也是由化学物质的网络维持生命。巴拉巴斯等人发现，其中许多网络的结构与万维网相同。它们的成长方式彼此十分相似，而且它们具有相同的长处和弱点：只要认识一种网络，你便开始了解所有的。具有普遍意义的数学定律在生物学中是罕见的，但巴拉巴斯无意中似乎发现了一个。
“无比例”网络
巴拉巴斯出生于罗马尼亚，在匈牙利受教育，现在是印第安纳州圣母大学的一位物理学教授。直到几年前，他一直潜心研究一些晦涩的领域，譬如物质表面的不规则碎片形性质和沙砾等颗粒物质的动态学。要认识所有这些领域，需要大量的统计学知识，而这是巴拉巴斯的强项。
他长期以来还对复杂的网络感兴趣，但当时有关它们的信息很稀少。然而到1998年，解析万维网的工具所达到的精密水平使巴拉巴斯得以展开探索。
对理论家来说，为复杂网络建立模型的传统方式是利用一个随机网络。在一张纸上画一些点并着手随机地在它们之间画线。结果得出的一个网络中，平均来说所有的点或者“结”都有相同数量的连线。现在数一数具有一条、两条等的连线的结的数量，然后根据这些数量作图。结果得出的是一个著名的分布———一条钟形曲线。
这是巴拉巴斯与同事一起开始研究万维网的时候所期望发现的。他们派遣一个软件机器人在万维网上四处爬行，以分析网站之间的联系。但当他们观察万维网的结构并为网站及其连线的数量分布作图的时候，一件奇怪的事情发生了。巴拉巴斯说：“事情变得很明显：我们所考察的情况比随机网络所描述的要复杂。”
没有钟形曲线。万维网是具有许多个有少量连线的网站、少量具有中等数量连线的网站和为数极少的具有大量联线的网站。这所产生的是一条不断递减的曲线，其特征是物理学家们所说的一种幂法则。钟形曲线的连线平均数或比例不见了。巴拉巴斯宣称，万维网是一个“无比例”网络。
巴拉巴斯说：“这一分布所表明的事实是，万维网的结构被少数连线极多的网站所主宰。”
他把这些网站称为“活动中心”——典型的实例有雅虎和纳普斯特——它们之所以发展壮大，是因为它们提供了获得我们想要获得的信息的捷径。
这一结构的一个令人好奇的性质是，从一个网站到达万维网上的任何另外一个网站只需点击很少的次数。他说：“从一个网页到达任何另外一个平均只需点击19次。”这表明，万维网是一种类型的“小世界”。这一概念通过约翰·格瓦尔的话剧《6次分离》而流行起来。
格瓦尔把自己的作品建立在一项认识基础上，就是在地球上的任何两个个人之间传递的一个信息都只需经过平均6个中介。这一表明世界很小的特性对未来的成长至关重要，因为它意味着，随着网站增加，在万维网上行进仍将是容易的。即使万维网成长1000%，巴拉巴斯估计，网站仍然会彼此仅仅平均相隔21次点击。
具有普遍意义
起初，巴拉巴斯以为他的无比例结构是万维网所独有的。但他很快就在另外一些网络譬如凯文·培根游戏网络（www．cs．virginia．edu/oracle）中发现了同样的情况。勾勒一幅图画，把世界上所有的演员画成结点，当他们共同出演一部电影时就在他们彼此之间画连线。目的是通过最少数量的其他演员把一位演员与培根联系起来。巴拉巴斯发现，演员的网络被一小撮通常是著名的演员，譬如培根所主宰，他们看来是众星捧月，因为他们所制作的影片很多。
从那时以来，在这张无比例清单上添加了许多其它网络，尤其是构成万维网本身基础的电脑网络，即因特网。在生物学中，使细胞维持良好工作秩序的相互作用的蛋白质和化学物质的格网是无比例的。食物的网络———各种生态系统中谁吃谁的网络——围绕着吃掉大量不同猎物物种的“核心物种”建立。而且在人类社会中，一起合作过的科学家的网络也是无比例的，正如他们援引彼此的研究成果的方式一样。甚至人类的性接触的网络也被证明是无比例的。
这样巴拉巴斯的研究成果已经开始揭露出的组织格局不断地在自然的和人工的世界中出现。
不知怎么，起作用的个体———无论它们是网站还是蛋白质——的集体行动所产生的网络遵循一个单一的、明确定义的数学公式。所有这些系统中的每个作用个体看来都具有同样的行为。
巴拉巴斯和他的研究小组并没有花费很长时间，就搞定了这些共同的性质。他们发现了两个至关重要的成分。第一，一个无比例网络必须是不断成长的——因此万维网需要每天添加新的网页；演员的网络需要有源源不断的新鲜人才。第二，这些新近聘用的人员在参与网络的时候，必须显示出某种偏好。例如新的网站想要被流行的网站搜索到，以增加自己的访问量。有抱负的演员想要与著名影星在同一部影片中出镜，而不是与不知名的二流电影演员合作。因此总的来说，具有四面八方联系者往往联系更多，或者如果您喜欢，可以说“富人更富”。
生机勃勃但脆弱
无比例网络无处不在，如果这一发现为我们提供了有关世界的新的答案和问题，则这些网络的性质也是如此。它们同时兼具了生机勃勃和脆弱的特性。巴拉巴斯等人把无比例网络置于两种类型的打击之下。在一种打击中，他们随机地攻击了个别的结点，而在另外一种中，则仅仅拿掉了这些活动中心——网络中四通八达的结点。
随机网络很容易遭受不加区别的打击伤害。由于越来越多的结点被摧毁，所以从一个结点到达另外一个所需的步骤数量稳步增加。与此形成对照，无比例网络在这种袭击面前则生机勃勃，抗御能力很强。即使5%的结点被摧毁，网络的性能仍然不受影响。
在有的放矢的打击下，随机网络的衰败方式与在不加区别的打击下相同。但无比例网络的境况却糟糕得多。一旦5%的活动中心被去除，穿越网络所需的步骤数量就增加一倍。巴拉巴斯说：“这表明无比例网络总的来说很容易受到智能性打击伤害。”这暴露了因特网唯一致命的弱点———活动中心。他补充说：“如果黑客们想要毁掉因特网的话，大概就能够轻而易举地做到。”
同样的弱点也可能在蛋白质网络中出现，其结果是灾难性的。1979年，P53被确认为第一种抑制肿瘤发展的基因。它产生作用是通过为一种控制大量其它蛋白质活动的蛋白质编码。巴尔的摩的约翰斯·霍普金斯大学的沃格尔斯坦说：“P53看来是一个活动中心。它是少数这样的基因之一，其故障在细胞中造成灾难性的后果。”沃格尔斯坦、雷恩和莱文在《自然》杂志上发表的一篇论文中，把细胞中P53的失灵以及癌症的发展比作万维网上的一个核心网站的崩溃及其所带来的灾难性后果。
沃格尔斯坦说，把蛋白质网络看作无比例的，这能够帮助制订比较合乎实际的癌症疗法。但他强调，现在仍是初创时期。“我们距离认识细胞中所有的生物化学相互作用还很遥远。”
对任何疾病来说，把蛋白质看作一场更大的角逐的参与者，这将有助于药物设计师们以一种避免破坏整体性能的方式有的放矢地运用化学物质。例如，阻断一种核心蛋白质会具有很大风险性，因为这可能会造成大量潜在的副作用，就甭提摧毁细胞的可能了。而反过来，可能有时，你想要消灭细胞。巴拉巴斯及其同事已经演示了一种造成溃疡的细菌中的蛋白质网络是无比例的。摧毁这种病菌中的核心蛋白质可能成为使病菌丧失能力甚至将其杀死的良好途径。
在进化层次上，无比例网络之所以已经获得成功，可能不仅因为它们在随机误差面前生机勃勃，具有抗御能力，而且由于它们使差异得以发生。只有少量联系的蛋白质可能会变异或完全丧失，而不会损害生物体的健康。其中一些变异可能会给生物体带来优势，从而使它能够战胜竞争对手。
无比例网络最惊人的性质也许是去年浮现的，它正在改变我们对疾病在人类中蔓延方式的认识。故事再次从因特网开始：意大利的里雅斯特的理论物理学国际中心的维斯皮纳尼和西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚科技大学的帕斯特—萨托拉斯决定研究电脑病毒如何在因特网上传播。
艾滋病传播网络
据流行病学家说，一种病毒只有达到一定的毒性水平，才会爆发流行病。在这个“流行病临界点”以下，病毒的传染性不足以使其迅速传播，因而病毒消亡。病毒超过临界点越多，它就会越快速地传播。但当维斯皮纳尼为其软件病毒在因特网上的运动做图时，他大吃一惊。他说：“对流行病的爆发来说，根本没有这种临界点。核心网站推广病毒的效率十分高，以致通过这些结点，就连一种虚弱的病毒也会迅速传播。”这一发现不仅对因特网，而且对人类的疾病都具有深刻涵义。维斯皮纳尼说：“在对某种类别的流行病的认识领域中，这是一项突破。”
这一发现促使斯德哥尔摩大学社会学家利尔杰罗斯研究人类疾病如何传播。当时维斯皮纳尼和巴拉巴斯已经断定，艾滋病病毒在人口中的传播方式类似于软件病毒在因特网上的传播。于是利尔杰罗斯选择研究通过性交传播的疾病。
他和他的同事们研究了2900位瑞典人的性习惯。不出所料，一小撮“核心人物”的性伙伴数量远远超过其余人。但利尔杰罗斯还把这种伙伴的分布确认为无比例网络的普遍特征。
在通常情况下有了一种新的疫苗，公共卫生官员会把目标确定为对处于风险之中的人们进行地毯式的免疫，规定接受免疫的一个百分比指标。这一百分比取决于造成疾病的病毒的流行临界点。利尔杰罗斯的发现表明，这一对策可能收效甚微或者根本无效。他说：“在像艾滋病这样的疾病领域中，瞄准乱交最严重的个人是关键因素。虽然我们能够设法通过盲目地对广大的人群进行疫苗接种来遏止一种病毒的传播，但是没有对这些关键个人的医治，我们就可能永远不会实现对病毒的控制。”
这一新思想对于艾滋病研究人员、电脑网络设计师和生态学家来说已经是如获至宝。在巴拉巴斯看来，正是这种普遍意义使无比例网络获得了其重大意义。他说：“事情并不在于它们正在任何单一领域缔造一场革命，而是在于它们促使我们运用同样一些工具、方法和对策来研究彼此十分不同的系统。它们使我们得以从一种新的和十分类似的视角来看待我们周围的所有结点与连线。”
摆在科学家们面前的挑战是弄清，指导着起作用的个体的规律如何与很大规模上的行为相联系。无比例网络赋予我们的是研究这种关系的一条数学途径的开端。它们不大可能构成全部的答案，但却起码是一个开始。