Η πρώτη μας ενότητα εξερευνά το ερώτημα "Τι είναι η Πολυπλοκότητα".
'Οπως θα δείτε, πρόκειται για ένα δύσκολο ερώτημα για να απαντηθεί με ακρίβεια.
Θα αρχίσουμε με τη διαίσθησή μας, δίνοντας παραδείγματα φαινομένων που μελετώνται από τους επιστήμονες των πολύπλοκων συστημάτων.
Αυτό θα αποτελέσει και μια προεπισκόπιση των θεμάτων που θα καλύψουμε στα μαθήματά μας.
Στη συνέχεια, θα κάνουμε μια λίστα με σημαντικές ιδιότητες, κοινές για τα περισσότερα πολύπλοκα συστήματα.
Θα κοιτάξουμε εν συντομία τον ορισμό της πολυπλοκότητας, στον οποίο θα επιστρέψουμε και αργότερα στα μαθήματά μας.
Επίσης, θα επισκοπήσουμε τις κύριες σχολές, στόχους και μεθοδολογίες του τομέα της έρευνας στα πολύπλοκα συστήματα.
Σε εκείνο το σημείο, θα είμαστε έτοιμοι για το πρώτο βίντεο στη σειρά που ονομάζω "Guest Spot",
όπου παίρνω συνέντευξη από κορυφαίους επιστήμονες των πολύπλοκων συστημάτων σχετικά με τις απόψεις τους στο θέμα.
Το δεύτερο μισό αυτής της ενότητας θα εστιάσει στο NetLogo, την πλατφόρμα προσομοίωσης και προγραμματισμού
που θα χρησιμοποιούμε για να αναπτύξουμε πολλές από τις ιδέες των πολύπλοκων συστημάτων στα μαθήματά μας.
Είστε έτομοι να ξεκινήσουμε; Πάμε!
Ένα θαυμάσιο παράδειγμα για να ξεκινήσουμε είναι τα μυρμήγκια. Ο Nigel Frank, γνωστός μελετητής των μυρμηγκιών έχει γράψει:
"Το μοναχό μυρμήγκι είναι στη συμπεριφορά ένα από τα λιγότερο περίπλοκα ζώα που μπορούμε να φανταστούμε.
Σε πολύ μεγάλους αριθμούς όμως, πρόκειται για διαφορετική ιστορία."
Εδώ βλέπουμε, για παράδειγμα, μια αποικία μυρμηγκιών-στρατιωτών που χτίζει μια σήραγγα.
Κάθε μυρμήγκι από μόνο του είναι πολύ απλό, αλλά η αποικία ως μονάδα μπορεί να δουλεύει συνεργατικά
για να επιτελέσει πολύ περίπλοκες εργασίες χωρίς κεντρικό έλεγχο,
δηλαδή χωρίς την αρχηγεία ενός μυρμηγκιού ή μιας ηγετικής ομάδας.
Με άλλα λόγια, οι αποικίες των μυρμηγκιών μπορούν να αυτο-οργανώνονται για να κατασκευάσουν δομές πολύ πιο περίπλοκες απ' οτιδήποτε ένα μόνο μυρμήγκι μπορεί να κατασκευάσει.
Εδώ βλέπουμε ένα παράδειγμα όπου μυρμήγκια κατασκευάζουν μία γέφυρα με τα σώματά τους,
ώστε άλλα μέλη της αποικίας να διασχίσουν το χάσμα μεταξύ δύο φύλλων.
Το βίντεο δείχνει τα μυρμήγκια καθώς συναρμολογούν αυτού του είδους τη γέφυρα.
Αρχίζουν από εδώ, πάνω στο κλαδί, τέρμα πάνω στην κορυφή,
στο τέλος σχηματίζοντας μια αλυσίδα για να φτάσουν ως το έδαφος.
Μπορείτε να τα δείτε καθώς σταδιακά προστίθενται στην κατασκευή.
Κάθε μυρμήγκι απελευθερώνει χημικές ουσίες για να επικοινωνήσει με τα υπόλοιπα μυρμήγκια,
και η όλη γέφυρα κατασκευάζεται χωρίς κεντρικό έλεγχο.
Μπορείτε να το θεωρήσετε ως παράδειγμα ενός αποκεντρωμένου, αυτο-οργανωμένου ή αυτο-συνδεδεμένου συστήματος.
Άλλα κοινωνικά έντομα παρουσιάζουν παραπλήσια συμπεριφορά.
Για παράδειγμα, εδώ έχουμε ένα είδος περίπλοκης κατασκευής από τερμίτες. Χρησιμεύει ως φωλιά.
Η κύρια εστίαση της έρευνας στα πολύπλοκα συστήματα βρίσκεται στην κατανόηση του πώς μεμονωμένα απλά άτομα παράγουν πολύπλοκη συμπεριφορά χωρίς κεντρικό έλεγχο.
Σε αυτά τα παραδείγματα, τα απλά άτομα είναι έντομα, αλλά θα δούμε πολλά άλλα είδη.
Ένα άλλο κλασικό παράδειγμα πολύπλοκου συστήματος είναι ο εγκέφαλος. Εδώ, τα μεμονωμένα απλά άτομα είναι οι νευρώνες.
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από περίπου 100 δις νευρώνες, με 100 τρις συνάψεις μεταξύ αυτών των νευρώνων.
Κάθε νευρώνας είναι σχετικά απλός σε σχέση με ολόκληρο τον εγκέφαλο, και πάλι δεν υπάρχει κεντρικός έλεγχος.
Με κάποιο τρόπο, το τεράστιο οικοδόμημα από νευρώνες και συνάψεις οδηγεί στην πολύπλοκη συνπεριφορά που ονομάζουμε συνείδηση, ευφυία, ακόμα και δημιουργικότητα.
Η εγκεφαλική τομογραφία έχει δείξει ότι αυτοί οι νευρώνες οργανώνονται σε διάφορους λειτουργικούς τομείς.
Ακριβώς όπως τα μυρμήγκια και οι τερμίτες, οι νευρώνες μπορούν να αυτο-οργανώνονται σε πολύπλοκες δομές που βοηθούν τον οργανισμό να λειτουργεί και να επιβιώνει.
Ένα άλλο πολύπλοκο σύστημα είναι το ανοσοποιητικό.
Το ανοσοποιητικό σύστημα διαμοιράζεται σε όλο το σώμα,
συμπεριλαμβάνοντας διάφορα όργανα, όπως φαίνεται στην εικόνα,
και τρις κυττάρων που κινούνται στο αίμα και τη λέμφο, προστατεύοντας και θεραπεύοντας το σώμα από βλάβες και αρρώστειες.
Για παράδειγμα, αυτή είναι μια εικόνα ανοσοποιητικών κυττάρων, με το μπλε χρώμα,
που επιτίθενται ενάντια σε ένα καρκινικό κύτταρο εδώ στο κέντρο.
Όπως τα μυρμήγκια που είδαμε πριν, τα ανοσοποιητικά κύτταρα επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω χημικών σημάτων,
και συνεργάζονται χωρίς κεντρικό έλεγχο για να εξαπολύσουν συντονισμένες επιθέσεις σε ό,τι θεωρούν απειλή για το σώμα.
Επιπροσθέτως, ο πληθυσμός των ανοσοποιητικών κυττάτων στο σώμα μπορεί να αλλάζει,
ή να προσαρμόζεται σε ό,τι ο κυτταρικός πληθυσμός αντιλαμβάνεται ως περιβάλλον.
Αυτή η μορφή προσαρμογής αποτελεί ακόμα ένα βασικό χαρακτηριστικό των πολύπλοκων συστημάτων.
Άλλο ένα γνώριμο παράδειγμα πολύπλοκου συστήματος είναι το ανθρώπινο γονιδίωμα.
Να μία απεικόνιση του ανθρώπινου γονιδιώματος.
Κάθε μία από τις σκουληκόμορφες αυτές δομές είναι ένα χρωμόσωμα, και υπάρχουν 23 ζεύγη από αυτά.
Βλέπετε ότι αυτό εδώ είναι αρσενικό, καθώς διαθέτει ένα ζεύγος Χ-Υ.
Κάθε ένα από αυτά τα χρωμοσώματα διαθέτει χιλιάδες γονίδια.
Τα γονίδια, φυσικά, είναι αλληλουχίες DNA κατά μήκος του χρωμοσώματος.
Πιστεύεται πως το ανθρώπινο γονιδίωμα διαθέτει περίπου 25.000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεϊνες.
Σε όρους πολύπλοκων συστημάτων, μπορείτε να σκεφτείτε τα γονίδια ως απλά άτομα που αλληλεπιδρούν με άλλα γονίδια με αποκεντρωμένο τρόπο.
Και ο τρόπος που αλληλεπιδρούν είναι μέσω γεννετικών κανονιστικών δικτύων.
Καθένα ελέγχει την έκφραση του άλλου, όπου έκφραση σημαίνει μετάφραση σε πρωτεϊνες.
Εδώ έχουμε ένα μικρό γεννετικό κανονιστικό δίκτυο που έχει χαρτογραφηθεί από ερευνητές.
Εδώ, καθένα από τα παραλληλόγραμμα ή τα οβάλ σχήματα αναπαριστά ένα γονίδιο,
ένα βέλος από το ένα γονίδιο στο άλλο σημαίνει ότι το πρώτο γονίδιο ελέγχει την έκφραση του δεύτερου γονιδίου.
Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από χιλιάδες δίκτυα όπως αυτό, όπου γονίδια αλληλεπιδρούν με πολύπλοκους τρόπους.
Και είναι αυτή η αλληλεπίδραση που ευθύνεται για την ίδια μας την πολυπλοκότητα.
Η ιδέα των δικτύων είναι κεντρική στη μελέτη της πολυπλοκότητας στη φύση.
Εδώ έχουμε ένα άλλο είδος δικτύου, μια τροφική αλυσίδα.
Εδώ, κάθε κόμβος ή μονάδα στο δίκτυο αποτελεί και συγκεκριμένη ομάδα ειδών, και τα βέλη αναπαριστούν ποιος τρώει ποιον.
Αν μια ομάδα ειδών προσανατολίζεται προς μια άλλη, αυτό σημαίνει πως η πρώτη αποτελεί τροφή για τη δεύτερη.
Για παράδειγμα, βλέπετε πως οι αλεπούδες εδώ βρίσκονται στην κορυφή της συγκεκριμένης τροφικής αλυσίδας στην Αλάσκα,
καθώς τρώνε διάφορα είδη ζώων αλλά τίποτε δεν τρώει αυτές - τουλάχιστον όχι σε αυτόν το χάρτη.
Εδώ έχουμε ένα συνοπτικό διάγραμμα μιας ακόμη πιο πολύπλοκης τροφικής αλυσίδας, από τον Κόλπο της Αλάσκα.
Όταν μιλήσουμε για δίκτυα αργότερα στα μαθήματά μας, θα δούμε πολύ ενδιαφέροντα παραδείγματα αποκεντρωμένης οργάνωσης
σε τροφικές αλυσίδες όπως αυτή και σε άλλα είδη δικτύων.
Ίσως το πιο γνώριμο είδος δικτύου είναι τα κοινωνικά δίκτυα.
Εδώ βλέπουμε μέρος του προσωπικού μου κοινωνικού δικτύου.
Με εμένα σε αυτό το σημείο, οι σύνδεσμοι αναπαριστούν φιλικές σχέσεις,
οι φίλοι μου συνδέονται με άλλους φίλους και ούτω καθ' εξής.
Τα κοινωνικά δίκτυα φανερώνουν πολύ ενδιαφέροντα μοτίβα, τα οποία και υπάρχουν επίσης σε βιολογικά και τεχνολογικά δίκτυα.
Αργότερα, θα εξετάσουμε σε βάθος τι είναι αυτά τα μοτίβα και πώς σχηματίζονται.
Οι επιστήμονες των πολύπλοκων συστημάτων ενδιαφέρονται πολύ να μελετήσουν μεγάλα κοινωνικά δίκτυα, όπως το Facebook,
για να κατανοήσουν τη δομή τους, το πώς σχηματίζονται, το πώς αλλάζουν στο χρόνο,
και ίσως το πιο ενδιαφέρον, το πώς η πληροφορία διαχέεται και μεταδίδεται σε τέτοια δίκτυα - μεταξύ άλλων θεμάτων.
Οι οικονομίες αποτελούν ένα άλλο είδος πολύπλοκου συστήματος, όπου τα δίκτυα επίδρασης είναι θεμελιώδη.
Εδώ βλέπουμε ένα δείγμα του διεθνούς οικονομικού δικτύου, όπου οι κόμβοι αναπαριστούν οικονομικά ιδρύματα
και οι σύνδεσμοι αναπαριστούν τις μεταξύ τους σχέσεις.
Για παράδειγμα, αν μια τράπεζα κατέχει μετοχές μιας άλλης τράπεζας, αυτές οι δύο συνδέονται.
Το μέγεθος της συνδεσιμότητας σε ένα τέτοιο δίκτυο, όπως και οι ήδη υπάρχοντες σύνδεσμοι, έχουν μεγάλη αντίκτυπο στη σταθερότητα του δικτύου,
όπως πχ. στην πτώχευση μιας τράπεζας.
Το νέο διεπιστημονικό πεδίο της Επιστήμης Δικτύων, που γεννήθηκε από την κοινότητα των πολύπλοκων συστημάτων,
μελετά τέτοιου είδους φαινόμενα σε δίκτυα από πολλά διαφορετικά πεδία.
Ως τελικό παράδειγμα, βλέπουμε τη μελέτη των πόλεων ως πολύπλοκα συστήματα.
Λέγεται συχνά ότι μια πόλη μοιάζει με ζωντανό οργανισμό με πολλούς τρόπους,
αλλά μέχρι ποιο σημείο οι πόλεις μοιάζουν με ζωντανούς οργανισμούς στον τρόπο που δομούνται, μεγαλώνουν, κλιμακώνονται σε μέγεθος και λειτουργούν;
Αυτά και άλλα ερωτήματα θεμελιώνουν ένα ταχέως αναπτυσσόμενο πεδίο της έρευνας στα πολύπλοκα συστήματα, που θα δούμε λεπτομερώς αργότερα.