Самоорганиза́ция — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт внутренних факторов, без специфического внешнего воздействия, хотя внешние условия могут иметь как стимулирующий, так и подавляющий эффект. В ходе самоорганизации некоторая форма общего порядка возникает из локальных взаимодействий между частями изначально неупорядоченной системы. Процесс может быть спонтанным, когда имеется достаточное количество энергии, не требующей контроля со стороны внешнего агента.
Результат — появление единицы следующего качественного уровня. В зависимости от подхода к описанию самоорганизации в определение включают характеристики системы, тип внутреннего фактора, особенности процесса. Полученная в результате организация полностью децентрализована, распределена по всем компонентам системы. Как правило, организация устойчива и способна пережить или самостоятельно устранить существенные возмущения. Теория хаоса рассматривает самоорганизацию в терминах островов предсказуемости в море хаотической непредсказуемости. Самоорганизация происходит во многих физических, химических, биологических, роботизированных и когнитивных системах. Примеры самоорганизации включают кристаллизацию, тепловую конвекцию жидкостей, химические колебания, роение животных, нервные сети и теневую экономику.
Очень близким к явлению самоорганизации является явление самоупорядоченности систем (то есть более узким по отношению к самоорганизации понятием).
Самоорганизация используется как в физике неравновесных процессов, так и в химических реакциях, где она часто описывается как самосборкаGlansdorff, P., Prigogine, I. (1971). Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations, Wiley-Interscience, London. ISBN 0-471-30280-5. В биологии эта концепция применяется от молекулярного до экосистемного уровняCamazine, Scott (2003). Self-organization in Biological Systems. Princeton studies in complexity (reprint ed.). Princeton University Press. ISBN 9780691116242.. Приведенные примеры самоорганизующегося поведения также встречаются в литературе многих других дисциплин, как в естественных, так и в социальных науках, таких как экономика или антропология. Самоорганизация также наблюдалась в математических системах, таких как клеточные автоматыIlachinski, Andrew (2001). Cellular Automata: A Discrete Universe . World Scientific. p. 247. ISBN 9789812381835.. Самоорганизация связана с концепцией эмерджентностиFeltz, Bernard; et al. (2006). Self-organization and Emergence in Life Sciences. p. 1. ISBN 978-1-402-03916-4..
Самоорганизация опирается на четыре основных компонента:
сильная динамическая нелинейность, часто, хотя и не обязательно включающая положительную и отрицательную обратную связь; баланс использования и исследования; множественные взаимодействия; наличие энергии (для преодоления естественной энтропии).
Принципы Кибернетик Уильям Росс Эшби сформулировал оригинальный принцип самоорганизации в 1947 году. Он утверждает, что любая детерминированная динамическая система автоматически эволюционирует к состоянию равновесия, которое может быть описано в терминах аттрактора в бассейне окружающих состоянийAshby, W. R. (1962). «Principles of the self-organizing system », pp. 255-78 in Principles of Self-Organization. Heinz von Foerster and George W. Zopf, Jr. (eds.) U.S. Office of Naval Research.. Оказавшись там, дальнейшая эволюция системы вынуждена оставаться в аттракторе. Это ограничение подразумевает определенную форму взаимной зависимости или координации между составляющими её компонентами или подсистемами. В терминах Эшби, каждая подсистема адаптировалась к окружающей среде, сформированной всеми другими подсистемамиAshby, W. R. (1947). «Principles of the Self-Organizing Dynamic System». The Journal of General Psychology. 37 (2): 125-28..
Кибернетик Хейнц фон Фёрстер сформулировал принцип «порядка из шума» в 1960 году. Он отмечает, что самоорганизации способствуют случайные возмущения («шум»), которые позволяют системе исследовать множество состояний в ее пространстве состояний. Это увеличивает вероятность того, что система попадет в бассейн «сильного» или «глубокого» аттрактора, из которого она затем быстро войдет в сам аттрактор. Биофизик Анри Атлан развил эту концепцию, предложив принцип «сложности от шума» (фр.le principe de complexité par le bruit)François, Charles, ed. (2011). International Encyclopedia of Systems and Cybernetics (2nd ed.). Berlin: Walter de Gruyter. p. 107. ISBN 978-3-1109-6801-9.. Термодинамик Илья Пригожин сформулировал аналогичный принцип как «порядок через флуктуации»Nicolis, G. and Prigogine, I. (1977). Self-organization in nonequilibrium systems: From dissipative structures to order through fluctuations. Wiley, New York. или «порядок из хаоса»Prigogine, I. and Stengers, I. (1984). Order out of chaos: Man’s new dialogue with nature. Bantam Books.. 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 долгую историю. Древние атомисты, такие как Демокрит и Лукреций, считали, что проектирующий разум не нужен для создания порядка в природе, утверждая, что при достаточном количестве времени, пространства и материи порядок возникает сам по себеPalmer, Ada (October 2014). Reading Lucretius in the Renaissance . Harvard University Press. ISBN 978-0-674-72557-7..
Гипотеза об упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе». Позже он подробно разработал эту идею в так и не опубликованной книге «Le Monde».
Иммануил Кант использовал термин «самоорганизация» в своей «Критике способности суждения» 1790 года, где он утверждал, что телеология является значимым понятием только в том случае, если существует такая сущность, части или «органы» которой одновременно являются целью и средствами. Такая система органов должна быть способна вести себя так, как будто у нее есть собственный разум, то есть она способна управлять собойGerman Aesthetic. CUP Archive. pp. 64. И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, согласно которой планеты образовались из туманности за счёт притяжения и отталкивания, внутренне присущих материиКант И. Всеобщая естественная история и теория неба ..
Необходимо заметить, что представления о спонтанном возникновении порядка и самоорганизации нетождественны. Атомизм Демокрита или статистика Больцмана рассматривают возникновение порядка как случайность, причём категория порядка является субъективной, наличие порядка кажущееся.
Второй закон термодинамики, открытый Сади Карно и Рудольфом Клаузиусом в 19 веке, утверждает, что полная энтропия, иногда понимаемая как беспорядок, всегда будет увеличиваться с течением времени в изолированной системе. Это означает, что система не может самопроизвольно увеличивать свой порядок без внешней связи, которая уменьшает порядок в других частях системы (например, за счет потребления низкоэнтропийной энергии батареи и рассеивания высокоэнтропийного тепла)Carnot, S. (1824/1986). Reflections on the motive power of fire , Manchester University Press, Manchester UK, ISBN 0-7190-1741-6Clausius, R. (July 1851). «On the Moving Force of Heat, and the Laws regarding the Nature of Heat itself which are deducible therefrom». London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4th. 2 (VIII): 1-21, 102-19..
В 1947 году термин появился в научной публикации Уильяма Эшби () «Principles of the Self-Organizing Dynamic System»Ashby W. R. Principles of the Self-Organizing Dynamic System // Journal of General Psychology. — v. 37. — p. 125—128.. В 1960-е годы термин использовался в теории систем, а в 1970-е — 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.
В 2008-09 гг. начала формироваться концепция управляемой самоорганизации. Этот подход направлен на регулирование самоорганизации для конкретных целей, чтобы динамическая система могла достичь определенных аттракторов или результатов. Регулирование ограничивает самоорганизующийся процесс внутри сложной системы, ограничивая локальные взаимодействия между компонентами системы, а не следуя явному механизму управления или глобальному плану проектирования. Желаемые результаты, такие как увеличение результирующей внутренней структуры и/или функциональности, достигаются путем объединения независимых от задач глобальных целей с зависящими от задач ограничениями на локальные взаимодействияPhys.org, Self-organizing robots: Robotic construction crew needs no foreman (w/ video) , February 13, 2014.Science Daily, Robotic systems: How sensorimotor intelligence may develop… self-organized behaviors , October 27, 2015..
Г. Хакен — основатель синергетики определил её как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий выяснилось, что термин самоорганизация в области супрамолекулярной химии и эволюционной биологии определен иным образом, не как в синергетике. Кроме того, определение, данное в рамках синергетики, благодаря междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечётким.
Физика
Многие самоорганизующиеся явления в физике включают фазовые переходы и спонтанное нарушение симметрии, такие как спонтанное намагничивание и рост кристаллов в классической физике, а также лазерыZeiger, H. J. and Kelley, P. L. (1991) «Lasers», pp. 614-19 in The Encyclopedia of Physics, Second Edition, edited by Lerner, R. and Trigg, G., VCH Publishers., сверхпроводимость и конденсацию Бозе-Эйнштейна в квантовой физике. Их можно наблюдать в динамических системах, в трибологии, в спиновой пене и в петлевой квантовой гравитацииMohammad H. Ansari, Lee Smolin (2004). Self-organized theory in quantum gravity., в речных бассейнах и дельтах, в дендритном затвердевании и в турбулентной структуре.
Химия Самоорганизация в химии включает молекулярную самосборкуLehn, J.-M. (1988). «Perspectives in Supramolecular Chemistry-From Molecular Recognition towards Molecular Information Processing and Self-Organization». Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27 (11): 89-121, реакционно-диффузионные системы и осциллирующие реакцииBray, William C. (1921). «A periodic reaction in homogeneous solution and its relation to catalysis ». Journal of the American Chemical Society. 43 (6): 1262-67, автокаталитические сетиRego, J.A.; Harvey, Jamie A.A.; MacKinnon, Andrew L.; Gatdula, Elysse (January 2010). «Asymmetric synthesis of a highly soluble 'trimeric' analogue of the chiral nematic liquid crystal twist agent Merck S1011» (PDF). Liquid Crystals. 37 (1): 37-43., жидкие кристаллы, сеточные комплексы, коллоидные кристаллы, самособирающиеся монослоиBarlow, S.M.; Raval R.. (2003). «Complex organic molecules at metal surfaces: bonding, organisation and chirality». Surface Science Report. 50 (6-8): 201—341., мицеллы, микрофазное разделение блоков сополимеров и пленки Ленгмюра-БлоджеттаRitu, Harneet (2016). «Large Area Fabrication of Semiconducting Phosphorene by Langmuir-Blodgett Assembly ». Sci. Rep. 6: 34095..
Биология Самоорганизация в биологииCamazine, Deneubourg, Franks, Sneyd, Theraulaz, Bonabeau, Self-Organization in Biological Systems, Princeton University Press, 2003. ISBN 0-691-11624-5. может наблюдаться в спонтанном фолдинге белка и других биомакромолекул, образовании липидных бислойных мембран, формировании паттернов и морфогенезе в биологии развития, координации движений человека, социальном поведении насекомых (пчел, муравьев, термитов)Bonabeau, Eric; et al. (May 1997). «Self-organization in social insects» (PDF). Trends in Ecology & Evolution. 12 (5): 188-93. и млекопитающих, а также стайном поведении птиц и рыбCouzin, Iain D.; Krause, Jens (2003). «Self-Organization and Collective Behavior in Vertebrates» (PDF). Advances in the Study of Behavior. 32: 1-75..