Цикли зворотного зв’язку являють собою ключову особливість систем, яким присвячена стаття, таких як екосистеми і окремі організми. Вони також існують у людському світі, спільнотах, організаціях і сім’ях.
Штучні системи такого роду включають роботи з системами керування, які використовують негативну зворотний зв’язок для підтримки бажаних станів.
Основні ознаки
В адаптивній системі параметр змінюється повільно і не має пріоритетне значення. Проте в саморегульованій системі значення параметра залежить від історії динаміки системи. Одним з найбільш важливих якостей саморегулюючих систем є адаптація до краю хаосу або здатність уникати хаосу. Практично кажучи, прямуючи до краю хаосу, не йдучи далі, спостерігач може діяти спонтанно, але без катастроф. Фізики довели, що адаптація до краю хаосу відбувається практично у всіх системах зі зворотним зв’язком. Нехай читача не дивує вигадлива термінологія, адже подібні теорії безпосередньо зачіпають теорію хаосу.
Практопоэзис
Практопоэзис як термін, введений Данко Ніколічем, є посиланням на свого роду адаптивну або саморегульовану систему, в якій аутопоэз організму або клітини відбувається за допомогою аллопоэтических взаємодій між його компонентами. Вони організовані в поетичну ієрархію: один компонент створює інший. Теорія припускає, що живі системи демонструють ієрархію з чотирьох таких поетичних операцій:
еволюція (i) → експресія генів (ii) → не пов’язані з генами гомеостатичні механізми (анапоэз) (iii) → функція клітин (iv).
Практопоэзис кидає виклик сучасній доктрині нейробіології, стверджуючи, що розумові операції в основному відбуваються на анапоэтическом рівні (iii), тобто, що розум виникають з швидких гомеостатичних (адаптивних) механізмів. Це контрастує з широко поширеним переконанням, що мислення є синонімом нейронної активності (функція клітини на рівні iv).
Кожен нижчий рівень містить знання, які є більш загальними, ніж більш високий рівень. Наприклад, гени містять більш загальні знання, ніж анапоэтические механізми, які, в свою чергу, містять більш загальні знання, ніж функції клітин. Ця ієрархія знань дозволяє анапоэтическому рівнем безпосередньо зберігати поняття, необхідні для появи розуму.
Складна система
Складна адаптивна система – це комплексний механізм, в якому досконале розуміння окремих частин автоматично не забезпечує ідеального розуміння всієї конструкції. Вивчення цих механізмів, які є свого роду підмножиною нелінійних динамічних систем, є найвищою мірою міждисциплінарним і об’єднує знання природних і соціальних наук для розробки моделей і уявлень самого високого рівня, які враховують гетерогенні фактори, фазовий перехід та інші нюанси.
Вони складні тим, що є динамічними мережами взаємодій, і їх відносини не є сукупностями окремих статичних об’єктів, тобто поведінку ансамблю не передбачається поведінкою компонентів. Вони адаптивні в тому, що індивідуальне і колективне поведінка мутують і самоорганізуються у відповідності з ініціюючим зміни мікро-подією або набором подій. Вони являють собою складну макроскопическую сукупність відносно схожих і частково пов’язаних мікроструктур, сформованих для адаптації до мінливої середовищі та підвищення їх виживання в якості макроструктури.
Застосування
Термін “складні адаптивні системи” (CAS) або наука про складності часто використовуються для опису слабо організованою академічної області, яка виросла навколо вивчення таких систем. Наука складності не є єдиною теорією, – вона охоплює більше однієї теоретичної основи і є найвищою мірою міждисциплінарної, шукає відповіді на деякі фундаментальні питання про живих, адаптуються, мінливих системах. Дослідження CAS фокусується на складних, эмерджентных і макроскопічних властивостях системи. Джон Х. Холланд сказав, що CAS являють собою системи, які мають велику кількість компонентів, часто званих агентами, які взаємодіють, адаптуються або навчаються.
Приклади
Типові приклади адаптивних систем включають:
- клімат;
- міста;
- фірми;
- ринки;
- уряду;
- промисловість;
- екосистеми;
- соціальні мережі;
- електричні мережі;
- зграї тварин;
- транспортні потоки;
- колонії соціальних комах (наприклад, мурах);
- мозок і імунну систему;
- клітини і розвивається ембріон.
Але це ще не все. Також в цей список можна включити адаптивні системи в кібернетиці, які набирають все більшу популярність. Організації, засновані на соціальних групах людей такі, як політичні партії, громади, геополітичні спільноти, війни, терористичні мережі, також вважаються CAS. Інтернет і кіберпростір, що складаються, співпрацюють і керовані складним комплексом взаємодії людини з комп’ютером, також розглядаються як складна адаптивна система. CAS може бути ієрархічною, але при цьому вона завжди буде частіше проявляти аспекти самоорганізації. Таким чином, деякі сучасні технології (наприклад, нейромережі) можна назвати самообучающимися і самонастраивающимися інформаційними системами.
Відмінності
Що відрізняє CAS від чистого багатоагентної системи (MAS), так це увагу до властивостей і функцій верхнього рівня таким, як самоподібність, складність структури і самоорганізація. MAS визначається як система, що складається з декількох взаємодіючих агентів в той час, як в CAS агенти і система є адаптивними, і сама по собі система самоподобна.
CAS – це складна сукупність взаємодіючих адаптивних агентів. Такі системи характеризуються високим ступенем адаптації, що надає їм надзвичайну стійкість перед обличчям змін, криз і катастроф. Це варто враховувати при розробці адаптивної системи.
Іншими важливими властивостями є: адаптація (або гомеостаз), спілкування, співробітництво, спеціалізація, просторова і тимчасова організація і відтворення. Їх можна знайти на всіх рівнях: клітини спеціалізуються, адаптуються і розмножуються, як це роблять більше великі організми. Комунікація та співробітництво відбуваються на всіх рівнях, від агента до системного рівня. Сили, рушійні співробітництво між агентами в такій системі, в деяких випадках можуть бути проаналізовані за допомогою теорії ігор.
Моделювання
CAS – це системи, що здатні до адаптації. Іноді вони моделюються за допомогою агентних і складних мережевих моделей. Ті, які засновані на агентів, що розробляються з допомогою різних методів і інструментів, в першу чергу, шляхом спочатку ідентифікації різних агентів всередині моделі. Інший метод розробки моделей для CAS включає розробку складних мережевих моделей за допомогою використання даних взаємодії різних компонентів CAS, таких як адаптивна система зв’язку.
У 2013 році SpringerOpen / BioMed Central випустив онлайн-журнал з відкритим доступом на тему моделювання складних систем (CASM).
Живі організми являють собою складні адаптивні системи. Хоча складність кількісно визначити в біології важко, еволюція породила кілька дивовижних організмів. Це спостереження привело до того, що поширена помилка про еволюції є прогресивним.
Прагнення до складності
Якби описане вище в цілому було вірно, еволюція мала б активну тенденцію до складності. У цьому типі процесу значення найбільш поширеною ступеня складності з часом буде збільшуватися. Дійсно, деякі штучні симуляції життя припускають, що генерація CAS є неминучою рисою еволюції.
Тим не менш ідея загальної тенденції до складності в еволюції також може бути пояснена за допомогою пасивного процесу. Це включає в себе збільшення дисперсії, але найбільш поширене значення, режим, не змінюється. Таким чином, максимальний рівень складності збільшується з плином часу, але тільки як непрямий продукт від загальної кількості організмів. Цей тип випадкового процесу називається обмеженим випадковим блуканням.
В цій гіпотезі очевидна тенденція до ускладнення будови організмів є ілюзією. Вона виникає з-за концентрації на невеликій кількості великих, дуже складних організмів, що населяють правий хвіст розподілу складності, та ігнорування більш простих і набагато більш поширених організмів. Ця пасивна модель підкреслює, що переважна більшість видів є мікроскопічними прокариотами, які складають близько половини біомаси у світі і переважна більшість біорізноманіття Землі. Тому просте життя залишається домінуючою на Землі, а складне життя здається більш різноманітною тільки через зміщення вибірки.
Якщо в біології відсутня загальна тенденція до ускладнення, це не завадить існування сил, які ведуть системи до складності в домені випадків. Ці незначні тенденції будуть врівноважені іншими еволюційними тисками, які ведуть системи до менш складним станів.
Імунна система
Адаптивна імунна система (так само відома, як придбана або, рідше, як специфічна) є підсистемою загальної імунної системи. Вона складається з вузькоспеціалізованих клітин і процесів, які усувають патогенні мікроорганізми або запобігають їх зростання. Придбана імунна система є однією з двох основних стратегій імунітету у хребетних (інша – вроджена імунна система). Набутий імунітет створює імунологічну пам’ять після первісного відповіді на певний патоген і призводить до посиленого відповіді на наступні зустрічі з ним же. Цей процес набутого імунітету є основою вакцинації. Як і вроджена система, придбана система включає не тільки компоненти гуморального імунітету, але і компоненти клітинного імунітету.
Історія терміна
Термін «адаптивний» був вперше використаний Робертом Гудом щодо відповідей антитіл у жаб як синонім придбаного імунної відповіді в 1964 році. Гуд визнав, що він використав ці терміни як синоніми, але пояснив тільки те, що він волів використовувати цей термін. Можливо, він думав тоді про неправдоподібною теорії утворення антитіл, в якій вони були пластичними і могли пристосовуватися до молекулярній формі антигенів або про концепції адаптивних ферментів, експресія яких може бути викликана їх субстратами. Фраза використовувалася майже виключно Гудом і його учнями, а також кількома іншими імунологами, які працюють з маргінальними організмами до 1990-х років. Тоді вона стала широко використовуватися в поєднанні з терміном «вроджений імунітет», який став популярним предметом після відкриття системи рецепторів Toll. у Drosophila, раніше маргінального організму для вивчення імунології. Термін «адаптивний», використовуваний в імунології, проблематичний, оскільки придбані імунні відповіді можуть бути адаптивними, так і дезадаптивными у фізіологічному значенні. Дійсно, як придбані, так і імунні відповіді можуть бути адаптивними і неадаптивними в еволюційному сенсі. Більшість підручників сьогодні використовують термін «адаптивний» виключно, відзначаючи, що він є синонімом слова «придбаний».
Біологічна адаптація
З моменту відкриття класичний зміст набутого імунітету став означати антигенспецифический імунітет, опосередкований перебудовами соматичних генів, які створюють рецептори антигену, що визначають клони. В останнє десятиліття термін «адаптивний» все частіше застосовується до іншого класу імунної відповіді, який досі не асоціювався з перебудовами соматичних генів. До них відносяться експансія природних клітин кілерів (NK) з поки що незрозумілою специфічністю до антигенів експансія NK-клітин, що експресують рецептори, що кодуються зародкової лінією, і активація інших вроджених імунних клітин в активований стан, що забезпечує короткочасну імунну пам’ять. У цьому сенсі адаптивний імунітет більш близький до поняття «активований стан» або «гетеростаз», повертаючись, таким чином, до фізіологічного значення «адаптації» до змін навколишнього середовища. Простіше кажучи, сьогодні він є чи не синонімом біологічної адаптації.
