מערכת מורכבת

מערכת מורכבת היא מערכת המכילה מספר גדול של מרכיבים אשר משפיעים זה על זה. מערכות מורכבות מופיעות בתחומים רבים כולל פיזיקה (מרמת האטום עד מערכות כוכבים וגלקסיות), סוציולוגיה (חברה של בני אדם, מדינות), כלכלה (שוק ההון), זואולוגיה (מערכת אקולוגית) ביולוגיה (גוף האדם), פסיכולוגיה, טכנולוגיה, מטאורולוגיה, ניהול (ארגונים גדולים) וכיוצא בזה.

למרות קיומן של מערכות מורכבות בתחומים רבים השונים זה מזה, מתפתחים מאפיינים התנהגותיים ומבניים דומים במערכות אלה, ומטרת הענף המדעי של חקר המערכות המורכבות היא לחקור דפוסים אלה, להגדירם בצורה פורמלית בעזרת כלים הנלקחים מענפים שונים של המתמטיקה, ועל ידי-כך להבין בצורה טובה יותר את המערכות אשר מסביבנו, ולשפר את היכולת לחזות את התנהגותן. התפתחות המחשב אפשרה לחקור את נושא המערכות המורכבות ונתנה דחיפה עצומה לחקר התחום כולו.

הגדרת המערכת המורכבת
מערכת מורכבת לרוב מוגדרת כמערכת המכילה מספר גדול של מרכיבים אשר משפיעים זה על זה.

שני הגורמים המרכזיים המבדילים בין מערכות מורכבות למערכות פשוטות הם:
 קיומן של לולאות משוב בתוך המערכת דבר המוביל להיווצרות משובים חיובים ושליליים,
 העובדה שבמקרים רבים חלקי המערכת הם מערכות מורכבות בעצמם (למשל אדם בתוך חברה בתוך ענף כלכלי).
גורמים אלה מובילים להתנהגות לא ליניארית של המערכת, ולכן המערכת אינה עונה על עקרון הסופרפוזיציה (כלומר התנהגות המערכת אינה סכום של התנהגויות כל אחד מחלקיה בנפרד). דבר זה מוביל לכך שקשה מאוד לחזות את התנהגות המערכת בצורה מדויקת, ובמקרים מסוימים עשוי אף להוביל להתנהגות כאוטית.

הגדרה מפורטת יותר הובאה במהדורה מיוחדת של כתב העת Science על מערכות מורכבות:
 מערכת מובנית מאוד, בעלת מבנה עם וריאציות.
 כזו שההתפתחות שלה רגישה מאוד לתנאים הראשוניים או לשינויים קטנים, כזו שמספר המרכיבים הפועלים זה על זה הם רבים, או כזו שיש לה אפשרויות רבות מאוד להתפתחות.
 כזו שבשל עיצובה או הפעולות שלה, או שניהם, קשה מאוד להבין או לבדוק אותה.
 מערכת שנמצאת בעיצומו של תהליך, שגורם לה להשתנות ולהתפתח במשך הזמן.

 תכונות של מערכות מורכבות 
נהוג לתאר מספר תכונות גנריות בסיסיות שמשותפות לכלל המערכות המורכבות:

 מערכות מקוננות (Nested) 
החלקים של המערכת המורכבת עשויים להיות בעצמם מערכות מורכבות (לדוגמה מדינה אשר היא מערכת מורכבת, המכילה בתוכה מבנים חברתיים אשר הם מערכות מורכבות, ואשר מורכבים מבני אדם שהם מערכות מורכבות).

 משובים חיוביים ושליליים 
קיומם של מסלולים מעגליים בתוך מערכת מורכבת (מערכת א משפיעה על מערכת ב, אשר משפיעה על מערכת ג, אשר בתורה משפיעה על מערכת א), מוביל להיווצרות משובים חיוביים (אשר עשויים להוביל להתבדרות של המערכת) ושליליים (אשר בולמים שינויים אשר מתפתחים במערכת). קיומם של משובים אלה הוא הגורם המרכזי להיווצרות התבניות במערכת.

 יחסים לא-ליניאריים 
שינויים קטנים יכולים לגרום להשפעה גדולה על המערכת (אפקט הפרפר), השפעה דומה בגודלה, או לא להשפיע בכלל.

 מערכות פתוחות 
מערכות מורכבות הן לרוב מערכות פתוחות ומושפעות מהסביבה בה הן נמצאות. דבר זה מקשה על היכולת לחקור את המערכת, ולכן אחד השלבים הראשונים בניתוח מערכת מורכבת הוא להגדיר בצורה ברורה את גבולות המערכת בתוך הסביבה בצורה בה ניתן יהיה לקרב את המערכת למערכת סגורה.

 התפתחות תבניות 
למרות חוסר הליניאריות של המערכת המורכבת והעובדה שהיא מערכת פתוחה, ניתן להבחין במספר תבניות אופייניות המתפתחות במערכות מורכבות. גם כאשר מתפתחת תבנית המערכת אין הדבר אומר שהמערכת נמצאת בשיווי משקל (מערכות מורכבות כמעט לעולם אינן מגיעות לשיווי משקל יציב). לרוב מדובר בתבנית דומיננטית אשר מתפתחת במערכת, כאשר במקביל מתפתחות מספר תבניות משניות, אשר עשויות להפוך לדומיננטיות (או לחלופין להיעלם) בהמשך.

 זיכרון 
העבר של מערכת מורכבת משפיע על התנהגותה, ולכן הכנסת קלטים זהים מהסביבה למערכת עשויה לגרום לתוצאות שונות, בהתאם להיסטוריה של המערכת. דבר זה מקשה על היכולת לשלוט בהתנהגות המערכת מבחוץ.

 רשת דינמית 
רשת הקשרים במערכת מורכבת היא רשת דינמית, וקשרים בין חלקי המערכת עשויים להיווצר, להיעלם או להשתנות.

הגחה וארגון-עצמי (Self-organizing) 
מערכות מורכבות נוטות לפתח התנהגות חדשה ברמות הגבוהות כתוצאה מדינמיקה פנימית ברמות הנמוכות יותר ולא כתוצאה מהכוונה חיצונית תכונה זו נקראת הגחה (Emergent behavior) והיא נושא מחקרי מרכזי בתחום של מערכות מורכבות, בעיקר מכיוון שבמקרים מסוימים מרכיבים וקשרים מאוד פשוטים ברמה הנמוכה עשויה להוביל להתנהגות חדשה מורכבת ברמה הגבוהה. דוגמאות ידועות למקרים כאלה הם רשתות עצביות ותל נמלים.

מושג ההגחה קשור לתופעה נוספת - ארגון עצמי - (במדעי החברה מכונה גם סדר ספונטני), הוא תהליך שבו צורה כלשהי של סדר כולל נובעת מאינטראקציות מקומיות בין חלקים של מערכת לא מסודרת. התהליך יכול להיות ספונטני כאשר יש מספיק אנרגיה חופשית, ללא צורך בשליטה של אף גורם חיצוני. ארגון עצמי מופעל לעיתים קרובות על ידי תנודות אקראיות לכאורה, שמועצמות על ידי משוב חיובי. הארגון המתקבל הוא מבוזר לחלוטין, ומופץ על כל מרכיבי המערכת.

 העדר שליטה 
בשל רגישותה לתנאים ההתחלתיים לא ניתן לשלוט במערכת מורכבת. יכולת הלמידה העצמית של המערכת תניב תוצאות שונות לשינויים קלים ואפילו זהים שניצור בה.

 קושי לבצע יכולת ניבוי 
תאוריות ומודלים מדעיים נמדדים לעיתים קרובות על ידי פרמטרים כמו כוח הסבר וכוח ניבוי. במקרים מסוימים קל לנבא כיצד תתנהג מערכת מורכבת - לדוגמה - צמח הוא מערכת מורכבת וקל לנבא תהיה התוצאה אם משליכים צמח לאש - הוא בוער. בתנאים אחרים קשה ולפעמים בלתי אפשרי לנבא כיצד תגיב מערכת מורכבת לשינוי ולו הקטן ביותר. 

קיום נישה - טווח פרמרטים בו המערכת מתפקדת
מערכות מורכבות רבות מתפקדות במסגרת "נישה" של תנאים חיצוניים ופנימיים שבהם הם מסוגלות לשמור על המורכבות והסדר הפנימי שלהן. לדוגמה צמח היא מערכת מורכבת וכדי שצמח יחיה עליו להיות בטווח מסוים של תנאים חיצוניים - תנאי טמרטפורה, לקבל כמות מסוימת של מים במהלך השנה, לקבל כמות מסוימת של אור. כמות גדולה או קטנה מידי של מים או אור עלולה להרוג צמח. גם התנאים הפנימיים של צמח חייבים להיות בטווח מסוים - עליו להימנע מנזק מבני לגזע שלו, להימנע מזיהום כימי שעלול להגיע ממערכת השורשים ולהתמדד עם מחלות מצד טפילים פטריות או חיידקים. באופן כללי ביצורים חיים הומאוסטאזיס הוא מצב שבו התנאים הפיזיקליים והכימיים השוררים בתוך האורגניזם נשמרים ברמה יציבה שמתאימה לפעילותו המיטבית, שומר על הומאוסטזיס, כלומר על תנאים פנימיים יציבים, באמצעות תהליכי ויסות ביוכימיים–מטבוליים, שמכונים תהליכים הומאוסטטיים. 

באופן דומה מערכת אקולוגית יכולה לשמור על שיווי משקל בטווח נתון של פרמרטים בגלל שהאינטרקאציה בין מינים שונים תגרום להיזון חוזר מחליש - אם זן מסוים של מכרסמים יתרבה במערכת, יתרבו הטורפים של אותו מכרסם ואוכלוסיית המכרסמים תחזור להיות קרובה לנקודת ההתחלה. עם זאת הפרעה חיצונית או פמימית במערכת אקולוגית עלולה לדחוף אותה אל מעבר לנקודת שיווי משקל מסוימת כך שהיא תגיע לקריסה אקולוגית, שבה ישתנו מאד התנאים הסביבתיים במערכת, וכל או רוב המינים במערכת יכחדו באופן מקומי או עולמי.

תבניות התנהגות של מערכות מורכבות
מערכות מורכבות עשויות, מעצם הגדרתן, להציג התנהגות מורכבת ומאוד לא-סדירה, שבה קשה לחזות מה מרכיב מסוים יעשה במשך הזמן, אם כי בפרקי זמן מסוימים מערכת מורכבת עשויה גם להציג התנהגות פשוטה יחסית. חלק גדול מהמחקר במערכות מורכבות עוסק בניסיון להתחקות אחר התבניות שמתארות בצורה פשוטה יותר (אם כי מקורבת בלבד) את ההתנהגות של המערכות מורכבות. התבניות עשויות להתפתח מקומית באזורים מסוימים של המערכת או במערכת כולה. גם כאשר מתפתחת תבנית דומיננטית במערכת, קיימות לרוב תבניות משניות נוספות, אשר בסופו של דבר מוציאות את המערכת מהתבנית אשר התפתחה.
שלוש התבניות הבסיסיות הן:
 תבנית ליניארית – אף על פי שמערכת מורכבת אינה ליניארית מטבעה, עשויה להתפתח התנהגות ליניארית בחלקים של המערכת. התנהגות זו נוצרת בדרך כלל מהיווצרות שיווי משקל זמני במערכת, אשר מופר בהמשך.
 תבנית מתבדרת – תבנית זו נוצרת כאשר קיים משוב חיובי דומיננטי במערכת. אם התבנית מתפתחת ואינה נבלמת על ידי משובים שליליים בשלב מוקדם, היא עשויה לגרום לשינויים מהותיים במערכת. דוגמה לתבנית מתבדרת אשר מתפתחת (ונבלמת בשלב מאוחר) היא היווצרות בועה כלכלית בשוק ההון. בתכנון מערכות מורכבות הנבנות על ידי בני אדם, קיימת מודעות להיווצרות של תבניות כאלה במערכת, ולכן נהוג להכניס למערכת משובים שליליים אשר ימנעו היווצרות תבנית מתבדרת (אשר עשויה אף להוביל להרס המערכת).
 תבנית מתכנסת (הקרויה גם Goal Seeking) – תבנית זו נוצרת כאשר יש מושך (Attractor) פשוט במערכת, והמערכת מתכנסת אליו.

תבניות מורכבות יותר אשר עשויות להתפתח הן תבנית מחזורית, תבנית S (המכונה S-curve), תבנית מדרגות, חשל (היסטרזיס), תבניות כאוטיות (המבוססות על מושכים לא פשוטים) ועוד.

יישומים של תאוריית המערכות המורכבות
מחקר המערכות המורכבות מפיח חיים חדשים בתחומים רבים של המדע, שהאסטרטגיה הרדוקציוניסטית לא הצליחה להסביר אותם. לפיכך, מדע זה עוזר לפתור בעיות רבות בתחומים שונים כמו נוירולוגיה, מטאורולוגיה, פיזיקה, מדעי המחשב, בינה מלאכותית, מחשוב אבולוציוני, כלכלה, ניהול (ארגונים גדולים ובינוניים), חיזוי רעידות אדמה, סינכרוניזציה של תאי לב, מערכות חיסוניות, אפילפסיה, שימור של מערכות אקולוגיות ועוד. במחקרים אלה, המדענים מנסים בדרך כלל להבין את החוקים הלא-ליניאריים הפשוטים שגורמים לתופעות המורכבות (ולא לתאר את התופעות האלה).

באופן מסורתי, ההנדסה ניסתה לשמור על הליניאריות של המערכות שלה, מכיוון שכך קל יותר לבנות אותן ולחזות את התנהגותן. אולם מצד אחד מערכות פיזיקליות רבות (לדוגמה לייזרים) הן מערכות מורכבות ומצד שני גם מערכות הנדסיות פשוטות עשויות להפוך להיות מורכבות, אם בני אדם מעורבים בעבודת המערכת והם עשויים להשפיע עליה, ולכן בתכנון מערכת הנדסית יש להתחשב גם בהיבטים של חקר המערכות המורכבות.

 ארגון כמערכת פתוחה ומורכבת 
ארגון הוא מערכת פתוחה, מערכת המתקיימת ופועלת כתוצאה מקשרי חליפין עם הסביבה. הארגון בנוי לרוב ממספר רב של תתי-מערכות, הפועלות באופן עצמאי למחצה (מבחינת הפקה, אחזקה, חליפין, הסתגלות וניהול הארגון). ארגון מוכרח לנהל קשרי גומלין מתמשכים עם סביבתו (אחרת אין לו קיום) הכוללת משקיעים, ספקים, משאבים ולקוחות. מערכת זו מקיימת שיווי משקל דינאמי המאפשר למערכת להתאזן אחרת לאחר השינוי הארגוני, שינוי ברכיב כלשהו במערכת גורר שינויים ברכיבי מערכת אחרים. פקטור המשפיע על שיווי המשקל הדינאמי הוא סוג הצימוד:
 צימוד הדוק: יש תלות חזקה בין חלקי המערכת.
 צימוד רופף: קיימת תלות חלשה בין חלקי המערכת, והרכיבים השונים בה פועלים באופן עצמאי למדי.
ככל שרמת הצימוד הדוקה יותר, כך עולה הסבירות שיתקיימו יותר שינויים מסדר שני (שינויים המייצרים תופעות וקטגוריות חדשות בהתנהלות הארגונית).

ראו גם
 שכפול עצמי
 גישת המערכות
 כלכלת מורכבות
לודויג פון ברטלנפי

קישורים חיצוניים

 מכון סנטה-פה לחקר מערכות מורכבות
 מאמר של
 המדריך לחשיבה מערכתית העוסק בתחומי תורת המערכות והחשיבה המערכתית
 הדמיה ממוחשבת של מערכות סתגלניות מורכבות, באתר מדע פופולרי, 30 בספטמבר 2010
 שחר פרדי כסלו, האקולוגיה של הידע: ניסיון להסביר את הברית הלא־טבעית שכרתה האמנות עם הפילוסופיה מנקודת מבטה של תורת המערכות המורכבות, בצלאל, כתב עת לתרבות חזותית וחומרית, גיליון 7, הפילוסופיות והאמוניות, דצמבר 2022

הערות שוליים

*
קטגוריה:תורת הכאוס
קטגוריה:מדע