Введение

Самоорганизация, также называемая спонтанным порядком в социальных науках, – это процесс, в котором некоторая форма общего порядка возникает из локальных взаимодействий между частями изначально неупорядоченной системы. Этот процесс может быть спонтанным при наличии достаточного количества энергии и не требует управления каким-либо внешним агентом. Он часто запускается, казалось бы, случайными флуктуациями, которые усиливаются положительной обратной связью. Получающаяся организация полностью децентрализована и распределена по всем компонентам системы. Благодаря этому организация обычно устойчива и способна выдерживать или самостоятельно восстанавливаться после существенных возмущений. Теория хаоса рассматривает самоорганизацию с точки зрения «островов» предсказуемости в «море» хаотической непредсказуемости. Самоорганизация наблюдается во многих физических, химических, биологических, роботизированных и когнитивных системах. Примеры самоорганизации включают кристаллизацию, тепловую конвекцию жидкостей, химические колебания, стайность животных, нейронные сети и чёрный рынок.

Принципы

Кибернетик Уильям Росс Эшби сформулировал первоначальный принцип самоорганизации в 1947 году. Он гласит, что любая детерминированная динамическая система автоматически эволюционирует к состоянию равновесия, которое можно описать в терминах аттрактора в бассейне окружающих состояний. Достигнув этого состояния, дальнейшая эволюция системы ограничивается поддержанием её нахождения в пределах аттрактора. Это ограничение подразумевает форму взаимной зависимости или координации между составляющими компонентами или подсистемами. По мнению Эшби, каждая подсистема адаптируется к среде, формируемой всеми остальными подсистемами. Отмечается, что самоорганизации способствуют случайные возмущения ("шум"), позволяющие системе исследовать различные состояния в пространстве состояний. Это повышает вероятность того, что система достигнет бассейна "сильного" или "глубокого" аттрактора, из которого она затем быстро переходит в сам аттрактор. Биофизик Анри Атлан развил эту концепцию, предложив принцип "сложности из шума" сначала в книге 1972 года "Биологическая организация и теория информации", а затем в книге 1979 года "Между кристаллом и дымом". Физик и химик Илья Пригожин сформулировал аналогичный принцип как "порядок через флуктуации" или "порядок из хаоса". Он применяется в методе имитации отжига для решения задач и машинного обучения.

История

Идея о том, что динамика системы может привести к увеличению ее организации, имеет давнюю историю. Древние атомисты, такие как Демокрит и Лукреций, считали, что для создания порядка в природе не требуется разумный замысел, утверждая, что при достаточном количестве времени, пространства и материи порядок возникает сам по себе. Философ Рене Декарт гипотетически представил самоорганизацию в пятой части своего "Рассуждения о методе" 1637 года. Он более подробно разработал эту идею в своей неопубликованной работе "Мир". Иммануил Кант использовал термин "самоорганизующийся" в своей "Критике способности суждения" 1790 года, где утверждал, что телеология является осмысленной концепцией только в том случае, если существует сущность, чьи части или "органы" одновременно являются и целями, и средствами. Такая система органов должна быть способна вести себя так, как будто обладает собственным разумом, то есть способна к самоуправлению. В таком природном образовании, как это, каждая часть рассматривается как результат деятельности всех остальных частей и как существующая ради других и целого, то есть как инструмент или орган. Часть должна быть органом, производящим другие части, – каждая, следовательно, взаимно производящая другие. Только при этих условиях и на их основе такое образование может быть организованным и самоорганизующимся существом и, как таковое, называться физической целью. В XVIII веке мыслители стремились понять "универсальные законы формы", чтобы объяснить наблюдаемые формы живых организмов. Эта идея была связана с ламаркизмом и утратила свою репутацию до начала XX века, когда Д’Арси Вентворт Томпсон (1860–1948) попытался возродить ее. Психиатр и инженер У. Росс Эшби в 1947 году ввел термин "самоорганизация" в современную науку. Норберт Винер развил эту идею во втором издании своей книги "Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине" (1961). Самоорганизация была связана с общей теорией систем в 1960-х годах, но не получила широкого распространения в научной литературе до тех пор, пока физики Германн Хакен и другие, а также исследователи сложных систем не стали использовать ее в более широком контексте, начиная с космологии Эриха Янтша, химии диссипативных систем, биологии и социологии (как автопоэзис) и заканчивая системным мышлением в 1980-х годах (Институт Санта-Фе) и 1990-х годах (сложные адаптивные системы), вплоть до наших дней с появлением прорывных технологий, основанных на теории ризоматических сетей. Около 2008–2009 годов начала формироваться концепция управляемой самоорганизации. Этот подход направлен на регулирование самоорганизации для достижения конкретных целей, чтобы динамическая система могла достичь определенных аттракторов или результатов. Регулирование ограничивает самоорганизующийся процесс в сложной системе, ограничивая локальные взаимодействия между компонентами системы, а не следуя явному механизму управления или глобальному проекту. Желаемые результаты, такие как увеличение внутренней структуры и/или функциональности, достигаются путем сочетания глобальных целей, не зависящих от конкретной задачи, с ограничениями, зависящими от задачи, на локальные взаимодействия.

Биология

Самоорганизация в биологии может наблюдаться в спонтанном сворачивании белков и других биомакромолекул, самосборке липидных бислойных мембран, формировании узоров и морфогенезе в биологии развития, координации человеческих движений, эусоциальном поведении у насекомых (пчел, муравьев, термитов) и млекопитающих, а также в стайном поведении птиц и рыб. Математический биолог Стюарт Кауфман и другие сторонники структурного подхода предположили, что самоорганизация может играть роль наряду с естественным отбором в трех областях эволюционной биологии, а именно в динамике популяций, молекулярной эволюции и морфогенезе. Однако это не учитывает существенную роль энергии в обеспечении биохимических реакций в клетках. Системы реакций в любой клетке являются самокатализирующими, но не просто самоорганизующимися, поскольку они представляют собой термодинамически открытые системы, требующие постоянного притока энергии. Самоорганизация не является альтернативой естественному отбору, но она ограничивает возможности эволюции и предоставляет механизмы, такие как самосборка мембран, которые затем используются эволюцией. Эволюция порядка в живых системах и возникновение порядка в некоторых неживых системах, как было предложено, подчиняются общему фундаментальному принципу, названному «дарвиновской динамикой», который был сформулирован путем первоначального рассмотрения того, как микроскопический порядок возникает в простых небиологических системах, далеких от термодинамического равновесия. Затем рассмотрение было расширено на короткие, реплицирующиеся молекулы РНК, которые предположительно были похожи на самые ранние формы жизни в РНК-мире. Было показано, что лежащие в основе процессы самоорганизации, генерирующие порядок в небиологических системах и в репликации РНК, в основном схожи.

Космология

В своей конференции 1995 года "Космология как проблема критических явлений" Ли Смолин утверждал, что ряд космологических объектов или явлений, таких как спиральные галактики, процессы формирования галактик в целом, образование ранних структур, квантовая гравитация и крупномасштабная структура Вселенной, могли быть результатом или включать в себя определенную степень самоорганизации. Он полагает, что самоорганизующиеся системы часто являются критическими, с распространением структуры в пространстве и времени по всем доступным масштабам, что продемонстрировали, например, Пер Бак и его коллеги. Следовательно, поскольку распределение материи во Вселенной в значительной степени масштабно-инвариантно на протяжении многих порядков величин, идеи и подходы, разработанные при изучении самоорганизующихся систем, могут оказаться полезными при решении некоторых нерешенных проблем в космологии и астрофизике.

Информатика

Феномены из математики и информатики, такие как клеточные автоматы, случайные графы и некоторые примеры эволюционных вычислений и искусственной жизни, демонстрируют признаки самоорганизации. В роевой робототехнике самоорганизация используется для достижения эмерджентного поведения. В частности, теория случайных графов использовалась для обоснования самоорганизации как общего принципа сложных систем. В области многоагентных систем активным направлением исследований является понимание того, как разрабатывать системы, способные демонстрировать самоорганизованное поведение. Алгоритмы оптимизации можно рассматривать как самоорганизующиеся, поскольку они стремятся найти оптимальное решение задачи. Если решение рассматривается как состояние итеративной системы, то оптимальное решение представляет собой выбранную, сошедшуюся структуру системы. К самоорганизующимся сетям относятся сети малого мира, самостабилизирующиеся сети и сети без масштаба. Они возникают в результате взаимодействия снизу вверх, в отличие от иерархических сетей в организациях, которые не являются самоорганизующимися. Утверждается, что облачные вычислительные системы по своей природе самоорганизуются, однако, несмотря на некоторую автономию, они не являются саморегулирующимися, поскольку не ставят перед собой цель уменьшения собственной сложности.

Кибернетика

Норберт Винер рассматривал автоматическую последовательную идентификацию «черного ящика» и его последующее воспроизведение как самоорганизацию в кибернетике. Важность фазовой синхронизации, или «притяжения частот», как он это называл, обсуждается во втором издании его труда «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине». К. Эрик Дрекслер считает саморепликацию ключевым этапом в нано- и универсальной сборке. В отличие от этого, четыре одновременно соединенных гальванометра гомеостата У. Росса Эшби, при воздействии возмущения, стремятся к одному из множества возможных стабильных состояний. Эшби использовал свою меру разнообразия, основанную на подсчете состояний, для описания стабильных состояний и сформулировал теорему «Хорошего регулятора», которая требует наличия внутренних моделей для самоорганизованной устойчивости и стабильности (например, критерий устойчивости Найквиста). Уоррен МакКаллок предложил концепцию «избыточности потенциального управления» как характеристику организации мозга и человеческой нервной системы и необходимое условие для самоорганизации. Хайнц фон Фёрстер предложил показатель избыточности: R = 1 − H/Hmax, где H – энтропия. По сути, это означает, что неиспользованная потенциальная пропускная способность канала связи является мерой самоорганизации. В 1970-х годах Стаффорд Бир считал самоорганизацию необходимой для автономии в устойчивых и живых системах. Он применил свою модель жизнеспособной системы к управлению. Она состоит из пяти частей: мониторинга эффективности процессов выживания (1), их управления посредством рекурсивного применения регулирования (2), гомеостатического оперативного управления (3) и развития (4), которые обеспечивают поддержание идентичности (5) при воздействии внешней среды. Приоритет фокусировки определяется оповещающей обратной связью «алгедонической петли»: чувствительностью как к боли, так и к удовольствию, возникающей при недостаточной или избыточной производительности по сравнению со стандартными возможностями. В 1990-х годах Гордон Паск утверждал, что H и Hmax фон Фёрстера не были независимыми, а взаимодействовали посредством бесконечного числа рекурсивных параллельных спиновых процессов, чтобы сформулировать общий принцип самоорганизации, основанный на спине. Его предписание, принцип исключения, «Нет двойников» означает, что два понятия не могут быть идентичными. Со временем все понятия притягиваются и сливаются в розовый шум. Теория применима ко всем организационно замкнутым или гомеостатическим процессам, которые производят устойчивые и когерентные продукты, способные к развитию, обучению и адаптации.

Социология

Самоорганизующееся поведение социальных животных и самоорганизация простых математических структур позволяют предположить, что самоорганизация должна проявляться и в человеческом обществе. Признаками самоорганизации обычно служат статистические свойства, общие для самоорганизующихся физических систем. Примеры, такие как критическая масса, стадное поведение, групповое мышление и другие, широко распространены в социологии, экономике, поведенческих финансах и антропологии. На спонтанный порядок может влиять возбуждение. В социальной теории концепция самореференциальности была предложена Никласом Луманном (1984) как социологическое применение теории самоорганизации. Для Луманна элементы социальной системы – это самовоспроизводящиеся коммуникации, то есть коммуникация порождает дальнейшие коммуникации, и, следовательно, социальная система может воспроизводить себя, пока существует динамичная коммуникация. По мнению Луманна, люди выступают в роли сенсоров в среде системы. Луманн разработал эволюционную теорию общества и его подсистем, используя функциональный анализ и теорию систем.

Экономика

Иногда утверждают, что рыночная экономика самоорганизуется. Пол Кругман посвятил роль рыночной самоорганизации в экономическом цикле своей книге «Самоорганизующаяся экономика». Фридрих Хайек ввел термин «каталаксия» для описания «самоорганизующейся системы добровольного сотрудничества» в контексте спонтанного порядка, возникающего в условиях свободной рыночной экономики. Неоклассические экономисты полагают, что навязывание централизованного планирования обычно снижает эффективность самоорганизующейся экономической системы. С другой стороны, некоторые экономисты считают, что рыночные провалы настолько существенны, что самоорганизация приводит к нежелательным результатам, и государство должно регулировать производство и ценообразование. Большинство экономистов придерживаются умеренной позиции и рекомендуют сочетание элементов рыночной и командной экономики (иногда называемой смешанной экономикой). Применительно к экономике, концепция самоорганизации может быстро приобретать идеологическую окраску.

Учиться

Позволять другим "учиться учиться" часто воспринимается как обучение их подчинению процессу обучения. Самоорганизованное обучение (SOL) отвергает представление о том, что "эксперт лучше знает" или что существует "единственно верный метод", настаивая вместо этого на "создании личностно значимого, актуального и применимого смысла", который обучающийся должен проверить на практике. Это может быть совместной деятельностью и приносить больше личного удовлетворения. Это рассматривается как процесс, продолжающийся на протяжении всей жизни, не ограничивающийся конкретными образовательными средами (домом, школой, университетом) и не находящийся под контролем авторитетов, таких как родители и преподаватели. Он требует проверки и периодического пересмотра на основе личного опыта обучающегося. Он не должен быть ограничен сознанием или языком. Фрицёф Капра утверждал, что это недостаточно признается в психологии и образовании. Это может быть связано с кибернетикой, поскольку включает в себя контур управления с отрицательной обратной связью, или с теорией систем. Это может происходить как учебная беседа или диалог между обучающимися или внутри одного человека.

Транспортировка

Самоорганизующееся поведение водителей в транспортном потоке определяет почти все пространственно-временные характеристики движения, такие как коллапс трафика на узком участке автомагистрали, пропускная способность автомагистрали и возникновение движущихся заторов. Эти эффекты самоорганизации объясняются трехфазной теорией трафика Бориса Кернера.

Лингвистика

Порядок возникает спонтанно в процессе эволюции языка, в результате взаимодействия индивидуального и популяционного поведения с биологической эволюцией.

Исследования

Самоорганизованное финансирование (SOFA) — это метод распределения средств на научные исследования. В этой системе каждому исследователю выделяется одинаковая сумма средств, и он должен анонимно перераспределять часть этих средств на исследования коллег. Сторонники SOFA утверждают, что это привело бы к распределению финансирования, схожему с существующей грантовой системой, но с меньшими административными издержками. В 2016 году в Нидерландах был запущен пилотный проект SOFA.