Itseorganisaatio on prosessi , jossa järjestelmän saman tason elementit järjestyvät sisäisten tekijöiden vuoksi ilman erityistä ulkoista vaikutusta, vaikka ulkoisilla olosuhteilla voi olla sekä stimuloivia että tukahduttavia vaikutuksia. Itseorganisoitumisen aikana syntyy jonkinlainen yleinen järjestys paikallisista vuorovaikutuksista alun perin epäjärjestyneen järjestelmän osien välillä. Prosessi voi olla spontaani, kun energiaa on riittävästi, mikä ei vaadi ulkopuolisen tekijän ohjausta.
Tuloksena on seuraavan laadullisen tason yksikön ilmestyminen. Itseorganisaatiota kuvaavasta lähestymistavasta riippuen määritelmä sisältää järjestelmän ominaisuudet, sisäisen tekijän tyypin ja prosessin piirteet. Tuloksena oleva organisaatio on täysin hajautettu, jaettu järjestelmän kaikkiin osiin. Organisaatio on pääsääntöisesti vakaa ja pystyy selviytymään tai poistamaan itsenäisesti merkittäviä häiriöitä. Kaaosteoria tarkastelee itseorganisaatiota ennustettavuuden saarekkeina kaoottisen ennustamattomuuden meressä. Itseorganisoituminen tapahtuu monissa fysikaalisissa , kemiallisissa , biologisissa , roboteissa ja kognitiivisissa järjestelmissä. Esimerkkejä itseorganisaatiosta ovat mmkiteytys , nesteiden lämpökonvektio , kemialliset vaihtelut , eläinten parvi , hermoverkot ja varjotalous .
Hyvin lähellä itseorganisoitumisen ilmiötä on järjestelmien itsejärjestäytymisen ilmiö ( eli suppeampi käsite suhteessa itseorganisaatioon).
Itseorganisaatiota käytetään sekä epätasapainoisten prosessien fysiikassa että kemiallisissa reaktioissa , joissa sitä usein kuvataan itsekokoonpanoksi [1] . Biologiassa tätä käsitettä sovelletaan molekyylitasolta ekosysteemitasolle [ 2 ] . Annettuja esimerkkejä itseorganisoituvasta käyttäytymisestä löytyy myös monien muiden tieteenalojen kirjallisuudesta, sekä luonnontieteistä että yhteiskuntatieteistä , kuten taloustieteestä tai antropologiasta . Itseorganisaatiota on havaittu myös matemaattisissa järjestelmissä, kuten soluautomaateissa [3] . Itseorganisaatio liittyy syntymisen käsitteeseen [4] .
Itseorganisaatio perustuu neljään pääkomponenttiin:
Kyberneetikko William Ross Ashby muotoili alkuperäisen itseorganisaatioperiaatteen vuonna 1947. Hän väittää, että mikä tahansa deterministinen dynaaminen järjestelmä kehittyy automaattisesti tasapainotilaan, jota voidaan kuvata attraktorilla ympäröivien tilojen poolissa [6] . Siellä järjestelmän jatkokehitys pakotetaan jäämään attraktoriin. Tämä rajoitus merkitsee jonkinlaista keskinäistä riippuvuutta tai koordinaatiota sen muodostavien komponenttien tai osajärjestelmien välillä. Ashbyn mukaan jokainen osajärjestelmä on sopeutunut kaikkien muiden osajärjestelmien muokkaamaan ympäristöön [7] .
Kyberneetikko Heinz von Foerster muotoili periaatteen " järjestä melusta" vuonna 1960. Hän huomauttaa, että itseorganisaatiota auttavat satunnaiset häiriöt ("kohina"), jotka sallivat järjestelmän tutkia monia tiloja tila-avaruudessaan . Tämä lisää todennäköisyyttä, että järjestelmä joutuu "vahvaan" tai "syvään" attraktorialtaaseen , josta se sitten nopeasti itseensä. Biofyysikko Henri Atlan kehitti tämän konseptin ehdottamalla periaatetta "monimutkaisuus melusta" (fr. le principe de complexité par le bruit) [8] . Termodynamiikka Ilja Prigogine muotoili samanlaisen periaatteen kuin "järjestys vaihtelujen kautta " [9] tai "järjestys kaaoksesta" [10] . Sitä sovelletaan simulaatiohehkutusmenetelmässä ongelmanratkaisuun ja koneoppimiseen .
Ajatus siitä, että järjestelmän dynamiikka voi johtaa sen organisaation kasvuun, on pitkä historia. Muinaiset atomistit , kuten Demokritos ja Lucretius , uskoivat, että suunnittelevaa mieltä ei tarvita järjestyksen luomiseen luonnossa, ja väittivät, että kun aikaa, tilaa ja ainetta riittää, järjestys syntyy itsestään [11] .
Filosofi R. Descartes ilmaisi hypoteesin järjestelmän järjestyksestä sen sisäisen dynamiikan vuoksi viidennessä osassa " Discourse on the Method ". Hän jatkoi tätä ajatusta myöhemmin julkaisemattomassa kirjassaan Le Monde.
Immanuel Kant käytti termiä "itseorganisaatio" vuoden 1790 tuomion kritiikissä, jossa hän väitti, että teleologia on mielekäs käsite vain, jos on olemassa sellainen kokonaisuus, jonka osat tai "elimet" ovat sekä päämäärä että keinoja. Tällaisen elinjärjestelmän on kyettävä käyttäytymään ikään kuin sillä olisi oma mieli, eli sen pitäisi pystyä hallitsemaan itseään [12] . I. Kant esitti sumuhypoteesin , jonka mukaan planeetat muodostuivat sumusta aineelle ominaisen vetovoiman ja hylkimisen vuoksi [13] .
On huomattava, että käsitykset järjestyksen ja itseorganisaation spontaanista syntymisestä eivät ole identtisiä. Demokritoksen atomismi tai Boltzmannin tilastot pitävät järjestyksen syntyä sattumana, ja järjestyksen luokka on subjektiivinen, järjestyksen läsnäolo on ilmeistä.
Termodynamiikan toinen pääsääntö , jonka Sadi Carnot ja Rudolf Clausius löysivät 1800-luvulla, sanoo, että kokonaisentropia , joka joskus ymmärretään häiriöksi , kasvaa aina ajan myötä eristetyssä järjestelmässä . Tämä tarkoittaa, että järjestelmä ei voi spontaanisti lisätä järjestystä ilman ulkoista kytkentää, joka heikentää järjestystä järjestelmän muissa osissa (esimerkiksi kuluttamalla matalan entropian akkuenergiaa ja haihduttamalla korkean entropian lämpöä) [14] [15] .
Vuonna 1947 termi ilmestyi William Ashbyn ( eng. WR Ashby ) tieteellisessä julkaisussa "Principles of the Self-Organizing Dynamic System" [16] . 1960 -luvulla termiä käytettiin systeemiteoriassa , ja 1970-1980- luvuilla sitä alettiin käyttää monimutkaisessa systeemifysiikassa .
Vuosina 2008-09 kontrolloidun itseorganisaation käsite alkoi muotoutua. Tällä lähestymistavalla pyritään säätelemään itseorganisaatiota tiettyjä tarkoituksia varten, jotta dynaaminen järjestelmä voi saavuttaa tiettyjä houkuttelevia tekijöitä tai tuloksia. Sääntely rajoittaa itseorganisoituvaa prosessia monimutkaisen järjestelmän sisällä rajoittamalla paikallista vuorovaikutusta järjestelmän komponenttien välillä sen sijaan, että noudatettaisiin nimenomaista ohjausmekanismia tai yleistä suunnittelusuunnitelmaa. Halutut tulokset, kuten tuloksena olevan sisäisen rakenteen ja/tai toiminnallisuuden lisääminen, saavutetaan yhdistämällä tehtävästä riippumattomat globaalit tavoitteet tehtävästä riippuvaisiin paikallisen vuorovaikutuksen rajoituksiin [17] [18] .
G. Haken , synergiikan perustaja , määritteli sen itseorganisoitumisen tieteenä. 2000-luvulle asti synergiikalla näytti olevan monopoli itseorganisoitumisen kuvauksessa. Nanoteknologian alan luonnontieteiden edustajien yhteistyön yhteydessä kävi ilmi, että käsite itseorganisaatio supramolekyylikemian ja evoluutiobiologian alalla määritellään eri tavalla kuin synergiassa. Lisäksi synergian puitteissa annettu määritelmä on tämän tieteen poikkitieteisyydestä johtuen hämärtynyt eri tieteenalojen välillä , muuttunut sumeaksi.
Monia itseorganisoituvia ilmiöitä fysiikassa ovat faasisiirtymät ja spontaani symmetrian rikkoutuminen , kuten spontaani magnetoituminen ja kiteiden kasvu klassisessa fysiikassa , sekä laserit [19] , suprajohtavuus ja Bose-Einstein - kondensaatio kvanttifysiikassa . Niitä voidaan havaita dynaamisissa järjestelmissä , tribologiassa , spin-vaahto- ja silmukkakvanttigravitaatiossa [20] , vesistöissä ja suistoissa , dendriittisessä jähmettymisessä ja turbulentissa rakenteessa [2] [3] .
Itseorganisoituminen kemiassa sisältää molekyylien itsekokoamisen [21] , reaktio-diffuusiojärjestelmät ja värähtelevät reaktiot [22] , autokatalyyttiset verkot [23] , nestekiteet , verkkokompleksit , kolloidiset kiteet , itsekokoontuvat yksikerrokset [ 24] , misellit , kopolymeerilohkojen ja kalvojen mikrofaasierotus Langmuir-Blodgett [25] .
Biologian itseorganisoituminen [26] voidaan havaita proteiinien ja muiden biomakromolekyylien spontaanissa laskostumisessa, lipidikaksoiskalvojen muodostumisessa , kuvioinnissa ja morfogeneesissä kehitysbiologiassa , ihmisen liikkeiden koordinaatiossa , hyönteisten ( mehiläisten , muurahaisten , termiittien ) sosiaalisessa käyttäytymisessä. 27] ja nisäkkäät sekä lintujen ja kalojen parvikäyttäminen [ 28] .
Matemaattinen biologi Stuart Kaufman ja muut strukturalistit ovat ehdottaneet, että itseorganisaatiolla voi olla rooli luonnollisen valinnan rinnalla kolmella evoluutiobiologian alueella , nimittäin populaatiodynamiikassa , molekyylievoluutiossa ja morfogeneesissä . Tässä ei kuitenkaan oteta huomioon energian olennaista roolia solujen biokemiallisten reaktioiden säätelyssä . Minkä tahansa kennon reaktiojärjestelmät ovat itsekatalysoituneita , eivät vain itseorganisoituvia, koska ne ovat avoimia termodynaamisia järjestelmiä , jotka ovat riippuvaisia jatkuvasta energiansyötöstä [29] [30] . Itseorganisaatio ei ole vaihtoehto luonnolliselle valinnalle , mutta se rajoittaa sitä, mitä evoluutio voi tehdä , ja tarjoaa mekanismeja, kuten kalvojen itsensä kokoamisen , joita evoluutio sitten hyödyntää [31] .
Monet matematiikan ja tietojenkäsittelytieteen ilmiöt, kuten soluautomaatit, satunnaiset kaaviot ja eräät esimerkit evoluution mallintamisesta ja keinotekoisesta elämästä, osoittavat itseorganisoitumisen piirteitä. Parvirobotiikassa itseorganisaatiota käytetään luomaan esiintulevaa käyttäytymistä . Erityisesti satunnaisgraafiteoriaa on käytetty perusteena itseorganisaatiolle monimutkaisten järjestelmien yleisenä periaatteena . Itseorganisoituvaa käyttäytymistä edustavien moniagenttijärjestelmien suunnittelu on aktiivinen tutkimusalue [ 32 ] . Optimointialgoritmeja voidaan pitää itseorganisoituvina, koska niillä pyritään löytämään optimaalinen ratkaisu ongelmaan. Jos ratkaisua pidetään iteratiivisen järjestelmän tilana, niin optimaalinen ratkaisu on järjestelmän konvergenttirakenne [33] [34] . Itseorganisoituvia verkkoja ovat "pienen maailman" verkot [35] , itsestabilointi [36] ja mittakaavattomat verkot . Ne syntyvät alhaalta ylöspäin suuntautuvasta vuorovaikutuksesta, toisin kuin organisaatioiden sisällä olevissa ylhäältä alas -hierarkkisissa verkostoissa , jotka eivät organisoi itseään [37] . Pilvilaskentajärjestelmät ovat luonnostaan itseorganisoituvia ja niillä on jonkin verran autonomiaa [38] , mutta ne eivät ole itseohjautuvia, koska niiden tarkoituksena ei ole vähentää omaa monimutkaisuuttaan [39] [40] .
Norbert Wiener piti mustan laatikon automaattista peräkkäistä tunnistamista ja sen myöhempää lisääntymistä kybernetiikan itseorganisoitumisena [41] . Vaihelukituksen tai "taajuuden vetovoiman", kuten hän sitä kutsui, merkitystä käsitellään hänen kirjansa Cybernetics: Control and Communication in Animal and Machine [ 42] toisessa painoksessa . Eric Drexler näkee itsensä replikoinnin keskeisenä vaiheena nanokokoonpanossa . 1970-luvulla Stafford Beer piti itseorganisaatiota välttämättömänä elävien järjestelmien autonomian kannalta . Hän sovelsi toimivaa järjestelmämalliaan johtamiseen. Tämä malli koostuu viidestä osasta: selviytymisprosessien tehokkuuden seuranta (1), niiden hallinta säätelyn rekursiivisen soveltamisen kautta (2), homeostaattinen toiminnanohjaus (3) ja kehitys (4), jotka ylläpitävät identiteettiä (5) ympäristöhäiriö [43] . Erityistä huomiota kiinnitetään "algedon-silmukan" häiritsevään palautteeseen: herkkyyteen sekä kivulle että nautinnolle, joka johtuu riittämättömästä tai liiallisesta suorituskyvystä verrattuna standardikykyyn.
Sosiaalisten eläinten itseorganisoituva käyttäytyminen ja yksinkertaisten matemaattisten rakenteiden itseorganisoituminen viittaavat siihen, että myös ihmisyhteiskunnassa täytyy olla itseorganisoitumista. Itseorganisoitumisen pääpiirteet ovat yleensä itseorganisoituville fyysisille järjestelmille yhteisiä tilastollisia ominaisuuksia. Esimerkiksi, kuten kriittinen massa , lauman käyttäytyminen , ryhmäajattelu ja muut ovat runsaasti sosiologiassa , taloustieteessä , käyttäytymisrahoituksessa ja antropologiassa .
Yhteiskuntateoriassa itsereferenssin käsitteen esitteli Niklas Luhmann itseorganisaatioteorian sosiologisena sovelluksena. Luhmannille sosiaalisen järjestelmän elementit ovat itsetuottavaa kommunikaatiota, eli kommunikaatio tuottaa lisää kommunikaatioita, ja siten sosiaalinen järjestelmä voi toistaa itseään niin kauan kuin dynaaminen viestintä on olemassa. Luhmannin teoriassa ihmiset ovat antureita järjestelmäympäristössä. Luhmann kehitti evoluutioteorian yhteiskunnasta ja sen osajärjestelmistä funktionaalisen analyysin ja järjestelmäteorian avulla [44] .
Taloustieteessä markkinataloutta kutsutaan joskus itseorganisoituvaksi taloudeksi. Paul Krugman kirjoitti markkinoiden itseorganisaation roolista suhdannekierrossa kirjassaan The Self-Organizing Economy [45] . Friedrich Hayek loi termin katalaktinen kuvaamaan "itseorganisoituvaa vapaaehtoisen yhteistyön järjestelmää" suhteessa vapaan markkinatalouden spontaaniin järjestykseen [46] . Uusklassiset taloustieteilijät uskovat, että keskussuunnittelun pakottaminen yleensä tekee itseorganisoituvasta talousjärjestelmästä tehottomaksi. Toisaalta taloustieteilijät uskovat, että markkinahäiriöt ovat niin merkittäviä, että itseorganisoituminen johtaa huonoon lopputulokseen ja että valtion tulee ohjata tuotantoa ja hinnoittelua . Useimmat taloustieteilijät ottavat väliaseman ja suosittelevat markkina- ja komentotalouden ominaisuuksien yhdistelmää, jota kutsutaan sekataloudeksi .
Mahdollisuuden antaminen muille "oppia oppimaan" ymmärretään usein kertomalla heille, kuinka alistua opetukseen [47] [48] . Itseohjautuva oppiminen kieltää sen, että "asiantuntija tietää parhaiten" tai että on olemassa "yksi paras menetelmä" [49] ja vaatii sen sijaan "henkilökohtaisesti merkityksellisen, merkityksellisen ja elinkelpoisen merkityksen rakentamista", joka opiskelijan on testattava empiirisesti [50] . ] . Se nähdään elinikäisenä prosessina, joka ei rajoitu tiettyyn oppimisympäristöön (kotiin, kouluun, yliopistoon) tai ei ole viranomaisten, kuten vanhempien ja opettajien, hallinnassa [51] . Hankitut tiedot on testattava ja tarkistettava säännöllisesti henkilökohtaisen kokemuksen kautta. Fridtjof Capra väitti, että itseorganisaatio tunnetaan huonosti psykologian ja koulutusjärjestelmän tieteenalalla [52] . Se voi olla opetuskeskustelun, opiskelijoiden välisen dialogin tai henkisen vuoropuhelun muodossa yhden opiskelijan kanssa [53] .
Kuljettajien itseorganisoituva käyttäytyminen liikennevirrassa määrää lähes kaikki liikenteen spatiotemporaaliset ominaisuudet, kuten liikenteen häiriöt valtatien pullonkaulassa, valtatien läpimenokyvyn ja liikenneruuhkien esiintymisen . Vuosina 1996-2002 nämä monimutkaiset itseorganisoituvat vaikutukset selitettiin Boris Kernerin kolmivaiheisen liikkeen teorialla [54] .
Järjestys syntyy spontaanisti kielen evoluutiossa, kun yksilön ja väestön käyttäytyminen ovat vuorovaikutuksessa biologisen evoluution kanssa [55] .
Self Organised Funding Allocation (SOFA) on menetelmä tutkimusrahoituksen kohdentamiseen . Tässä järjestelmässä jokaiselle tutkijalle myönnetään yhtä paljon rahoitusta ja hänen on osoitettava anonyymisti osa varoistaan muiden tutkimukseen. SOFA:n kannattajat väittävät, että tämä johtaa samaan rahoituksen jakautumiseen kuin nykyinen apurahajärjestelmä , mutta pienemmillä yleiskustannuksilla [56] . Vuonna 2016 SOFA-projektin [57] testaus aloitettiin Alankomaissa .
G. Hakenin 1980-luvulla antama määritelmä. synergian puitteissa:
"Itseorganisaatio on järjestyksen (tila-, aika- tai aika-avaruus) prosessi avoimessa järjestelmässä, joka johtuu sen osien monien elementtien koordinoidusta vuorovaikutuksesta."
Järjestelmän ominaisuudet:
Prosessin ominaisuudet:
Jotta termin määritelmä, sen yhteys järjestelmän ja prosessin ominaisuuksiin olisi yksiselitteinen, viitataan pääsääntöisesti johonkin kolmesta itseorganisoitumisen vakioesimerkistä:
Nobel -palkittu Ilja Prigožin loi epälineaarisen mallin Belousov-Zhabotinsky-reaktiosta, niin kutsutun brusselaattorin . Koska järjestäminen tällaisissa järjestelmissä vaatii energian sisääntuloa tai entropian ulosvirtausta, sen hajoamista, Prigogine kutsui näitä järjestelmiä dissipatiiviseksi . Johtuen epälineaarisuudesta , useamman kuin yhden stabiilin tilan läsnäolosta näissä järjestelmissä, termodynamiikan toinen pääsääntö tai Prigoginen teoreema entropian tuoton miniminopeudesta eivät täyty niissä . On kuitenkin esimerkkejä spatiotemporaalisista dissipatiivisista rakenteista – laminaarisen palamisen autoaalloista ja lämpöaalloista (autoaallot) liikkumattoman katalyytin kerroksessa, joille järjestelmän kokonaisentropian tuotanto on ongelman autoaaltoratkaisun (Ljapunov) funktio. termodynaaminen funktio). Ja sen minimi vastaa fyysisesti järkevää ongelman ratkaisua [59] .
Analogisesti itseorganisoituvien järjestelmien kuvauksen kanssa, joissa on vaihemuutoksia, dissipatiivista itseorganisaatiota kutsutaan vaihesiirtymäksi epätasapainoisessa järjestelmässä .
Synergiikan menetelmiä on käytetty lähes kaikilla tieteenaloilla fysiikasta ja kemiasta sosiologiaan ja filologiaan . Kaupunkirakennus ja hermoverkkoja kuvataan dissipatiivisiksi rakenteiksi . Viime aikoina alun perin välttämättömän epälineaaristen yhtälöiden matemaattisen laitteen käyttö on käytännössä kadonnut . Tämä johti siihen, että mitä tahansa luonnollista alkuperää olevaa järjestelmää, joka ei kuulunut tasapainotermodynamiikan toimivaltaan , alettiin pitää itseorganisoituneena.
Vuonna 1987 toinen Nobel -palkittu Jean-Marie Lehn , supramolekulaarisen kemian perustaja , esitteli termit "itseorganisaatio" ja " itsekokoontuminen ", koska on tarpeen kuvata järjestyksen ilmiöitä makromolekyyliyhdisteiden järjestelmissä tasapainoolosuhteissa, erityisesti DNA :n muodostumista .
Aineen tutkiminen nanotilassa , monimutkaisen rakenteen muodostuminen kiteytymisprosessissa ilman ulkoista vaikutusta vaati myös näiden ilmiöiden kuvaamista itseorganisoitumisena. Mutta toisin kuin synerginen lähestymistapa, nämä ilmiöt tapahtuvat olosuhteissa, jotka ovat lähellä termodynaamista tasapainoa .
Siten tasapainofaasisiirtymät, kuten kiteytyminen, osoittautuivat myös itseorganisaatioiksi. Sekaannuksen poistamiseksi tasapainoolosuhteissa järjestymisen ilmiö määritellään usein konservatiiviseksi itseorganisaatioksi.
A.P. Rudenkon kehittämä evoluution katalyysin käsite on vaihtoehtoinen käsite itseorganisoitumisesta biologisille järjestelmille. Toisin kuin koherentissa itseorganisaatiossa dissipatiivisissa järjestelmissä, joissa on suuri määrä elementtejä (makrojärjestelmiä), jatkuvaa itseorganisaatiota harkitaan yksittäisissä (mikro-)järjestelmissä. Tämän lähestymistavan puitteissa määritetään, että itseorganisoituminen järjestelmän itsekehityksenä tapahtuu sisäisen hyödyllisen tasapainotyön seurauksena. Progressiivinen evoluutio luonnonvalinnan avulla on mahdollista vain yksittäisten järjestelmien jatkuvan itseorganisoitumisen itsekehityksenä.
| Geometriset kuviot luonnossa | ||
|---|---|---|
| kuviot | ||
| Prosessit | ||
| Tutkijat |
| |
| Aiheeseen liittyvät artikkelit |
| |