سیستم های پیچیده

پاسخ به این که “پیچیدگی و تعریف سیستم های پیچیده دقیقا چیست؟” کار دشواریست.

پیچیدگی و سیستم پیچیده مفهومی نیست که بتوان آن را در یک جمله تعریف کرد. مانند عشق یا نفرت که همگی ضمن اینکه آن‌ها درک می‌کنیم، اگر از ما تعریفی بخواهند احتمالا هر یک به تناسب تجارب، اعتقادات و سایر پیش‌زمینه‌هایی که داریم، تعریفی مجزا از آن‌ها ارائه خواهیم کرد.

همین عدم وجود تعریفی دقیق و مشترک بین محققین باعث شده است که اندازه‌گیری پیچیدگی و تعریف معیاری برای آن ناممکن شود. ما پیچیدگی را از نشانه‌های آن متوجه می‌شویم، همانطور که نمی‌توانیم بگوییم آیا یک نفر عاشق است یا خیر و تنها به دیدن نشانه‌های آن در فرد اکتفا می‌کنیم.

در این مجموعه دروس قصد داریم با مطرح نمودن مفاهیم مرتبط به پیچیدگی و بررسی سیستم های پیچیده به درک عمیق‌تری نسبت به این موضوع برسیم و پیچیدگی جهان اطراف خود را بهتر درک کنیم.

در ابتدا کار خود را به طور شهودی شروع کرده و مثال‌هایی از سیستم های پیچیده مطرح می‌کنیم که محققین حوزه پیچیدگی در حال مطالعه آن‌ها هستند. در این حین مروری هم بر روی مطالبی که در این مجموعه دروس قصد مطرح کردن آن را داریم صورت می‌گیرد.

سپس لیستی را از ویژگی‌های رایج در بسیاری از سیستم های پیچیده مطرح می‌کنیم. در این مطالب همچنین اصول بنیادین، اهداف و متدولوژی‌های موجود در تحقیقات پیچیدگی را می‌خوانیم. پس از آن آمادگی داریم که پای حرف بزرگان این دانش نشسته و ببینیم از نظر آن‌ها چه سیستمی پیچیده است.نت‌لوگو (Netlogo) پلتفرمی است که پس از این مباحث آن را معرفی نموده و از آن برای شبیه‌سازی مدل‌های پیچیدگی در کامپیوتر خود استفاده می‌کنیم.

یکی از مثال‌های خوب برای شروع، مورچه‌ها هستند. یکی از دانشمندان در زمینه مورچه‌ها گفته است که یک مورچه سرباز، از نظر رفتاری یکی از ساده‌ترین موجودات قابل تصور است.

اما موضوع درباره تعداد زیاد آن‌ها کاملا متفاوت است. یک کولونی از مورچه‌های سرباز را در نظر بگیرید که در حال ساخت یک تونل هستند.

هر یک به تنهایی بسیار ساده هستند، اما در کنار هم می‌توانند در انجام وظایفی بسیار پیچیده همکاری کنند. آن هم بدون هیچ واحد کنترل مرکزی. یعنی هیچ مورچه‌ای برتری و وظیفه مدیریت ندارد.

به عبارت دیگر یک کولونی از مورچه‌ها می‌تواند ویژگی‌هایی داشته باشد که در هیچ یک از آن‌ها به تنهایی نیست. در شکل زیر مثالی از مورچه‌ها را داریم که در حال ساخت یک پل با بدن‌های خود هستند، تا سایر اعضای گروه بتوانند از فاصله بین دو برگ درخت عبور کنند.

در ابتدا یکی یکی خود را به محل ایجاد پل رسانده و با اضافه شدن به آن پل را تکمیل می‌کنند. هر مورچه با ترشح مواد شیمایی با دیگری ارتباط برقرار می‌کند و بدون کنترل مرکزی پل ساخته می‌شود. به همین خاطر آن‌ها مثالی از یک سیستم مرکززدایی شده خودسامان (خودسازمانده) یا خودمونتاژ هستند.

سایر حشرات اجتماعی نیز رفتاری مشابه دارند. مثلا در یک زیر مثالی از یک بنای پیچیده را داریم که توسط موریانه‌ها ساخته شده است که لانه آن‌هاست.

یکی از حوزه‌های اصلی تمرکز مطالعات سیستم های پیچیده بر روی فهم چگونگی تولید رفتار پیچیده توسط اعضای ساده این سیستم‌ها، بدون کنترل مرکزی، است.

در دو مثالی که مطرح شد نمایندگان ساده ما حشرات هستند، اما انواع متفاوت دیگری نیز وجود دارند. یک مثال کلاسیک دیگر از سیستم های پیچیده مغز است. در این مثال اعضای تکی ساده ما نورون‌ها هستند. مغز انسان از حدود 100 میلیارد نورون و 100000میلیارد رابطه بین این نورون‌ها تشکیل شده.

هر نورون نسبت به کل مغز بسیار ساده است. و دوباره شاهد عدم حضور کنترل مرکزی هستیم.

اما مجموعه‌ای از این نورون‌های ساده رفتارهایی بسیار پیچیده را مانند شناخت، هوش و خلاقیت برای انسان ممکن می‌سازند. تصویر برداری‌ها نشان داده‌اند که دسته نورون‌های مربوط به هر عملکرد، خود را در قسمت‌های خاصی از مغز جای داده‌اند. درست مانند مورچه‌ها و موریانه‌ها، نورون‌ها نیز می‌توانند با قابلیت خودسامانی به ساختارهای پیچیدگی برسند که به ما کمک می‌کند کارهایمان را انجام دهیم و زنده بمانیم.

سیستم ایمنی بدن نمونه دیگری از یک سیستم پیچیده است. این سیستم در کل بدن گسترش یافته است و در تمامی اعضا حضور دارد. میلیاردها سلول آن در جریان خون و لنف مدام منتقل می‌شوند و بدن را در برابر آسیب و بیماری محافظ کرده و درمان می‌کنند.

برای مثال در شکل زیر سلول‌های سیستم ایمنی را به رنگ آبی می‌بینیم، که در حال حمله به سلول سرطانی در مرکز تصویر هستند. درست مانند مورچه‌ها، سلول‌های سیستم ایمنی نیز از طریق مواد شیمیایی با هم ارتباط برقرار می‌کنند. و دوباره همکاری آن‌ها برای حمله به تهدیدها علیه بدن، بدون هیچ کنترل مرکزی است.

علاوه بر این جمعیت سلول‌های سیستم ایمنی در بدن قابلیت تغییر دارد. که بستگی به تعداد سلول‌های مورد نیاز برای انجام وظایف دفاعی و درمانی دارد. این توانایی خودانطباقی یکی دیگر از ویژگی‌های کلیدی سیستم های پیچیده است.

مثال آشنای دیگر از سیستم های پیچیده ژنوم انسان است که در زیر تصویر آن را می‌بینیم:

هر یک از ساختارهای کرم شکل یک کروموزوم است و 23 جفت از آن‌ها وجود دارد. سمت راست پایین تصویر کروموزوم مرد را داریم چونکه جفت XY هست. هر یک از این کروموزوم‌ها از هزاران ژن تشکیل شده است. ژن‌ها هم رشته‌هاییی از DNA هستند. برآورد می‌شود که کروموزوم انسان 25،000 ژن داشته باشد که کدبندی آن توسط پروتئین‌هاست.

به زبان سیستم های پیچیده، هر ژن یک عنصر ساده است که به صورت مرکززدایی شده در تعامل با سایر ژن‌هاست.  نحوه تعامل آن‌ها هم از طریق شبکه‌های تنظیم‌کننده ژنتیکی صورت می‌گیرد. آن‌ها بر روی ترکیب پروتئینی یکدیگر تاثیر می‌گذارند. در شکل زیر یک شبکه‌ی تنظیم‌کننده کوچک که توسط محققین ترسیم شده را می‌بینیم. هر مستطیل یا بیضی معرف یک ژن است و فلش از یکی به دیگری هم به معنی اثر گذاری اولی روی ترکیب پروتئینی دیگری است.

مشخص شده که ژنوم انسان از هزاران شبکه مشابه شکل بالا تشکیل شده است. که در هر یک ژن‌ها به طرق پیچیده‌ای با یکدیگر در تعامل هستند. که این تعاملات دلیل تمام پیچیدگی‌های ماست.

ایده شبکه‌ها جزو مفاهیم کلیدی در مطالعه پیچیدگی و طبیعت است. در زیر شبکه دیگری را می‌بینیم. یک زنجیره غذایی. در این شکل هر گره یا موجود، معرف گروه خاصی از حیوانات است. فلش‌ها نیز نشان می‌دهند که کدام یک دیگری را می‌خورد. اگر یک حیوان به دیگری فلش شده باشد یعنی حیوان ابتدای فلش توسط انتهایی خورده می‌شود. مثلا در شکل روباه‌ها در بالای زنجیره غذایی آلاسکا حضور دارند و به خاطر اینکه انواع مختلی از موجودات را می‌خورند، چند فلش به سمت آن رفته است.

شکل بعدی زنجیره غذایی پیچیده‌تری را از خلیج آلاسکا نشان می‌دهد. در ادامه این مطالب مثال‌های جالبی از سیستم های پیچیده بدون تمرکز و خودسامان را می‌بینیم که زنجیره غذایی نیز یکی از انواع آن‌هاست.

یکی دیگر از شبکه‌هایی که با آن آشنا هستیم شبکه‌ی اجتماعی است. در زیر یک شبکه اجتماعی را می‌بینید. که در آن گره‌ها افراد هستند و هر خط نشان دهنده رابطه دوستی است. شبکه‌های اجتماعی نیز الگوهای رفتاری بسیار جالبی دارند. که الگوهای بیولوژیکی و تکنولوژیکی از انواع آن هستند. در این مطالب درباره چنین الگوهایی نیز بیشتر می‌خوانیم.

دانشمندان سیستم های پیچیده علاقه زیادی به مطالعه شبکه‌های اجتماعی بزرگ مقیاس مثل فیسبوک، دارند. تا ساختار آن، نحوه شکل‌گیری، چگونگی تغییرات در طول زمان و شاید جذاب‌تر از همه طریقه انتقال اطلاعات در آن را متوجه شوند.

اقتصادها دسته دیگری از سیستم های پیچیده هستند که شبکه‌هایی بنیادی از تعاملات دارند. در زیر نمونه‌ای از شبکه بین‌المللی مالی را می‌بینیم. گره‌ها معرف نهادهای مالی و خطوط تعامل بینشان را نشان می‌دهد. مثلا اگر یک بانک سهام بانکی دیگر را داشته باشد، به یکدیگر متصل می‌شوند.

به همین خاطر میزان مرتبط بودن در چنین شبکه‌ای علاوه بر نوع روابط، تاثیر بزرگی روی میزان پایداری سیستم دارد. مثلا اینکه در چه موقعی یک بانک ورشکست می‌شود. دانش بین رشته‌ای جدیدی با نام علم شبکه که از جامعه تحقیقاتی سیستم های پیچیده نشئت گرفته است، چنین پدیده‌ها و شبکه‌هایی از علوم مختلف را بررسی می‌کند.

به عنوان مثال انتهایی، مطالعه شهرها به عنوان سیستم های پیچیده را داریم. معمولا گفته می‌شود که شهرها از بسیاری جهات شبیه موجودات زنده هستند. اما تا چه میزان شهرها مانند ارگانیزم‌های زنده هستند؟ ساختارشان، نحوه رشد، توسعه، تغییر ابعاد و عملکردشان؟ این نیز از جمله سوالاتی است که حوزه رو به رشد پیچیدگی به دنبال پاسخ آن است و در ادامه مباحث با جزئیات به آن می‌پردازیم.

 

مطالب مرتبط با سیستم های پیچیده:

  1. ویژگی های سیستم های پیچیده
  2. تعریف سیستم پیچیده ، از زبان دانشمندان این حوزه
  3. 5 مفهوم کلیدی پیچیدگی به زبان ساده [ویدئو]