Επιστήμη συστημάτων

Η επιστήμη συστημάτων ή συστημική είναι ένα διεπιστημονικό γνωστικό πεδίο το οποίο παρέχει έναν κοινό τρόπο σκέψης με στόχο την ανάπτυξη μεθοδολογικών πλαισίων για τη μελέτη συστημάτων με εσωτερική δομή (π.χ. κοινωνικά, ηλεκτρονικά, βιολογικά, γνωσιακά ή μεταφυσικά συστήματα). Βασίζεται στη θεωρία συστημάτων, κεντρικές έννοιες στην οποία είναι η θερμοδυναμική ισορροπία και η αρνητική ή θετική εντροπία, καθώς η δομή και η κατάσταση ενός συστήματος τυπικά παραμένουν σταθερές ή διαρκώς περιπλέκονται με το πέρασμα του χρόνου, με παράλληλη εξαγωγή θετικής εντροπίας στο περιβάλλον του συστήματος.
Η θεωρία συστημάτων, το ερευνητικό αντικείμενο της επιστήμης συστημάτων, αντλεί ιδέες και έννοιες από πολλές επιστήμες και τις τοποθετεί σε ένα κοινό ολιστικό πλαίσιο με στόχο την ερμηνεία πολύπλοκων συστημάτων. Εμφανίστηκε κατά το Μεσοπόλεμο αλλά καθοριστική υπήρξε η έκδοση του βιβλίου Κυβερνητική, ή έλεγχος και επικοινωνία στα ζώα και στις μηχανές από το Νόρμπερτ Βίνερ (Norbert Wiener) το 1948. Η κυβερνητική αποτελεί ένα υποσύνολο της επιστήμης συστημάτων το οποίο αναπτύχθηκε παράλληλα με τη θεωρία συστημάτων αλλά από διαφορετικές βάσεις. Η εφαρμογή της ολιστικής συστημικής μεθοδολογίας απέφερε σημαντικά αποτελέσματα σε πολλές επιστήμες και επιστημονικούς κλάδους όπως η κοινωνιολογία, η μοριακή βιολογία, η τεχνητή νοημοσύνη, η ρομποτική κλπ.

Ιστορικό

Ο όρος κυβερνητική αναφέρεται από τον Πλάτωνα
Τί δ' εν νηί, εί τω εξουσία είη ποιείν ό δοκεί, νού τε καί αρετής κυβερνητικής εστερημένω, καθοράς ά άν συμβαίη αυτώ τε καί τοίς συνναύταις;
(Πλάτων, Αλκιβιάδης, 135A).

Έννοιες

Σύστημα είναι μία σύνθετη πληροφοριακή δομή, με αυτό το πληροφοριακό περιεχόμενο δυνητικά να εκφράζεται υλικά και χωρικά, αποτελούμενη από πολλαπλά δομικά μέρη τα οποία είναι αυτόνομα, με ατομική ταυτότητα και συμπεριφορές, αλλά αλληλεπιδρούν στενά μεταξύ τους. Ο πιο απλός ορισμός του συστήματος, είναι ένα δίκτυο από αλληλεπιδρούσες μεταβλητές. Αυτό σημαίνει ότι κάθε αλλαγή σε  οποιονδήποτε κόμβο του συστήματος θα προκαλέσει αλλαγές και στους άλλους κόμβους - οι οποίες όμως δεν είναι απαραίτητο ότι είναι προβλέψιμες. Επίσης το σύστημα ως σύνολο, μέσω των μερών του, μπορεί να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του. Κατά την αλληλεπίδραση αυτή είναι ικανό να δέχεται δευτερεύον πληροφοριακό περιεχόμενο ως είσοδο (input), να το επεξεργάζεται και να αποβάλλει το πληροφοριακό αποτέλεσμα της επεξεργασίας ξανά στο περιβάλλον ως έξοδο (output). Η διαδικασία αυτή δύναται να συμβαίνει συνεχώς ή σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ένα σύστημα μπορεί να περιέχει ως δομικούς λίθους υποσυστήματα, δηλαδή χαμηλότερης περιπλοκότητας συστήματα τα οποία λειτουργούν αυτόνομα αλλά ταυτόχρονα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους δίνοντας ως αποτέλεσμα το αρχικό, υψηλότερης δομικής περιπλοκότητας σύστημα.
Θεωρία συστημάτων είναι ένα διεπιστημονικό γνωστικό πεδίο το οποίο παρέχει ένα ενοποιητικό, φιλοσοφικό πλαίσιο εννοιών για τη μελέτη ολοκληρωμένων συστημάτων, ανεξαρτήτως από τη διάσπαση τους σε πιο θεμελιώδεις δομικούς λίθους και λαμβάνοντας υπ' όψιν τις αλληλεπιδράσεις αυτών των θεμέλιων λίθων. Ο εν λόγω τρόπος σκέψης ονομάζεται ολισμός και αποτελεί το αντίθετο της προσέγγισης της μελέτης ενός συστήματος αποκλειστικά με αναγωγή του στα δομικά του μέρη, δηλαδή ενός άλλου τρόπου σκέψης που καλείται αναγωγισμός. Η θεωρία συστημάτων αναπτύχθηκε ως αντίδραση στον αναγωγισμό και στους περιορισμούς του.
Αυτοοργάνωση είναι ένας αντιεντροπικός μηχανισμός ο οποίος υπό κατάλληλες συνθήκες προκύπτει αυθόρμητα λόγω των φυσικών νόμων και κατά τη διάρκεια φυσικών φαινομένων. Προκαλεί την εμφάνιση αυτοοργανούμενων συστημάτων τα οποία εισάγουν στο εσωτερικό τους ενέργεια, τη μετασχηματίζουν και εξάγουν στο περιβάλλον τους εντροπία, συνήθως υπό μορφή θερμότητας, παράλληλα διατηρώντας ή ενισχύοντας μία περίπλοκη εσωτερική δομή. Έτσι με την αυτοοργάνωση ένα σύστημα παράγει πληροφορία που περιγράφει τον εαυτό του. Προκειμένου να μην αντιβαίνει το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής η αυτοοργάνωση είναι αυστηρά τοπικό και χρονικά περιορισμένο φαινόμενο, ενώ συνοδεύεται από αύξηση της εντροπίας στο περιβάλλον του συστήματος. Η μετάβαση ενός συστήματος από ένα στάδιο χαμηλής δομικής περιπλοκότητας σε ένα στάδιο υψηλότερης περιπλοκότητας, μέσω μίας διαδικασίας αυτοοργάνωσης, καλείται μετασυστημική μετάβαση. Είναι δυνατόν ένα αυτοοργανούμενο σύστημα να είναι συνθετικό, κατασκευασμένο κατάλληλα από τον Άνθρωπο ώστε να παρουσιάζει αυτοοργάνωση.
Αυτοποιητικό σύστημα είναι ένα ιεραρχικώς αυτοοργανούμενο σύστημα Α, τα μέρη του οποίου δημιουργούν (αυτοδημιουργία) και καταστρέφουν (αυτοκατάλυση) σε ένα συνεχή κύκλο τα θεμελιώδη συστατικά που αποτελούν το ίδιο το Α με στόχο να διατηρήσουν σταθερή την κατάσταση του παρά τις πιθανές περιβαλλοντικές μεταβολές. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται αυτοποίηση και τα αυτοποιητικά συστήματα ορίζονται κατ' αντιδιαστολή με τα αλλοποιητικά, δηλαδή συστήματα τα οποία παρασκευάζουν και δίνουν ως έξοδο συστατικά άλλων συστημάτων. Η αυτοποίηση προέκυψε ως εφαρμογή της θεωρίας συστημάτων στη βιολογία με στόχο τον ορισμό της ζωής. Η θεωρία της αυτοποίησης παρουσιάστηκε για πρώτη φορά από τους Χιλιανούς βιολόγους Humberto Maturana και Francisco Varela, στο έργο τους De Maquinas y Seres Vivos (1972) και μεταφράστηκε στα αγγλικά για πρώτη φορά το 1980 με τον τίτλο Autopoiesis and Cognition - The Realization of the Living. 
Πολύπλοκο σύστημα είναι μία σύνθετη δομή, αποτελούμενη από πολλαπλά αλληλεπιδρώντα μέρη, της οποίας η συμπεριφορά είναι διαφορετική από οποιονδήποτε γραμμικό συνδυασμό συμπεριφορών των μερών της (μη γραμμικό σύστημα). Τα πολύπλοκα συστήματα χαρακτηρίζονται από ισχυρή εξάρτηση και ποικιλομορφία μεταξύ των μερών τους, ενώ αντιθέτως η συμμετρία στη δομή ενός συστήματος υποδεικνύει χαμηλή πολυπλοκότητα. Συνήθως τα πολύπλοκα συστήματα είναι ιεραρχικώς αυτοοργανούμενα και εμφανίζουν αναδυόμενες συμπεριφορές (emergent behaviors), δηλαδή καινοφανείς συλλογικές συμπεριφορές οι οποίες δεν μπορούν να αναχθούν στα μεμονωμένα μέρη του συστήματος αλλά οφείλονται στις αλληλεπιδράσεις και τις συσχετίσεις τους. Η πολυπλοκότητα κατάγεται ως έννοια από τη θεωρία του χάους αλλά τα πολύπλοκα συστήματα, σε αντίθεση με τα χαοτικά, είναι μη ντετερμινιστικά. Μία ειδική κατηγορία είναι τα προσαρμοστικά πολύπλοκα συστήματα (Complex Adaptive Systems) τα οποία είναι δυναμικά (η κατάσταση τους αλλάζει με το πέρασμα του χρόνου), μνημονικά (κάθε στιγμή διατηρούν πληροφορίες για περασμένες καταστάσεις τους) και ενδοσκοπικά (η εξέλιξη τους με το χρόνο εξαρτάται από το περιεχόμενο της μνήμης τους). Ο όρος προσαρμοστικότητα υποδηλώνει μία εξελικτική βιολογική προσέγγιση στην περιγραφή του συστήματος, υπό την έννοια ότι το σύστημα έχει τη δυνατότητα μάθησης και προσαρμογής στο περιβάλλον του.
Ανάδραση (feedback) είναι μία διαδικασία κατά την οποία κάποιο τμήμα της στιγμιαίας εξόδου ενός συστήματος ανακατευθύνεται και επανατροφοδοτείται στο σύστημα ως νέα είσοδος. Η τελευταία χρησιμοποιείται εσωτερικά ώστε το σύστημα να αυτορρυθμίσει τη συμπεριφορά ή και τη δομή του με βάση την αμέσως προηγούμενη έξοδο του και κάποιους έμφυτους κανόνες. Η ανάδραση μπορεί να συμβαίνει σε κάθε κύκλο εισόδου-επεξεργασίας-εξόδου, οπότε το σύστημα λέγεται πως περιέχει έναν αναδραστικό βρόχο. Η αρνητική ανάδραση, όταν δηλαδή η επανατροφοδότηση κάποιας εξόδου οδηγεί σε κατάλληλη αυτορύθμιση του συστήματος ώστε να προσπαθήσει να εξαφανίσει στο μέλλον την επίμαχη έξοδο, βοηθά στη διατήρηση της σταθερότητας του συστήματος παρά τις πιθανές εξωτερικές μεταβολές. Η θετική ανάδραση, όταν δηλαδή η επανατροφοδότηση κάποιας εξόδου οδηγεί σε κατάλληλη αυτορύθμιση του συστήματος ώστε να προσπαθήσει να μεγιστοποιήσει στο μέλλον την επίμαχη έξοδο, ενισχύει την πιθανότητα αποκλίσεων, ποικιλομορφίας και μεταβολών, με στόχο το σύστημα να φτάσει σε μία νέα σταθερή κατάσταση. Δεν υπάρχει κατ' ανάγκην κάποιο κεντρικό σημείο ελέγχου που επιβλέπει την αυτορύθμιση, καθώς ο έλεγχος αυτός μπορεί να είναι κατανεμημένος σε όλο το σύστημα (π.χ. οι πληθυσμοί θηρευτών και θηραμάτων σε κλειστά οικοσυστήματα ρυθμίζονται με αρνητική ανάδραση χωρίς τη μεσολάβηση κάποιου κέντρου ελέγχου). Σχετικώς με τα βιολογικά συστήματα έχει ειπωθεί το εξής: «Χωρίς μηχανισμούς αρνητικής ανάδρασης, ένας οργανισμός δεν μπορεί να διατηρήσει την υπόστασή του μέσα στο φυσικό του περιβάλλον. Χωρίς μηχανισμούς θετικής ανάδρασης, δεν έχει πιθανότητα να επιβιώσει ως είδος εν όψει περιβαλλοντολογικών αλλαγών, στις οποίες θα πρέπει να προσαρμοστεί θέτοντας νέους στόχους».
Κυβερνητικό σύστημα ονομάζεται ένα αναδραστικό πολύπλοκο σύστημα. Κυβερνητική (cybernetics) είναι ένα υποσύνολο της επιστήμης συστημάτων το οποίο επικεντρώνεται στη μελέτη κυβερνητικών συστημάτων. Η κυβερνητική προέκυψε μετά το Β' Παγκόσμιο Πόλεμο από μία μείξη της θεωρίας πληροφοριών, η οποία μελετούσε τη μαθηματική έννοια της πληροφορίας από τη σκοπιά των τηλεπικοινωνιών, και της θεωρίας ελέγχου, η οποία μελετούσε πρακτικούς συνθετικούς μηχανισμούς ανάδρασης από τη σκοπιά των μηχανικών. Χωρίς ακόμη να έχει διαμορφωθεί τότε η επιστήμη συστημάτων και η ολιστική μεθοδολογία, η κυβερνητική υιοθέτησε εξ αρχής μία συστημική προσέγγιση και μία έμφαση στην αυτοοργάνωση και στην αυτονομία, αποτελώντας έτσι σημαντική πηγή ερεθισμάτων για την ανάπτυξη της σύγχρονης επιστήμης συστημάτων αλλά και κλάδων όπως η τεχνητή νοημοσύνη. Ιστορικά, κεντρική ιδέα πίσω από την κυβερνητική υπήρξε η ομοιότητα μεταξύ ζωντανών οργανισμών και τεχνολογικών μηχανισμών, μία ομοιότητα που μοντελοποιήθηκε με τις έννοιες του συστήματος, της ομοιόστασης και της ανάδρασης. Σε σχέση με τη θεωρία συστημάτων η κυβερνητική επικεντρώνεται περισσότερο στη λειτουργία των πολύπλοκων συστημάτων, δηλαδή στον τρόπο που ελέγχουν τη δράση τους, επικοινωνούν μεταξύ τους, αλληλεπιδρούν τα μέρη τους κλπ, παρά στη δομή τους.
Εξέλιξη ονομάζεται ένα επιστημονικό μεθοδολογικό υπόδειγμα που ερμηνεύει την εμφάνιση των βιολογικών τύπων στο γήινο οικοσύστημα μέσω των αρχών της γενετικής διαφοροποίησης και της φυσικής επιλογής. Κατά τη δεκαετία του 1980 έλαβαν δημοσιότητα εξελικτικά μοντέλα επηρεασμένα από την κυβερνητική και μία παρενέργεια ήταν η διείσδυση εξελικτικών ιδεών στην επιστήμη συστημάτων. Έτσι προέκυψε μία τάση ερμηνείας της συστημικής αυτοοργάνωσης ως εφαρμογής των αρχών της εξέλιξης σε κάθε είδους συστήματα και όχι μόνο βιολογικά. Αυτή η επέκταση έγινε εφικτή χάρη στη διάδοση της αρχής της επιλεκτικής διατήρησης ως υποκείμενης κεντρικής αρχής της εξέλιξης. Με το εν λόγω σκεπτικό η εμφάνιση γαλαξιών, αστέρων, κυττάρων, οικοσυστημάτων, νοημοσύνης και κοινωνιών μπορεί να θεωρηθεί ως μία αλληλουχία φαινομένων αυθόρμητης ανάδυσης τα οποία προέκυψαν από διαδοχικές μετασυστημικές μεταβάσεις μέσω εγγενών εξελικτικών διαδικασιών. Κίνητρο πίσω από αυτές τις τάσεις υπήρξε η αντίληψη ότι η εξέλιξη δύναται να παράγει αυθόρμητα συστημικές δομές με υψηλή εσωτερική διαφοροποίηση και ολοκλήρωση των μερών τους, ουσιαστικά δηλαδή υψηλή πολυπλοκότητα.

Εφαρμογές

Στην τεχνητή νοημοσύνη πολυπρακτορικό σύστημα ονομάζεται ένα συνθετικό πολύπλοκο σύστημα, πιθανώς αυτοοργανούμενο, του οποίου τα δομικά μέρη, οι πράκτορες, συνεργάζονται ισότιμα για την επίλυση ενός εύρους προβλημάτων αλλά διατηρούν ένα βαθμό αυτονομίας. Κάθε πράκτορας έχει περιορισμένη γνώση του περιβάλλοντος και του ίδιου του συστήματος ενώ η ολική συμπεριφορά του τελευταίου αποτελεί τυπικό παράδειγμα φαινομένου ανάδυσης. Ο όρος αφορά συνθετικά συστήματα που δεν απαντώνται στη φύση, ταιριάζει όμως και με τη μοντελοποίηση φυσικών πολύπλοκων συστημάτων από τα οποία αντλεί έμπνευση (π.χ. αποικίες τερμιτών).
Συλλογική νοημοσύνη είναι ένα φαινόμενο ανάδυσης συμπεριφορών σε πολύπλοκα συστήματα οι οποίες αφορούν γνωστικές λειτουργίες ή ακόμα και ευφυΐα. Συλλογική νοημοσύνη μπορεί να παρατηρηθεί σε βιολογικά, ηλεκτρονικά ή και κοινωνικά συστήματα.
Νοημοσύνη σμήνους είναι ένας όρος της τεχνητής νοημοσύνης ο οποίος υποδηλώνει αυτοοργανούμενα, αποκεντρωμένα πολυπρακτορικά συστήματα με συλλογική νοημοσύνη.