Slučky spätnej väzby sú kľúčovým prvkom systémov, na ktoré sa tento článok zameriava, ako sú ekosystémy a jednotlivé organizmy. Existujú aj v ľudskom svete, komunitách, organizáciách a rodinách.
Umelé systémy tohto druhu zahŕňajú roboty s riadiacimi systémami, ktoré využívajú negatívnu spätnú väzbu na udržanie požadovaných stavov.
Kľúčové funkcie
V adaptívnom systéme sa parameter mení pomaly a nemá preferovanú hodnotu. V samoregulačnom systéme však hodnota parametra závisí od histórie dynamiky systému. Jednou z najdôležitejších vlastností samoregulačných systémov je schopnosť prispôsobiť sa hrane chaosu, alebo schopnosť vyhnúť sa chaosu. Prakticky povedané, tým, že pozorovateľ smeruje k okraju chaosu bez toho, aby šiel ďalej, môže konať spontánne, ale bez katastrof. Fyzici dokázali, že adaptácia na okraj chaosu sa vyskytuje takmer vo všetkých systémoch spätnej väzby. Nech sa čitateľ nečuduje prepychovej terminológii, pretože takéto teórie teóriu priamo ovplyvňujúchaos.
Praktopoéza
Praktopoéza ako termín, ktorý vytvoril Danko Nikolič, je odkazom na akýsi adaptívny alebo samoregulačný systém, v ktorom k autopoéze organizmu alebo bunky dochádza prostredníctvom alopoetických interakcií medzi jej zložkami. Sú usporiadané v poetickej hierarchii: jedna zložka vytvára druhú. Teória naznačuje, že živé systémy vykazujú hierarchiu štyroch takýchto poetických operácií:
evolúcia (i) → génová expresia (ii) → s génmi nesúvisiace homeostatické mechanizmy (anapoéza) (iii) → bunková funkcia (iv).
Praktopoéza spochybňuje modernú doktrínu neurovedy tvrdením, že mentálne operácie sa väčšinou vyskytujú na anapoetickej úrovni (iii), to znamená, že mysle vychádzajú z rýchlych homeostatických (adaptívnych) mechanizmov. To kontrastuje so všeobecne rozšíreným názorom, že myslenie je synonymom nervovej aktivity (bunková funkcia na úrovni iv).
Každá nižšia úroveň obsahuje znalosti, ktoré sú všeobecnejšie ako vyššia úroveň. Napríklad gény obsahujú viac všeobecných vedomostí ako anapoetické mechanizmy, ktoré zase obsahujú viac všeobecných vedomostí ako funkcie buniek. Táto hierarchia vedomostí umožňuje anapoetickej úrovni priamo ukladať koncepty potrebné pre vznik mysle.
Komplexný systém
Komplexný adaptívny systém je zložitý mechanizmus, v ktorom dokonalé pochopenie jednotlivých častí automaticky neposkytuje dokonalé pochopenie celkudizajnov. Štúdium týchto mechanizmov, ktoré sú akousi podmnožinou nelineárnych dynamických systémov, je vysoko interdisciplinárne a spája poznatky prírodných a spoločenských vied s cieľom vyvinúť modely a reprezentácie najvyššej úrovne, ktoré zohľadňujú heterogénne faktory, fázový prechod a iné nuansy.
Sú zložité v tom, že ide o dynamické siete interakcií a ich vzťahy nie sú súbormi samostatných statických objektov, to znamená, že správanie súboru nie je predpovedané správaním komponentov. Sú adaptívne v tom, že individuálne a kolektívne správanie mutuje a samoorganizuje sa podľa mikroudalosti alebo súboru udalostí, ktoré iniciujú zmenu. Sú komplexnou makroskopickou zbierkou relatívne podobných a čiastočne súvisiacich mikroštruktúr, tvarovaných tak, aby sa prispôsobili meniacemu sa prostrediu a zlepšili ich prežitie ako makroštruktúry.
Aplikácia
Pojem „komplexné adaptívne systémy“(CAS) alebo veda o zložitosti sa často používa na opis voľne organizovanej akademickej oblasti, ktorá vznikla okolo štúdia takýchto systémov. Veda o zložitosti nie je jedinou teóriou – pokrýva viac ako jeden teoretický rámec a je vysoko interdisciplinárna, pričom hľadá odpovede na niektoré základné otázky o živých, adaptabilných a meniacich sa systémoch. Výskum CAS sa zameriava na komplexné, vznikajúce a makroskopické vlastnosti systému. John H. Holland povedal, že CAS sú systémy, ktoré majú veľpočet komponentov, často označovaných ako agenti, ktoré interagujú, prispôsobujú sa alebo sa učia.
Príklady
Typické príklady adaptívnych systémov zahŕňajú:
- climate;
- cities;
- firmy;
- markets;
- vlády;
- industry;
- ecosystems;
- sociálne siete;
- elektrické siete;
- balíky zvierat;
- toky dopravy;
- sociálne kolónie hmyzu (napr. mravce);
- mozog a imunitný systém;
- bunky a vyvíjajúce sa embryo.
To však nie je všetko. Tento zoznam môže zahŕňať aj adaptívne systémy v kybernetike, ktoré si získavajú čoraz väčšiu obľubu. Za CAS sa považujú aj organizácie založené na sociálnych skupinách ľudí, ako sú politické strany, komunity, geopolitické komunity, vojny a teroristické siete. Internet a kyberpriestor, zložené, spolupracujúce a riadené komplexným súborom interakcií človek-počítač, sa tiež považujú za komplexný adaptívny systém. CAS môže byť hierarchická, ale vždy bude častejšie vykazovať aspekty sebaorganizácie. Niektoré moderné technológie (napríklad neurónové siete) teda môžeme nazvať samoučiace sa informačné systémy s vlastným prispôsobovaním.
Rozdiely
To, čo odlišuje CAS od čistého multiagentového systému (MAS), je pozornosť venovaná špičkovým vlastnostiam a funkciám, ako je sebepodobnosť, štrukturálna zložitosť a samoorganizácia. MAS je definovanýako systém pozostávajúci z niekoľkých interagujúcich agentov, zatiaľ čo v CAS sú agenti a systém adaptívne a samotný systém je sebepodobný.
CAS je komplexná zbierka interagujúcich adaptívnych agentov. Takéto systémy sa vyznačujú vysokým stupňom adaptácie, vďaka čomu sú nezvyčajne odolné voči zmenám, krízam a katastrofám. Toto by sa malo vziať do úvahy pri vývoji adaptívneho systému.
Ďalšie dôležité vlastnosti sú: adaptácia (alebo homeostáza), komunikácia, spolupráca, špecializácia, priestorové a časové usporiadanie a reprodukcia. Možno ich nájsť na všetkých úrovniach: bunky sa špecializujú, prispôsobujú a množia sa rovnako ako väčšie organizmy. Komunikácia a spolupráca prebieha na všetkých úrovniach, od agenta až po systémovú úroveň. Sily riadiace spoluprácu medzi agentmi v takomto systéme možno v niektorých prípadoch analyzovať pomocou teórie hier.
Simulácia
CAS sú adaptabilné systémy. Niekedy sú modelované pomocou agentových a komplexných sieťových modelov. Tie, ktoré sú založené na agentoch, sa vyvíjajú pomocou rôznych metód a nástrojov, predovšetkým najprv identifikáciou rôznych agentov v rámci modelu. Ďalšia metóda vývoja modelov pre CAS zahŕňa vývoj zložitých sieťových modelov pomocou interakčných údajov rôznych komponentov CAS, ako je adaptívny komunikačný systém.
V roku 2013SpringerOpen / BioMed Central spustil online časopis s otvoreným prístupom o modelovaní komplexných systémov (CASM).
Živé organizmy sú komplexné adaptívne systémy. Zatiaľ čo zložitosť je v biológii ťažké kvantifikovať, evolúcia vytvorila úžasné organizmy. Toto pozorovanie viedlo k všeobecnej mylnej predstave o evolúcii, ktorá je progresívna.
Snaha o zložitosť
Ak by vyššie uvedené bolo vo všeobecnosti pravdivé, evolúcia by mala silnú tendenciu ku komplexnosti. Pri tomto type procesu sa hodnota najbežnejšieho stupňa obtiažnosti časom zvýši. Niektoré simulácie umelého života skutočne naznačujú, že generovanie CAS je nevyhnutnou črtou evolúcie.
Myšlienku všeobecného trendu smerom k zložitosti v evolúcii však možno vysvetliť aj pasívnym procesom. To zahŕňa zvýšenie rozptylu, ale najbežnejšia hodnota, režim, sa nemení. Maximálna úroveň obtiažnosti sa teda časom zvyšuje, ale len ako nepriamy súčin celkového počtu organizmov. Tento typ náhodného procesu sa tiež nazýva ohraničená náhodná prechádzka.
V tejto hypotéze je zjavná tendencia komplikovať štruktúru organizmov ilúziou. Vzniká sústredením sa na malý počet veľkých, veľmi zložitých organizmov, ktoré obývajú pravý koniec rozloženia zložitosti, a ignorovaním jednoduchších a oveľa bežnejšíchorganizmov. Tento pasívny model zdôrazňuje, že prevažnú väčšinu druhov tvoria mikroskopické prokaryoty, ktoré tvoria asi polovicu svetovej biomasy a veľkú väčšinu biodiverzity Zeme. Preto jednoduchý život zostáva na Zemi dominantný, zatiaľ čo komplexný život sa zdá byť rôznorodejší len kvôli vzorkovacej zaujatosti.
Ak biológii chýba všeobecná tendencia ku zložitosti, nezabráni to existencii síl, ktoré poháňajú systémy smerom ku zložitosti v podskupine prípadov. Tieto menšie trendy budú vyvážené inými evolučnými tlakmi, ktoré poháňajú systémy smerom k menej zložitým stavom.
Imunitný systém
Adaptívny imunitný systém (známy aj ako získaný alebo zriedkavejšie špecifický imunitný systém) je podsystémom všeobecného imunitného systému. Pozostáva z vysoko špecializovaných buniek a procesov, ktoré eliminujú patogény alebo zabraňujú ich rastu. Získaný imunitný systém je jednou z dvoch hlavných imunitných stratégií u stavovcov (druhou je vrodený imunitný systém). Získaná imunita vytvára imunologickú pamäť po počiatočnej reakcii na konkrétny patogén a vedie k zosilnenej reakcii na následné stretnutia s rovnakým patogénom. Tento proces získanej imunity je základom očkovania. Rovnako ako vrodený systém, aj získaný systém zahŕňa nielen zložky humorálnej imunity, ale aj zložky bunkovej imunity.
História výrazu
Pojem „adaptívny“bol prvýkrát predstavenýpoužil Robert Good vo vzťahu k protilátkovým reakciám u žiab ako synonymum získanej imunitnej reakcie v roku 1964. Goode uznal, že tieto výrazy používal zameniteľne, ale vysvetlil len, že uprednostňuje používanie tohto výrazu. Možno premýšľal o vtedy nepravdepodobnej teórii tvorby protilátok, v ktorej boli plastové a mohli sa prispôsobiť molekulárnemu tvaru antigénov, alebo o koncepte adaptívnych enzýmov, ktorých expresiu mohli spôsobiť ich substráty. Túto frázu používali takmer výlučne Goode a jeho študenti a niekoľko ďalších imunológov pracujúcich na okrajových organizmoch až do 90. rokov 20. storočia. Potom sa stal široko používaným v spojení s pojmom „vrodená imunita“, ktorý sa stal populárnym predmetom po objavení systému Toll receptorov. u Drosophila, predtým okrajového organizmu pre štúdium imunológie. Výraz "adaptívny", ako sa používa v imunológii, je problematický, pretože získané imunitné reakcie môžu byť buď adaptívne alebo maladaptívne vo fyziologickom zmysle. V skutočnosti môžu byť získané aj imunitné reakcie adaptívne a neadaptívne v evolučnom zmysle. Väčšina učebníc dnes používa výlučne výraz „adaptívny“, pričom poznamenáva, že je synonymom výrazu „získaný“.
Biologická adaptácia
Od objavu sa klasický význam získanej imunity stal antigénovo špecifickou imunitou sprostredkovanou prestavbami somatickej imunitygény, ktoré vytvárajú antigénne receptory, ktoré definujú klony. V poslednom desaťročí sa výraz „adaptívny“čoraz viac používa na inú triedu imunitnej odpovede, ktorá ešte nebola spojená so somatickými preskupeniami génov. Patrí medzi ne expanzia prirodzených zabíjačských (NK) buniek s doteraz nevysvetlenou antigénovou špecifickosťou, expanzia NK buniek exprimujúcich receptory kódované zárodočnou líniou a aktivácia iných vrodených imunitných buniek do aktivovaného stavu, ktorý poskytuje krátkodobú imunitnú pamäť. V tomto zmysle je adaptívna imunita bližšia pojmu „aktivovaný stav“alebo „heterostáza“, čím sa vracia k fyziologickému významu „adaptácia“na zmeny prostredia. Jednoducho povedané, dnes je takmer synonymom biologickej adaptácie.
