מערכות מורכבות מסתגלות

מערכות מורכבות מסתגלות (באנגלית: Complex Adaptive Systems – CAS) הוא תחום ידע העוסק במערכות מסוגים שונים המכילות גורמים הפועלים באוטונומיות וביחסי גומלין אלו עם אלו באופן המייצר דינמיקות מערכתיות ייחודיות המשתנות לאור השתנות התנאים. מערכת מורכבת מסתגלת היא מערכת מורכבת שיש בה רשת דינמית של אינטראקציות, אך ייתכן שהתנהגות ההרכב אינה ניתנת לחיזוי בהתאם להתנהגות הרכיבים. היא מסתגלת באופן אדפטיבי, בכך שהפעילות - הן האינדיבידואלית, והן ביחסי הגומלין, עוברת שינוי ומתארגנת בעצמה בהתאם למיקרו-אירועים או אוסף אירועים מחוללי שינוי. מערבת מורכבת מסתגלת היא מערכת שיש לה מספר תכונות כמו יכולת לימוד, ארגון עצמי, הגחה, קו-אבולוציה. התחום רלוונטי בייחוד לניתוח של מערכות אקולוגיות ומערכות אנושיות שבהן אין גורם שמכתיב מלמעלה את התנהגות הפרטים. התנהגות זו מייצרת את ההיבט של ההסתגלות - היכולת להתמודד עם שינויים לאורך זמן. ההסתגלות האבולוציונית מתוארת כמערכת מורכבת מסתגלת במיטבה.

 רקע 
תחום המחקר של מערכות אלו נשען על התחום של גישת המערכות ושל תורת הכאוס וכן על מחקרים מתחומי הביולוגיה, הזואולוגיה ומדעי החברה. הוא הגיע להגדרה במהלך שנות ה-80 ומשם חדר גם לעולמות של הכלכלה ותורת הארגונים.

 הייחודיות של התחום 
החיוניות של התחום נובעת מכך שמערכות מורכבות מסתגלות מציגות התנהגות מאקרו שונה מאוד מההתנהגות של כל אחד מהסוכנים בנפרד ואחד המאפיינים של התנהגות זו היא היכולת להתאים את תפקוד המערכת כולה לסביבה משתנה של אילוצים.

מערכות המורכבות ממיקרו־מערכות המקיימות ביניהן תקשורת כלשהי. בדרך כלל הכוונה לכך שכל אחת מהמיקרו־מערכות היא מערכת פשוטה יחסית שנהוג לקרוא לה "סוכן". בהיבטי התקשורת, בדרך כלל, הכוונה לקיום תקשורת, בעיקר, בין "שכנים קרובים".

פריצת הדרך של התחום הייתה בהבנה שניתן לתכנן ולבנות מערכות מעשי ידי אדם, כאלו. מערכות שיש להן יכולת אינהרנטית להסתגל לסביבה משתנה ו"תכונה" זו אינה שמורה רק למערכות ביולוגיות.

 דוגמאות 
 קן נמלים - קן נמלים הוא דוגמה למערכת מורכבת מסתגלת היוצרת אורגניזם-על. אף על פי שלנמלים יש מוח פרימיטיבי יחסית ואף על פי שכל נמלה חיה כשנה אחת בלבד – לקן הנמלים כולו יש התנהגות מאוד "חכמה" ומאפיינים שתלויים ב"גיל" של הקן כולו. נמלים יודעות למצוא את הנתיב האופטימלי למזון – בעיה שקשה מאוד לפתור באמצעים אנליטיים. יש להן חלוקת תפקידים מאוד מוגדרת, אף על פי שכאמור, אין לכל אחת מהן בנפרד מוח מפותח וגם אין שום מנגנון של שליטה מרכזית בקן הנמלים. ההתנהגות של "קן הנמלים" כולו, כמו עד כמה חברות הקן תוקפניות כלפי נמלים מקן אחר – תלויה בגילו של הקן, אף על פי שכל נמלה בפני עצמה חיה רק שנה אחת. בשנים האחרונות הוכח שאת כל ה"התנהגויות" האלה ניתן להסביר באמצעות מעט מאוד הנחות כמו היכולת של הנמלים להפיץ ולהריח פרומונים והיכולת שלהם לחוש את תדירות הפגישות שלהן עם נמלים אחיות לקן. חלק ניכר ממודלים אלו הוכחו במחקרי שדה.
 המוח האנושי - המוח כולו מהווה סוג של מערכת מורכבת מסתגלת כאשר ה"סוכנים" ו"התקשורת" הם הנוירונים והסינפסות.
 ערים - עיר גדולה מהווה מערכת מורכבת מסתגלת כאשר "הסוכנים" הם בני האדם.
 מערכת החיסון בגופם של בעלי חיים היא מערכת מורכבת מסתגלת וכך גם בורסות מסחר גדולות

 תכונות אופייניות למערכות מורכבות מסתגלות 
 מערכות מציגות התנהגות סיבתית לא ליניארית, כלומר מרכיבים רבים משפיעים אלו על אלו ולא ניתן לצמצם את ההשפעות לרכיב אחד.
 שינוי קטן באילוצי הסביבה עשוי בתנאים מסוימים, להביא לשינוי מאוד גדול במערכת כולה (בדומה לאפקט הפרפר מתורת הכאוס).
 מעגלי משוב - הפרטים פועלים על המערכת באופן שמשפיע עליהן בחזרה. לדינמיקה הזו קוראים מעגל משוב מאחר שיש בה מרכיב של "משוב עצמי", כלומר התנהגות של סוכן אחד מסוים מושפעת מהתגובה של סביבת הסוכנים אליה הוא מקושר, לפעולה שהוא עצמו יצר במקור.
 בדרך כלל, מדובר במערכות שמספר הסוכנים שלהן "מספיק גדול" כך שאי אפשר לתאר אותן באמצעות משוואות דיפרנציאליות חלקיות "רגילות" (אלפים עד מיליארדים).
 מערכות מורכבות מסתגלות שונות באופן מהותי מהמערכות שבדרך כלל היה מקובל להתייחס אליהן בפיזיקה, במובן זה שמדובר ב"מערכות פתוחות" ולא במערכות סגורות, "שומרות אנרגיה". כדי לשמור מערכת מורכבת מסתגלת במצב מסוים נדרש לספק לה אנרגיה כל הזמן.
 גבולות המערכת לא תמיד מוגדרים היטב.
 בדרך כלל מתכוונים למערכות שבהן לכל אחד מהסוכנים, אין "מודעות", אלא, התנהגותו נקבעת אך ורק לפי המידע או ההשפעה הפיזית שהוא מקבל מאותם סוכנים אליהם הוא מקושר ולא מהתנהגותה של ה"מאקרו־מערכת".
 מערכות מורכבות מסתגלות מייצרות תופעות מתהוות ומעברי פאזה, כלומר נוצרת מציאות חדשה בזמן קצר כפועל יוצא מתהליכים רבים המתרחשים במקביל. מציאות כזו יכולה להיות היווצרות של זן חדש בביולוגיה, היווצרות הכתב, וכדומה.
 מערכות מסתגלות נוטות להגיע לשיווי משקל דינמי בין המרכיבים השונים אף על פי שמתקיימים ניגודים ומתחים בין מרכיבים אלו.

 שימושים לתחום 
 הבנת התנהגויות ביולוגיות 
כפי שצוין בפתיחה, המוח הוא מערכת מורכבת מסתגלת מעצם טבעו.

מחקר מהשנים האחרונות, מגלה כי גם חיידקים מקיימים ביניהם תקשורת. אחת התופעות היפות ביותר שנמצאו בהקשר זה היא התופעה של "הארה ביולוגית". המחקר שהתבצע על סוג מסוים של דיונון בהוואי בשם דיונון מעוגל הוואיי (Hawaiian Bobtail Squid), הוכיח כי שיטת ההארה שבה הוא משתמש מבוססת על חיידקים שפולטים אור רק כאשר הם נמצאים בסביבה שבה יש צפיפות גבוהה של חיידקים דומים להם בסביבתם הקרובה. הדיונון המדובר משתמש בתופעה זו כדי להאיר את קרקעית הים וכך הוא יכול לנוע, בלילה, במים רדודים, מבלי להטיל צל כלשהו. המחקר המדובר כלל זיהוי המנגנון שבאמצעותו החיידקים "יודעים" כמה חיידקים יש בסביבתם הקרובה ואת המנגנון המדויק שמהווה "הדק" לתחילת ההארה שלהם. מחקר זה הוא דוגמה לחיפוש אחרי שיטת תקשורת כדי להסביר התנהגות "מאקרו־סקופית" של קבוצה, התנהגות שלא ניתן להסביר על ידי חקירת ההתנהגות של פרט בודד אחד. במחקר זה הוכח כי שיטת התקשורת שבה נעשה שימוש היא "חישת צפיפות" (Quorum Sensing).

ממוזער|שמאל|דיונון מעוגל

גם בגופם של בעלי חיים מרובי תאים, עיליים כמו האדם, מתקיימת תקשורת בין התאים השונים באמצעות "מיקרו־חלקיקים" המכילים פיסות DNA שנישאות בדם ובעצם ומעבירות מידע גנטי בין התאים השונים. תחום זה נמצא בחיתוליו, אבל כבר היום, מעריכים שניתוח שיטתי של דגימות דם פשוטות עשוי לאפשר זיהוי של התמודדות עם סוגים שונים של "סרטן", בשלב מוקדם של המחלה ובאמצעות בדיקת דם רגילה שאינה מחייבת בדיקה פולשנית. קיימים גם מחקרים, בשלבים ראשוניים, שתכליתם להוכיח כי אפשר לזהות פגמים מולדים בעוברים על ידי בדיקת דם רגילה של האם, תוך עקיפת הצורך בבדיקות מי שפיר.

בעלי חיים רבים מפגינים יכולת תנועה ב"להקות" או "נחילי ענק" שאי אפשר להסבירם במורכבות גדולה של המוח. מסתבר שאם מניחים שהנחיל כולו הוא מערכת מורכבת מסתגלת, כמה כללים פשוטים יחסית לגבי התנועה מאפשרים להסביר באופן מלא את התנהגות הקבוצה הגדולה. דוגמה לכללים כאלה יכולה להיות: "תטוס בווקטור מהירות דומה לזה של שכניך הקרובים", "אם יש סטייה, תתקן את וקטור המהירות שלך באופן מתכנס, אבל כך שלא תתנגש בשכניך בכל רגע נתון", "אם אתה מזהה איום, תטוס בתשעים מעלות לכוון ההתקפה של האיום" וכיוצא בזה כללים פשוטים יחסית שאינם מחייבים שום סוג של "שליטה מרכזית". בתמונה אפשר לראות להקה גדולה למדי של זרזירים, יורדת ללינת לילה בנחל גרר שבנגב, כאשר מצד ימין למעלה, מנסה לתקוף אותם בז עצים, שבפועל לא הצליח לצוד אף אחד מעשרות אלפי הזרזירים.

ממוזער|להקת זרזירים

 ניתוח מבנים ארגוניים 
ארגונים מודרניים, בעידן התעשייתי, מתאפיינים במבנה היררכי. מכיוון שתהליך קבלת ההחלטות במבנים ארגוניים כאלה, תלוי בכל שרשרת ההיררכיה – זמן התגובה של ארגונים כאלה לשינויים מהירים הוא ארוך (סכום הזמנים של כל מקבלי ההחלטות לאורך שרשרת קבלת ההחלטות, הן בערוץ של קבלת המידע והן בערוץ של הפצת הנחיות לפעולה). זמן זה עלול להיות לא מספק בראיית מטרות הארגון.

העברת הארגון למבנה "שטוח יותר", מבנה כזה שבו רוב ממלאי התפקיד הם במעמד דומה והמידע זורם ביניהם במנגנון של שיתוף ולא על פי השרשרת ההיררכית – יכול להתאים יותר. בארגון מסוג זה המנהלים מניעים את רוב מממלאי התפקיד באמצעות מנגנונים של השראה ופחות באמצעות פקודות לביצוע. בארגונים כאלה, המנהלים עסוקים יותר בהגדרת כללי התנהגות, מדיניות ומשימות ופחות בהנחיות קונקרטיות לפעולה (בארגונים צבאיים מקובל לקרוא לזה "פיקוד משימתי" – כלומר, יחידה צבאית שפועלת כמערכת מורכבת מסתגלת מגדירה ליחידות המשנה או ללוחמים משימה ולא פקודה מוגדרת היטב, המפרטת את שיטת הביצוע. שיטת הביצוע נמצאת באחריות היחידות הקטנות או הלוחמים הבודדים). תפקידם של המנהלים כולל גם הכוונה, הדרכה, העמדת ניסיונם לרשות כלל ממלאי התפקיד וכיוצא באלו.

 התמודדות עם ארגוני טרור 
ההסתכלות על ארגון טרור כמערכת יכולה לעזור בשלושה מובנים:
 ניתוח הארגון כמערכת מאפשר להבין ולחפש מהם "מקורות האנרגיה שלו". הכוונה לחיפוש כלל המרכיבים שהארגון מקבל מבחוץ, כולל הדרכות, תמיכה כספית, אנרגיה ומכלול נושאי ה"רכש חוץ" כמו אמצעים וחומרים נדירים וכיוצא בזה. ניתוח כזה מאפשר גם לחפש בצורה סדורה, את מרכיבי הארגון עצמו – כלומר, מה הרעיון שמאחד את חברי הארגון, מהם דרכי התקשורת וטופולגיית ההתקשרות, מי מאנשי הארגון מהווה "צומת חשוב", מהם מנגנוני ההדרכה, היכן ממוקמים המחסנים וכיוצא בזה. מרכיב נוסף הוא ניתוח פרטני של דרכי ההשפעה של הארגון, כמו הנחת מטעני צד, ירי טילי נ"ט על מכוניות וכיוצא בזה. שלושת המרכיבים יחד מאפשרים הכנת תוכנית מסודרת הן להכוונת מאמץ המודיעין והן לגיבוש דרכי פעולה להתמודדות עם הארגון.
 אפשר להסתכל על ההתמודדות כעל התמודדות בין שני ארגונים לומדים שכל אחד מהם מנסה להשתפר בהתמדה, להחליף דרכי פעולה ולאתר נקודות תורפה אצל היריב. בהסתכלות הזו, התחרות בין הארגונים כוללת מימד של תחרות על היכולת לקיים "קצב לימוד" גבוה יותר. באמצעות ראייה זו, אפשר לנתח בצורה שיטתית את השאלה "איך להמיר את המבנה הארגוני העצמי", כדי להבטיח יכולת הסתגלות ולימוד בקצב גבוה יותר מהקצב שבו היריב משתנה. פן נוסף שהסתכלות זו מאפשרת הוא "יכולת לחזות פני עתיד". מכיוון שמדובר בהתמודדות עם ארגון לומד, הרי כל פעולה מוצלחת כנגדו תגרום לו להחליף שיטת פעולה. תכונה זו של היריב מאפשרת לבנות פתרונות אל מול אתגרים שהוא עצמו עוד לא מימש.
 ההסתכלות מהזווית של "מערכות מורכבות מסתגלות" מאפשרת גם "אבן בוחן בסיסית" והיא הטענה שכדי שההתמודדות תהיה אפשרית בכלל, מתחייב שרמת המורכבות של שני הארגונים המתמודדים תהיה דומה. אם מגדירים את רמת מורכבות כאוסף המספרים הנדרשים להגדרת "מצב כלל המערכת" הרי שככל שהמערכת היררכית יותר, בלי קשר לגודלה או עצמתה, היא פשוטה יותר. בזווית הסתכלות זו, כדאי לעבור ממסגרות היררכיות גדולות להרבה מאוד יחידות קטנות היכולות לפעול כיחידות עצמאיות הנשענות על העוצמות של הארגון הגדול במנגנונים מודרניים של "הפצת מידע", "משיכת מידע" ו"שיתוף מידע" ובכך להפוך את המערכת הגדולה למערכת שרמת המורכבות שלה אינה נופלת מזו של הארגון איתו מתמודדים מבלי לוותר על העוצמות של הארגון הגדול והמשאבים העומדים לרשותו.

 ניתוח רשתות חברתיות ותופעת המהפכות בעולם הערבי 
בתחילת המאה העשרים ואחת, עשרות שנים בודדות לאחר פתיחת השימוש באינטרנט לעולם הרחב ולאחר התפתחות הפרוטוקלים של HTTP, דואר אלקטרוני וה־WWW בכללותו, הופיעו אפליקציות המהוות רשתות חברתיות.

אפליקציות אלו מאפשרות קשרים בין בני אדם, שיתוף מידע או התמנות למידע, במגוון טופולוגיות וברמות תפוצה שמעולם לא היו כאלה בהיסטוריה האנושית.

נכון לינואר 2013 לרשת פייסבוק יש למעלה ממיליארד משתמשים ולרשתות גוגל פלוס, טוויטר ופינטרסט יש מאות מיליוני משתמשים. תפוצתם של הטלפונים החכמים גורמת לכך שלכל ה"סוכנים", כלומר, האנשים, חברי הרשת החברתית, יש נגישות כמעט רצופה לאפליקציה.

אם מסתכלים על אוסף כלל המשתמשים של רשת חברתית מסוימת ביחד עם הרשת עצמה – הרי ש"מערכת" כזו עונה לכלל ההגדרות של "מערכת מורכבת מסתגלת" וככזו, אם וכאשר ייווצר מצב של "זהות אינטרסים" בין חברי הרשת לבין "התנהגות של כלל המערכת" – עלולה להתקבל "התנהגות מאקרו לא ליניארית" כתגובה ל"אירוע מחולל" כלשהו.

מכיוון שטופולגיית התקשורת אינה בהכרח קשר עם שכנים קרובים בלבד ומכיוון שכמות ה"סוכנים", כלומר, משתמשי הרשת, גדולה מאוד – עלולות להתקבל התנהגויות שקשה לחזות מהן יהיו.

בספר "כשמרקס וניטשה נפגשו בכיכר תחריר", מוצגת למשל הטענה ולפיה לרשתות חברתיות בעולם הסייבר יש תרומה לא מבוטלת לתופעת המהפכות בעולם הערבי. לפי ספר זה, זמינות המידע גורמת לדור הצעיר לגלות את הפער העצום בין רמת החיים שלו לרמת החיים הנהוגה במערב ומצד שני, סדרה של הפגנות אלימות ביחד עם זמינות היכולת לתקשר באמצעות רשתות חברתיות, גורמות להתחזקות האמון בין "המהפכנים" במקביל לחיזוק האמונה של ה"המון" שיש ביכולתו לגרום לשינוי.

כל אלו יחדיו מתלכדים לתופעה לא־ליניארית שבסופו של דבר מביאה לנפילת המשטר – אף על פי שלתנועת המחאה אין אידאולוגיה חלופית.

מוצע אפילו לקרוא לתופעה זו "מהפכות נטולות אידאולוגיה" או "מהפכות נטולות הנהגה". מכיוון שלמהפכנים אין אידאולוגיה חלופית, מייד לאחר נפילת המשטר הקיים, נכנסים ארגונים לא מדינתיים ותנועות דתיות אל תוך מערכות הפוליטיקה והכוח והמדינות נופלות לתקופת כאוס שקשה לדעת מה יהיה בסופה.

יוצא שתוצאת המהפכה, לפחות בטווח הזמן הקצר, הפוכה, במובנים מסוימים, למה שהתכוונו המהפכנים.

 תנאי מינימום 
כדי לבנות מערכת כזו נדרשת מערכת שיש בה הרבה מאוד סוכנים ומספיק שכל סוכן יקיים שישה כללים פשוטים:
 קיום של יכולת חישה
 קיום של יכולת השפעה על הסביבה
 קיום יכולת עיבוד מידע
 קיום יכולת זיכרון
 קיום תקשורת עם סוכנים אחרים
 קיום יכולת לחקות הצלחות (לדוגמה, בדרך של ריבוי המבוסס על תכונות שהוכחו כמוצלחות בכמה סוכנים שונים, בדומה לריבוי זוויגי בטבע, ובשילוב אפשרי של מוטציות אקראיות).

 תכונת "חיקוי ההצלחות" 
על פי הגדרת המערכת, ל"סוכנים" צריכה להיות תכונה אינהרנטית של "חיקוי הצלחות". תכונה זו יכול להישען על כמה סוגים של מנגנונים.
מנגנון המחזק את מרכיבי המערכת כפונקציה של הצלחת המערכת המאקרו־סקופית כמכלול. ידוע למשל שיש במוח מנגנון כזה שמתבטא בהפרשה של חומרים כימיים הגורמים ל"הנאה" כאשר מתרחש משהו מוצלח וכך המוח "מחזק" התנהגויות שיש בהן יתרון.

מנגנון אחר, הוא מנגנון המאפשר לסוכנים הבודדים להתרבות בהתרבות זוויגית – כך שבהסתברות גבוהה לסוכן – צאצא יהיו תכונות טובות יותר מתכונותיו של הדור הקודם.

המנגנון המתקדם ביותר הוא מנגנון של ריבוי זוויגי, אבל, כזה שמשלב בתוכו מוטציות אקראיות בכמות קטנה. (סדר גודל של פרומיל מסה"כ תהליכי הריבוי). ריבוי זוויגי של סוכנים מוצלחים מבטיח חיזוק של "תכונות מועילות" ברמת הסוכן הבודד. "תכונות מועילות", בהקשר זה, הן אותן תכונות שמשפרות הן את "ביצועי" הסוכן הבודד והן את "ביצועי" המערכת המאקרו־סקופית. קיומן של המוטציות מאפשר למערכת כולה למצוא פתרונות "גלובליים" ולא להיתקע ב"מקסימום לוקלי". מנגנון זה גם מהווה יכולת התאמה לאתגרים סביבתיים פתאומיים. יתרונן של מוטציות ברמת הסוכן, היא העובדה שמוטציה מזיקה, בסבירות גבוהה, תמות תוך כמות קטנה של איטרציות בעוד שמוטציה מוצלחת תתחזק במהירות ותפיץ את עצמה תוך מספר לא גדול של מחזורי התרבות.

בשנים האחרונות, "אלגוריתמים גנטיים" כאלו מוצאים את דרכם לתחומי ההנדסה השונים, בעיקר כשיטה לאופטימיזציה. אלגוריתמים גנטיים הם אפילו חלק מתוכנות מדף כמו MATLAB

בהחלט אפשרי כי מערכת מורכבת מסתגלת הבנויה מ"סוכנים" שיש להם מנגנון ריבוי זוויגי הכולל מוטציות – היא המודל שמאפשר תכנון ובנייה של מערכות שמסוגלות להיות "יצירתיות" במובן של מציאת פתרונות בתחומים אחרים לגמרי ממה שבונה המערכת חשב או ייעד למערכת בזמן בנייתה. למעט תחום ה"הנדסה גנטית" שבו מנסים להנדס תכונות של מערכות ביולוגיות קיימות, לא מוכרות עדיין מערכות מכניות הנדסיות שנבנו כמערכת מורכבת מסתגלת שלכל אחד מהסוכנים שלה יש יכולת התרבות זוויגית ו"מוטציות".

 חשיבות התקשורת בכלל וטופולוגיית רשת התקשורת בפרט, והשפעתה על תכונות המערכת מורכבת מסתגלת 

כפי שצוין, אחד מתנאי המינימום לקיום "מערכת מורכבת מסתגלת" היא תקשורת בין "סוכני" המערכת. תקשורת כזו יכולה להתקיים במספר צורות. ראשית, ייתכן מצב בו כל סוכן מתקשר עם כל הסוכנים הנמצאים ב"טווח" התקשורת ממנו. תקשורת של בני אדם באמצעות צעקות, במקום פתוח, היא דוגמה לכך.

דרך אפשרית אחרת, היא התקשרות באמצעות הטלפון שאז מתקיימת החלפת מידע רק בין שני סוכנים ובתנאי שלשניהם יש קשר ל"מרכזייה".

ייתכנו גם סוגי תקשורת שאינם "בזמן אמיתי", או בדרך ישירה, כמו מנגנון הפיזור והרחה של פרומונים בנמלים, או מנגנון "חישת הצפיפות" שככל הנראה, נפוץ בהרבה סוגים שונים של מערכות ביולוגיות.

התקשורת יכולה להיות איטית מאוד (תהליכים כימיים) או מהירה מאוד, למשל, באמצעות קרינה אלקטרומגנטית שמהירות התפשטותה היא מהירות האור. התקשורת יכולה להיות צרת פס כמו במקרה של תקשורת כימית איטית או מאוד רחבת פס כמו במקרה של תקשורת "תדר רדיו" בין מכשירי רדיו מתקדמים המותקנים על פלטפורמות צבאיות גדולות או אפילו תקשורת לייזר שיש לה רוחב פס גדול במיוחד.

לכל סוג תקשורת כזה יש השפעה ישירה על "התנהגות המערכת כולה", על תכונת "מהירות התגובה" שלה, למשל.

אחד הגורמים המשפיעים ביותר על תכונות המערכת מורכבת מסתגלת היא טופולוגיית הרשת.

רוב המערכות "הטבעיות" מקיימות צורת התקשרות שבה לחלק מהסוכנים יש תכונה של "מרכזיות" במובן זה שהם מהווים צומת שיותר סוכנים מתקשרים דווקא אליו. "מרכזיות אלו" יכולות להוות נקודת תורפה של המערכת כך שלפגיעה בהן יכולה להיות משמעות גדולה לגבי התנהגותה ה"מאקרו־סקופית" של המערכת כולה.
מרכז
דוגמה לחלק מהטופולוגיות האפשריות אפשר לראות באיור שלהלן (הדוגמה נלקחה מהערך טופולוגיית רשת):

 מרכיב הזיכרון 
על פי ההגדרה, לכל אחד מהסוכנים יש יכולת זיכרון. בדרך כלל, כאשר מדברים על רמת ה"סוכן" הבסיסי הכוונה ל"זיכרון פשוט" (בלשון חוקרי הזיכרון נהוג לקרוא לסוג זה של זיכרון, זיכרון דקלרטיבי, אפיזודי) – כלומר, ביטוי ישיר של "אירוע" שנקלט על ידי ה"סוכן" באמצעות שינוי כימי אם מדובר במערכת ביולוגית או שינוי פיזי, מכני או אחר, כאשר מדובר במערכות מעשה ידי אדם – כמו הפיכת קוטביות של ביט בדיסק קשיח, לדוגמה.

סוג אחר של זיכרון במערכות מורכבות מסתגלות הוא זיכרון של "דפוסים" (Patterns). זיכרון זה יכול להתקבל כתוצאה משינוי בטופולוגית התקשורת של הסוכנים. במסגרת מחקר "רשתות נוירוניות" הראו שלשינוי ב"רישות" של הנוירונים יש ביטוי ביכולת "זיהוי דפוסים" בקלט הנתונים שמהערכת "חשה". סוג זה של זיכרון מאפשר לזכור "דברים בהקשר".

סוג זה של זיכרון אחראי גם, ככל הנראה, לשמירת "מודלים מוכללים של אינטראקציות עבר" – כלומר, "מודלים של התנהגות אנשים" שבאמצעותם האדם מחליט איך להתנהג כלפי אדם זה או אחר, בזמן אמיתי, על בסיס השוואה בין מה שהוא קולט בזמן אמיתי, בחושיו, לבין המודל שיש אצלו במוח והוא תוצאה של כל איטרציות העבר עם אותו אדם. ניתוח מעמיק של תחום זה מופיע בספרו של פרופסור דניאל סטרן, כולל מגוון גדול של ניסויים אמפיריים וניתוח של הנושא כמרכיב מרכזי בהתהוותה של "תפיסת העצמי" בתינוקות.

מודל זה נותן הסבר אפשרי ליכולת לזכור כמות גדולה של מודלים ב"אותה חומרה". מבחינת חוקרי הזיכרון, מודל זה מתאים לזיכרון שנקרא זיכרון דקלרטיבי, סמנטי.

במערכות ביולוגיות, זיכרון זה כרוך ב"רישות מחדש" של נוירונים ובהתאם, זהו תהליך לא קצר. מעניין לציין ששימוש בזיכרון זה עלול להביא למצב בו האדם זוכר דברים שכלל לא היו, מכיוון שלמעשה, הוא "שולף מהזיכרון" דפוס תלוי הקשר ולא "צילום" של פרטי מידע בלתי תלויים ואובייקטיביים.

במחקרים של רשתות נוירונים מלאכותיות, שינוי המשקל היחסי של קשר מסוים בהשוואה לקשרים האחרים, גורם לאותו סוג של יכולת "זיהוי דפוסים". מנגנון זה מהווה סוג של "קידוד דפוסים" המאפשר לזכור כמויות גדולות מאוד של מידע באמצעות "זיכרון של דפוסים" המתבטא בסט קטן של פרמטרים המקודדים את כל הדפוס.

אפשר להסתכל על זה כמו על קרוב של פונקציה מסובכת באמצעות סט קטן של מקדמים לאברים מעריכיים של פולינום מקורב.

סוג אפשרי שלישי של זיכרון, הוא זיכרון של דפוסים הנשען על היכולת לתקשר בין הנוירונים בתדרים שונים. ההפרדה במישור התדר מאפשרת לשמור מספר גדול של דפוסים, על אותה חומרה, ללא שנדרש שינוי ברישות הפיזי של הנוירונים. לא מוכרת הוכחה אמפירית המחזקת אפשרות זו. מבחינת חוקרי הזיכרון, יש גם הפרדה בין היכולת "לזכור" סוג מסוים של מיומנות (איך לרכב על אופניים, לדוגמה) לבין היכולת לזכור אירועים או מודלים הנוגעים לעבר. הביטוי הפיזיולוגי של סוג זיכרון זה לא ידוע.

תכונה חשובה במיוחד של שני סוגי הזיכרון האחרונים שהוזכרו היא העובדה שכדי "לזכור", מספיק שתהיה קיימת הרשת הנוירונית "הנכונה" ו"סט" הפרמטרים שמקודד את ה"דפוס" הרלוונטי. לנושא זה יש חשיבות עליונה במערכות ביולוגיות מכיוון שהוא מאפשר להוריש מרכיבים חשובים של מיומנויות וזיכרון סמנטי – מדור לדור, אף על פי שבעת היווצרות העובר – עוברות רק מולקולות בודדות מההורים לצאצאים דרך תאי המין.

כך לדוגמה, אפשר להסביר איך בעלי חיים מורישים לצאצאים שלהם נתיבי ניווט של נדידה בין יבשות או מיומנות טיסה לגוזל שרק קופץ מהקן בפעם הראשונה בחייו או את הפחד מנחשים.

 רקורסיה במערכות מורכבות מסתגלות והסבר אפשרי להופעת ה"מודעות" 
מערכת מורכבת מסתגלת שלמה יכולה להוות "סוכן" למערכת גדולה יותר. לדוגמה, תאי המוח, הנוירונים והסינפסות מהווים מערכת מורכבת מסתגלת. רכיבי המוח השונים, האמיגדלה, הקורטקס וכדומה, מהווים מערכת שנייה. המוח כולו, ביחד עם יתר אברי הגוף, מהווה חלק מהאדם השלם. קבוצה של אנשים המחוברים באמצעות שפה או רשת חברתית, מהווים מערכת מורכבת מסתגלת שהאנשים הם הסוכנים שלה וכדומה.

אפשר לדבר על "סדר המערכת" לפי מספר הפעמים שמערכת כזו נמצאת בתוך מערכת אחרת שעונה לאותן הגדרות.

תכונות המערכת כולה, גם הן, יכולות להיות "מקופלות" אחת בתוך האחרת. "אבר" אחד המהווה מערכת מורכבת מסתגלת מופקד על שליטה באבר אחר. מרכיב הזיכרון יכול להיות זיכרון כימי פשוט, ברמת הסוכן הבודד, זיכרון דפוסים ברמת רשת הנוירונים בתוך האמיגדלה, זיכרון דפוסים בקורטקס ששולט ומבקר את האמיגדלה וכדומה.

יש חוקרים הגורסים כי תופעת הרקורסיה היא זו שגורמת לאפשרות שהמערכת תמדל את עצמה ובמערכות מורכבות מסתגלות מסדר שלוש ומעלה, יכולה להופיע "מודעות".

בהסתכלות זו ה"מודעות" היא היכולת של המערכת להתייחס לעצמה באמצעות "מודלים" או "דפוסים" ו"להבין" שיש למערכת עצמה "מצב רוח" שמשפיע על עצמה או לחילופן לזהות את עצמה במראה כדוגמה למודעות עצמית – תכונה שרק בני אדם ושימפנזים בוגרים מסוגלים לה.

הסבר זה מאוד אטרקטיבי מההיבט של "יופי מדעי" מכיוון שהוא נותן הסבר אנליטי להופעת מודעות עצמית בבעלי חיים מבלי להזדקק לתחומים שמחוץ למחקר המדעי.

דאגלאס הופשטטר מי שחיבר גם את הספר "גדל, אשר, באך" הוא ממובילי התיזה הזו ואף כתב על כך ספר שתורגם לעברית ונקרא "אני לולאה מוזרה".

לקריאה נוספת
 פרסומים בעברית 

 ההתמודדות עם המבנה המורכב ועם הסתגלנות של ארגוני הטרור, מאמר במערכות, 410–409, מאת ד"ר דוד פסיג וד"ר אלון הסגל
 כשמרקס וניטשה נפגשו בכיכר תחריר, חיים אסא, הוצאת דרור לנפש, 2013
 אני לולאה מוזרה, דאגלס הופשטטר, הוצאת דביר, 2012
 עפרון רזי וד״ר פנחס יחזקאלי, העולם איננו ליניארי תורת המערכות המורכבות גורם חדש בניהול, המכללה לביטחון לאומי 2006.
 ד״ר שי בן יוסף, ניווט במורכבות, הוצאת ניב, 2021.
 ד״ר אברהם אלטמן, לחשוב מערכות, מודן, 2016.

 ספרות לועזית 
 Neural and Adaptive Systems, Fundementals Through Simulations. Jose C. Principe, Neil R. Euliano, W.Curt Lefebvre
 Networks and Netwars. John Arquilla, David Ronfeldt
 Insights from Complexity Theory: Understanding Organisations better". by Assoc. Prof. Amit Gupta, Student Contributer - S. Anish, IIM Bangalore. Retrieved 1 June 2012.
 Steven Strogatz, Duncan J. Watts and Albert-Laszlo Barabasi "explaining synchronicity (at 6:08), network theory, self-adaptation mechanism of complex systems, Six Degrees of separation, Small world phenomenon, events are never isolated as they depend upon each other (at 27:07) in the BBC / Discovery Documentary". BBC / Discovery.
 Six Degrees, The science of a connected age, Duncan J. Watts
 Holland, John H.; (2006). "Studying Complex Adaptive Systems." Journal of Systems Science and Complexity 19 (1): 1-8.
 John H. Miller & Scott E. Page, Complex Adaptive Systems: An Introduction to Computational Models of Social Life, Princeton University Press
 Carroll SB (2001). "Chance and necessity: the evolution of morphological complexity and diversity". Nature 409 (6823): 1102–9
 Holland, John H. (1992). Adaptation in natural and artificial systems: an introductory analysis with applications to biology, control, and artificial intelligence. Cambridge, Mass: MIT Press. .
 Bullock S, Cliff D (2004). Complexity and Emergent Behaviour in ICT Systems. Hewlett-Packard Labs. HP-2004-187.; commissioned as a report by the UK government's Foresight Programme.
 CCRP, ארגון המתמחה בהקשר הצבאי של הנושא, מקיים כנסים רבים ופרסם עד כה כעשרה ספרים המוקדשים לתחום, את כולם ניתן להוריד בחינם מהאינטרנט.
 מאמר המציע להתייחס ל"מרחב הקיברנטי" כמערכת מורכבת מסתגלת בז'ורנל לפיקוד ושליטה של משרד ההגנה ההגנה האמריקאי Cyberspace: the Ultimate Complex Adaptive System, Paul W. Phister Jr., VOLUME 4, NUMBER 2, 2010–2011
 The Computational Beauty of Nature, Gary William Flake
 Ants at work, Deborah Gordon
 Systems Thinking, managing Chaos and Complexity, Jamshid Gharajedaghi
 Swarm Creativity, Peter A. Gloor
Emergence, The connected lives of Ants, Brains, Cities and Software. By: Steven Johnson
 הרצאת TED של מארי גל־מאן, פיזיקאי חשוב, מהראשונים שניסחו את תחום המחקר המדובר, כולל פרסום ספר מפורסם בשם "הקווארק והיגואר".
 ספר לא קצר, כולל ניתוח די מעמיק של הקשר בין אמנות, זיכרון, מודעות, היכולת להעריך יופי ומבנה המוח. בספר דוגמאות רבות וסימוכין רבים, בין השאר לנושא ראייה, רשתות עצבים רבודות ועוד: The Age of Insight: The Quest to Understand the Unconscious in Art, Mind, and Brain from Vienna 1900 to the Present by Eric R. Kandel

קישורים חיצוניים

 סוגים שונים של מערכות ותהליכים בסיסיים במערכות באתר ״המדריך לחשיבה מערכתית״

ראו גם
 משחק החיים
 הערות שוליים 

קטגוריה:תורת המערכות המורכבות