Självorganisering är processen att ordna elementen på samma nivå i systemet på grund av interna faktorer, utan specifik yttre påverkan, även om yttre förhållanden kan ha både stimulerande och undertryckande effekter. Under självorganiseringens gång uppstår någon form av allmän ordning ur lokala interaktioner mellan delar av ett initialt oordnat system. Processen kan vara spontan när det finns en tillräcklig mängd energi som inte kräver kontroll av en extern agent.
Resultatet är utseendet på en enhet på nästa kvalitativa nivå. Beroende på tillvägagångssättet för att beskriva självorganisering, inkluderar definitionen systemets egenskaper, typen av intern faktor och funktionerna i processen. Den resulterande organisationen är helt decentraliserad, fördelad över alla komponenter i systemet. Som regel är organisationen stabil och kan överleva eller självständigt eliminera betydande störningar. Kaosteorin ser självorganisering i termer av öar av förutsägbarhet i ett hav av kaotisk oförutsägbarhet. Självorganisering förekommer i många fysiska , kemiska , biologiska , robotiska och kognitiva system. Exempel på självorganisering inkluderar kristallisation , termisk konvektion av vätskor, kemiska fluktuationer , djursvärmning , neurala nätverk och den underjordiska ekonomin .
Mycket nära fenomenet självorganisering ligger fenomenet självordning av system (det vill säga ett snävare begrepp i förhållande till självorganisering).
Självorganisering används både i fysik för icke-jämviktsprocesser och i kemiska reaktioner , där det ofta beskrivs som självmontering [1] . Inom biologin tillämpas detta koncept från molekylär till ekosystemnivå [ 2] . Exemplen på självorganiserande beteende som ges finns också i litteraturen inom många andra discipliner, både inom naturvetenskap och samhällsvetenskap , såsom ekonomi eller antropologi . Självorganisering har också observerats i matematiska system som cellulära automater [3] . Självorganisering är relaterad till begreppet emergens [4] .
Självorganisering bygger på fyra huvudkomponenter:
Cybernetikern William Ross Ashby formulerade den ursprungliga principen om självorganisering 1947. Han hävdar att varje deterministiskt dynamiskt system automatiskt utvecklas till ett jämviktstillstånd, vilket kan beskrivas i termer av en attraktion i en pool av omgivande tillstånd [6] . Väl där tvingas den vidare utvecklingen av systemet att stanna kvar i atttraktorn. Denna begränsning innebär någon form av ömsesidigt beroende eller samordning mellan dess ingående komponenter eller delsystem. I Ashbys termer har varje delsystem anpassat sig till den miljö som formats av alla andra delsystem [7] .
Cybernetikern Heinz von Foerster formulerade principen om " ordning från buller" 1960. Han noterar att självorganisering underlättas av slumpmässiga störningar ("brus") som tillåter ett system att utforska de många tillstånden i dess tillståndsrum . Detta ökar chansen att systemet kommer in i en "stark" eller "djup" attraktionspool , från vilken det sedan snabbt kommer in i atttraktorn själv. Biofysikern Henri Atlan utvecklade detta koncept genom att föreslå principen om "komplexitet från buller" (fr. le principe de complexité par le bruit) [8] . Termodynamikern Ilya Prigogine formulerade en liknande princip som "ordning genom fluktuationer " [9] eller "ordning ut ur kaos" [10] . Den används i simuleringsglödgningsmetod för problemlösning och maskininlärning .
Tanken att dynamiken i ett system kan leda till en ökning av dess organisation har en lång historia. Forntida atomister , som Demokritos och Lucretius , trodde att ett designande sinne inte behövdes för att skapa ordning i naturen, och hävdade att med tillräckligt med tid, utrymme och materia uppstår ordning av sig själv [11] .
Hypotesen om ordning i systemet på grund av dess interna dynamik uttrycktes av filosofen R. Descartes i den femte delen av " Diskurs om metoden ". Han utvecklade senare denna idé i sin aldrig publicerade bok Le Monde.
Immanuel Kant använde termen "självorganisation" i sin 1790 Critique of Judgment där han hävdade att teleologi är ett meningsfullt begrepp endast om det finns en sådan entitet vars delar eller "organ" är både mål och medel. Ett sådant organsystem måste kunna bete sig som om det hade ett eget sinne, det vill säga att det borde kunna kontrollera sig självt [12] . I. Kant lade fram en nebuloshypotes , enligt vilken planeterna bildades från nebulosan på grund av attraktion och repulsion som är inneboende i materia [13] .
Det bör noteras att idéerna om det spontana uppkomsten av ordning och självorganisering inte är identiska. Demokritos atomism eller Boltzmanns statistik betraktar uppkomsten av ordning som en olycka, och ordningskategorin är subjektiv, närvaron av ordning är uppenbar.
Termodynamikens andra lag , upptäckt av Sadi Carnot och Rudolf Clausius på 1800-talet, säger att total entropi , ibland förstås som oordning, alltid kommer att öka med tiden i ett isolerat system . Detta innebär att systemet inte spontant kan öka sin ordning utan extern koppling som minskar ordningen i andra delar av systemet (till exempel genom att förbruka lågentropi batterienergi och avleda högentropi värme) [14] [15] .
År 1947 dök termen upp i den vetenskapliga publikationen av William Ashby ( eng. WR Ashby ) "Principles of the Self-Organizing Dynamic System" [16] . På 1960-talet användes termen i systemteorin , och på 1970- och 1980 - talen började den användas i komplex systemfysik .
2008-09 begreppet kontrollerad självorganisering började ta form. Detta tillvägagångssätt syftar till att reglera självorganisering för specifika ändamål så att ett dynamiskt system kan uppnå vissa attraktionsfaktorer eller resultat. Reglering begränsar en självorganiserande process inom ett komplext system genom att begränsa lokal interaktion mellan systemkomponenter snarare än att följa en explicit kontrollmekanism eller global designplan. Önskade resultat, som att öka den resulterande interna strukturen och/eller funktionaliteten, uppnås genom att kombinera uppgiftsoberoende globala mål med uppgiftsberoende begränsningar för lokal interaktion [17] [18] .
G. Haken , grundaren av synergetik , definierade det som vetenskapen om självorganisering. Fram till 2000-talet verkade synergetik ha monopol på beskrivningen av självorganisering. I samband med samarbetet mellan företrädare för naturvetenskaperna inom nanoteknikområdet visade det sig att begreppet självorganisering inom området supramolekylär kemi och evolutionsbiologi definieras på ett annat sätt än i synergetik. Dessutom har definitionen som ges inom ramen för synergetik, på grund av denna vetenskaps tvärvetenskaplighet, suddats ut över olika discipliner , blivit suddig.
Många självorganiserande fenomen i fysiken inkluderar fasövergångar och spontant symmetribrott , såsom spontan magnetisering och kristalltillväxt i klassisk fysik , såväl som lasrar [19] , supraledning och Bose-Einstein-kondensation i kvantfysik . De kan observeras i dynamiska system , i tribologi , i spinnskum och slingkvantgravitation [20] , i flodbassänger och deltan , i dendritisk stelning och i turbulent struktur [2] [3] .
Självorganisering i kemi inkluderar molekylär självmontering [21] , reaktions-diffusionssystem och oscillerande reaktioner [22] , autokatalytiska nätverk [23] , flytande kristaller , nätverkskomplex , kolloidala kristaller , självmonterande monolager [24] , miceller , mikrofasseparation av sampolymerblock och filmer Langmuir-Blodgett [25] .
Självorganisering inom biologi [26] kan observeras i spontan veckning av protein och andra biomakromolekyler, bildning av lipid-dubbelskiktsmembran , mönsterbildning och morfogenes i utvecklingsbiologi , koordinering av mänskliga rörelser, socialt beteende hos insekter ( bin , myror , termiter ) [ 27] och däggdjur , och även skolbeteende hos fåglar och fiskar [28] .
Matematisk biolog Stuart Kaufman och andra strukturalister har föreslagit att självorganisering kan spela en roll vid sidan av naturligt urval inom tre områden av evolutionär biologi , nämligen populationsdynamik , molekylär evolution och morfogenes . Detta tar dock inte hänsyn till energins väsentliga roll i kontrollen av biokemiska reaktioner i celler . Reaktionssystemen i vilken cell som helst är självkatalyserade , inte bara självorganiserande, eftersom de är öppna termodynamiska system som är beroende av den kontinuerliga tillförseln av energi [29] [30] . Självorganisering är inte ett alternativ till naturligt urval , men det begränsar vad evolutionen kan göra och ger mekanismer som membransjälvmontering som evolutionen sedan utnyttjar [31] .
Många fenomen från matematik och datavetenskap, såsom cellulära automater, slumpmässiga grafer och några exempel på evolutionär modellering och artificiellt liv, uppvisar drag av självorganisering. Inom svärmrobotik används självorganisering för att skapa framväxande beteende . I synnerhet har slumpmässig grafteori använts som en motivering för självorganisering som en allmän princip för komplexa system . Utformningen av multiagentsystem som kan representera självorganiserande beteende är ett aktivt forskningsområde [32] . Optimeringsalgoritmer kan betraktas som självorganiserande, eftersom de syftar till att hitta den optimala lösningen på problemet. Om lösningen betraktas som ett tillstånd av ett iterativt system, så är den optimala lösningen den konvergerande strukturen av systemet [33] [34] . Självorganiserande nätverk inkluderar "small world"-nätverk [35] , självstabilisering [36] och skalfria nätverk . De uppstår från interaktioner nerifrån och upp, i motsats till top-down hierarkiska nätverk inom organisationer, som inte är självorganiserande [37] . Molnberäkningssystem är i sig självorganiserande och har viss autonomi [38] , men är inte självstyrande eftersom de inte syftar till att minska sin egen komplexitet [39] [40] .
Norbert Wiener betraktade den automatiska sekventiella identifieringen av en svart låda och dess efterföljande reproduktion som självorganisering inom cybernetik [41] . Vikten av faslåsning, eller "frekvensattraktion" som han kallade det, diskuteras i den andra upplagan av hans bok Cybernetics: Control and Communication in Animal and Machine [ 42] . Eric Drexler ser självreplikering som ett nyckelsteg i nanoassembler . På 1970 -talet såg Stafford Beer självorganisering som nödvändig för autonomi i levande system . Han tillämpade sin livskraftiga systemmodell på ledningen. Denna modell består av fem delar: övervakning av effektiviteten av överlevnadsprocesser (1), hantering av dem genom rekursiv tillämpning av reglering (2), homeostatisk operativ kontroll (3) och utveckling (4), som upprätthåller identitet (5) under förhållanden av miljöstörning [ 43] . Särskild uppmärksamhet ägnas åt den störande återkopplingen av "algedonslingan": känslighet för både smärta och nöje orsakad av otillräcklig eller överdriven prestation jämfört med standardförmåga.
Sociala djurs självorganiserande beteende och självorganiseringen av enkla matematiska strukturer tyder på att det måste finnas självorganisering också i det mänskliga samhället. Huvuddragen i självorganisering är vanligtvis statistiska egenskaper som är gemensamma för självorganiserande fysiska system. Till exempel, såsom kritisk massa , flockbeteende , grupptänkande och andra finns det i överflöd inom sociologi , ekonomi , beteendefinansiering och antropologi .
I socialteorin introducerades begreppet självreferens av Niklas Luhmann som en sociologisk tillämpning av teorin om självorganisering. För Luhmann är elementen i ett socialt system självproducerande kommunikationer, det vill säga kommunikation producerar ytterligare kommunikation, och därför kan ett socialt system reproducera sig själv så länge som dynamisk kommunikation existerar. I Luhmanns teori är människor sensorer i systemmiljön. Luhmann utvecklade en evolutionsteori om samhället och dess delsystem med hjälp av funktionell analys och systemteori [44] .
Inom ekonomi kallas en marknadsekonomi ibland för en självorganiserande ekonomi. Paul Krugman skrev om marknadens självorganiserings roll i konjunkturcykeln i sin bok The Self-Organizing Economy [45] . Friedrich Hayek myntade termen katalaktisk för att beskriva ett "självorganiserande system av frivilligt samarbete" i relation till den spontana ordningen av en fri marknadsekonomi [46] . Neoklassiska ekonomer tror att införandet av central planering i allmänhet gör ett självorganiserande ekonomiskt system mindre effektivt. Å andra sidan anser ekonomer att marknadsmisslyckanden är så betydande att självorganisering leder till dåliga resultat och att staten bör styra produktion och prissättning . De flesta ekonomer intar en mellanposition och rekommenderar en kombination av egenskaperna hos en marknads- och kommandoekonomi, kallad blandekonomi .
Att ge andra möjlighet att "lära sig att lära" förstås ofta som att berätta för dem hur de ska underkasta sig att bli undervisade [47] [48] . Självstyrt lärande förnekar att "experten vet bäst" eller att det finns "en bästa metod" [49] , och insisterar istället på "konstruktionen av personligt meningsfull, relevant och livskraftig mening" som måste testas av eleven empiriskt [50 ] . Det ses som en livslång process, inte begränsad till en viss inlärningsmiljö (hem, skola, universitet) eller under kontroll av myndigheter som föräldrar och lärare [51] . Den inhämtade kunskapen måste testas och periodiskt ses över genom personlig erfarenhet. Fridtjof Capra hävdade att självorganisering är dåligt erkänd inom det vetenskapliga området psykologi och utbildningssystemet [52] . Det kan ta formen av ett pedagogiskt samtal, en dialog mellan elever eller en mental dialog med en elev [53] .
Det självorganiserande beteendet hos förare i trafikflödet avgör nästan alla rumsliga egenskaper hos trafiken, såsom störningar i trafiken vid en flaskhals på motorvägen , motorvägens genomströmningskapacitet och förekomsten av trafikstockningar . 1996-2002 dessa komplexa självorganiserande effekter förklarades av Boris Kerners teori om trefasrörelse [54] .
Ordning uppstår spontant i språkets utveckling när individens och befolkningens beteende interagerar med biologisk evolution [55] .
Self Organized Funding Allocation (SOFA) är en metod för att fördela forskningsmedel . I detta system tilldelas varje forskare lika mycket finansiering och är skyldig att anonymt allokera en del av sina medel till andras forskning. Anhängare av SOFA hävdar att detta kommer att resultera i samma fördelning av finansiering som det nuvarande bidragssystemet , men med mindre omkostnader [56] . 2016 började testning av SOFA-projektet [57] i Nederländerna .
Definition given av G. Haken på 1980-talet. inom ramen för synergi:
"Självorganisering är processen att ordna (spatial, temporal eller rum-tid) i ett öppet system, på grund av den samordnade interaktionen mellan många delar av dess beståndsdelar."
Systemegenskaper:
Processegenskaper:
För entydigheten av definitionen av termen, dess samband med systemets och processens egenskaper, hänvisas som regel till ett av de tre standardexemplen på självorganisering:
Nobelpristagaren Ilya Prigozhin skapade en olinjär modell av Belousov-Zhabotinsky-reaktionen, den så kallade brusselatorn . Eftersom beställning i sådana system kräver ett inflöde av energi eller ett utflöde av entropi, dess dissipation, kallade Prigogine dessa system dissipativa . På grund av olinjäriteten , närvaron av mer än ett stabilt tillstånd i dessa system, är varken termodynamikens andra lag eller Prigogines sats om minimihastigheten för entropiproduktion uppfylld i dem . Det finns dock exempel på spatiotemporala dissipativa strukturer - autovågor av laminär förbränning och termiska vågor (autovågor) i ett lager av en orörlig katalysator, för vilka den totala entropiproduktionen i systemet är en funktion av autovågslösningen av problemet (Lyapunoven). termodynamisk funktion). Och dess minimum motsvarar en fysiskt meningsfull lösning av problemet [59] .
I analogi med beskrivningen av självorganiserande system med fasövergångar kallas dissipativ självorganisering en fasövergång i ett icke-jämviktssystem .
Synergetiska metoder har använts i nästan alla vetenskapliga discipliner, från fysik och kemi till sociologi och filologi . Stadsbyggnad och neurala nätverk beskrivs som dissipativa strukturer . Nyligen har användningen av den initialt nödvändiga matematiska apparaten för olinjära ekvationer praktiskt taget försvunnit . Detta ledde till det faktum att alla system av naturligt ursprung, som inte tillhörde kompetensen för jämviktstermodynamiken , började betraktas som självorganiserat.
1987 introducerade en annan nobelpristagare, Jean-Marie Lehn , grundaren av supramolekylär kemi , termerna "självorganisering" och " självmontering ", på grund av behovet av att beskriva ordningsfenomen i system av makromolekylära föreningar under jämviktsförhållanden, i synnerhet bildandet av DNA .
Studiet av materia i nanostaten , bildandet av en komplex struktur i kristalliseringsprocessen utan yttre påverkan krävde också beskrivningen av dessa fenomen som självorganisering. Men till skillnad från det synergetiska tillvägagångssättet inträffar dessa fenomen under förhållanden nära termodynamisk jämvikt .
Sålunda visade sig jämviktsfasövergångar såsom kristallisering också vara självorganisering. För att eliminera förvirring definieras fenomenet ordning under jämviktsförhållanden ofta som konservativ självorganisering.
Begreppet evolutionär katalys, utvecklat av A.P. Rudenko , är ett alternativt koncept för självorganisering för biologiska system. Till skillnad från koherent självorganisering i dissipativa system med ett stort antal element (makrosystem), övervägs kontinuerlig självorganisering för individuella (mikro-) system. Inom ramen för detta synsätt fastställs att självorganisering som en självutveckling av systemet sker på grund av internt användbart arbete mot jämvikt. Progressiv evolution med naturligt urval är endast möjlig som en självutveckling av ständig självorganisering av individuella system.
| Geometriska mönster i naturen | ||
|---|---|---|
| mönster | ||
| Processer | ||
| Forskare |
| |
| Relaterade artiklar |
| |