Οι βρόχοι ανάδρασης είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό των συστημάτων στα οποία εστιάζει αυτό το άρθρο, όπως τα οικοσυστήματα και οι μεμονωμένοι οργανισμοί. Υπάρχουν επίσης στον ανθρώπινο κόσμο, τις κοινότητες, τους οργανισμούς και τις οικογένειες.
Τα τεχνητά συστήματα αυτού του είδους περιλαμβάνουν ρομπότ με συστήματα ελέγχου που χρησιμοποιούν αρνητική ανάδραση για να διατηρήσουν τις επιθυμητές καταστάσεις.
Βασικά χαρακτηριστικά
Σε ένα προσαρμοστικό σύστημα, η παράμετρος αλλάζει αργά και δεν έχει μια προτιμώμενη τιμή. Ωστόσο, σε ένα αυτορυθμιζόμενο σύστημα, η τιμή της παραμέτρου εξαρτάται από το ιστορικό της δυναμικής του συστήματος. Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες των συστημάτων αυτορρύθμισης είναι η ικανότητα προσαρμογής στην άκρη του χάους ή η ικανότητα αποφυγής του χάους. Πρακτικά μιλώντας, κατευθυνόμενος προς την άκρη του χάους χωρίς να προχωρήσει περαιτέρω, ο παρατηρητής μπορεί να ενεργήσει αυθόρμητα, αλλά χωρίς καταστροφές. Οι φυσικοί έχουν αποδείξει ότι η προσαρμογή στην άκρη του χάους συμβαίνει σχεδόν σε όλα τα συστήματα ανάδρασης. Ας μην εκπλήσσεται ο αναγνώστης με την προσχηματική ορολογία, γιατί τέτοιες θεωρίες επηρεάζουν άμεσα τη θεωρίαχάος.
Practopoesis
Η Πρακτική ως όρος που επινοήθηκε από τον Danko Nikolic είναι μια αναφορά σε ένα είδος προσαρμοστικού ή αυτορυθμιζόμενου συστήματος στο οποίο η αυτοποίηση ενός οργανισμού ή ενός κυττάρου λαμβάνει χώρα μέσω αλλοποιητικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των συστατικών του. Οργανώνονται σε μια ποιητική ιεραρχία: το ένα συστατικό δημιουργεί ένα άλλο. Η θεωρία προτείνει ότι τα ζωντανά συστήματα παρουσιάζουν μια ιεραρχία τεσσάρων τέτοιων ποιητικών πράξεων:
εξέλιξη (i) → γονιδιακή έκφραση (ii) → μη σχετιζόμενοι με το γονίδιο ομοιοστατικοί μηχανισμοί (αναποίηση) (iii) → κυτταρική λειτουργία (iv).
Η Practopoesis αμφισβητεί το σύγχρονο δόγμα της νευροεπιστήμης υποστηρίζοντας ότι οι νοητικές λειτουργίες συμβαίνουν ως επί το πλείστον στο αναποιητικό επίπεδο (iii), δηλαδή ότι τα μυαλά αναδύονται από γρήγορους ομοιοστατικούς (προσαρμοστικούς) μηχανισμούς. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την ευρέως διαδεδομένη πεποίθηση ότι η σκέψη είναι συνώνυμη με τη νευρική δραστηριότητα (λειτουργία κυττάρων στο επίπεδο IV).
Κάθε χαμηλότερο επίπεδο περιέχει γνώσεις που είναι πιο γενικές από το ανώτερο επίπεδο. Για παράδειγμα, τα γονίδια περιέχουν περισσότερες γενικές γνώσεις από τους αναποτικούς μηχανισμούς, οι οποίοι με τη σειρά τους περιέχουν περισσότερες γενικές γνώσεις από τις λειτουργίες των κυττάρων. Αυτή η ιεραρχία γνώσης επιτρέπει στο αναποιητικό επίπεδο να αποθηκεύει άμεσα τις έννοιες που είναι απαραίτητες για την ανάδυση του νου.
Σύστημα πολύπλοκο
Ένα πολύπλοκο προσαρμοστικό σύστημα είναι ένας πολύπλοκος μηχανισμός στον οποίο η τέλεια κατανόηση μεμονωμένων μερών δεν παρέχει αυτόματα τέλεια κατανόηση του συνόλουσχέδια. Η μελέτη αυτών των μηχανισμών, που αποτελούν ένα είδος υποσυνόλου μη γραμμικών δυναμικών συστημάτων, είναι εξαιρετικά διεπιστημονική και συνδυάζει τη γνώση των φυσικών και κοινωνικών επιστημών για την ανάπτυξη μοντέλων και αναπαραστάσεων υψηλού επιπέδου που λαμβάνουν υπόψη ετερογενείς παράγοντες, μετάβαση φάσης και άλλες αποχρώσεις.
Είναι πολύπλοκα στο ότι είναι δυναμικά δίκτυα αλληλεπιδράσεων και οι σχέσεις τους δεν είναι συλλογές ξεχωριστών στατικών αντικειμένων, δηλαδή, η συμπεριφορά του συνόλου δεν προβλέπεται από τη συμπεριφορά των στοιχείων. Είναι προσαρμοστικοί καθώς οι ατομικές και συλλογικές συμπεριφορές μεταλλάσσονται και αυτο-οργανώνονται σύμφωνα με ένα μικροσυμβάν ή ένα σύνολο γεγονότων που εκκινεί την αλλαγή. Αποτελούν μια σύνθετη μακροσκοπική συλλογή σχετικά όμοιων και εν μέρει σχετικών μικροδομών, διαμορφωμένων ώστε να προσαρμόζονται σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον και να ενισχύουν την επιβίωσή τους ως μακροδομή.
Αίτηση
Ο όρος "σύνθετα προσαρμοστικά συστήματα" (CAS) ή η επιστήμη της πολυπλοκότητας χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει το χαλαρά οργανωμένο ακαδημαϊκό πεδίο που έχει αναπτυχθεί γύρω από τη μελέτη τέτοιων συστημάτων. Η επιστήμη της πολυπλοκότητας δεν είναι μια ενιαία θεωρία - καλύπτει περισσότερα από ένα θεωρητικά πλαίσια και είναι εξαιρετικά διεπιστημονική, αναζητώντας απαντήσεις σε ορισμένα θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με τα ζωντανά, προσαρμόσιμα, μεταβαλλόμενα συστήματα. Η έρευνα CAS επικεντρώνεται στις πολύπλοκες, αναδυόμενες και μακροσκοπικές ιδιότητες ενός συστήματος. Ο John H. Holland είπε ότι τα CAS είναι συστήματα που έχουν μεγάλοο αριθμός των στοιχείων, που συχνά αναφέρονται ως πράκτορες, που αλληλεπιδρούν, προσαρμόζονται ή μαθαίνουν.
Παραδείγματα
Τυπικά παραδείγματα προσαρμοστικών συστημάτων περιλαμβάνουν:
- κλίμα;
- πόλεις;
- εταιρείες;
- markets;
- κυβερνήσεις;
- industry;
- οικοσυστήματα;
- κοινωνικά δίκτυα;
- ηλεκτρικά δίκτυα;
- συσκευές ζώων;
- ροές κυκλοφορίας;
- κοινωνικές αποικίες εντόμων (π.χ. μυρμήγκια);
- εγκέφαλος και ανοσοποιητικό σύστημα;
- κύτταρα και αναπτυσσόμενο έμβρυο.
Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Επίσης, αυτή η λίστα μπορεί να περιλαμβάνει προσαρμοστικά συστήματα στην κυβερνητική, τα οποία κερδίζουν ολοένα και μεγαλύτερη δημοτικότητα. Οργανώσεις που βασίζονται σε κοινωνικές ομάδες ανθρώπων όπως πολιτικά κόμματα, κοινότητες, γεωπολιτικές κοινότητες, πόλεμοι και τρομοκρατικά δίκτυα θεωρούνται επίσης CAS. Το Διαδίκτυο και ο κυβερνοχώρος, που αποτελούνται, συνεργάζονται και διαχειρίζονται από ένα σύνθετο σύνολο αλληλεπιδράσεων ανθρώπου-υπολογιστή, θεωρούνται επίσης ως ένα πολύπλοκο προσαρμοστικό σύστημα. Το CAS μπορεί να είναι ιεραρχικό, αλλά θα δείχνει πάντα πτυχές αυτοοργάνωσης πιο συχνά. Έτσι, ορισμένες σύγχρονες τεχνολογίες (για παράδειγμα, νευρωνικά δίκτυα) μπορούν να ονομαστούν συστήματα αυτομάθησης και αυτοπροσαρμογής πληροφοριών.
Διαφορές
Αυτό που διακρίνει το CAS από ένα καθαρό σύστημα πολλαπλών παραγόντων (MAS) είναι η προσοχή σε χαρακτηριστικά και λειτουργίες ανώτατου επιπέδου όπως η αυτο-ομοιότητα, η δομική πολυπλοκότητα και η αυτοοργάνωση. ορίζεται το MASως σύστημα που αποτελείται από πολλούς αλληλεπιδρώντες πράκτορες, ενώ στο CAS οι πράκτορες και το σύστημα είναι προσαρμοστικοί και το ίδιο το σύστημα είναι ίδιο.
Το CAS είναι μια πολύπλοκη συλλογή προσαρμοστικών παραγόντων που αλληλεπιδρούν. Τέτοια συστήματα χαρακτηρίζονται από υψηλό βαθμό προσαρμογής, που τα καθιστά ασυνήθιστα ανθεκτικά απέναντι σε αλλαγές, κρίσεις και καταστροφές. Αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ανάπτυξη ενός προσαρμοστικού συστήματος.
Άλλες σημαντικές ιδιότητες είναι: προσαρμογή (ή ομοιόσταση), επικοινωνία, συνεργασία, εξειδίκευση, χωρική και χρονική οργάνωση και αναπαραγωγή. Μπορούν να βρεθούν σε όλα τα επίπεδα: τα κύτταρα εξειδικεύονται, προσαρμόζονται και πολλαπλασιάζονται όπως ακριβώς κάνουν οι μεγαλύτεροι οργανισμοί. Η επικοινωνία και η συνεργασία συμβαίνουν σε όλα τα επίπεδα, από το επίπεδο του πράκτορα έως το επίπεδο του συστήματος. Οι δυνάμεις που οδηγούν τη συνεργασία μεταξύ των πρακτόρων σε ένα τέτοιο σύστημα μπορούν σε ορισμένες περιπτώσεις να αναλυθούν χρησιμοποιώντας τη θεωρία παιγνίων.
Simulation
Τα CAS είναι προσαρμόσιμα συστήματα. Μερικές φορές μοντελοποιούνται χρησιμοποιώντας μοντέλα δικτύου που βασίζονται σε πράκτορες και πολύπλοκα. Αυτά που βασίζονται σε πράκτορες αναπτύσσονται με χρήση διαφόρων μεθόδων και εργαλείων, κυρίως με τον εντοπισμό διάφορων πρακτόρων μέσα στο μοντέλο. Μια άλλη μέθοδος για την ανάπτυξη μοντέλων για CAS περιλαμβάνει την ανάπτυξη πολύπλοκων μοντέλων δικτύου χρησιμοποιώντας τα δεδομένα αλληλεπίδρασης διαφόρων στοιχείων CAS, όπως ένα προσαρμοστικό σύστημα επικοινωνίας.
Το 2013Το SpringerOpen / BioMed Central κυκλοφόρησε ένα διαδικτυακό περιοδικό ανοιχτής πρόσβασης για τη μοντελοποίηση σύνθετων συστημάτων (CASM).
Οι ζωντανοί οργανισμοί είναι πολύπλοκα προσαρμοστικά συστήματα. Ενώ η πολυπλοκότητα είναι δύσκολο να προσδιοριστεί ποσοτικά στη βιολογία, η εξέλιξη έχει δημιουργήσει μερικούς καταπληκτικούς οργανισμούς. Αυτή η παρατήρηση οδήγησε την κοινή εσφαλμένη αντίληψη για την εξέλιξη να είναι προοδευτική.
Προσπαθώντας για πολυπλοκότητα
Εάν τα παραπάνω ίσχυαν γενικά, η εξέλιξη θα είχε μια ισχυρή τάση προς την πολυπλοκότητα. Σε αυτόν τον τύπο διαδικασίας, η τιμή του πιο συνηθισμένου βαθμού δυσκολίας θα αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Πράγματι, ορισμένες προσομοιώσεις τεχνητής ζωής υποδηλώνουν ότι η δημιουργία CAS είναι ένα αναπόφευκτο χαρακτηριστικό της εξέλιξης.
Ωστόσο, η ιδέα μιας γενικής τάσης προς την πολυπλοκότητα στην εξέλιξη μπορεί επίσης να εξηγηθεί από μια παθητική διαδικασία. Αυτό περιλαμβάνει την αύξηση της διακύμανσης, αλλά η πιο κοινή τιμή, η λειτουργία, δεν αλλάζει. Έτσι, το μέγιστο επίπεδο δυσκολίας αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, αλλά μόνο ως έμμεσο προϊόν του συνολικού αριθμού των οργανισμών. Αυτός ο τύπος τυχαίας διαδικασίας ονομάζεται επίσης περιορισμένος τυχαίος περίπατος.
Σε αυτήν την υπόθεση, η προφανής τάση να περιπλέκεται η δομή των οργανισμών είναι μια ψευδαίσθηση. Προκύπτει από τη συγκέντρωση σε έναν μικρό αριθμό μεγάλων, εξαιρετικά πολύπλοκων οργανισμών που κατοικούν στη δεξιά ουρά της κατανομής πολυπλοκότητας και αγνοώντας την απλούστερη και πολύ πιο κοινήοργανισμών. Αυτό το παθητικό μοντέλο τονίζει ότι η συντριπτική πλειονότητα των ειδών είναι μικροσκοπικοί προκαρυώτες, που αποτελούν περίπου το ήμισυ της παγκόσμιας βιομάζας και τη συντριπτική πλειοψηφία της βιοποικιλότητας της Γης. Επομένως, η απλή ζωή παραμένει κυρίαρχη στη Γη, ενώ η σύνθετη ζωή εμφανίζεται πιο ποικιλόμορφη μόνο λόγω της δειγματοληψίας μεροληψίας.
Εάν η βιολογία δεν έχει μια γενική τάση προς την πολυπλοκότητα, αυτό δεν θα αποτρέψει την ύπαρξη δυνάμεων που οδηγούν τα συστήματα προς την πολυπλοκότητα σε ένα υποσύνολο περιπτώσεων. Αυτές οι δευτερεύουσες τάσεις θα αντισταθμιστούν από άλλες εξελικτικές πιέσεις που οδηγούν τα συστήματα σε λιγότερο περίπλοκες καταστάσεις.
Ανοσοποιητικό σύστημα
Το προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα (γνωστό και ως επίκτητο ή, σπανιότερα, ειδικό ανοσοποιητικό σύστημα) είναι ένα υποσύστημα του γενικού ανοσοποιητικού συστήματος. Αποτελείται από εξαιρετικά εξειδικευμένα κύτταρα και διαδικασίες που εξαλείφουν τα παθογόνα ή εμποδίζουν την ανάπτυξή τους. Το επίκτητο ανοσοποιητικό σύστημα είναι μία από τις δύο κύριες στρατηγικές του ανοσοποιητικού στα σπονδυλωτά (η άλλη είναι το έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα). Η επίκτητη ανοσία δημιουργεί μια ανοσολογική μνήμη μετά από μια αρχική απόκριση σε ένα συγκεκριμένο παθογόνο και οδηγεί σε μια ενισχυμένη απόκριση σε επόμενες συναντήσεις με το ίδιο παθογόνο. Αυτή η διαδικασία της επίκτητης ανοσίας είναι η βάση του εμβολιασμού. Όπως το έμφυτο σύστημα, το επίκτητο σύστημα περιλαμβάνει όχι μόνο συστατικά της χυμικής ανοσίας, αλλά και στοιχεία της κυτταρικής ανοσίας.
Ιστορία του όρου
Ο όρος "προσαρμοστικό" εισήχθη για πρώτη φοράχρησιμοποιήθηκε από τον Robert Good σε σχέση με τις αποκρίσεις αντισωμάτων σε βατράχους ως συνώνυμο της επίκτητης ανοσολογικής απόκρισης το 1964. Ο Goode αναγνώρισε ότι χρησιμοποίησε τους όρους εναλλακτικά, αλλά εξήγησε μόνο ότι προτιμούσε να χρησιμοποιήσει τον όρο. Ίσως σκεφτόταν την απίθανη τότε θεωρία του σχηματισμού αντισωμάτων, στην οποία ήταν πλαστικά και μπορούσαν να προσαρμοστούν στο μοριακό σχήμα των αντιγόνων ή την έννοια των προσαρμοστικών ενζύμων των οποίων η έκφραση θα μπορούσε να προκληθεί από τα υποστρώματά τους. Η φράση χρησιμοποιήθηκε σχεδόν αποκλειστικά από τον Goode και τους μαθητές του και από αρκετούς άλλους ανοσολόγους που εργάζονταν σε περιθωριακούς οργανισμούς μέχρι τη δεκαετία του 1990. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε συνδυασμό με τον όρο «έμφυτη ανοσία», που έγινε δημοφιλές θέμα μετά την ανακάλυψη του συστήματος υποδοχέα Toll. στη Δροσόφιλα, προηγουμένως περιθωριακός οργανισμός για τη μελέτη της ανοσολογίας. Ο όρος "προσαρμοστικός" όπως χρησιμοποιείται στην ανοσολογία είναι προβληματικός επειδή οι επίκτητες ανοσολογικές αποκρίσεις μπορεί να είναι είτε προσαρμοστικές είτε δυσπροσαρμοστικές με φυσιολογική έννοια. Πράγματι, τόσο οι επίκτητες όσο και οι ανοσολογικές αποκρίσεις μπορεί να είναι προσαρμοστικές και μη προσαρμοστικές με μια εξελικτική έννοια. Τα περισσότερα σχολικά βιβλία σήμερα χρησιμοποιούν αποκλειστικά τον όρο «προσαρμοστικό», σημειώνοντας ότι είναι συνώνυμος με το «επίκτητο».
Βιολογική προσαρμογή
Από την ανακάλυψη, η κλασική έννοια της επίκτητης ανοσίας έχει καταλήξει να σημαίνει την ειδική για το αντιγόνο ανοσία που προκαλείται από αναδιατάξεις σωματικώνγονίδια που δημιουργούν υποδοχείς αντιγόνου που ορίζουν τους κλώνους. Την τελευταία δεκαετία, ο όρος «προσαρμοστικός» εφαρμόζεται όλο και περισσότερο σε μια άλλη κατηγορία ανοσολογικής απόκρισης που δεν έχει ακόμη συσχετιστεί με σωματικές γονιδιακές ανακατατάξεις. Αυτά περιλαμβάνουν την επέκταση κυττάρων φυσικών φονέων (ΝΚ) με ακόμη ανεξήγητη εξειδίκευση αντιγόνου, την επέκταση κυττάρων ΝΚ που εκφράζουν κωδικοποιημένους από τη βλαστική σειρά υποδοχείς και την ενεργοποίηση άλλων έμφυτων ανοσοκυττάρων σε μια ενεργοποιημένη κατάσταση που παρέχει βραχυπρόθεσμη ανοσολογική μνήμη. Με αυτή την έννοια, η προσαρμοστική ανοσία είναι πιο κοντά στην έννοια της «ενεργοποιημένης κατάστασης» ή της «ετερόστασης», επιστρέφοντας έτσι στη φυσιολογική έννοια της «προσαρμογής» στις περιβαλλοντικές αλλαγές. Με απλά λόγια, σήμερα είναι σχεδόν συνώνυμο με τη βιολογική προσαρμογή.
