Pętle sprzężenia zwrotnego są kluczową cechą systemów, na których koncentruje się ten artykuł, takich jak ekosystemy i pojedyncze organizmy. Istnieją również w ludzkim świecie, społecznościach, organizacjach i rodzinach.
Sztuczne systemy tego rodzaju obejmują roboty z systemami sterowania, które wykorzystują negatywną informację zwrotną do utrzymywania pożądanych stanów.
Kluczowe funkcje
W systemie adaptacyjnym parametr zmienia się powoli i nie ma preferowanej wartości. Jednak w systemie samoregulującym wartość parametru zależy od historii dynamiki systemu. Jedną z najważniejszych cech systemów samoregulujących jest umiejętność dostosowania się do krawędzi chaosu, czyli umiejętność unikania chaosu. Praktycznie rzecz biorąc, kierując się na skraj chaosu, nie idąc dalej, obserwator może działać spontanicznie, ale bez katastrof. Fizycy udowodnili, że adaptacja do krawędzi chaosu występuje w prawie wszystkich systemach sprzężenia zwrotnego. Niech czytelnika nie zdziwi pretensjonalna terminologia, bo takie teorie wpływają bezpośrednio na teorięchaos.
Praktopoeza
Praktopoeza jako termin ukuty przez Danko Nikolicia jest odniesieniem do pewnego rodzaju adaptacyjnego lub samoregulującego się systemu, w którym autopoeza organizmu lub komórki zachodzi poprzez interakcje allopoetyczne między jego składnikami. Są one zorganizowane w poetycką hierarchię: jeden składnik tworzy drugi. Teoria sugeruje, że systemy żywe wykazują hierarchię czterech takich operacji poetyckich:
ewolucja (i) → ekspresja genów (ii) → mechanizmy homeostazy niezwiązane z genami (anapoeza) (iii) → funkcja komórki (iv).
Praktopoeza kwestionuje współczesną doktrynę neuronaukową, argumentując, że operacje umysłowe występują głównie na poziomie anapoetycznym (iii), to znaczy, że umysły wyłaniają się z szybkich mechanizmów homeostatycznych (adaptacyjnych). Kontrastuje to z szeroko rozpowszechnionym przekonaniem, że myślenie jest synonimem aktywności neuronalnej (funkcja komórki na poziomie iv).
Każdy niższy poziom zawiera wiedzę, która jest bardziej ogólna niż poziom wyższy. Na przykład geny zawierają więcej ogólnej wiedzy niż mechanizmy anapoetyczne, które z kolei zawierają więcej ogólnej wiedzy niż funkcje komórki. Ta hierarchia wiedzy pozwala poziomowi anapoetycznemu na bezpośrednie przechowywanie pojęć niezbędnych do powstania umysłu.
Złożony system
Złożony system adaptacyjny to złożony mechanizm, w którym doskonałe zrozumienie poszczególnych części nie zapewnia automatycznie doskonałego zrozumienia całościprojekty. Badanie tych mechanizmów, które są rodzajem podzbioru nieliniowych układów dynamicznych, ma charakter wysoce interdyscyplinarny i łączy wiedzę nauk przyrodniczych i społecznych w celu opracowania modeli i reprezentacji najwyższego poziomu uwzględniających czynniki heterogeniczne, przejścia fazowe i inne niuanse.
Są złożone, ponieważ są dynamicznymi sieciami interakcji, a ich relacje nie są zbiorami oddzielnych obiektów statycznych, co oznacza, że zachowanie zespołu nie jest przewidywane przez zachowanie komponentów. Są adaptacyjne, ponieważ indywidualne i zbiorowe zachowania mutują i samoorganizują się zgodnie z inicjującym zmianę mikrozdarzeniem lub zestawem wydarzeń. Stanowią złożony makroskopowy zbiór stosunkowo podobnych i częściowo powiązanych mikrostruktur, ukształtowanych tak, aby dostosowywać się do zmieniającego się środowiska i zwiększać ich przetrwanie jako makrostruktury.
Aplikacja
Termin "złożone systemy adaptacyjne" (CAS) lub nauka o złożoności jest często używany do opisu luźno zorganizowanej dziedziny akademickiej, która wyrosła wokół badania takich systemów. Nauka o złożoności nie jest pojedynczą teorią – obejmuje więcej niż jedną ramę teoretyczną i jest wysoce interdyscyplinarna, poszukując odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące żywych, adaptowalnych, zmieniających się systemów. Badania CAS koncentrują się na złożonych, wyłaniających się i makroskopowych właściwościach systemu. John H. Holland powiedział, że CAS to systemy, które mają dużyliczba komponentów, często nazywanych agentami, które wchodzą w interakcje, dostosowują się lub uczą.
Przykłady
Typowe przykłady systemów adaptacyjnych obejmują:
- klimat;
- miasta;
- firmy;
- rynki;
- rządy;
- przemysł;
- ekosystemy;
- sieci społecznościowe;
- sieci elektryczne;
- pakiety zwierząt;
- przepływy ruchu;
- społeczne kolonie owadów (np. mrówki);
- mózg i układ odpornościowy;
- komórki i rozwijający się zarodek.
Ale to nie wszystko. Na liście tej mogą znaleźć się również systemy adaptacyjne w cybernetyce, które zyskują coraz większą popularność. Organizacje oparte na grupach społecznych, takich jak partie polityczne, społeczności, społeczności geopolityczne, wojny i sieci terrorystyczne są również uważane za CAS. Internet i cyberprzestrzeń, skomponowane, współpracujące i zarządzane przez złożony zestaw interakcji człowiek-komputer, są również postrzegane jako złożony system adaptacyjny. CAS może być hierarchiczny, ale zawsze będzie częściej ukazywał aspekty samoorganizacji. Dlatego niektóre nowoczesne technologie (na przykład sieci neuronowe) można nazwać samouczącymi się i samodostosowującymi się systemami informacyjnymi.
Różnice
To, co odróżnia CAS od czystego systemu wieloagentowego (MAS), to zwracanie uwagi na cechy i funkcje najwyższego poziomu, takie jak samopodobieństwo, złożoność strukturalna i samoorganizacja. MAS jest zdefiniowanyjako system składający się z kilku współpracujących agentów, podczas gdy w CAS agenci i system są adaptacyjne, a sam system jest samopodobny.
CAS to złożony zbiór współdziałających agentów adaptacyjnych. Systemy takie charakteryzują się wysokim stopniem adaptacji, co czyni je niezwykle odpornymi na zmiany, kryzysy i katastrofy. Należy to wziąć pod uwagę przy opracowywaniu systemu adaptacyjnego.
Inne ważne właściwości to: adaptacja (lub homeostaza), komunikacja, współpraca, specjalizacja, organizacja przestrzenna i czasowa oraz reprodukcja. Można je znaleźć na wszystkich poziomach: komórki specjalizują się, dostosowują i rozmnażają, tak jak robią to większe organizmy. Komunikacja i współpraca odbywa się na wszystkich poziomach, od agenta do poziomu systemu. Siły napędzające współpracę między agentami w takim systemie można w niektórych przypadkach analizować za pomocą teorii gier.
Symulacja
CAS to systemy adaptowalne. Czasami są one modelowane przy użyciu złożonych modeli sieciowych opartych na agentach. Te oparte na agentach są opracowywane przy użyciu różnych metod i narzędzi, przede wszystkim poprzez identyfikację różnych agentów w modelu. Inna metoda tworzenia modeli dla CAS obejmuje tworzenie złożonych modeli sieciowych przy użyciu danych interakcji różnych komponentów CAS, takich jak adaptacyjny system komunikacyjny.
W 2013SpringerOpen / BioMed Central uruchomiło otwarty dziennik online poświęcony modelowaniu złożonych systemów (CASM).
Żywe organizmy to złożone systemy adaptacyjne. Podczas gdy złożoność jest trudna do oszacowania w biologii, ewolucja stworzyła niesamowite organizmy. Ta obserwacja doprowadziła do powszechnego błędnego przekonania o postępie ewolucji.
Dążenie do złożoności
Gdyby powyższe było ogólnie prawdą, ewolucja miałaby silną tendencję do złożoności. W tego typu procesie wartość najczęstszego stopnia trudności będzie z czasem wzrastać. Rzeczywiście, niektóre symulacje sztucznego życia sugerują, że generowanie CAS jest nieuniknioną cechą ewolucji.
Jednak ideę ogólnego trendu w kierunku złożoności ewolucji można również wyjaśnić pasywnym procesem. Obejmuje to zwiększenie wariancji, ale najczęstsza wartość, tryb, nie ulega zmianie. W ten sposób maksymalny poziom trudności wzrasta z czasem, ale tylko jako pośredni iloczyn całkowitej liczby organizmów. Ten typ procesu losowego jest również nazywany ograniczonym błądzeniem losowym.
W tej hipotezie oczywista tendencja do komplikowania struktury organizmów jest iluzją. Wynika to z koncentracji na niewielkiej liczbie dużych, wysoce złożonych organizmów, które zamieszkują prawy ogon rozkładu złożoności, i ignorowania prostszych i znacznie częstszychorganizmy. Ten pasywny model podkreśla, że zdecydowana większość gatunków to mikroskopijne prokariota, które stanowią około połowy światowej biomasy i zdecydowaną większość bioróżnorodności Ziemi. Dlatego proste życie pozostaje dominujące na Ziemi, podczas gdy złożone życie wydaje się bardziej zróżnicowane tylko ze względu na stronniczość próbkowania.
Jeżeli biologii brakuje ogólnej tendencji do złożoności, nie zapobiegnie to istnieniu sił, które prowadzą systemy do złożoności w podzbiorze przypadków. Te drobne trendy będą równoważone przez inne naciski ewolucyjne, które kierują systemy w kierunku mniej złożonych stanów.
Układ odpornościowy
Adaptacyjny układ odpornościowy (znany również jako nabyty lub rzadziej specyficzny układ odpornościowy) jest podsystemem ogólnego układu odpornościowego. Składa się z wysoce wyspecjalizowanych komórek i procesów, które eliminują patogeny lub zapobiegają ich wzrostowi. Nabyty układ odpornościowy jest jedną z dwóch głównych strategii odpornościowych kręgowców (drugą jest układ odporności wrodzonej). Odporność nabyta tworzy pamięć immunologiczną po początkowej odpowiedzi na konkretny patogen i prowadzi do wzmocnionej odpowiedzi na kolejne spotkania z tym samym patogenem. Ten proces nabytej odporności jest podstawą szczepień. Podobnie jak układ wrodzony, układ nabyty zawiera nie tylko składniki odporności humoralnej, ale także składniki odporności komórkowej.
Historia terminu
Termin „adaptacyjny” został wprowadzony po raz pierwszyużywane przez Roberta Gooda w odniesieniu do odpowiedzi przeciwciał u żab jako synonimu nabytej odpowiedzi immunologicznej w 1964 roku. Goode przyznał, że używał tych terminów zamiennie, ale wyjaśnił tylko, że woli ich używać. Być może miał na myśli nieprawdopodobną wówczas teorię tworzenia przeciwciał, w której były one plastyczne i potrafiły dostosowywać się do molekularnego kształtu antygenów, albo koncepcję enzymów adaptacyjnych, których ekspresję mogą wywołać ich substraty. Wyrażenie to było używane prawie wyłącznie przez Goode'a i jego uczniów oraz przez kilku innych immunologów pracujących na organizmach marginalnych do lat 90. XX wieku. Potem stał się szeroko stosowany w połączeniu z terminem „odporność wrodzona”, który stał się popularnym tematem po odkryciu systemu receptorów Toll. w Drosophila, wcześniej marginalny organizm do badań immunologicznych. Termin „adaptacyjny” stosowany w immunologii jest problematyczny, ponieważ nabyte odpowiedzi odpornościowe mogą być albo adaptacyjne, albo nieprzystosowane w sensie fizjologicznym. Rzeczywiście, zarówno nabyte, jak i immunologiczne reakcje mogą być adaptacyjne i nieadaptacyjne w sensie ewolucyjnym. Większość dzisiejszych podręczników używa wyłącznie terminu „adaptacyjny”, zauważając, że jest to synonim słowa „nabyte”.
Adaptacja biologiczna
Od czasu odkrycia klasyczne znaczenie nabytej odporności oznacza odporność swoistą dla antygenu, w której pośredniczą rearanżacje somatycznejgeny, które tworzą receptory antygenowe definiujące klony. W ostatniej dekadzie termin „adaptacyjny” był coraz częściej stosowany do innej klasy odpowiedzi immunologicznej, która nie została jeszcze powiązana z rearanżacjami genów somatycznych. Obejmują one ekspansję komórek naturalnych zabójców (NK) o niewyjaśnionej jeszcze swoistości antygenowej, ekspansję komórek NK eksprymujących receptory kodowane przez linię zarodkową oraz aktywację innych wrodzonych komórek odpornościowych do stanu aktywacji, który zapewnia krótkotrwałą pamięć immunologiczną. W tym sensie odporność nabyta jest bliższa pojęciu „stanu aktywowanego” lub „heterostazy”, powracając tym samym do fizjologicznego znaczenia „adaptacji” do zmian środowiskowych. Mówiąc najprościej, dziś jest to prawie synonim adaptacji biologicznej.
