Feedback-loops zijn een belangrijk kenmerk van de systemen waarop dit artikel zich richt, zoals ecosystemen en individuele organismen. Ze bestaan ook in de mensenwereld, gemeenschappen, organisaties en families.
Kunstmatige systemen van dit soort omvatten robots met controlesystemen die negatieve feedback gebruiken om de gewenste toestanden te behouden.
Belangrijkste kenmerken
In een adaptief systeem verandert de parameter langzaam en heeft deze geen voorkeurswaarde. In een zelfregulerend systeem hangt de waarde van de parameter echter af van de geschiedenis van de systeemdynamiek. Een van de belangrijkste eigenschappen van zelfregulerende systemen is het vermogen om zich aan te passen aan de rand van chaos, of het vermogen om chaos te vermijden. Praktisch gesproken, door naar de rand van de chaos te gaan zonder verder te gaan, kan de waarnemer spontaan handelen, maar zonder catastrofes. Natuurkundigen hebben bewezen dat aanpassing aan de rand van chaos in bijna alle feedbacksystemen voorkomt. Laat de lezer niet verrast worden door pretentieuze terminologie, want zulke theorieën hebben direct invloed op de theoriechaos.
Practopoëse
Practopoëse als een term die is bedacht door Danko Nikolic, is een verwijzing naar een soort adaptief of zelfregulerend systeem waarin de autopoëse van een organisme of cel plaatsvindt door allopoëtische interacties tussen zijn componenten. Ze zijn georganiseerd in een poëtische hiërarchie: de ene component creëert de andere. De theorie suggereert dat levende systemen een hiërarchie van vier van dergelijke poëtische operaties vertonen:
evolution (i) → genexpressie (ii) → niet-gen-gerelateerde homeostatische mechanismen (anapoëse) (iii) → celfunctie (iv).
Practopoesis daagt de moderne neurowetenschappelijke doctrine uit door te stellen dat mentale operaties meestal plaatsvinden op het anapoëtische niveau (iii), dat wil zeggen dat de geest voortkomt uit snelle homeostatische (adaptieve) mechanismen. Dit staat in contrast met de wijdverbreide overtuiging dat denken synoniem is met neurale activiteit (celfunctie op niveau iv).
Elk lager niveau bevat kennis die algemener is dan het hogere niveau. Genen bevatten bijvoorbeeld meer algemene kennis dan anapoëtische mechanismen, die op hun beurt meer algemene kennis bevatten dan celfuncties. Deze hiërarchie van kennis stelt het anapoëtische niveau in staat om direct de concepten op te slaan die nodig zijn voor het ontstaan van de geest.
Complex systeem
Een complex adaptief systeem is een complex mechanisme waarbij een perfect begrip van afzonderlijke onderdelen niet automatisch een perfect begrip van het geheel oplevertontwerpen. De studie van deze mechanismen, die een soort subset zijn van niet-lineaire dynamische systemen, is zeer interdisciplinair en combineert de kennis van natuur- en sociale wetenschappen om modellen en representaties van het hoogste niveau te ontwikkelen die rekening houden met heterogene factoren, faseovergang en andere nuances.
Ze zijn complex omdat het dynamische netwerken van interacties zijn, en hun relaties zijn geen verzamelingen van afzonderlijke statische objecten, dat wil zeggen, het gedrag van het ensemble wordt niet voorspeld door het gedrag van de componenten. Ze zijn adaptief in die zin dat individueel en collectief gedrag muteert en zichzelf organiseert volgens een micro-gebeurtenis of reeks gebeurtenissen die verandering initiëren. Ze zijn een complexe macroscopische verzameling van relatief vergelijkbare en gedeeltelijk verwante microstructuren, gevormd om zich aan te passen aan een veranderende omgeving en hun overleving als macrostructuur te verbeteren.
Toepassing
De term 'complexe adaptieve systemen' (CAS) of de wetenschap van complexiteit wordt vaak gebruikt om het losjes georganiseerde academische veld te beschrijven dat is ontstaan rond de studie van dergelijke systemen. Complexiteitswetenschap is geen enkele theorie - ze bestrijkt meer dan één theoretisch kader en is zeer interdisciplinair en zoekt antwoorden op enkele fundamentele vragen over levende, aanpasbare, veranderende systemen. CAS-onderzoek richt zich op de complexe, opkomende en macroscopische eigenschappen van een systeem. John H. Holland zei dat CAS systemen zijn met een grotehet aantal componenten, vaak agenten genoemd, die op elkaar inwerken, zich aanpassen of leren.
Voorbeelden
Typische voorbeelden van adaptieve systemen zijn:
- klimaat;
- steden;
- bedrijven;
- markten;
- regeringen;
- industrie;
- ecosystemen;
- sociale netwerken;
- elektrische netwerken;
- pak dieren;
- verkeersstromen;
- sociale insectenkolonies (bijv. mieren);
- hersenen en immuunsysteem;
- cellen en zich ontwikkelend embryo.
Maar dat is niet alles. Deze lijst kan ook adaptieve systemen in cybernetica bevatten, die steeds populairder worden. Organisaties die gebaseerd zijn op sociale groepen van mensen zoals politieke partijen, gemeenschappen, geopolitieke gemeenschappen, oorlogen en terroristische netwerken worden ook beschouwd als CAS. Het internet en cyberspace, samengesteld, samenwerkend en beheerd door een complexe reeks mens-computerinteracties, worden ook gezien als een complex adaptief systeem. CAS kan hiërarchisch zijn, maar zal altijd vaker aspecten van zelforganisatie laten zien. Zo kunnen sommige moderne technologieën (bijvoorbeeld neurale netwerken) zelflerende en zelfaanpassende informatiesystemen worden genoemd.
Verschillen
Wat CAS onderscheidt van een puur multi-agent systeem (MAS) is de aandacht voor kenmerken en functies op het hoogste niveau, zoals zelfgelijkenis, structurele complexiteit en zelforganisatie. MAS is gedefinieerdals een systeem dat bestaat uit verschillende op elkaar inwerkende agenten, terwijl in CAS de agenten en het systeem adaptief zijn en het systeem zelf op zichzelf lijkt.
CAS is een complexe verzameling van op elkaar inwerkende adaptieve agenten. Dergelijke systemen worden gekenmerkt door een hoge mate van aanpassing, waardoor ze buitengewoon veerkrachtig zijn bij veranderingen, crises en rampen. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het ontwikkelen van een adaptief systeem.
Andere belangrijke eigenschappen zijn: aanpassing (of homeostase), communicatie, samenwerking, specialisatie, ruimtelijke en temporele organisatie en reproductie. Ze zijn op alle niveaus te vinden: cellen specialiseren, passen zich aan en vermenigvuldigen zich net als grotere organismen. Communicatie en samenwerking vindt plaats op alle niveaus, van agent tot systeemniveau. De krachten die de samenwerking tussen agenten in een dergelijk systeem aandrijven, kunnen in sommige gevallen worden geanalyseerd met behulp van speltheorie.
Simulatie
CAS zijn aanpasbare systemen. Soms worden ze gemodelleerd met behulp van agentgebaseerde en complexe netwerkmodellen. Die op basis van agenten worden ontwikkeld met behulp van verschillende methoden en hulpmiddelen, voornamelijk door eerst verschillende agenten binnen het model te identificeren. Een andere methode voor het ontwikkelen van modellen voor CAS omvat het ontwikkelen van complexe netwerkmodellen door gebruik te maken van de interactiegegevens van verschillende CAS-componenten, zoals een adaptief communicatiesysteem.
In 2013SpringerOpen / BioMed Central heeft een open access online tijdschrift over complexe systeemmodellering (CASM) gelanceerd.
Levende organismen zijn complexe adaptieve systemen. Hoewel complexiteit moeilijk te kwantificeren is in de biologie, heeft evolutie enkele verbazingwekkende organismen voortgebracht. Deze observatie heeft ertoe geleid dat de algemene misvatting over evolutie progressief is.
Streven naar complexiteit
Als het bovenstaande in het algemeen waar zou zijn, zou evolutie een sterke neiging tot complexiteit hebben. In dit type proces zal de waarde van de meest voorkomende moeilijkheidsgraad in de loop van de tijd toenemen. Sommige kunstmatige levenssimulaties suggereren inderdaad dat het genereren van CAS een onvermijdelijk kenmerk van evolutie is.
Het idee van een algemene trend naar complexiteit in evolutie kan echter ook worden verklaard door een passief proces. Dit omvat het vergroten van de variantie, maar de meest voorkomende waarde, modus, verandert niet. De maximale moeilijkheidsgraad neemt dus in de loop van de tijd toe, maar alleen als een indirect product van het totale aantal organismen. Dit type willekeurig proces wordt ook wel een begrensde willekeurige wandeling genoemd.
In deze hypothese is de voor de hand liggende neiging om de structuur van organismen te compliceren een illusie. Het komt voort uit het concentreren op een klein aantal grote, zeer complexe organismen die de rechterstaart van de complexiteitsverdeling bewonen, en het negeren van de eenvoudigere en veel voorkomendeorganismen. Dit passieve model benadrukt dat de overgrote meerderheid van de soorten microscopisch kleine prokaryoten zijn, die ongeveer de helft van de biomassa van de wereld en de overgrote meerderheid van de biodiversiteit op aarde uitmaken. Daarom blijft eenvoudig leven dominant op aarde, terwijl complex leven meer divers lijkt, alleen vanwege de voorkeur voor bemonstering.
Als de biologie geen algemene neiging tot complexiteit heeft, zal dit niet voorkomen dat er krachten bestaan die systemen in een subset van gevallen naar complexiteit drijven. Deze kleine trends zullen worden gecompenseerd door andere evolutionaire druk die systemen naar minder complexe toestanden drijft.
Immuunsysteem
Het adaptieve immuunsysteem (ook bekend als het verworven of, zeldzamer, specifieke immuunsysteem) is een subsysteem van het algemene immuunsysteem. Het bestaat uit zeer gespecialiseerde cellen en processen die ziekteverwekkers elimineren of hun groei verhinderen. Het verworven immuunsysteem is een van de twee belangrijkste immuunstrategieën bij gewervelde dieren (de andere is het aangeboren immuunsysteem). Verworven immuniteit creëert een immunologisch geheugen na een eerste reactie op een bepaalde ziekteverwekker en leidt tot een verhoogde reactie op daaropvolgende ontmoetingen met dezelfde ziekteverwekker. Dit proces van verworven immuniteit is de basis van vaccinatie. Net als het aangeboren systeem omvat het verworven systeem niet alleen componenten van humorale immuniteit, maar ook componenten van cellulaire immuniteit.
Geschiedenis van de term
De term "adaptief" werd voor het eerst geïntroduceerdgebruikt door Robert Good in verband met antilichaamresponsen bij kikkers als synoniem voor verworven immuunrespons in 1964. Goode erkende dat hij de termen door elkaar gebruikte, maar legde alleen uit dat hij de term liever gebruikte. Misschien dacht hij aan de toen onwaarschijnlijke theorie van de vorming van antilichamen, waarin ze plastisch waren en zich konden aanpassen aan de moleculaire vorm van antigenen, of het concept van adaptieve enzymen waarvan de expressie zou kunnen worden veroorzaakt door hun substraten. De uitdrukking werd bijna uitsluitend gebruikt door Goode en zijn studenten, en door verschillende andere immunologen die tot de jaren negentig aan marginale organismen werkten. Daarna werd het veel gebruikt in combinatie met de term "aangeboren immuniteit", die een populair onderwerp werd na de ontdekking van het Toll-receptorsysteem. in Drosophila, voorheen een marginaal organisme voor de studie van immunologie. De term "adaptief", zoals gebruikt in de immunologie, is problematisch omdat verworven immuunresponsen in fysiologische zin ofwel adaptief ofwel onaangepast kunnen zijn. Inderdaad, zowel verworven als immuunresponsen kunnen in evolutionaire zin adaptief en niet-adaptief zijn. De meeste leerboeken gebruiken tegenwoordig uitsluitend de term 'adaptief', waarbij wordt opgemerkt dat het synoniem is met 'verworven'.
Biologische aanpassing
Sinds de ontdekking heeft de klassieke betekenis van verworven immuniteit de betekenis gekregen van antigeenspecifieke immuniteit die wordt gemedieerd door herschikkingen van somatischegenen die antigeenreceptoren creëren die klonen definiëren. In het laatste decennium is de term "adaptief" in toenemende mate toegepast op een andere klasse van immuunrespons die nog niet is geassocieerd met somatische genherschikkingen. Deze omvatten de uitbreiding van natural killer (NK)-cellen met tot nu toe onverklaarde antigeenspecificiteit, de uitbreiding van NK-cellen die kiembaangecodeerde receptoren tot expressie brengen, en de activering van andere aangeboren immuuncellen in een geactiveerde toestand die zorgt voor een immuungeheugen op korte termijn. In die zin ligt adaptieve immuniteit dichter bij het concept van "geactiveerde toestand" of "heterostase", en keert dus terug naar de fysiologische betekenis van "aanpassing" aan veranderingen in de omgeving. Simpel gezegd, tegenwoordig is het bijna synoniem met biologische aanpassing.
