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生物免疫系统是生物为了抵抗从体外入侵的细菌、病毒和其他致病因子，以及体内因基因突变产生癌细胞的基本防御系统，实现机体产生抗感染防御能力的生理反应。免疫系统由许多执行免疫功能的器官、组织、细胞和免疫效应分子等组成，如图4-1所示。
图4-1 免疫系统的组成
就人体免疫系统而言，免疫器官是免疫细胞发育成熟和发挥免疫功能的场所，而免疫细胞和免疫分子是识别、抵御、消灭抗原的主要物质。当病原体（抗原）进入人体时，这些抗原将刺激免疫细胞产生一种抵抗该病原生物的特殊蛋白质（抗体），抗体能将该病原生物消灭，并仍存留在人体内。当同样的病原生物再次侵入人体时，体内存留的抗体会很快地将其消灭。
1.免疫学相关概念
（1）免疫：现代免疫学将“免疫”定义为机体对“自己”和“异己（非己）”识别、应答过程中产生的生物学效应的总和。正常情况下，免疫是维持机体内部环境稳定的一种生理性功能。
（2）抗原（Antigen）：是一种能够刺激机体产生免疫应答，并能与应答产物结合的物质。它不是免疫系统的有机组成部分，而是启动免疫应答的初始刺激因素。抗原不仅具有刺激机体产生抗体的能力，也具有与其诱生的抗体相结合的能力。
（3）抗体（Antibody）：又称免疫球蛋白，具有识别和清除体内病原性异物（抗原）的功能，是B细胞受到抗原刺激后增殖分化为浆细胞所产生的具有抗细菌和抗毒素免疫功能的免疫球蛋白分子。抗体可分为分泌型和膜型，前者主要存在于血液及组织液中，发挥各种免疫功能，后者构成B细胞表面的抗原受体。
（4）T细胞（T-cell）：即T淋巴细胞，它在胸腺中成熟，功能包括调节其他细胞的活动及直接袭击宿主感染细胞。T细胞可分为调节性T细胞和毒性T细胞两类。调节性T细胞又可分为辅助性T细胞和抑制性T细胞。辅助性T细胞的主要作用是激活B细胞，与抗原结合时分泌作用于B细胞并帮助刺激B细胞的分子。毒性T细胞能够清除微生物入侵者、病毒或癌细胞。
（5）B细胞（B-cell）：即B淋巴细胞，来源于骨髓的多能干细胞，成熟的B细胞存在于淋巴结、血液、脾、扁桃体等组织和器官中。B细胞受到抗原刺激后，可增殖分化为大量浆细胞，而浆细胞具有合成和分泌抗体的功能。但B细胞不能识别大多数抗原，必须借助能识别抗原的辅助性T细胞来辅助其活化，产生抗体。
（6）亲和力（Affinity）：抗原的表位与抗体的受体之间的结合力，反映了抗体与抗原之间的匹配程度。抗原的表位是抗原的决定物质，吸附在抗原表面，能够被淋巴抗体识别。抗体的受体是抗体的决定物质，吸附在抗体表面，能够与抗原的表位相结合产生识别作用。亲和力越强，表明抗体越适应抗原，越能很好地消灭抗原。
（7）免疫应答（Immune Response）：抗原进入机体后，免疫细胞对抗原分子的识别、活化和分化过程，是免疫系统各部分生理反应的综合体现。机体识别非己抗原，对其产生免疫应答并清除之，而正常机体对自身组织抗原成分则不产生免疫应答。
2.生物免疫系统机理
生物免疫系统是由免疫组织、免疫细胞和免疫分子组成的复杂系统，分布在机体各处用来完成各种免疫防卫功能。抗原入侵机体后会产生一系列复杂的连锁反应，这个过程被称为免疫应答（Immune Response）或免疫反应（Immune Reaction）。免疫应答一般分为初次应答（初次感染）和二次应答（二次感染）。免疫应答的基本过程如图4-2所示。
图4-2 免疫应答的基本过程
抗原初次进入机体后，会引发免疫系统的初次应答，通过刺激免疫细胞发生特异性克隆扩增，积极产生抗体来清除抗原，并对其保持记忆，以便在下次遇到同样的抗原时能更加迅速地做出应答。抗体具有针对性，一种抗体通常只能对付一种抗原。初次应答比较缓慢，这一过程使得免疫系统有足够的时间建立更加具有针对性的免疫应答，即适应性免疫应答。当机体受到相同抗原的再次刺激后，多数情况会产生二次应答。由于有了初次应答的记忆，二次应答反应会更加及时迅速，无须重新学习。
免疫应答又可分为先天性免疫和获得性免疫两大类。先天性免疫又称为非特异性免疫（Nonspecific Immunity），是机体在长期物种发育和进化过程中逐渐形成的一种天然防御功能，经过遗传天生获得（如皮肤、黏膜和分泌物等）且具有防御多种病菌的能力。先天性免疫没有特殊针对性，是机体抵抗感染和抵御外来抗原性侵袭的重要防线。获得性免疫又称为特异性免疫（Specific Immunity），是机体受抗原性异物刺激后主动产生或接受免疫效应后被动获得的，并通过免疫系统的免疫应答来防御病菌。
在人工智能不断向生物智能学习方向发展的过程中，人们逐渐认识到了生物免疫系统的重要性。这种受生物免疫系统启发而建立，模拟生物免疫系统功能的人工系统称为人工免疫系统。人工免疫系统作为一种信息处理系统，能够清晰表达学习的知识，实现无监督、自组织、可记忆学习，在解决大规模复杂性优化问题方面提供了新的途径和方法。生物免疫系统与人工免疫系统的对应关系如表4-1所示。在智能化信息处理方面，人工免疫系统模拟生物免疫系统，主要借鉴了生物免疫系统的以下特性。
表4-1 生物免疫系统与人工免疫系统的对应关系
（1）抗体的多样性：生物免疫系统有上百种不同的蛋白质，但外部潜在的抗原和待识别的模式种类有上千种。要实现数量级远远大于自身的抗原识别，需要借助有效的多样性个体产生机制。通过免疫细胞的分裂和分化作用，免疫系统可以产生大量的抗体来抵御各种抗原。人工免疫系统在解决实际问题时克隆变异产生的可行解（抗体）是多样的，可保证算法具有全局搜索能力，避免“早熟”收敛而陷入局部最优。
（2）自我调节能力：当有新的抗原入侵或某些抗体大量复制而破坏机体免疫平衡时，通过免疫系统的调节，可以抑制编码相近（浓度过高）抗体的再生能力，从而达到重新平衡。人工免疫系统利用这一能力可以动态调整算法的局部搜索能力。
（3）免疫识别、学习和记忆功能：免疫识别的本质是区分“自己”和“非己”，这一过程通过淋巴细胞上抗原的表位与抗体的受体结合来实现。免疫识别过程也是一个学习过程，学习结果是免疫细胞的个体亲和力提高，群体规模扩大，并且最优个体以免疫记忆的形式得到保存。当免疫系统初次遇到某种抗原时，淋巴细胞需要一定的时间进行调整以识别抗原，并在识别结束后以最优抗体的形式保留对该抗原的记忆信息，而当免疫系统再次遇到相同或者结构相似的抗原时，在联想记忆的作用下能快速应答。
（4）免疫系统特异性：免疫细胞对感染不同种类微生物的反应是不同的。例如，在病毒感染时淋巴细胞比例会升高，而在细菌感染时白细胞的比例较高。这意味着免疫系统产生的抗体具有很强的特异性。保留和产生优质抗体含有解决问题的关键信息，要把群体的进化建立在适应函数值较高的可行解基础上，有针对性地产生子代个体，形成下一代种群。
（5）分布式和自适应性：免疫系统的分布式特性首先取决于病原体的分布式特性，即病原体是分散在机体内部的。由于免疫应答机制是通过局部细胞的交互作用实现，不存在集中控制，所以免疫系统的分布式进一步增强了其自适应性。