Predstavitev nauka o kompleksnosti
KAJ JE KOMPLEKSNOST?
V naši prvi enoti bomo preučili vprašanje "kaj je kompleksnost?"
Kot boste videli, je na to vprašanje težko natančno odgovoriti.
Začeli bomo precej intuitivno, in sicer tako, da bomo
opisali številne primere pojavov, ki jih preučujejo znanstveniki s področja kompleksnih sistemov.
To bo predogled skupka tem, ki ga bomo obravnavali v tem tečaju.
Nato bomo pripravili seznam nekaterih pomembnih lastnosti, ki so skupne večini kompleksnih sistemov.
Na kratko bomo poskusili opredeliti pojem kompleksnosti, h kateremu se bomo vrnili kasneje tekom tečaja.
Ogledali si bomo tudi temeljne discipline, cilje in metodologije področja raziskave kompleksnih sistemov.
Na tej točki bomo že pripravljeni na prvo v nizu gostovanj, ki sem jih poimenovala "V gosteh",
v katerih se bom z uglednimi znanstveniki s področja kompleksnih sistemov
pogovarjala o njihovih pogledih na to področje.
Zadnja polovica te enote bo osredotočena na simulacijsko in programsko platformo NetLogo,
s pomočjo katere bomo v tem tečaju ponazorili kopico idej s področja kompleksnih sistemov.
Ste pripravljeni, da začnemo? Pa pojdimo!
Odličen začetni zgled so mravlje. Nigel Franks, znan raziskovalec mravelj, je nekoč zapisal,
da ima posamična potujoča vojaška mravlja
eno najpreprostejših vedenjskih oblik, kar si jih je moč predstavljati.
Zgodba pa je povsem drugačna, kadar tvorijo številčna združenja.
Tukaj vidimo primer, kako kolonija vojaških mravelj tvori tunel.
Posamezna mravlja je zelo preprosta, vendar pa lahko
kolonija kot celota deluje sodelovalno, da opravi zelo zapletene naloge
in to brez kakršnega koli osrednjega upravljanja, kar pomeni, da nobena mravlja ali skupina mravelj ne upravlja ostalih.
Z drugimi besedami: kolonije mravelj se lahko samoorganizirajo z namenom, da tvorijo strukture,
ki so veliko bolj zapletene, kot bi jih vsaka posamezna mravlja zmogla narediti.
Tukaj je primer kako mravlje gradijo most s svojimi telesi,
da bi drugi člani kolonije lahko prečkali vrzel med listoma.
Ta posnetek prikazuje kako se mravlje sestavijo v tak most.
Začno tukaj zgoraj, pridejo po palici do njenega konca in čez čas se bodo
tako priklenile ena na drugo, da bodo ustvarile povezavo od vrha do tal.
Vidite lahko, kako se postopoma same dodajajo v strukturo.
Vsaka mravlja izloča spojine, s pomočjo katerih komunicira z drugimi mravljami in
celotni most je zgrajen brez vsakršnega osrednjega nadzora.
Primer nam lahko služi kot zgled za decentraliziran in samo-ureditveni oziroma samo-sestavljiv ustroj (sistem).
Tudi druge socialne žuželke izkazujejo podobno vedenje.
Tukaj, denimo, vidimo primer kompleksne strukture, kakršno gradijo termiti. Služi kot gnezdo.
Velik poudarek pri raziskavah kompleksnih sistemov je na razumevanju, kako lahko sicer preprost posameznik.
t.i. agent, izkazuje zapleteno vedenje in to brez osrednjega nadzora.
V teh primerih so preprosti agenti žuželke, vendar bomo videli tudi številne druge vrste agentov.
Še en klasičen primer kompleksnega sistema so možgani. Posamični preprosti agenti tega sistema so nevroni.
Človeške možgane sestavlja okoli sto milijard nevronov, ti nevroni so pa povezani s tisočkrat toliko povezavami.
Vsak nevron je dokaj preprost v primerjavi s celotnimi možgani- in spet ni osrednjega nadzora.
Nekako ta ogromen skupek nevronov in povezav uspe omogočiti zapletena vedenja,
ki jim pravimo spoznanje, inteligenca, ali celo ustvarjalnost.
Slikanje možganov je pokazalo, da se nevroni sami uredijo v različna funkcionalna področja.
Tako kot mravlje ali termiti, se lahko nevroni sami uredijo v kompleksne sisteme,
ki vrsti pomagajo pri delovanju in preživetju.
Še en kompleksen sistem je imunski sistem.
Imunski sistem je porazdeljen po telesu,
vključuje številne različne organe, kot je prikazano na sliki,
in na tisoče milijard celic potuje po krvnem ali pa limfnem obtoku, da telo ščitijo pred boleznimi in ga celijo po poškodbah.
Tukaj imamo na primer fotografijo imunskih celic, obarvane so z modro in napadajo rakasto celico na sredini.
Tako kot mravlje, ki smo jih videli prej, tudi celice imunskega sistema medsebojno
komunicirajo s pomočjo kemičnih signalov, in sodelujejo brez centralnega nadzora,
da sprožijo usklajene napade na vse, kar se jim zdi kot grožnja za telo.
Poleg tega se je populacija imunskih celic v telesu sposobna spremeniti ali prilagoditi
kot odgovor na to, kar ta populacija celic zaznava v svojem okolju.
Tovrstna prilagoditev je še ena ključna značilnost kompleksnih sistemov.
Drug znan primer kompleksnega sistema je človeški genom. To je slika človeškega genoma.
Vsaka od teh črvom podobnih struktur je kromosom. Imamo 23 kromosomskih parov.
Vidite lahko, da je to moški, saj ima XY kromosomski par.
Vsakega od teh kromosomov sestavlja na tisoče genov.
Kot vemo, so geni nizi molekul DNK vzdolž kromosoma.
Trenutno predvidevajo, da ima človeški genom nekje 25 000 genov, ki usmerjajo sintezo beljakovin (kodirajo proteine).
Iz perspektive kompleksnih sistemov lahko na gene gledamo kot na preproste komponente,
kjer se medsebojni vpliv med njimi vrši na decentraliziran način.
Geni medsebojno vplivajo preko mreže za regulacijo genov.
Drug drugemu nadzirajo izražanje- torej načine, kako se bodo sintetizirali proteini.
Tukaj vidimo majhno mrežo za regulacijo genov, ki so jo raziskovalci uspeli sestaviti.
V njej vsak od teh pravokotnikov ali elips predstavlja gen in
puščica od enega gena do drugega pomeni, da prvi gen upravlja izražanje drugega gena.
Izkazalo se je, da je človeški genom sestavljen iz tisočih mrež kot je ta.
V njih geni vplivajo drug na drugega na zapletene načine,
in prav te interakcije v veliki meri botrujejo naši lastni kompleksnosti.
Ideja omrežij je osrednjega pomena za preučevanje kompleksnosti v naravi.
Tukaj imamo še eno vrsto mreže – prehranjevalni splet.
Tukaj vsako vozlišče ali enota omrežja predstavlja določeno skupino živalske vrste in
puščice nam prikazujejo kdo je hrana komu.
Kadar puščica kaže od ene skupine k drugi, to pomeni, da je
prva skupina hrana za drugo skupino.
V tem primeru Aljaškega prehranjevalnega spleta lahko vidite, da so tukajšnje
lisice na vrhu prehranjevalnega spleta, saj jedo več vrst živali, vendar
same niso hrana nobeni drugi vrsti. Vsaj ne na tej shemi.
Tukaj vidimo abstraktno shemo še bolj zapletenega prehranjevalnega spleta Aljaškega zaliva.
Ko bomo kasneje tekom tečaja govorili o omrežjih, bomo videli nekaj zelo zanimivih primerov
decentralizirane samoureditve v prehranjevalnih spletih kot je ta, in v drugih vrstah omrežij.
Vrsta omrežja, ki vam je verjetno najbolj znano, je družabno omrežje.
Tukaj je del mojega lastnega socialnega omrežja, z mano tukaj. Te povezave predstavljajo prijateljske odnose.
Moji prijatelji so povezani s svojimi prijatelji in tako dalje in tako naprej. Izkaže se, da
družabna omrežja tvorijo nekaj zelo zanimivih vzorcev, ki se pojavljajo tudi v bioloških in tehnoloških omrežjih.
Kasneje v tem tečaju si bomo podrobneje ogledali, kaj ti vzorci so in kako se oblikujejo.
Znanstvenike s področja kompleksnih sistemov zelo zanima preučevanje velikih socialnih omrežij kot je Facebook.
Želijo razumeti njihovo strukturo, kako se oblikujejo, kako se spreminjajo skozi čas,
in morda je najbolj zanimivo vprašanje poleg drugih to, kako se v tovrstnih omrežjih prenašajo podatki.
Gospodarstva so še ena vrsta kompleksnega sistema, ki temelji na interakcijskih omrežjih.
Tukaj vidimo vzorec mednarodne finančne mreže, kjer
vozlišča predstavljajo finančne institucije, povezave pa predstavljajo odnose med njimi.
Denimo: če je banka v lasti delnic druge banke, sta ti banki povezani.
Izkaže se, da imajo v takšni mreži število in vrste obstoječih povezav, velik vpliv na to,
kako stabilno je omrežje ob spremembah, recimo kadar banka preneha s poslovanjem.
Novo nastalo interdisciplinarno področje omrežnih znanosti, ki
se je razvilo s pomočjo skupnosti raziskovalcev kompleksnih sistemov,
preučuje te vrste pojavov v omrežjih, kakršne najdemo v najrazličnejših raziskovalnih področjih.
Kot zaključni primer si bomo ogledali preučevanje mest kot kompleksnih sistemov.
Pogosto je bilo rečeno, da je mesto v mnogih ozirih kot živ organizem.
Toda v kolikšni meri mesta dejansko spominjajo na žive organizme, glede na način,
kako so strukturirana, kako rastejo, se povečujejo in delujejo?
Takšna in podobna vprašanja so podlaga za hitro rastoče področje raziskav kompleksnih sistemov,
ki si ga bomo podrobneje ogledali pozneje v teku tečaja.
Prevod: Gabi F.