Az önszerveződés az a folyamat , amikor a rendszerben azonos szintű elemeket rendeznek belső tényezők hatására, sajátos külső hatás nélkül, bár a külső feltételeknek serkentő és elnyomó hatása is lehet. Az önszerveződés során a kezdetben rendezetlen rendszer részei közötti lokális interakciókból valamilyen általános rend alakul ki. A folyamat akkor lehet spontán, ha elegendő mennyiségű energia áll rendelkezésre, amelyhez nincs szükség külső ágens irányítására.
Az eredmény a következő minőségi szint egységének megjelenése. Az önszerveződés leírásának megközelítésétől függően a definíció tartalmazza a rendszer jellemzőit, a belső tényező típusát és a folyamat jellemzőit. Az így létrejövő szervezet teljesen decentralizált, a rendszer minden összetevője között elosztva. Általános szabály, hogy a szervezet stabil és képes túlélni vagy önállóan kiküszöbölni a jelentős zavarokat. A káoszelmélet az önszerveződést a kiszámíthatóság szigeteiként szemléli a kaotikus kiszámíthatatlanság tengerében. Az önszerveződés számos fizikai , kémiai , biológiai , robot- és kognitív rendszerben fordul elő. Az önszerveződés példái közé tartozik a kristályosodás , a folyadékok termikus konvekciója , a kémiai fluktuációk , az állatok rajzása , a neurális hálózatok és a földalatti gazdaság .
Az önszerveződés jelenségéhez nagyon közel áll a rendszerek önrendeződésének jelensége ( vagyis az önszerveződéssel kapcsolatos szűkebb fogalom).
Az önszerveződést mind a nem egyensúlyi folyamatok fizikájában, mind a kémiai reakciókban használják , ahol gyakran önszerveződésként írják le [1] . A biológiában ezt a koncepciót a molekuláris szinttől az ökoszisztéma szintjéig alkalmazzák [2] . Az önszerveződő magatartásra felhozott példák számos más tudományág irodalmában is megtalálhatók, mind a természettudományokban , mind a társadalomtudományokban , mint például a közgazdaságtan vagy az antropológia . Az önszerveződést olyan matematikai rendszerekben is megfigyelték, mint a sejtautomaták [3] . Az önszerveződés az előbukkanás fogalmához kapcsolódik [4] .
Az önszerveződés négy fő összetevőn alapul:
William Ross Ashby kibernetikus 1947-ben fogalmazta meg az önszerveződés eredeti elvét. Azt állítja, hogy minden determinisztikus dinamikus rendszer automatikusan egyensúlyi állapotba fejlődik, amely a környező állapotok halmazában lévő attraktor segítségével írható le [6] . Ha ott van, a rendszer további fejlődése kénytelen az attraktorban maradni. Ez a megszorítás magában foglalja az alkotóelemei vagy alrendszerei közötti kölcsönös függést vagy koordinációt. Ashby kifejezésével minden alrendszer alkalmazkodott az összes többi alrendszer által alakított környezethez [7] .
Heinz von Foerster kibernetikus 1960-ban fogalmazta meg a „ rend a zajból” elvét . Megjegyzi, hogy az önszerveződést véletlenszerű perturbációk ("zaj") segítik, amelyek lehetővé teszik a rendszer számára, hogy feltárja az állapotterében lévő számos állapotot . Ez növeli annak esélyét, hogy a rendszer egy "erős" vagy "mély" attraktor -medencébe kerül, ahonnan aztán gyorsan magába az attraktorba kerül. Henri Atlan biofizikus ezt a koncepciót a "zajból eredő összetettség" (fr. le principe de complexité par le bruit) [8] elvét javasolta . Ilya Prigogine termodinamikus hasonló elvet fogalmazott meg: „rend a fluktuációkon keresztül ” [9] vagy „rend a káoszból” [10] . A szimulációs lágyítási módszerben alkalmazzák problémamegoldásra és gépi tanulásra .
Az az elképzelés, hogy egy rendszer dinamikája szervezettségének növekedéséhez vezethet, hosszú múltra tekint vissza. Az ókori atomisták , mint például Démokritosz és Lucretius , úgy vélték, hogy nincs szükség tervező elmére ahhoz, hogy rendet teremtsenek a természetben, és azzal érveltek, hogy elegendő idő, tér és anyag birtokában a rend magától jön létre [11] .
A rendszerben annak belső dinamikájából adódó rendeződés hipotézisét R. Descartes filozófus fogalmazta meg a „ Módszerről szóló diskurzus ” ötödik részében . Ezt a gondolatot később a Le Monde című könyvében fejtette ki.
Immanuel Kant az „önszerveződés” kifejezést használta az 1790-es ítélet kritikájában, ahol azt állította, hogy a teleológia csak akkor értelmes fogalom, ha van egy ilyen entitás, amelynek részei vagy „szervei” egyszerre cél és eszköz. Egy ilyen szervrendszernek képesnek kell lennie arra, hogy úgy viselkedjen, mintha saját elméje lenne, vagyis képesnek kell lennie arra, hogy uralkodjon önmagán [12] . I. Kant egy köd- hipotézist terjesztett elő , amely szerint a bolygók az anyagban rejlő vonzás és taszítás hatására keletkeztek a ködből [13] .
Megjegyzendő, hogy a rend és az önszerveződés spontán létrejöttéről alkotott elképzelések nem azonosak. Démokritosz atomizmusa vagy Boltzmann statisztikája véletlennek tekinti a rend létrejöttét, a rend kategóriája pedig szubjektív, a rend jelenléte látszólagos.
A termodinamika második főtétele , amelyet Sadi Carnot és Rudolf Clausius fedezett fel a 19. században, kimondja, hogy a teljes entrópia , amelyet néha rendezetlenségként is értelmeznek, egy elszigetelt rendszerben idővel mindig növekedni fog . Ez azt jelenti, hogy a rendszer nem tudja spontán módon növelni a sorrendjét külső csatolás nélkül, amely csökkenti a rendet a rendszer más részein (például alacsony entrópiájú akkumulátor energia fogyasztása és nagy entrópiájú hő elvezetése révén) [14] [15] .
1947 -ben a kifejezés megjelent William Ashby ( eng. WR Ashby ) "Az önszerveződő dinamikus rendszer alapelvei" [16] tudományos publikációjában . Az 1960-as években a rendszerelméletben használták a kifejezést , az 1970-es és 1980 -as években pedig a komplex rendszerfizikában kezdték használni .
2008-09-ben kezdett kialakulni az irányított önszerveződés fogalma. Ennek a megközelítésnek az a célja, hogy szabályozza a meghatározott célú önszerveződést, hogy egy dinamikus rendszer bizonyos vonzerőket vagy eredményeket érhessen el. A szabályozás korlátozza az önszerveződő folyamatot egy komplex rendszeren belül azáltal, hogy korlátozza a rendszerelemek közötti helyi interakciókat, nem pedig explicit vezérlőmechanizmust vagy globális tervezési tervet. A kívánt eredményeket, például az így létrejövő belső struktúra és/vagy funkcionalitás növelését a feladatfüggetlen globális célok és a helyi interakciók feladatfüggő korlátainak kombinálásával érik el [17] [18] .
G. Haken , a szinergetika megalapítója az önszerveződés tudományaként határozta meg. A 21. századig úgy tűnt, hogy a szinergetika monopóliummal rendelkezik az önszerveződés leírásában. A természettudományok képviselőinek nanotechnológiai együttműködése kapcsán kiderült, hogy a szupramolekuláris kémia és az evolúcióbiológia területén az önszerveződés fogalmát másképpen definiálják, mint a szinergetikában. Ráadásul a szinergetika keretein belül adott definíció e tudomány interdiszciplinaritása miatt a különböző tudományterületeken összemosódott, elmosódottá vált.
A fizikában számos önszerveződő jelenség közé tartozik a fázisátalakulás és a spontán szimmetriatörés , mint például a spontán mágnesezés és a kristálynövekedés a klasszikus fizikában , valamint a lézerek [19] , a szupravezetés és a Bose-Einstein kondenzáció a kvantumfizikában . Megfigyelhetők dinamikus rendszerekben , tribológiában , spin habban és hurokkvantumgravitációban [20] , vízgyűjtőkben és deltákban , dendrites megszilárdulásban és turbulens szerkezetben [2] [3] .
Az önszerveződés a kémiában magában foglalja a molekuláris önszerveződést [21] , a reakció-diffúziós rendszereket és az oszcillációs reakciókat [22] , az autokatalitikus hálózatokat [23] , a folyadékkristályokat , a hálózati komplexeket , a kolloid kristályokat , az önszerveződő monorétegeket [24] , a micellákat , kopolimer blokkok és filmek mikrofázisú szétválasztása Langmuir-Blodgett [25] .
Az önszerveződés a biológiában [26] megfigyelhető a fehérjék és más biomakromolekulák spontán feltekeredésében , a lipid kettősrétegű membránok képződésében, a fejlődésbiológiában a mintázatban és morfogenezisben , az emberi mozgások koordinációjában, a rovarok ( méhek , hangyák , termeszek ) szociális viselkedésében . 27] és emlősök , valamint a madarak és halak iskolai viselkedése [28] .
Stuart Kaufman matematikus biológus és más strukturalisták azt javasolták, hogy az önszerveződés a természetes szelekció mellett szerepet játszhat az evolúciós biológia három területén , nevezetesen a populációdinamikában , a molekuláris evolúcióban és a morfogenezisben . Ez azonban nem veszi figyelembe az energia alapvető szerepét a sejtekben zajló biokémiai reakciók szabályozásában . Bármely cellában a reakciórendszerek önkatalizáltak , nem csak önszerveződőek, hanem nyitott termodinamikai rendszerek , amelyek folyamatos energiaellátástól függenek [29] [30] . Az önszerveződés nem alternatívája a természetes szelekciónak , de korlátozza az evolúció lehetőségeit, és olyan mechanizmusokat biztosít, mint például a membrán önszerveződése , amelyet az evolúció kihasznál [31] .
A matematikából és a számítástechnikából származó számos jelenség, például a sejtautomaták, a véletlenszerű gráfok , valamint az evolúciós modellezés és a mesterséges élet néhány példája az önszerveződési jellemzőket mutatja. A rajrobotikában az önszerveződést a kialakuló viselkedés kialakítására használják . Különösen a véletlen gráfelméletet használták az önszerveződés indoklásaként, mint az összetett rendszerek általános elve . Az önszerveződő viselkedés megjelenítésére képes többágens rendszerek tervezése aktív kutatási terület [32] . Az optimalizáló algoritmusok önszerveződőnek tekinthetők, mivel a probléma optimális megoldását célozzák. Ha a megoldást egy iteratív rendszer állapotának tekintjük, akkor az optimális megoldás a rendszer konvergens szerkezete [33] [34] . Az önszervező hálózatok közé tartoznak a "kis világ" hálózatok [35] , az önstabilizáló [36] és a skálamentes hálózatok . Alulról felfelé irányuló interakciókból jönnek létre, ellentétben a szervezeteken belüli felülről lefelé hierarchikus hálózatokkal , amelyek nem önszerveződnek [37] . A számítási felhő rendszerek eredendően önszerveződnek, és rendelkeznek némi autonómiával [38] , de nem önkormányzók, mert nem céljuk saját komplexitásuk csökkentését [39] [40] .
Norbert Wiener a fekete doboz automatikus szekvenciális azonosítását és ezt követő reprodukálását a kibernetika önszerveződésének tekintette [41] . A fáziszárás, vagy ahogy ő nevezte "frekvenciavonzás" fontosságát Cybernetics: Control and Communication in Animal and Machine [ 42] című könyvének 2. kiadása tárgyalja . Eric Drexler az önreplikációt a nanoassembler kulcsfontosságú lépésének tekinti . Az 1970-es években Stafford Beer az önszerveződést az élő rendszerek autonómiájához szükségesnek látta . Életképes rendszermodelljét alkalmazta a menedzsmentben. Ez a modell öt részből áll: a túlélési folyamatok hatékonyságának monitorozása (1), ezek kezelése a szabályozás rekurzív alkalmazásával (2), a homeosztatikus működési vezérlés (3) és a fejlesztés (4), amelyek az azonosságot (5) fenntartják az alábbi feltételek mellett. környezeti zavarás [43] . Különös figyelmet fordítanak az "algedon hurok" zavaró visszacsatolására: a fájdalomra és az élvezetre egyaránt, amelyet a standard képességekhez képest elégtelen vagy túlzott teljesítmény okoz.
A társas állatok önszerveződő magatartása és az egyszerű matematikai struktúrák önszerveződése azt sugallja, hogy az emberi társadalomban is kell önszerveződni. Az önszerveződés fő jellemzői általában az önszerveződő fizikai rendszerekre jellemző statisztikai tulajdonságok. Például a kritikus tömeg , a csorda viselkedése , a csoportgondolkodás és mások bővelkednek a szociológiában , a közgazdaságtanban , a viselkedési pénzügyekben és az antropológiában .
A társadalomelméletben az önreferencia fogalmát Niklas Luhmann az önszerveződés elméletének szociológiai alkalmazásaként vezette be. Luhmann szerint a társadalmi rendszer elemei az öntermelő kommunikáció, vagyis a kommunikáció további kommunikációt produkál, és ennélfogva egy társadalmi rendszer képes reprodukálni önmagát mindaddig, amíg a dinamikus kommunikáció létezik. Luhmann elméletében az emberek szenzorok a rendszerkörnyezetben. Luhmann evolúciós elméletet dolgozott ki a társadalomról és alrendszereiről funkcionális elemzés és rendszerelmélet segítségével [44] .
A közgazdaságtanban a piacgazdaságot néha önszerveződő gazdaságnak is nevezik. Paul Krugman The Self-Organizing Economy [45] című könyvében írt a piaci önszerveződés üzleti ciklusban betöltött szerepéről . Friedrich Hayek a katalktikus kifejezést az "önkéntes együttműködés önszerveződő rendszerének" leírására alkotta meg a szabad piacgazdaság spontán rendje kapcsán [46] . A neoklasszikus közgazdászok úgy vélik, hogy a központi tervezés előírása általában kevésbé hatékonyan teszi az önszerveződő gazdasági rendszert. Másrészt a közgazdászok úgy vélik, hogy a piaci kudarcok olyan jelentősek, hogy az önszerveződés rossz eredményekhez vezet, és az államnak kell irányítania a termelést és az árképzést . A legtöbb közgazdász köztes álláspontot képvisel, és a piac- és parancsgazdaság jellemzőinek kombinációját ajánlja, amelyet vegyes gazdaságnak neveznek .
Ha lehetőséget adunk másoknak a „tanulni tanulni”, azt gyakran úgy értelmezik, hogy megmondjuk nekik, hogyan kell alárendelni magukat a tanításnak [47] [48] . Az önirányított tanulás tagadja, hogy "a szakértő tudja a legjobban", vagy hogy létezik "egy legjobb módszer" [49] , ehelyett ragaszkodik a "személyesen értelmes, releváns és életképes jelentés megalkotásához", amelyet a hallgatónak empirikusan kell tesztelnie [50] ] . Egész életen át tartó folyamatnak tekintik, amely nem korlátozódik egy adott tanulási környezetre (otthon, iskola, egyetem), vagy nem olyan hatóságok ellenőrzése alatt áll, mint a szülők és a tanárok [51] . Az elsajátított ismereteket személyes tapasztalatokon keresztül ellenőrizni és időszakonként felül kell vizsgálni. Fridtjof Capra azzal érvelt, hogy az önszerveződést kevéssé ismerik el a pszichológia és az oktatási rendszer tudományos területén [52] . Ez történhet oktatási beszélgetés, tanulók közötti párbeszéd vagy mentális párbeszéd formájában egy tanulóval [53] .
A járművezetők önszerveződő magatartása a forgalomban meghatározza a forgalom szinte minden térbeli és időbeli jellemzőjét, mint például az autópálya szűk keresztmetszetében a forgalom megszakítása, az autópálya áteresztőképessége és a forgalmi dugók kialakulása . 1996-2002 között ezeket az összetett önszerveződő hatásokat Boris Kerner háromfázisú mozgáselmélete magyarázta [54] .
A rend spontán módon jön létre a nyelv evolúciójában, ahogy az egyén és a populáció viselkedése kölcsönhatásba lép a biológiai evolúcióval [55] .
A Self Organised Funding Allocation (SOFA) a kutatási finanszírozás elosztásának egyik módja . Ebben a rendszerben minden kutató azonos összegű finanszírozást kap, és pénzeszközeinek egy részét névtelenül mások kutatására kell fordítania. A SOFA támogatói azzal érvelnek, hogy ennek eredményeképpen a finanszírozás a jelenlegi támogatási rendszerrel megegyezően lesz elosztva , de kevesebb rezsivel [56] . 2016-ban megkezdődött a SOFA projekt [57] tesztelése Hollandiában .
A definíciót G. Haken adta az 1980-as években. szinergia keretében:
„Az önszerveződés egy nyitott rendszerben a rendeződés (térbeli, időbeli vagy téridőbeli) folyamata, amely az alkotóelemek számos elemének összehangolt kölcsönhatása miatt következik be.”
A rendszer jellemzői:
A folyamat jellemzői:
A fogalom definíciójának egyértelműsége, a rendszer és a folyamat jellemzőivel való kapcsolata érdekében rendszerint az önszerveződés három standard példájának egyikére hivatkozunk:
A Nobel-díjas Ilja Prigozsin megalkotta a Belousov-Zhabotinsky reakció nemlineáris modelljét, az úgynevezett brusselatort . Mivel az ilyen rendszerekben a rendezés energia beáramlását vagy entrópia kiáramlását, annak disszipációját követeli meg, Prigogine ezeket a rendszereket disszipatívnak nevezte . A nemlinearitás , egynél több stabil állapot jelenléte miatt ezekben a rendszerekben sem a termodinamika második főtétele , sem a Prigogine-tétel az entrópiatermelés minimális sebességéről nem teljesül bennük . Vannak azonban példák téridő-disszipatív struktúrákra – lamináris égés autohullámai és hőhullámok (autohullámok) egy mozdulatlan katalizátor rétegében, amelyeknél a rendszerben a teljes entrópiatermelés a probléma autohullámos megoldásának függvénye (a Ljapunov). termodinamikai függvény). A minimuma pedig a probléma fizikailag értelmes megoldásának felel meg [59] .
A fázisátalakulással rendelkező önszerveződő rendszerek leírásával analóg módon a disszipatív önszerveződést fázisátalakulásnak nevezzük egy nem egyensúlyi rendszerben .
A szinergetikai módszereket szinte minden tudományterületen alkalmazták, a fizikától és a kémiától a szociológiáig és filológiáig . A városépítést és a neurális hálózatokat disszipatív struktúráknak nevezik . Az utóbbi időben gyakorlatilag megszűnt a kezdetben szükséges nemlineáris egyenletek matematikai apparátusának alkalmazása . Ez oda vezetett, hogy minden természetes eredetű rendszert, amely nem tartozik az egyensúlyi termodinamika kompetenciájába , önszerveződőnek kezdtek tekinteni.
1987 -ben egy másik Nobel-díjas, Jean-Marie Lehn , a szupramolekuláris kémia megalapítója bemutatta az „önszerveződés” és az „ önszerveződés ” kifejezések, mivel a makromolekuláris vegyületek rendszereiben egyensúlyi körülmények között kialakuló rendeződés jelenségeit, különösen a DNS képződését le kell írni .
Az anyag nanoállapotban történő tanulmányozása, a kristályosodási folyamat során külső hatás nélkül kialakuló komplex szerkezet kialakulása szintén szükségessé tette e jelenségek önszerveződő leírását. De a szinergetikus megközelítéssel ellentétben ezek a jelenségek a termodinamikai egyensúlyhoz közeli körülmények között fordulnak elő .
Így az egyensúlyi fázisátalakulások, például a kristályosodás is önszerveződőnek bizonyultak. A zűrzavar kiküszöbölésére az egyensúlyi feltételek melletti rendeződés jelenségét gyakran konzervatív önszerveződésként definiálják.
Az evolúciós katalízis koncepciója, amelyet A. P. Rudenko dolgozott ki , a biológiai rendszerek önszerveződésének alternatív koncepciója. Ellentétben a koherens önszerveződéssel a nagyszámú elemet tartalmazó disszipatív rendszerekben (makrorendszerekben), az egyéni (mikro-) rendszerek esetében a folyamatos önszerveződésről van szó. E megközelítés keretein belül meghatározásra került, hogy az önszerveződés, mint a rendszer önfejlesztése az egyensúly elleni belső hasznos munka következtében jön létre. A természetes szelekcióval történő progresszív evolúció csak az egyes rendszerek folyamatos önszerveződésének önfejlesztéseként lehetséges.
| Geometriai minták a természetben | ||
|---|---|---|
| minták | ||
| Folyamatok | ||
| Kutatók |
| |
| Kapcsolódó cikkek |
| |