Onze eerste unit onderzoekt de vraag: "Wat is complexiteit?"
Je zult zien dat het lastig is om deze vraag exact te beantwoorden.
We beginnen intuïtief met een serie voorbeelden van het soort fenomenen dat door onderzoekers van complexe systemen wordt bestudeerd.
Dit geeft een beeld van het soort onderwerpen dat we in deze cursus zullen behandelen.
Vervolgens maken we een lijst van een paar belangrijke eigenschappen de meeste complexe systemen gemeen hebben.
We kijken kort naar hoe we het begrip complexiteit definiëren, iets waar we later in de cursus op terugkomen.
We bekijken ook de belangrijkste disciplines, doelen en methodieken in het onderzoeksveld van complexe systemen.
Dan zijn we klaar voor de eerste in een serie van wat ik 'gastsprekers' noem, een serie
waarin ik prominente wetenschappers op het gebied van complexe systemen interview over hun visie op het veld.
De laatste helft van deze unit focussed op Netlogo, het simulatie en programmeer platform
dat we in deze cursus zullen gebruiken om de ideeën van complexe systemen te illustreren.
Ben je klaar om te beginnen? Let's go!
Een goed voorbeeld om mee te beginnen zijn mieren. Nigel Franks, een bekende mierenonderzoeker schreef eens
dat een solitaire soldaat-mier gedragsmatig één van de minst geavanceerde dieren is die je kunt bedenken.
In extreem hoge aantallen echter, wordt het een ander verhaal.
Hier bijvoorbeeld, bouwt een kolonie soldaat-mieren een tunnel.
Elke mier op zich is erg simpel, maar de kolonie als geheel kan coöperatief samenwerken
en zeer complexe taken uitvoeren zonder enige centrale sturing,
dat wil zeggen zonder dat één mier of een groep mieren de leiding heeft.
Met andere woorden: mierenkolonies kunnen zichzelf organiseren om structuren te maken die veel
gecompliceerder zijn dan een enkele mier kan maken.
Hier is een voorbeeld van mieren die met hun lichamen een brug bouwen zodat andere leden van de
mierenkolonie de kloof tussen de twee bladeren kunnen oversteken .
In deze video zie je mieren zo'n brug samenstellen.
Ze beginnen hier, lopen dan over het stokje, helemaal tot het einde, waar ze
uiteindelijk een keten vormen die helemaal naar de grond gaat .
Je kunt zien hoe ze zichzelf één voor één aan de structuur toevoegen
Elke mier scheidt bepaalde chemicaliën uit om te communiceren met de andere mieren
en de hele brug wordt gebouwd zonder enige centrale sturing.
Je kunt dit een voorbeeld noemen van een gedecentraliseerd, zelf-organiserend of zelf-assemblerend systeem.
Andere sociale insecten vertonen soortgelijk gedrag.
Hier zie je een voorbeeld van het soort complexe structuren dat door termieten gebouwd wordt.
Het dient als een nest. Een belangrijk aspect van het onderzoek naar complexe systemen is het begrijpen van hoe individuele
simpele 'agents' complex gedrag produceren zonder centrale sturing.
In deze voorbeelden zijn de 'agents' insecten maar we zullen vele andere soorten zien.
Een ander klassiek voorbeeld van een complex systeem is het brein. Hier vormen neuronen de individuele simpele 'agents'
Het menselijke brein bestaat uit ongeveer 100 miljard neuronen, met daartussen zo'n
100 biljoen verbindingen. Elke neuron is relatief simpel vergeleken met het gehele brein,
en ook hier is er géén centrale sturing. Op de één of andere manier leidt dat enorme geheel
van neuronen en verbindingen tot het complexe gedrag dat wij bewustzijn, intelligentie of zelfs
creativiteit noemen. Hersenbeelden laten zien dat deze neuronen zichzelf organiseren in
verschillende functionele gebieden. Net als mieren of termieten kunnen neuronen zichzelf organiseren in complexe
structuren die de soort helpen te functioneren en te overleven. Nog een ander complex systeem is het immuunsysteem.
Het immuunsysteem is verdeeld over ons lichaam
en heeft betrekking op vele verschillende organen zoals wordt getoond in dit plaatje en biljoenen cellen bewegen zich door
de bloedvaten en lymfevaten waar ze het lichaam beschermen tegen en genezen van schade of ziekte.
Dit is bijvoorbeeld een plaatje van immuuncellen, deze blauwe hier vallen een kankercel aan
hier in het midden. Net als de mieren die we eerder zagen, communiceren cellen in het immuunsysteem met
elkaar door middel van chemische signalen en werken ze zonder enige centrale sturing samen
om gecoördineerde aanvallen uit te voeren op wat zij als bedreigingen voor het lichaam beschouwen.
Daarnaast is de populatie van immuun cellen in het lichaam in staat zichzelf te veranderen of aan te passen
in reactie op wat deze populatie cellen ervaart in zijn omgeving.
Dit soort aanpassing is een ander belangrijk kenmerk van complexe systemen.
Een ander bekend voorbeeld van een complex systeem is het menselijk genoom. Hier is een plaatje van
een menselijk genoom. Elk van deze worm-achtige structuren is een chromosoom en er zijn daarvan
23 paren. Je kunt zien dat dit een man is omdat het een X-Y paar heeft.
Elk van deze chromosomen bestaat uit duizenden genen. Genen bestaan, natuurlijk,
uit strengen DNA die op het chromosoom zitten. op dit moment denkt men dat het menselijk genoom ongeveer 25000
genen bevat die coderen voor eiwitten. In termen van complexe systemen kun je de genen zien als
simpele componenten die op een gedecentraliseerde op andere genen inwerken. De manier waarop ze
op elkaar inwerken is door middel van genetische regulatorische netwerken. Ze sturen elkaars codering waarbij
met codering vertaling in eiwitten wordt bedoeld. Hier zie je een klein genetisch regulatorisch netwerk
dat door onderzoekers in kaart is gebracht. Elke rechthoek of ovaal representeert
een gen en een pijl van het éne gen naar een ander betekent dat het eerste gen de codering
van het tweede gen bestuurt. Het blijkt dat het menselijk genoom bestaat uit duizenden van
dit soort netwerken waarin genen op gecompliceerde wijze op elkaar inwerken,
en het zijn met name die interacties die verantwoordelijk zijn voor onze eigen complexiteit.
Het idee van netwerken staat centraal in de studie van complexiteit in de natuur.
Hier zie je een ander soort netwerk: een voedselketen
Elk knooppunt of entiteit in het netwerk, is een bepaalde groep soorten en de pijlen
laten zien wie wie eet. Als één groep naar een andere groep wijst, betekent dit dat de eerste
voedsel is voor de tweede. Je kunt hier bijvoorbeeld zien dat vossen aan de top van deze specifieke
voedselketen in Alaska staan aangezien zij verschillende soorten dieren eten maar niets hen eet,
althans niet op deze kaart. Hier zie je een abstracte weergave van een nog veel gecompliceerdere voedselketen
in de golf van Alaska. Als we verderop in de cursus over netwerken praten zullen we een aantal bijzonder
interessante voorbeelden tegenkomen van gedecentraliseerde zelf-organisatie in voedselketens als deze en andere
soorten netwerken. Het soort netwerk waar je waarschijnlijk het meest bekend mee bent is een sociaal netwerk.
Hier is een deel van mijn eigen sociale netwerk met mijzelf hier. Deze verbindingen vertegenwoordigen vriendschapsrelaties.
Mijn vrienden zijn verbonden met hun vrienden en zo voort. Sociale netwerken blijken enkele
bijzonder interessante patronen te bezitten, die ook opduiken in biologische en technologische netwerken.
Later in deze cursus zullen we dieper ingaan op wat dit voor een patronen zijn en hoe deze zich vormen.
Onderzoekers van complexe systemen zijn bijzonder geïnteresseerd in het bestuderen van grote sociale netwerken als
Facebook: om hun structuur te begrijpen, hoe ze zich vormen en over de tijd veranderen en naast andere vragen
misschien nog wel het meest interessante: hoe informatie binnen zulke netwerken verstuurd wordt.
Economieën zijn een ander soort complex systeem waarin interactieve netwerken
fundamenteel zijn. Hier zien we een voorbeeld van het internationale financiële netwerk waar
knooppunten financiële instituten representeren en de verbindingen de relaties daartussen. Als bijvoorbeeld
een bank aandelen bezit van een andere bank, zijn deze twee verbonden. Het blijkt dat het aantal
verbindingen in zo'n netwerk, net als het soort aanwezige verbindingen grote invloed
kan hebben op hoe stabiel het netwerk is tijdens veranderingen zoals een bank die failliet gaat.
Netwerkscience, een nieuw interdisciplinaire veld dat is ontstaan vanuit de onderzoekscommunity
van complexe systemen, bestudeert dit soort fenomenen binnen netwerken in veel verschillende disciplines
In een laatste voorbeeld kijken we naar de studie van steden als complexe systemen.
Vaak wordt gezegd dat een stad op veel manieren lijkt op een levend organisme.
Maar tot op welke hoogte zijn steden werkelijk vergelijkbaar met levende organismen, als we kijken naar de manier waarop ze zijn
gestructureerd, groeien, schalen en opereren? Dit soort en andersoortige vragen vormen de basis van een snel groeiend
gebied binnen het onderzoek naar complexe systemen waar we verderop in de cursus gedetailleerd naar zullen kijken.