Komplexní systémy

Mnoho přírodních jevů lze považovat za komplexní systémy a jejich studium (věda o složitosti) je vysoce interdisciplinární. Příklady komplexních systémů zahrnují mraveniště, mravence samotné, lidské ekonomiky, nervové systémy, buňky a živé věci včetně lidských bytostí.

Kromě toho, že všechny tyto věci jsou jakési sítě a že jsou složité, se může zdát, že mají málo společného, proto je pojem „složitý systém“ prázdný. Má se však za to, že všechny složité systémy mají společné rysy chování a struktury, což je alespoň do určité míry spojuje jako jevy. Sjednocují se i teoreticky, protože všechny tyto systémy mohou být v zásadě modelovány s různou mírou úspěšnosti určitým druhem matematiky. Je tedy možné jasně stanovit, co mají tyto systémy mít společného mezi sebou, a to relativně formálně.

Termín komplexní systém formálně odkazuje na systém mnoha částí, které jsou spojeny nelineárně. Přirozené komplexní systémy jsou modelovány pomocí matematických technik dynamických systémů, které zahrnují diferenciální rovnice, diferenciální rovnice a mapy. Protože jsou nelineární, komplexní systémy jsou více než součet jejich částí, protože lineární systém podléhá principu superpozice, a proto je doslova součtem jeho částí, zatímco nelineární systém ne. Řečeno jinak: lineární vztah je prostě takový, jehož graf je přímka, takže lineární spojení mezi dvěma věcmi je takové, ve kterém změna na jedné straně spojení vyvolává poměrnou změnu na straně druhé. Nelineární spojení znamená, že změna na jedné straně není poměrná ke změně na straně druhé. Když je v systému mnoho nelineárů (mnoho součástí), chování může být stejně nepředvídatelné jako zajímavé. Výzkum složitých systémů takové chování studuje.

Většina biologických systémů jsou složité systémy ve výše uvedeném smyslu, zatímco tradičně většina humánně vytvořených systémů jimi není. Výzkum složitých systémů se podstatně překrývá s výzkumem nelineární dynamiky, ale složité systémy se specificky skládají z velkého počtu vzájemně interagujících dynamických částí. Mnoho výzkumných oborů se začíná zajímat o tento obor matematické analýzy, protože digitální počítač umožnil teoretické zkoumání takových systémů. K tomu, abychom zjistili, proč tomu tak je, je zapotřebí trochu matematických znalostí. Viz například numerická integrace.

Chování komplexních systémů

Proměnné v komplexních systémech mohou samozřejmě vykazovat velmi složité, diskoordinované chování, ve kterém je velmi těžké předvídat, co prvek v čase udělá. Komplexní systémy však mohou také vykazovat relativně jednoduché (nebo formálněji nízkodimenzionální, nebo koordinované) vzorce chování stejně jako jednodušší, lineární systémy. Na rozdíl od lineárních systémů (jakkoli komplikovaných) jsou však komplexní nelineární systémy obvykle velmi flexibilní, pokud jde o vykazování kvalitativně odlišného chování v různých časech. V terminologii dynamických systémů je taková kvalitativní změna známá jako bifurkace a nelinearita je vyžadována, aby ji systém vykazoval. Součástí výzkumu komplexních systémů je zjistit, zda existují nějaká jednoduchá pravidla, která by mohla být použita k popisu nízkodimenzionálního chování komplexních systémů. Viz například dynamika koordinace. Vzhledem k přítomnosti nízkodimenzionálního chování a domnělých pravidel, kterými se řídí globální chování, mnozí hovoří o vlastnostech komplexních systémů jako o vznikajících. Je však důležité si uvědomit, že použití tohoto termínu je v komunitě výzkumu komplexních systémů sporné, protože v zásadě znalost vlastností komponent a spojení mezi nimi je dostačující k určení všech aspektů chování systému. V praxi to však často není možné (nebo žádoucí) a není zcela zavádějící chápat výzkum komplexních systémů jako studium „vznikajících“ vlastností.

Aplikace teorie komplexních systémů

Studium komplexních systémů přináší novou vitalitu do mnoha oblastí vědy, kde typická redukcionistická strategie neuspěla. Komplexní systémy se proto často používají jako široký pojem zahrnující výzkumný přístup k problémům v mnoha rozličných oborech včetně neurovědy, meteorologie, fyziky, informatiky, umělého života, evoluční výpočetní techniky, ekonomie, synchronizace srdečních buněk, imunitních systémů, molekulární biologie, epilepsie a dotazů na povahu samotných živých buněk. V těchto snahách vědci často hledají jednoduchá nelineární spojovací pravidla, která vedou ke komplexním jevům (spíše než k popisu – viz výše), ale nemusí tomu tak být. Lidské společnosti (a pravděpodobně i lidské mozky) jsou komplexní systémy, v nichž ani komponenty, ani spojovací zařízení nejsou jednoduché. Nicméně vykazují mnoho charakteristických znaků komplexních systémů.

Inženýrství tradičně usiluje o to, aby jeho systémy zůstaly lineární, protože díky tomu se snáze budují a předvídají. Mnohé fyzikální systémy (například lasery) jsou však ve smyslu výše uvedené definice ze své podstaty „komplexní systémy“ a inženýrská praxe musí nyní zahrnovat prvky výzkumu komplexních systémů.

Charakteristiky složitých systémů v přírodě

Vztahy jsou nelineární

V praxi to znamená, že malá perturbace může způsobit velký efekt (viz motýlí efekt), úměrný efekt, nebo dokonce žádný efekt. V lineárních systémech je efekt vždy přímo úměrný příčině. Viz nelinearita.

Vztahy obsahují smyčky zpětné vazby

V komplexních systémech se často vyskytuje jak negativní (tlumení), tak pozitivní (zesilování) zpětná vazba. Účinky chování prvku jsou zpětně přiváděny tak, že je samotný prvek změněn.

Složité systémy v přírodě jsou obvykle otevřené systémy – to znamená, že existují v termodynamickém gradientu a rozptylují energii. Jinými slovy, složité systémy mají obvykle daleko k energetické rovnováze: ale i přes tento tok může existovat stabilita vzoru. Viz synergie.

Komplexní systémy mají historii

Historie komplexního systému může být důležitá. Protože komplexní systémy jsou dynamické systémy, mění se v čase a předchozí stavy mohou mít vliv na současné stavy. Formálněji řečeno, komplexní systémy často vykazují hysterezi.

Složité systémy mohou být vnořené

Složky komplexního systému mohou být samy o sobě komplexními systémy. Ekonomika se například skládá z organizací, které jsou tvořeny lidmi, které jsou tvořeny buňkami – to vše jsou komplexní systémy.

Hranice je obtížné určit

Může být obtížné určit hranice složitého systému. Rozhodnutí je nakonec učiněno pozorovatelem.

Dynamická síť multiplicity

Kromě spojovacích pravidel je důležitá dynamická síť komplexního systému. Často se používají sítě malého světa nebo bez měřítka, které mají mnoho lokálních interakcí a menší počet mezioblastních spojení. Přírodní komplexní systémy takové topologie často vykazují. Například v lidské mozkové kůře vidíme hustou lokální konektivitu a několik velmi dlouhých axonových projekcí mezi oblastmi uvnitř mozkové kůry a do dalších mozkových oblastí.

Byly předloženy různé neformální popisy komplexních systémů, které mohou poskytnout určitý vhled do jejich vlastností. Zvláštní vydání časopisu Science o komplexních systémech
Science Vol. 284. No. 5411 (1999).
vyzdvihlo několik z nich:

Poštovní seznamy, diskusní skupiny a fóra

Specializované Wiki a weby o komplexních systémech