Selvorganisering er processen med at ordne elementerne på samme niveau i systemet på grund af interne faktorer, uden specifik ydre påvirkning, selvom ydre forhold kan have både stimulerende og undertrykkende effekter. I løbet af selvorganiseringen opstår der en form for generel orden fra lokale interaktioner mellem dele af et oprindeligt uordnet system. Processen kan være spontan, når der er en tilstrækkelig mængde energi, som ikke kræver kontrol af en ekstern agent.
Resultatet er udseendet af en enhed på det næste kvalitative niveau. Afhængigt af tilgangen til at beskrive selvorganisering inkluderer definitionen systemets karakteristika, typen af intern faktor og processens funktioner. Den resulterende organisation er fuldstændig decentraliseret, fordelt på alle komponenter i systemet. Som regel er organisationen stabil og i stand til at overleve eller selvstændigt eliminere væsentlige forstyrrelser. Kaosteori ser på selvorganisering i form af øer af forudsigelighed i et hav af kaotisk uforudsigelighed. Selvorganisering forekommer i mange fysiske , kemiske , biologiske , robot- og kognitive systemer. Eksempler på selvorganisering omfatterkrystallisation , termisk konvektion af væsker, kemiske fluktuationer , dyresværmning , neurale netværk og skyggeøkonomien .
Meget tæt på fænomenet selvorganisering er fænomenet selvorganisering af systemer (det vil sige et snævrere begreb i forhold til selvorganisering).
Selvorganisering bruges både i fysikken i ikke-ligevægtsprocesser og i kemiske reaktioner , hvor det ofte beskrives som selvsamling [1] . I biologien anvendes dette koncept fra molekylært til økosystemniveau [ 2] . De anførte eksempler på selvorganiserende adfærd findes også i litteraturen fra mange andre discipliner, både inden for naturvidenskab og samfundsvidenskab , såsom økonomi eller antropologi . Selvorganisering er også blevet observeret i matematiske systemer såsom cellulære automater [3] . Selvorganisering er relateret til begrebet emergens [4] .
Selvorganisering bygger på fire hovedkomponenter:
Cybernetikeren William Ross Ashby formulerede det oprindelige princip om selvorganisering i 1947. Han hævder, at ethvert deterministisk dynamisk system automatisk udvikler sig til en ligevægtstilstand, som kan beskrives i form af en attraktor i en pulje af omgivende tilstande [6] . Når først den er der, er den videre udvikling af systemet tvunget til at forblive i attraktoren. Denne begrænsning indebærer en form for gensidig afhængighed eller koordinering mellem dets bestanddele eller delsystemer. I Ashbys termer har hvert delsystem tilpasset sig det miljø, der er formet af alle de andre delsystemer [7] .
Cybernetiker Heinz von Foerster formulerede princippet om " orden fra støj" i 1960. Han bemærker, at selvorganisering er hjulpet af tilfældige forstyrrelser ("støj"), der tillader et system at udforske de mange tilstande i dets tilstandsrum . Dette øger chancen for, at systemet kommer ind i en "stærk" eller "dyb" attraktorpulje , hvorfra det så hurtigt vil gå ind i selve attraktoren. Biofysiker Henri Atlan udviklede dette koncept ved at foreslå princippet om "kompleksitet fra støj" (fr. le principe de complexité par le bruit) [8] . Termodynamikeren Ilya Prigogine formulerede et lignende princip som "orden gennem fluktuationer " [9] eller "orden ud af kaos" [10] . Det anvendes i simuleringsudglødningsmetode til problemløsning og maskinlæring .
Ideen om, at et systems dynamik kan føre til en stigning i dets organisation, har en lang historie. Gamle atomister , såsom Democritus og Lucretius , mente, at et designende sind ikke var nødvendigt for at skabe orden i naturen, og argumenterede for, at med nok tid, plads og stof opstår orden af sig selv [11] .
Hypotesen om orden i systemet på grund af dets indre dynamik blev udtrykt af filosoffen R. Descartes i den femte del af " Diskurs om metoden ". Han uddybede senere denne idé i sin aldrig udgivne bog Le Monde.
Immanuel Kant brugte udtrykket "selvorganisering" i sin 1790 Critique of Judgment , hvor han hævdede, at teleologi kun er et meningsfuldt begreb, hvis der er en sådan entitet, hvis dele eller "organer" er både mål og midler. Et sådant organsystem skal kunne opføre sig, som om det havde sit eget sind, det vil sige, at det skulle være i stand til at kontrollere sig selv [12] . I. Kant fremsatte en tågehypotese , ifølge hvilken planeterne blev dannet ud fra tågen på grund af tiltrækning og frastødning iboende i stoffet [13] .
Det skal bemærkes, at ideerne om den spontane fremkomst af orden og selvorganisering ikke er identiske. Demokrits atomisme eller Boltzmanns statistik betragter fremkomsten af orden som en ulykke, og ordenskategorien er subjektiv, tilstedeværelsen af orden er tydelig.
Termodynamikkens anden lov , opdaget af Sadi Carnot og Rudolf Clausius i det 19. århundrede, siger, at total entropi , nogle gange forstået som uorden, altid vil stige over tid i et isoleret system . Det betyder, at systemet ikke spontant kan øge sin rækkefølge uden ekstern kobling, der reducerer orden i andre dele af systemet (for eksempel ved at forbruge laventropi batterienergi og sprede højentropi varme) [14] [15] .
I 1947 optrådte udtrykket i den videnskabelige publikation af William Ashby ( eng. WR Ashby ) "Principles of the Self-Organizing Dynamic System" [16] . I 1960'erne blev begrebet brugt i systemteori , og i 1970'erne- 1980'erne begyndte det at blive brugt i kompleks systemfysik .
I 2008-09 begrebet kontrolleret selvorganisering begyndte at tage form. Denne tilgang har til formål at regulere selvorganisering til specifikke formål, således at et dynamisk system kan opnå bestemte tiltrækningsfaktorer eller resultater. Regulering begrænser en selvorganiserende proces i et komplekst system ved at begrænse lokale interaktioner mellem systemkomponenter i stedet for at følge en eksplicit kontrolmekanisme eller global designplan. Ønskede resultater, såsom at øge den resulterende interne struktur og/eller funktionalitet, opnås ved at kombinere opgaveuafhængige globale mål med opgaveafhængige begrænsninger på lokale interaktioner [17] [18] .
G. Haken , grundlæggeren af synergetik , definerede det som videnskaben om selvorganisering. Indtil det 21. århundrede syntes synergetik at have monopol på beskrivelsen af selvorganisering. I forbindelse med samarbejdet mellem repræsentanter for naturvidenskaberne inden for nanoteknologi , viste det sig, at begrebet selvorganisering inden for supramolekylær kemi og evolutionær biologi er defineret på en anden måde end i synergetik. Derudover er definitionen givet inden for rammerne af synergetik, på grund af denne videnskabs tværfaglighed, sløret på tværs af forskellige discipliner , blevet uklar.
Mange selvorganiserende fænomener i fysik inkluderer faseovergange og spontane symmetribrud , såsom spontan magnetisering og krystalvækst i klassisk fysik , såvel som lasere [19] , superledning og Bose-Einstein kondensation i kvantefysik . De kan observeres i dynamiske systemer , i tribologi , i spin-skum og loop-kvantetyngdekraft [20] , i flodbassiner og deltaer , i dendritisk størkning og i turbulent struktur [2] [3] .
Selvorganisering i kemi omfatter molekylær selvsamling [21] , reaktions-diffusionssystemer og oscillerende reaktioner [22] , autokatalytiske netværk [23] , flydende krystaller , netværkskomplekser , kolloide krystaller , selvsamlende monolag [24] , miceller , mikrofaseadskillelse af copolymerblokke og film Langmuir-Blodgett [25] .
Selvorganisering i biologi [26] kan observeres ved spontan foldning af protein og andre biomakromolekyler, dannelse af lipid-dobbeltlagsmembraner , mønsterdannelse og morfogenese i udviklingsbiologi , koordinering af menneskelige bevægelser, social adfærd hos insekter ( bier , myrer , termitter ) [ 27] og pattedyr , og også fugle og fisks skoleadfærd [ 28] .
Matematisk biolog Stuart Kaufman og andre strukturalister har foreslået, at selvorganisering kan spille en rolle sammen med naturlig selektion på tre områder af evolutionær biologi , nemlig befolkningsdynamik , molekylær evolution og morfogenese . Dette tager dog ikke højde for energiens væsentlige rolle i kontrollen af biokemiske reaktioner i celler . Reaktionssystemerne i enhver celle er selvkatalyserede , ikke kun selvorganiserende, da de er åbne termodynamiske systemer, der er afhængige af den kontinuerlige tilførsel af energi [29] [30] . Selvorganisering er ikke et alternativ til naturlig udvælgelse , men den begrænser, hvad evolution kan gøre og giver mekanismer såsom membran -selvsamling , som evolutionen så udnytter [31] .
Mange fænomener fra matematik og datalogi, såsom cellulære automater, tilfældige grafer og nogle eksempler på evolutionær modellering og kunstigt liv, udviser træk ved selvorganisering. I sværmrobotik bruges selvorganisering til at skabe emergent adfærd . Især er tilfældig grafteori blevet brugt som begrundelse for selvorganisering som et generelt princip for komplekse systemer . Designet af multi-agent-systemer, der er i stand til at repræsentere selvorganiserende adfærd, er et aktivt forskningsområde [32] . Optimeringsalgoritmer kan betragtes som selvorganiserende, da de har til formål at finde den optimale løsning på problemet. Hvis løsningen betragtes som en tilstand af et iterativt system, så er den optimale løsning den konvergerende struktur af systemet [33] [34] . Selvorganiserende netværk omfatter "small world" netværk [35] , selvstabilisering [36] og skalafri netværk . De opstår fra bottom-up-interaktioner, i modsætning til top-down hierarkiske netværk inden for organisationer, som ikke er selvorganiserende [37] . Cloud computing-systemer er i sagens natur selvorganiserende og har en vis autonomi [38] , men er ikke selvstyrende, fordi de ikke har til formål at reducere deres egen kompleksitet [39] [40] .
Norbert Wiener betragtede den automatiske sekventielle identifikation af en sort boks og dens efterfølgende reproduktion som selvorganisering i kybernetik [41] . Betydningen af faselåsning, eller "frekvensattraktion", som han kaldte det, diskuteres i 2. udgave af hans bog Cybernetics: Control and Communication in Animal and Machine [ 42] . Eric Drexler ser selvreplikering som et nøgletrin i nanoassembler . I 1970'erne så Stafford Beer selvorganisering som nødvendig for autonomi i levende systemer . Han anvendte sin levedygtige systemmodel til ledelsen. Denne model består af fem dele: overvågning af effektiviteten af overlevelsesprocesser (1), styring af dem gennem rekursiv anvendelse af regulering (2), homøostatisk operationel kontrol (3) og udvikling (4), som opretholder identitet (5) under forhold miljøforstyrrelser [43] . Der lægges særlig vægt på den forstyrrende feedback fra "algedon-løkken": følsomhed over for både smerte og fornøjelse forårsaget af utilstrækkelig eller overdreven ydeevne sammenlignet med standardevne.
Sociale dyrs selvorganiserende adfærd og selvorganiseringen af simple matematiske strukturer tyder på, at der også skal være selvorganisering i det menneskelige samfund. Hovedtrækkene ved selvorganisering er normalt statistiske egenskaber, der er fælles for selvorganiserende fysiske systemer. For eksempel, såsom kritisk masse , flok adfærd , gruppetænkning og andre bugner i sociologi , økonomi , adfærdsmæssig finansiering og antropologi .
I socialteorien blev begrebet selvreference introduceret af Niklas Luhmann som en sociologisk anvendelse af teorien om selvorganisering. For Luhmann er elementerne i et socialt system selvproducerende kommunikation, det vil sige, kommunikation producerer yderligere kommunikation, og derfor kan et socialt system reproducere sig selv, så længe der eksisterer dynamisk kommunikation. I Luhmanns teori er mennesker sensorer i systemmiljøet. Luhmann udviklede en evolutionsteori om samfundet og dets undersystemer ved hjælp af funktionel analyse og systemteori [44] .
I økonomi kaldes en markedsøkonomi nogle gange for en selvorganiserende økonomi. Paul Krugman skrev om markedets selvorganiserings rolle i konjunkturcyklussen i sin bog The Self-Organizing Economy [45] . Friedrich Hayek opfandt udtrykket katalaktisk for at beskrive et "selvorganiserende system af frivilligt samarbejde" i forhold til den spontane orden af en fri markedsøkonomi [46] . Neoklassiske økonomer mener, at indførelsen af central planlægning generelt gør et selvorganiserende økonomisk system mindre effektivt. På den anden side mener økonomer, at markedssvigt er så betydelige, at selvorganisering fører til dårlige resultater, og at staten bør styre produktion og prissætning . De fleste økonomer indtager en mellemposition og anbefaler en kombination af egenskaberne ved en markeds- og kommandoøkonomi, kaldet en blandet økonomi .
At give andre mulighed for at "lære at lære" forstås ofte som at fortælle dem, hvordan de skal underkaste sig at blive undervist [47] [48] . Selvstyret læring benægter, at "eksperten ved bedst" eller at der er "én bedste metode" [49] , og insisterer i stedet på "konstruktionen af personligt meningsfuld, relevant og levedygtig mening", som skal testes af den studerende empirisk [50 ] . Det ses som en livslang proces, ikke begrænset til et bestemt læringsmiljø (hjem, skole, universitet) eller under kontrol af myndigheder såsom forældre og lærere [51] . Den erhvervede viden skal testes og periodisk revideres gennem personlig erfaring. Fridtjof Capra hævdede, at selvorganisering er dårligt anerkendt i det videnskabelige felt af psykologi og uddannelsessystemet [52] . Det kan tage form af en pædagogisk samtale, en dialog mellem elever eller en mental dialog med én elev [53] .
Den selvorganiserende adfærd hos bilister i trafikstrømmen bestemmer næsten alle de rumlige tidsmæssige karakteristika for trafikken, såsom forstyrrelse af trafikken ved en flaskehals på motorvejen , motorvejens gennemløbskapacitet og forekomsten af trafikpropper . I 1996-2002 disse komplekse selvorganiserende effekter blev forklaret af Boris Kerners teori om trefaset bevægelse [54] .
Orden opstår spontant i sprogets udvikling, da individets og befolkningens adfærd interagerer med biologisk evolution [55] .
Self Organized Funding Allocation ( SOFA ) er en metode til at tildele forskningsmidler . I dette system tildeles hver forsker et lige stort beløb og er forpligtet til anonymt at allokere en del af sine midler til andres forskning. Tilhængere af SOFA hævder, at dette vil resultere i samme fordeling af midler som det nuværende tilskudssystem , men med mindre overhead [56] . I 2016 begyndte test af SOFA-projektet [57] i Holland .
Definition givet af G. Haken i 1980'erne. inden for rammerne af synergi:
"Selvorganisering er processen med at bestille (rumlig, tidsmæssig eller rum-tid) i et åbent system på grund af den koordinerede interaktion mellem mange elementer af dets bestanddele."
System egenskaber:
Proces egenskaber:
For entydigheden af definitionen af begrebet, dets forbindelse med systemets og processens karakteristika, henvises der som regel til et af de tre standardeksempler på selvorganisering:
Nobelpristageren Ilya Prigozhin skabte en ikke-lineær model af Belousov-Zhabotinsky-reaktionen, den såkaldte brusselator . Da bestilling i sådanne systemer kræver en tilstrømning af energi eller en udstrømning af entropi, dens dissipation, kaldte Prigogine disse systemer dissipative . På grund af ikke- lineariteten , tilstedeværelsen af mere end én stabil tilstand i disse systemer, er hverken termodynamikkens anden lov eller Prigogines sætning om minimumshastigheden for entropiproduktion opfyldt i dem . Der er dog eksempler på spatiotemporale dissipative strukturer - autobølger af laminar forbrænding og termiske bølger (autobølger) i et lag af en immobil katalysator, for hvilke den totale entropiproduktion i systemet er en funktionel af autobølgeløsningen af problemet (Lyapunoven). termodynamisk funktion). Og dets minimum svarer til en fysisk meningsfuld løsning af problemet [59] .
I analogi med beskrivelsen af selvorganiserende systemer med faseovergange kaldes dissipativ selvorganisering en faseovergang i et ikke-ligevægtssystem .
Synergetiske metoder er blevet brugt i næsten alle videnskabelige discipliner, fra fysik og kemi til sociologi og filologi . Bybygning og neurale netværk beskrives som dissipative strukturer . For nylig er brugen af det oprindeligt nødvendige matematiske apparat til ikke-lineære ligninger praktisk talt forsvundet . Dette førte til, at ethvert system af naturlig oprindelse, der ikke tilhørte ligevægtstermodynamikkens kompetence , begyndte at blive betragtet som selvorganiseret.
I 1987 introducerede en anden nobelpristager, Jean-Marie Lehn , grundlæggeren af supramolekylær kemi , udtrykkene "selvorganisering" og " selvsamling ", på grund af behovet for at beskrive fænomener med orden i systemer af makromolekylære forbindelser under ligevægtsbetingelser, især dannelsen af DNA .
Studiet af stof i nanostaten , dannelsen af en kompleks struktur i krystalliseringsprocessen uden ydre påvirkning krævede også beskrivelsen af disse fænomener som selvorganisering. Men i modsætning til den synergetiske tilgang opstår disse fænomener under forhold tæt på termodynamisk ligevægt .
Ligevægtsfaseovergange som krystallisation viste sig således også at være selvorganisering. For at eliminere forvirring defineres fænomenet orden under ligevægtsbetingelser ofte som konservativ selvorganisering.
Begrebet evolutionær katalyse, udviklet af A.P. Rudenko , er et alternativt koncept for selvorganisering for biologiske systemer. I modsætning til sammenhængende selvorganisering i dissipative systemer med et stort antal elementer (makrosystemer), overvejes kontinuerlig selvorganisering for individuelle (mikro-)systemer. Inden for rammerne af denne tilgang er det bestemt, at selvorganisering som en selvudvikling af systemet opstår på grund af internt brugbart arbejde mod ligevægt. Progressiv evolution med naturlig udvælgelse er kun mulig som en selvudvikling af kontinuerlig selvorganisering af individuelle systemer.
| Geometriske mønstre i naturen | ||
|---|---|---|
| mønstre | ||
| Processer | ||
| Forskere |
| |
| Relaterede artikler |
| |