Tilbakemeldingsløkker er en nøkkelfunksjon i systemene denne artikkelen fokuserer på, for eksempel økosystemer og individuelle organismer. De finnes også i den menneskelige verden, samfunn, organisasjoner og familier.
Kunstige systemer av denne typen inkluderer roboter med kontrollsystemer som bruker negativ tilbakemelding for å opprettholde ønskede tilstander.
Nøkkelfunksjoner
I et adaptivt system endres parameteren sakte og har ikke en foretrukket verdi. Men i et selvregulerende system avhenger verdien av parameteren av historien til systemets dynamikk. En av de viktigste egenskapene til selvregulerende systemer er evnen til å tilpasse seg kanten av kaos, eller evnen til å unngå kaos. Praktisk sett, ved å gå mot kanten av kaos uten å gå lenger, kan observatøren handle spontant, men uten katastrofer. Fysikere har bevist at tilpasning til kanten av kaos skjer i nesten alle tilbakemeldingssystemer. La ikke leseren bli overrasket over pretensiøs terminologi, for slike teorier påvirker teorien direktekaos.
Practopoesis
Practopoiesis som et begrep laget av Danko Nikolic er en referanse til et slags adaptivt eller selvregulerende system der autopoiesis av en organisme eller celle skjer gjennom allopoetiske interaksjoner mellom dens komponenter. De er organisert i et poetisk hierarki: en komponent skaper en annen. Teorien antyder at levende systemer viser et hierarki av fire slike poetiske operasjoner:
evolusjon (i) → genuttrykk (ii) → ikke-genrelaterte homeostatiske mekanismer (anapoiesis) (iii) → cellefunksjon (iv).
Practopoesis utfordrer moderne nevrovitenskapsdoktrine ved å argumentere for at mentale operasjoner for det meste skjer på det anapoetiske nivået (iii), det vil si at sinn kommer ut av raske homeostatiske (adaptive) mekanismer. Dette står i kontrast til den utbredte oppfatningen om at tenkning er synonymt med nevral aktivitet (cellefunksjon på nivå iv).
Hvert lavere nivå inneholder kunnskap som er mer generell enn det høyere nivået. For eksempel inneholder gener mer generell kunnskap enn anapoetiske mekanismer, som igjen inneholder mer generell kunnskap enn cellefunksjoner. Dette kunnskapshierarkiet lar det anapoetiske nivået lagre begrepene som er nødvendige for sinnets fremvekst.
Kompleks system
Et komplekst adaptivt system er en kompleks mekanisme der en perfekt forståelse av individuelle deler ikke automatisk gir en perfekt forståelse av helhetendesign. Studiet av disse mekanismene, som er en slags undergruppe av ikke-lineære dynamiske systemer, er svært tverrfaglig og kombinerer kunnskapen om natur- og samfunnsvitenskap for å utvikle modeller og representasjoner på høyeste nivå som tar hensyn til heterogene faktorer, faseovergang og andre nyanser.
De er komplekse ved at de er dynamiske nettverk av interaksjoner, og deres relasjoner er ikke samlinger av separate statiske objekter, det vil si at oppførselen til ensemblet ikke forutses av oppførselen til komponentene. De er adaptive ved at individuell og kollektiv atferd muterer og selvorganiserer seg i henhold til en endringsinitierende mikrohendelse eller et sett med hendelser. De er en kompleks makroskopisk samling av relativt like og delvis relaterte mikrostrukturer, formet for å tilpasse seg et skiftende miljø og forbedre deres overlevelse som en makrostruktur.
Application
Begrepet "complex adaptive systems" (CAS) eller vitenskapen om kompleksitet brukes ofte for å beskrive det løst organiserte akademiske feltet som har vokst frem rundt studiet av slike systemer. Kompleksitetsvitenskap er ikke en enkelt teori - den dekker mer enn ett teoretisk rammeverk og er svært tverrfaglig, og søker svar på noen grunnleggende spørsmål om levende, tilpasningsdyktige, skiftende systemer. CAS-forskning fokuserer på de komplekse, fremvoksende og makroskopiske egenskapene til et system. John H. Holland sa at CAS er systemer som har en storantall komponenter, ofte referert til som agenter, som samhandler, tilpasser seg eller lærer.
Eksempler
Typiske eksempler på adaptive systemer inkluderer:
- klima;
- byer;
- firms;
- markets;
- governments;
- industri;
- økosystemer;
- sosiale nettverk;
- elektriske nettverk;
- flokker med dyr;
- trafikkstrømmer;
- sosiale insektkolonier (f.eks. maur);
- hjerne og immunsystem;
- celler og utviklende embryo.
Men det er ikke alt. Denne listen kan også inkludere adaptive systemer innen kybernetikk, som får mer og mer popularitet. Organisasjoner basert på sosiale grupper av mennesker som politiske partier, samfunn, geopolitiske samfunn, kriger og terrornettverk regnes også som CAS. Internett og cyberspace, sammensatt, samarbeidende og administrert av et komplekst sett av menneske-datamaskin-interaksjoner, blir også sett på som et komplekst adaptivt system. CAS kan være hierarkisk, men det vil alltid vise sider ved selvorganisering oftere. Dermed kan noen moderne teknologier (for eksempel nevrale nettverk) kalles selvlærende og selvjusterende informasjonssystemer.
Differences
Det som skiller CAS fra et rent multi-agent system (MAS) er oppmerksomheten på toppnivåfunksjoner som selvlikhet, strukturell kompleksitet og selvorganisering. MAS er definertsom et system bestående av flere interagerende agenter, mens i CAS er agentene og systemet adaptive, og selve systemet er selvlikt.
CAS er en kompleks samling av interagerende adaptive agenter. Slike systemer er preget av høy grad av tilpasning, noe som gjør dem uvanlig motstandsdyktige i møte med endringer, kriser og katastrofer. Dette bør tas i betraktning når du utvikler et adaptivt system.
Andre viktige egenskaper er: tilpasning (eller homeostase), kommunikasjon, samarbeid, spesialisering, romlig og tidsmessig organisering og reproduksjon. De kan finnes på alle nivåer: celler spesialiserer seg, tilpasser seg og formerer seg akkurat som større organismer gjør. Kommunikasjon og samarbeid skjer på alle nivåer, fra agent til systemnivå. Styrkene som driver samarbeid mellom agenter i et slikt system kan i noen tilfeller analyseres ved hjelp av spillteori.
Simulering
CAS er tilpasningsdyktige systemer. Noen ganger er de modellert ved hjelp av agentbaserte og komplekse nettverksmodeller. De basert på agenter utvikles ved hjelp av ulike metoder og verktøy, først og fremst ved først å identifisere ulike agenter i modellen. En annen metode for å utvikle modeller for CAS innebærer å utvikle komplekse nettverksmodeller ved å bruke interaksjonsdata fra ulike CAS-komponenter, for eksempel et adaptivt kommunikasjonssystem.
I 2013SpringerOpen / BioMed Central har lansert et åpent netttidsskrift om komplekse systemmodellering (CASM).
Levende organismer er komplekse adaptive systemer. Mens kompleksitet er vanskelig å kvantifisere i biologi, har evolusjon produsert noen fantastiske organismer. Denne observasjonen har ført til at den vanlige misoppfatningen om evolusjon er progressiv.
Striving for kompleksitet
Hvis ovenstående generelt sett var sant, ville evolusjon ha en sterk tendens til kompleksitet. I denne typen prosesser vil verdien av den vanligste vanskelighetsgraden øke over tid. Noen kunstige livssimuleringer tyder faktisk på at CAS-generering er et uunngåelig trekk ved evolusjonen.
Ideen om en generell trend mot kompleksitet i evolusjon kan imidlertid også forklares med en passiv prosess. Dette inkluderer å øke variansen, men den vanligste verdien, modus, endres ikke. Dermed øker den maksimale vanskelighetsgraden over tid, men bare som et indirekte produkt av det totale antallet organismer. Denne typen tilfeldig prosess kalles også en avgrenset tilfeldig gang.
I denne hypotesen er den åpenbare tendensen til å komplisere strukturen til organismer en illusjon. Det oppstår ved å konsentrere seg om et lite antall store, svært komplekse organismer som bor i den høyre delen av kompleksitetsfordelingen, og ignorerer det enklere og mye mer vanligeorganismer. Denne passive modellen understreker at de aller fleste arter er mikroskopiske prokaryoter, som utgjør omtrent halvparten av verdens biomasse og det store flertallet av jordens biologiske mangfold. Derfor forblir enkelt liv dominerende på jorden, mens komplekst liv fremstår som mer mangfoldig bare på grunn av samplingsbias.
Hvis biologi mangler en generell tendens til kompleksitet, vil ikke dette hindre eksistensen av krefter som driver systemer mot kompleksitet i en undergruppe av tilfeller. Disse mindre trendene vil motvirkes av andre evolusjonære press som driver systemene mot mindre komplekse tilstander.
Immunsystem
Det adaptive immunsystemet (også kjent som det ervervede eller, mer sjeldent, spesifikke immunsystemet) er et undersystem av det generelle immunsystemet. Den består av høyt spesialiserte celler og prosesser som eliminerer patogener eller forhindrer deres vekst. Det ervervede immunsystemet er en av de to viktigste immunstrategiene hos virveldyr (den andre er det medfødte immunsystemet). Ervervet immunitet skaper et immunologisk minne etter en første respons på et bestemt patogen og fører til en forbedret respons på påfølgende møter med samme patogen. Denne prosessen med ervervet immunitet er grunnlaget for vaksinasjon. I likhet med det medfødte systemet inkluderer det ervervede systemet ikke bare komponenter av humoral immunitet, men også komponenter av cellulær immunitet.
Begrepets historie
Begrepet "adaptiv" ble først introdusertbrukt av Robert Good i forhold til antistoffresponser hos frosker som et synonym for ervervet immunrespons i 1964. Goode erkjente at han brukte begrepene om hverandre, men forklarte bare at han foretrakk å bruke begrepet. Kanskje han tenkte på den da usannsynlige teorien om antistoffdannelse, der de var plastiske og kunne tilpasse seg den molekylære formen til antigener, eller konseptet med adaptive enzymer hvis uttrykk kan være forårsaket av deres substrater. Uttrykket ble nesten utelukkende brukt av Goode og hans studenter, og av flere andre immunologer som jobbet med marginale organismer frem til 1990-tallet. Deretter ble det mye brukt i forbindelse med begrepet "medfødt immunitet", som ble et populært emne etter oppdagelsen av Toll-reseptorsystemet. i Drosophila, tidligere en marginal organisme for studiet av immunologi. Begrepet "adaptiv" slik det brukes i immunologi er problematisk fordi ervervede immunresponser kan være enten adaptive eller maladaptive i fysiologisk forstand. Faktisk kan både ervervede og immunresponser være adaptive og ikke-adaptive i evolusjonær forstand. De fleste lærebøker i dag bruker utelukkende begrepet "adaptiv", og bemerker at det er synonymt med "ervervet".
Biologisk tilpasning
Siden oppdagelsen har den klassiske betydningen av ervervet immunitet kommet til å bety antigenspesifikk immunitet mediert av omorganiseringer av somatiskgener som lager antigenreseptorer som definerer kloner. I det siste tiåret har begrepet "adaptiv" i økende grad blitt brukt på en annen klasse av immunrespons som ennå ikke har vært assosiert med somatiske genomorganiseringer. Disse inkluderer utvidelse av naturlige drepeceller (NK) med ennå uforklarlig antigenspesifisitet, utvidelse av NK-celler som uttrykker kimlinjekodede reseptorer, og aktivering av andre medfødte immunceller til en aktivert tilstand som gir kortsiktig immunminne. I denne forstand er adaptiv immunitet nærmere begrepet "aktivert tilstand" eller "heterostase", og går dermed tilbake til den fysiologiske betydningen av "tilpasning" til miljøendringer. Enkelt sagt, i dag er det nesten synonymt med biologisk tilpasning.
