Feedback-loops er et nøgleelement i de systemer, denne artikel fokuserer på, såsom økosystemer og individuelle organismer. De findes også i den menneskelige verden, samfund, organisationer og familier.
Kunstige systemer af denne art omfatter robotter med kontrolsystemer, der bruger negativ feedback til at opretholde ønskede tilstande.
Nøglefunktioner
I et adaptivt system ændres parameteren langsomt og har ikke en foretrukken værdi. Men i et selvregulerende system afhænger værdien af parameteren af historien om systemets dynamik. En af de vigtigste egenskaber ved selvregulerende systemer er evnen til at tilpasse sig kanten af kaos, eller evnen til at undgå kaos. I praksis kan iagttageren handle spontant, men uden katastrofer, ved at gå mod kanten af kaos uden at gå længere. Fysikere har bevist, at tilpasning til kanten af kaos forekommer i næsten alle feedbacksystemer. Lad læseren ikke blive overrasket over prætentiøs terminologi, for sådanne teorier påvirker teorien direktekaos.
Practopoesis
Practopoiesis som et udtryk opfundet af Danko Nikolic er en reference til en slags adaptivt eller selvregulerende system, hvor autopoiesis af en organisme eller celle sker gennem allopoetiske interaktioner mellem dens komponenter. De er organiseret i et poetisk hierarki: en komponent skaber en anden. Teorien antyder, at levende systemer udviser et hierarki af fire sådanne poetiske operationer:
evolution (i) → genekspression (ii) → ikke-gen-relaterede homøostatiske mekanismer (anapoiesis) (iii) → cellefunktion (iv).
Practopoesis udfordrer den moderne neurovidenskabelige doktrin ved at argumentere for, at mentale operationer for det meste forekommer på det anapoetiske niveau (iii), det vil sige, at sind kommer ud af hurtige homøostatiske (adaptive) mekanismer. Dette står i kontrast til den udbredte tro på, at tænkning er synonymt med neural aktivitet (cellefunktion på niveau iv).
Hvert lavere niveau indeholder viden, der er mere generel end det højere niveau. Fx indeholder gener mere generel viden end anapoetiske mekanismer, som igen indeholder mere generel viden end cellefunktioner. Dette videnshierarki tillader det anapoetiske niveau direkte at lagre de begreber, der er nødvendige for sindets fremkomst.
Kompleks system
Et komplekst adaptivt system er en kompleks mekanisme, hvor en perfekt forståelse af individuelle dele ikke automatisk giver en perfekt forståelse af helhedendesigns. Studiet af disse mekanismer, som er en slags delmængde af ikke-lineære dynamiske systemer, er meget tværfagligt og kombinerer viden om natur- og samfundsvidenskab for at udvikle modeller og repræsentationer på højeste niveau, der tager højde for heterogene faktorer, faseovergang og andre nuancer.
De er komplekse ved, at de er dynamiske netværk af interaktioner, og deres relationer er ikke samlinger af separate statiske objekter, det vil sige, at ensemblets adfærd ikke forudsiges af komponenternes adfærd. De er adaptive ved, at individuelle og kollektive adfærd muterer og selvorganiserer i henhold til en forandringsinitierende mikrobegivenhed eller et sæt af begivenheder. De er en kompleks makroskopisk samling af relativt ens og delvist relaterede mikrostrukturer, formet til at tilpasse sig et skiftende miljø og forbedre deres overlevelse som en makrostruktur.
Application
Udtrykket "komplekse adaptive systemer" (CAS) eller videnskaben om kompleksitet bruges ofte til at beskrive det løst organiserede akademiske felt, der er vokset op omkring studiet af sådanne systemer. Kompleksitetsvidenskab er ikke en enkelt teori - den dækker mere end én teoretisk ramme og er meget tværfaglig, søger svar på nogle grundlæggende spørgsmål om levende, tilpasningsdygtige, foranderlige systemer. CAS-forskning fokuserer på de komplekse, emergente og makroskopiske egenskaber af et system. John H. Holland sagde, at CAS er systemer, der har en storantallet af komponenter, ofte omt alt som agenter, der interagerer, tilpasser sig eller lærer.
Eksempler
Typiske eksempler på adaptive systemer omfatter:
- klima;
- byer;
- firmaer;
- markeder;
- regeringer;
- industri;
- økosystemer;
- sociale netværk;
- elektriske netværk;
- flokke med dyr;
- trafikstrømme;
- sociale insektkolonier (f.eks. myrer);
- hjerne og immunsystem;
- celler og embryo under udvikling.
Men det er ikke alt. Denne liste kan også omfatte adaptive systemer inden for kybernetik, som vinder mere og mere popularitet. Organisationer baseret på sociale grupper af mennesker såsom politiske partier, samfund, geopolitiske samfund, krige og terrornetværk betragtes også som CAS. Internettet og cyberspace, sammensat, samarbejdende og styret af et komplekst sæt af menneske-computer-interaktioner, ses også som et komplekst adaptivt system. CAS kan være hierarkisk, men det vil altid vise aspekter af selvorganisering oftere. Således kan nogle moderne teknologier (f.eks. neurale netværk) kaldes selvlærende og selvjusterende informationssystemer.
Differences
Det, der adskiller CAS fra et rent multi-agent system (MAS), er opmærksomheden på funktioner og funktioner på øverste niveau såsom selvlighed, strukturel kompleksitet og selvorganisering. MAS er defineretsom et system bestående af flere interagerende agenter, mens agenterne og systemet i CAS er adaptive, og selve systemet er ens.
CAS er en kompleks samling af interagerende adaptive agenter. Sådanne systemer er kendetegnet ved en høj grad af tilpasning, som gør dem usædvanligt modstandsdygtige over for forandringer, kriser og katastrofer. Dette bør tages i betragtning ved udvikling af et adaptivt system.
Andre vigtige egenskaber er: tilpasning (eller homeostase), kommunikation, samarbejde, specialisering, rumlig og tidsmæssig organisering og reproduktion. De kan findes på alle niveauer: celler specialiserer sig, tilpasser sig og formerer sig ligesom større organismer gør. Kommunikation og samarbejde foregår på alle niveauer, fra agent til systemniveau. De kræfter, der driver samarbejdet mellem agenter i et sådant system, kan i nogle tilfælde analyseres ved hjælp af spilteori.
Simulering
CAS er systemer, der kan tilpasses. Nogle gange modelleres de ved hjælp af agentbaserede og komplekse netværksmodeller. De, der er baseret på agenter, udvikles ved hjælp af forskellige metoder og værktøjer, primært ved først at identificere forskellige agenter i modellen. En anden metode til at udvikle modeller for CAS involverer udvikling af komplekse netværksmodeller ved at bruge interaktionsdata fra forskellige CAS-komponenter, såsom et adaptivt kommunikationssystem.
I 2013SpringerOpen / BioMed Central har lanceret et online-tidsskrift med åben adgang om komplekse systemer (CASM).
Levende organismer er komplekse adaptive systemer. Mens kompleksitet er svær at kvantificere i biologi, har evolutionen produceret nogle fantastiske organismer. Denne observation har fået den almindelige misforståelse om evolution til at være progressiv.
Stræben efter kompleksitet
Hvis ovenstående generelt var sandt, ville evolution have en stærk tendens til kompleksitet. I denne type forløb vil værdien af den mest almindelige sværhedsgrad stige over tid. Faktisk tyder nogle kunstige livssimuleringer på, at CAS-generering er et uundgåeligt træk ved evolutionen.
Ideen om en generel tendens til kompleksitet i evolution kan imidlertid også forklares med en passiv proces. Dette inkluderer at øge variansen, men den mest almindelige værdi, mode, ændres ikke. Den maksimale sværhedsgrad stiger således over tid, men kun som et indirekte produkt af det samlede antal organismer. Denne type tilfældig proces kaldes også en afgrænset tilfældig gang.
I denne hypotese er den åbenlyse tendens til at komplicere organismers struktur en illusion. Det opstår ved at koncentrere sig om et lille antal store, meget komplekse organismer, der bebor den højre hale af kompleksitetsfordelingen, og ignorere det enklere og meget mere almindeligeorganismer. Denne passive model understreger, at langt de fleste arter er mikroskopiske prokaryoter, som udgør omkring halvdelen af verdens biomasse og langt størstedelen af jordens biodiversitet. Derfor forbliver simpelt liv dominerende på Jorden, mens komplekst liv kun forekommer mere forskelligartet på grund af prøveudtagningsbias.
Hvis biologi mangler en generel tendens til kompleksitet, vil dette ikke forhindre eksistensen af kræfter, der driver systemer mod kompleksitet i en delmængde af tilfælde. Disse mindre tendenser vil blive opvejet af andet evolutionært pres, der driver systemer mod mindre komplekse tilstande.
Immunsystem
Det adaptive immunsystem (også kendt som det erhvervede eller, mere sjældent, det specifikke immunsystem) er et undersystem af det generelle immunsystem. Den består af højt specialiserede celler og processer, der eliminerer patogener eller forhindrer deres vækst. Det erhvervede immunsystem er en af de to vigtigste immunstrategier hos hvirveldyr (den anden er det medfødte immunsystem). Erhvervet immunitet skaber en immunologisk hukommelse efter et indledende respons på et bestemt patogen og fører til et øget respons på efterfølgende møder med det samme patogen. Denne proces med erhvervet immunitet er grundlaget for vaccination. Ligesom det medfødte system omfatter det erhvervede system ikke kun komponenter af humoral immunitet, men også komponenter af cellulær immunitet.
Begrebets historie
Udtrykket "adaptiv" blev først introduceretbrugt af Robert Good i forhold til antistofresponser hos frøer som et synonym for erhvervet immunrespons i 1964. Goode erkendte, at han brugte udtrykkene i flæng, men forklarede kun, at han foretrak at bruge udtrykket. Måske tænkte han på den dengang usandsynlige teori om antistofdannelse, hvor de var plastiske og kunne tilpasse sig antigeners molekylære form, eller konceptet med adaptive enzymer, hvis ekspression kunne være forårsaget af deres substrater. Sætningen blev næsten udelukkende brugt af Goode og hans elever og af flere andre immunologer, der arbejdede med marginale organismer indtil 1990'erne. Derefter blev det meget brugt i forbindelse med udtrykket "medfødt immunitet", som blev et populært emne efter opdagelsen af Toll-receptorsystemet. i Drosophila, tidligere en marginal organisme til studiet af immunologi. Udtrykket "adaptiv" som anvendt i immunologi er problematisk, fordi erhvervede immunresponser kan være enten adaptive eller maladaptive i fysiologisk forstand. Faktisk kan både erhvervede og immunresponser være adaptive og ikke-adaptive i evolutionær forstand. De fleste lærebøger i dag bruger udelukkende udtrykket "adaptiv" og bemærker, at det er synonymt med "erhvervet".
Biologisk tilpasning
Siden opdagelsen er den klassiske betydning af erhvervet immunitet kommet til at betyde antigenspecifik immunitet medieret af omarrangeringer af somatiskgener, der skaber antigenreceptorer, der definerer kloner. I det sidste årti er udtrykket "adaptiv" i stigende grad blevet anvendt til en anden klasse af immunrespons, som endnu ikke er blevet forbundet med somatiske gen-omlejringer. Disse omfatter udvidelsen af naturlige dræberceller (NK) med endnu uforklarlig antigenspecificitet, udvidelsen af NK-celler, der udtrykker kimlinjekodede receptorer, og aktiveringen af andre medfødte immunceller til en aktiveret tilstand, der giver kortsigtet immunhukommelse. I denne forstand er adaptiv immunitet tættere på begrebet "aktiveret tilstand" eller "heterostase", og vender således tilbage til den fysiologiske betydning af "tilpasning" til miljøændringer. Kort sagt er det i dag næsten synonymt med biologisk tilpasning.
