READ THIS RELEASE IN ENGLISH

Jovem pesquisador do CASUS e SAIFR foi reconhecido por seu trabalho em Física Estatística para melhor compreender a dinâmica de sistemas vivos complexos

Foto: Divulgação/CSS

O físico Ricardo Martínez-García é um dos dois ganhadores do Prêmio Científico Júnior 2023 da Sociedade de Sistemas Complexos (CSS). A CSS concede esse prêmio a jovens investigadores que tenham alcançado resultados notáveis na sua busca pela compreensão de sistemas complexos. O anúncio foi feito em 20 de outubro durante a conferência anual da CSS, o maior e mais importante encontro internacional do mundo para a comunidade de pesquisa de sistemas complexos. Martínez-García atualmente lidera um Grupo de Jovens Pesquisadores no Centro para Compreensão de Sistemas Avançados (CASUS) em Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR, ambos na Alemanha) e é pesquisador associado no Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR) e no Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp).

O que têm em comum o tráfego de veículos, o cérebro, a sociedade humana e o microbioma? Todos esses são exemplos de sistemas complexos formados por muitos componentes interagindo entre si de maneiras muito intricadas. Como resultado destas interações, tais sistemas exibem frequentemente novas propriedades emergentes que são muito diferentes das propriedades combinadas das partes individuais que os constituem. A pesquisa em sistemas complexos constrói pontes entre domínios científicos tradicionais.

Essa é também uma característica distinta do trabalho de Martínez-García, que estuda uma variedade de sistemas, desde comunidades microbianas, como biofilmes bacterianos, até ecossistemas áridos e semiáridos como as estepes. Através dessa variedade de sistemas, sua investigação concentrou-se na compreensão de como diferentes organismos, sejam espécies de plantas numa estepe ou bactérias num biofilme, interagem entre si e como essas interações impactam o funcionamento do sistema como um todo. Ao estudar todos esses exemplos utilizando uma abordagem de sistemas complexos, a investigação de Martínez-García visa compreender até que ponto os diferentes sistemas ecológicos são governados por um conjunto mínimo de regras, o que melhorará a nossa capacidade de os manipular e, esperançosamente, de os conservar.

Comitê de Seleção destaca o trabalho de Martínez-García sobre dinâmica organizacional

A Sociedade de Sistemas Complexos promove a investigação de sistemas complexos desde que se tornou uma sociedade internacional em 2006. O seu Prémio Científico Júnior visa reconhecer o excelente desempenho científico de jovens investigadores nos 10 anos após a defesa do doutoramento. É atribuído uma vez por ano a um máximo de dois jovens investigadores. A decisão é tomada por uma Comissão de Seleção nomeada pela Comissão Executiva da CSS. Na declaração de premiação, o Comitê de Seleção fez referência ao trabalho teórico de Martínez-García sobre dinâmicas coletivas evolutivas, organizacionais e ecológicas.

Martínez-García afirma que seu interesse por sistemas ecológicos complexos começou por causa de seu amor por estar ao ar livre e observar como as coisas acontecem na natureza: “Quando aprendi no Ensino Médio que era possível usar a Física e a Matemática para entender as regras por trás desses fenômenos naturais pelos quais estava apaixonado, ficou evidente que eu queria explorar mais profundamente essa interface.”

Ele também destaca como as interações com colegas cientistas ajudaram a moldar seu programa de pesquisa ao longo dos anos: “Uma das partes que mais gosto no meu trabalho é conversar com pessoas com diferentes formações científicas e aprender como elas pensam sobre questões e problemas que eu também acho interessante.”

“Um trabalho fantástico”

O pesquisador acrescenta que o prêmio o incentiva a continuar trabalhando arduamente, um conselho que dá aos estudantes interessados em escolher a ciência como profissão – que é tão emocionante quanto desafiadora: “É muito gratificante ver que os seus pares reconhecem a relevância do seu trabalho e o consideram merecedor desse reconhecimento. Acredito que muitas vezes nos concentramos demais nas rejeições e nas desvantagens de seguir uma carreira científica, embora seja, em geral, um trabalho fantástico.”

Martínez-García obteve seu doutorado em Física Estatística e Sistemas Complexos no Instituto de Física Interdisciplinar e Sistemas Complexos (IFISC), um centro de pesquisa conjunto do Conselho Nacional de Pesquisa Espanhol (CSIC) e da Universidade das Ilhas Baleares (Espanha). Sua tese combinou abordagens da Física e das Ciências da Computação para investigar diferentes problemas ecológicos, como o movimento dos animais e o surgimento de padrões regulares de vegetação em terras áridas. Ele então recebeu uma bolsa da Fundação de Pesquisa em Ciências da Vida para concluir um pós-doutorado em Ecologia e Biologia Evolutiva na Universidade de Princeton (EUA), onde investigou a interação entre a ecologia, a evolução e a multicelularidade auto-organizada das comunidades microbianas. Antes de ingressar no CASUS, Martínez-García trabalhou no ICTP-SAIFR / IFT-Unesp. Lá, foi Jovem Pesquisador da Fapesp e Professor Assistente na área de Física Biológica.

Um segundo Prêmio Científico Júnior foi este ano para Giulia Menichetti (Harvard Medical School & Brigham and Women’s Hospital, Boston, EUA), que investiga toda a complexidade química da dieta humana e desenvolve ferramentas quantitativas para revelar o impacto destes produtos químicos na nossa saúde. Por último, o Comitê de Seleção concedeu o Prêmio Sênior, o mais prestigiado reconhecimento do CSS, este ano a Melanie Mitchell (Instituto Santa Fé, EUA) referindo-se, entre outras, às suas contribuições para a computação adaptativa, a computação de inspiração biológica e a aprendizagem automática.

Sobre o Centro para Compreensão de Sistemas Avançados

O CASUS foi fundado em 2019 em Görlitz (Alemanha) e realiza pesquisas interdisciplinares de sistemas com uso intensivo de dados em disciplinas tão diversas como pesquisa de sistemas terrestres, biologia de sistemas ou pesquisa de materiais. O objetivo do CASUS é criar imagens digitais de sistemas complexos de fidelidade sem precedentes à realidade com métodos inovadores de matemática, pesquisa de sistemas teóricos, simulações, bem como dados e Ciência da Computação para dar respostas a questões sociais urgentes. Os parceiros fundadores do CASUS são o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), o Centro Helmholtz de Pesquisa Ambiental em Leipzig (UFZ), o Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética em Dresden (MPI-CBG), a Universidade Técnica de Dresden (TUD) e a Universidade de Wrocław (UWr). O CASUS, gerido como um instituto do HZDR, é financiado pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) e pelo Ministério da Ciência, Cultura e Turismo do Estado da Saxônia (SMWK). www.casus.science

Sobre o ICTP-SAIFR

O Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR) é um centro internacional criado na cidade de São Paulo por meio de uma colaboração entre o Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) em Trieste (Itália), o IFT-Unesp e a Fapesp. Suas atividades incluem pesquisa em Física Teórica e suas aplicações, bem como treinamento para alunos de pós-graduação. O ICTP-SAIFR também promove divulgação científica e ações de extensão junto a professores e estudantes de Ensino Médio e público geral. Mais informações estão disponíveis no site ictp-saifr.org.

Sobre o IFT-Unesp

O Instituto de Física Teórica (IFT) é um departamento de pós-graduação em Física da Unesp localizado no centro de São Paulo. O IFT-Unesp foi criado em 1951 como uma fundação privada e incorporado à Unesp em 1987. Possui aproximadamente 20 professores e 70 alunos de pós-graduação em Física, e recebe nota máxima da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) desde 2011.

LEIA ESTE TEXTO EM PORTUGUÊS

Junior physicist from CASUS and SAIFR recognized for his work in statistical physics to better understand the dynamics of complex living systems

Credit: Courtesy of CSS

Physicist Dr. Ricardo Martínez-García is one of the two recipients of the 2023 Junior Scientific Award of the Complex Systems Society (CSS). The CSS grants this prize to young researchers who have achieved outstanding results in their pursuit to understand complex systems. The announcement was made on October 20 during the annual CSS conference, the world’s largest and most important international meeting for the complex systems research community. Martínez-García currently heads a Young Investigator Group at the Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) at Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR, both Germany) and is an associated researcher at the South American Institute for Fundamental Research in São Paulo (ICTP-SAIFR) and at the Institute for Theoretical Physics of São Paulo State University (IFT-UNESP, all Brazil).

What have vehicle traffic, the brain, human society and the microbiome in common? All these are examples of complex systems that are formed by many components interacting with each other in very intricate ways. As a result of these interactions, such systems often exhibit new emergent properties that are very different from the combined properties of the individual parts that constitute them. Research on complex systems builds bridges between traditional scientific domains.

This is also a distinct trait of Martínez-García’s work as he studies a variety of systems, from microbial communities, such as bacterial biofilms, to arid and semi-arid ecosystems like steppes. Across this variety of systems, his research has focused on understanding how different organisms, whether they are plant species in a steppe or bacteria in a biofilm, interact with each other and how these interactions impact the functioning of the system as a whole. By studying all these many examples using a complex-systems approach, Martínez-García’s research aims to understand to which extent different ecological systems are governed by a minimum set of rules, which will improve our ability to manipulate and hopefully conserve them.

Selection Committee highlights Martínez-García’s work on organizational dynamics

The Complex Systems Society promotes complex systems research since becoming an international society in 2006. Its Junior Scientific Award is aimed at recognizing excellent scientific record of young researchers within 10 years of the PhD defense. It is awarded once a year to a maximum of two young researchers. The decision is made by a Selection Committee appointed by the Executive Committee of the CSS. In its award statement, the Selection Committee referenced Martínez-García’s theoretical work on evolutionary, organizational, and ecological collective dynamics.

Martínez-García states his interest in complex ecological systems started because of his love for being outdoors and observing how things happen in nature: “When I learned in high school that it was possible to use physics and mathematics to understand the rules behind these natural phenomena I was passionate about, it became evident that I wanted to explore this interface more deeply.”

He also highlights how interactions with fellow scientists aided to shape his research program over the years: “One of the parts that I enjoy the most about my work is talking to people with different scientific backgrounds and learning how they think about questions and problems that I also find interesting.”

“A fantastic job”

The researcher adds that the award encourages him to continue working hard, a piece of advice he extends to students interested in choosing science as a profession – one that is as exciting as challenging: “It is very rewarding to see that your peers recognize the relevance of your work and consider it worth this recognition. I believe we very often focus too much on rejections and the downsides of pursuing a scientific career, even though it is, in general, a fantastic job.”

Martínez-García obtained his PhD in statistical Physics and Complex Systems at the Institute for Cross-Disciplinary Physics and Complex Systems (IFISC), a joint research center of the Spanish National Research Council (CSIC) and the University of the Balearic Islands (Spain). His thesis combined approaches from physics and computer sciences to investigate different ecological problems, such as animal movement and the emergence of regular vegetation patterns in drylands. He then received a Life Science Research Foundation fellowship to complete a postdoc in ecology and evolutionary biology at Princeton University (USA), where he investigated the interplay between the ecology, evolution and self-organized multicellularity of microbial communities. Before joining CASUS, Martínez-García worked at the ICTP-SAIFR based at the Institute for Theoretical Physics (IFT) of São Paulo State University (UNESP). There he was a FAPESP (São Paulo Research Foundation) Young Investigator and an Assistant Professor in the field of biological physics.

A second Junior Scientific Award went this year to Giulia Menichetti (Harvard Medical School & Brigham and Women’s Hospital, Boston, USA), who researches the full chemical complexity of the human diet and develops quantitative tools to unveil the impact of these chemicals on our health. Finally, the Selection Committee granted the Senior Award, the most prestigious recognition of the CSS, this year to Melanie Mitchell (Santa Fe Institute, USA) referring, among others, to her contributions to adaptive computation, biologically inspired computing and machine learning.

About the Center for Advanced Systems Understanding

CASUS was founded 2019 in Görlitz/Germany and pursues data-intensive interdisciplinary systems research in such diverse disciplines as earth system research, systems biology or materials research. The goal of CASUS is to create digital images of complex systems of unprecedented fidelity to reality with innovative methods from mathematics, theoretical systems research, simulations as well as data and computer science to give answers to urgent societal questions. The founding partners of CASUS are the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), the Helmholtz Centre for Environmental Research in Leipzig (UFZ), the Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics in Dresden (MPI-CBG), the Technical University of Dresden (TUD) and the University of Wrocław (UWr). CASUS, managed as an institute of the HZDR, is funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and the Saxon State Ministry for Science, Culture and Tourism (SMWK). www.casus.science

About ICTP-SAIFR

The South American Institute for Fundamental Research (ICTP-SAIFR) is an international center created in the city of São Paulo (Brazil) through a collaboration between the International Centre for Theoretical Physics (ICTP) in Trieste (Italy), the Institute for Theoretical Physics (IFT) of São Paulo State University (UNESP), and the São Paulo state funding agency FAPESP. Its activities include research in Theoretical Physics and its applications, as well as training for postgraduate students. ICTP-SAIFR also promotes outreach actions with high school teachers and students and the general public. More information is available at ictp-saifr.org.

About IFT-UNESP

The Institute for Theoretical Physics (IFT) is a graduate physics department of São Paulo State University (UNESP) located in the center of São Paulo. IFT-UNESP was founded in 1951 as a private foundation and incorporated into UNESP in 1987. It has approximately 20 professors and 70 graduate students in physics, and has received the top score from the national funding agency since 2011.

Técnica do bootstrap, que permite obter resultados a partir de princípios gerais, tem sido explorada por colaboração global de pesquisadores

Parte do calçado que deu nome ao conceito remete a processos que se desenvolvem sem influência exterior (Foto: Ivan Bolshakov/Unsplash)

Em inglês, há uma expressão que pode ser traduzida como “puxar-se pelas alças das próprias botas”, utilizada para situações difíceis que alguém precisa resolver sozinho sem ajuda externa. Essa expressão levou ao surgimento do termo bootstrap (literalmente “alça de bota”), usado em vários campos do conhecimento para se referir a processos que podem ser desenvolvidos dispensando a influência do exterior.

A filosofia por trás desse conceito também tem sido aplicada em alguns dos mais difíceis problemas que a Física enfrenta na atualidade, relacionados ao chamado acoplamento forte. Esse foi o tema de um workshop promovido pelo ICTP-SAIFR, centro internacional sediado no Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, em junho e julho deste ano, com convidados e participantes de diversos países.

Nos sistemas fracamente acoplados, como gases ou a luz, as partículas não colidem ou interagem muito entre si e, portanto, estão mais livres. Estudá-los é relativamente simples, pois é possível usar um método conhecido como teoria de perturbações, que permite “quebrar” um problema em problemas menores. Isso porque é fácil separar as partes constituintes desses sistemas, ou seja, os “bloquinhos” dos quais são feitos.

Os sistemas fortemente acoplados, por sua vez, são muito mais difíceis de analisar. Nesses sistemas, muitas partículas interagem entre si ao mesmo tempo. Por causa disso, é como se suas partes constituintes formassem uma sopa, “mas tão misturada que você não consegue sequer separá-las. E nessa situação começa até a se tornar ambíguo o que é feito do quê”, aponta o físico russo Slava Rychkov, professor do Instituto de Estudos Científicos Avançados da França. Em casos assim, a teoria de perturbações não funciona e é preciso adotar outros modelos, como as teorias conformes. É aí que o bootstrap entra, ao oferecer uma nova abordagem para o estudo dessas teorias, baseada em princípios gerais.

Teorias conformes são especialmente úteis para descrever pontos críticos: por exemplo, transições de fase – quando água em estado líquido vira vapor ou quando um imã deixa de ser magnético. Uma das características desse tipo de fenômeno é a invariância de escala. Em outras palavras, não importa se você observa o sistema mais de perto ou mais de longe: ele parece se comportar da mesma forma.

O físico português Pedro Vieira, professor em conjunto do ICTP-SAIFR/IFT-Unesp e do Instituto Perimeter (Canadá), explica que investigações envolvendo teorias conformes são um desafio matemático: “muitas vezes, fazer as contas da forma tradicional é impensável porque são muitas variáveis”, com cálculos que exigem grande poder computacional. “A ideia do bootstrap é tentar chegar direto aos resultados sem passar pelas contas.”

Essa nova forma de pensar, que chega a ser contraintuitiva, coloca o pesquisador no papel de um navegador, analogia usada por Slava Rychkov. O “mar” seria um espaço de parâmetros, ou seja, todos os possíveis valores dentro de um modelo matemático específico. Ao resolver equações, segundo Rychkov, certas regiões surgem dentro desse “mar”, como se fossem ilhas, arquipélagos e continentes. Tais regiões podem conter teorias interessantes, a serem descobertas com o auxílio de técnicas analíticas e numéricas.

Pedro Vieira afirma que essa exploração de teorias, em busca de definir o que é possível e o que é impossível, leva os físicos a encontrar valores que, na sequência, é viável examinar de forma mais convencional: “quando já se sabe o resultado, é mais fácil voltar para os métodos tradicionais e tentar desenvolver novas armas para estudar esses modelos”. Outra forma de verificá-los, quando isso é exequível, é por meio de experimentos em aceleradores de partículas.

Colaboração internacional

Os mais recentes avanços no uso do bootstrap na Física têm sido promissores, estendendo-se para áreas variadas, que vão da teoria das cordas à matéria condensada, passando por holografia, buracos negros e até propostas para além do Modelo Padrão (o mais completo modelo até o momento para descrever a matéria visível). Por esse motivo, a Fundação Simons, uma tradicional financiadora internacional de ciência de ponta, mantém uma colaboração com dezenas de pesquisadores ao redor do mundo dedicados ao tema, incluindo Slava Rychkov e Pedro Vieira, além de pós-doutorandos e estudantes de doutorado.

De acordo com o físico português João Penedones, da Escola Politécnica Federal de Lausana (Suíça) e um dos pesquisadores principais da colaboração, a iniciativa ajudou a criar uma comunidade em torno do conceito, que se mantém ativa participando de reuniões periódicas e, uma vez por ano, se encontrando em uma grande conferência presencial, com duração de três a quatro semanas – a deste ano foi o workshop realizado pelo ICTP-SAIFR. “Dessa forma, nós continuamos colaborando juntos. Algumas pessoas exploram áreas ligeiramente diferentes, mas nós sempre nos reunimos para manter essa motivação e esse ímpeto”, diz Penedones.

Para Rychkov, que é diretor adjunto da colaboração, o financiamento oferecido pela Fundação Simons – aplicado em bolsas e serviços de tecnologia, necessários para rodar os algoritmos responsáveis pelos cálculos das pesquisas – é secundário diante do “efeito de amplificação” proporcionado pelos encontros regulares, que envolvem especialmente físicos em início de carreira: “Acho que isso foi maior do que seria se cada um de nós apenas recebesse esse dinheiro para fazer o que quiser sem questionamentos. Não seria possível fazer toda essa boa ciência que fizemos.”

Felipe Saldanha é jornalista de ciência do ICTP-SAIFR com bolsa da Fapesp.

Agradecimento: Francesco Aprile, da Universidade Complutense de Madri (Espanha)