Самоорганізація

Утворення конвективних комірок Бенара при однорідному нагрівання шару рідини — приклад самоорганізації в фізиці

Самоорганіза́ція — термін, який вживається для визначення процесів виникнення складних структур при відсутності нав'язаного зовнішньою дією порядку. Процес, в ході якого створюється, відтворюється або вдосконалюється організація складної динамічної системи.

Самоорганізація виникає у відкритих нелінійних, нерівноважних, складних системах. Одним із проявів самоорганізації вважається виникнення та існування життя. До прикладів самоорганізації належать виникнення автоколивань і періодичних структур на зразок комірок Бенара, автохвилі, бі- та мультистабільність тощо.

Процеси самоорганізації вивчає сучасний міждисциплінарний розділ науки — синергетика.

Концепція самоорганізації одержує поширення не тільки в природознавстві, але й у соціально-гуманітарному пізнанні. Оскільки більшість наук вивчають процеси еволюції систем, то вони змушені аналізувати й механізми їхньої самоорганізації. Наприклад, органи самоорганізації населення — представницькі органи, що створюються жителями, які проживають на законних підставах на певній території, населеному пункті, для вирішення окремих питань місцевого значення.

Самоорганізація та ентропія

Процеси самоорганізації виникають в системах, далеких від стану термодинамічної рівноваги. В рівноважному стані ентропія термодинамічної системи має максимальне значення (дивіться Другий закон термодинаміки), що відповідає максимально можливому безпорядку. Впорядкований стан може виникнути в тому випадку, коли система відкрита, тобто обмінюється енергією і масою з навколишнім середовищем. Такі системи називають дисипативними, оскільки вони розсіюють (дисипують) отриману від зовнішнього джерела енергію. Притік і дисипація енергії відповідають від'ємному потоку ентропії. Так, наприклад, при виникненні комірок Бенара, шар рідини підігрівають знизу. Від'ємний потік ентропії дорівнює

${\frac {dS_{e}}{dt}}={\frac {q}{T_{b}}}-{\frac {q}{T_{t}}}<0$,

де $S_{e}$ — зовнішній вклад у ентропію, $q$ — тепловий потік, $T_{b}$ — температура дна посудини, $T_{t}$ — температура верхнього шару рідини.

В умовах з від'ємним потоком ентропії через систему, її стан вже не обов'язково повинен бути максимально невпорядкованим. Таким чином виникає можливість створення складних впорядкованих структур.

Теорія самоорганізації

Єдиної загальновизнаної теорії самоорганізації нині не існує. У 60-70-х роках XX століття німецький фізик Герман Хакен (H. Haken) і бельгієць російського походження Ілля Романович Пригожин (Prigogine) майже одночасно описали появу складних впорядкованих структур і процесів в нерівноважних системах. І. Пригожин розглядає як самоорганізацію виникнення дисипативних структур - просторово неоднорідних станів в термодинамічно відкритих системах. У синергетики подібним же чином самоорганізацією вважають структурування, поява впорядкованості, періодичності в просторі або часі.

Деякі дослідники надають перевагу терміну «самозбірка», розуміючи його як автономну мимовільну організацію компонентів на всіх рівнях, від молекулярного до планетарного (Whitesides, Grzybovsky, 2002). Близький за змістом і термін «емерджентність» — виникнення "складної системи", знову виникаючі (емерджентні) властивості якої не можуть бути пояснені властивостями її компонентів (Gallagher, Appenzeller, 1999).

Спонтанне структурування в умовах припливу енергії ззовні відомо вже давно. Класичним прикладом може служити виникнення осередків Бенара. Поява складної просторової організації з узгодженим, когерентним переміщенням безлічі молекул і утворенням конвективних осередків у формі геометрично дуже правильних шестигранних структур в підігрівається знизу досить в'язкої рідини, наприклад, в шарі силіконового масла.

Реакція Бєлоусова-Жаботинського і багато процесів в біології являють собою автокаталітичні реакції, в яких для синтезу деякої речовини потрібна присутність цієї ж речовини; такий зворотний зв'язок графічно зображується реакційної петлею зворотного зв'язку. Математично динаміка подібних систем описується нелінійними диференціальними рівняннями. Періодичність у часі реакції Бєлоусова-Жаботинського (з використанням як окисляємого субстрату малонової кислоти) — самоорганізовані «хімічні годинники» — була теоретично описана розробленою І. Пригожиним в Брюсселі моделлю, названою «брюсселятором» американськими вченими, які в свою чергу запропонували як моделі «орегонатор» і «палоальтонатор».

Численні приклади самоорганізації наявні в космології, фізиці, хімії, біології та техногенних системах (електричних мережах, комп'ютерах). Непередбачувана поведінка спостерігається навіть в простих системах, у більш складних системах така поведінка неминуче. Складна взаємодія з виникненням «соціального» поведінки (появи лідера і ведених) виявлено в групі роботів, що мають найпростіші однакові індивідуальні програми (Уорвік, 1999).

Див. також

• Самозбірка
• Цифровий організм

Джерела

• Сугаков В. Й. Основи синерґетики. — К. : Обереги, 2001. — 287 с.
• Самоорганізація // Філософський енциклопедичний словник / В. І. Шинкарук (гол. редкол.) та ін. — Київ : Інститут філософії імені Григорія Сковороди НАН України : Абрис, 2002. — С. 563. — 742 с. — 1000 екз. — ББК 87я2. — ISBN 966-531-128-X.
• Самоорганізація // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 157.
• В.В. Исаева СИНЕРГЕТИКА ДЛЯ БИОЛОГОВ [Архівовано 15 березня 2013 у Wayback Machine.] (рос.)

Література

• (рос.) Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. — М. : Эдиториал УРСС, 2001.
• (рос.) Седов Е. А. Эволюция и информация. — М., 1976.
• (рос.) Седов Е. А. Взаимосвязь энергии, информации и энтропии в процессах управления и самоорганизации // Информация и управление. Философско-методологические аспекты. — М. : Наука, 1985. — С. 169-193.

Посилання

Англійською

• Max Planck Institute for Dynamics and Self Organization, Göttingen
• PDF file on self-organized common law with references
• An entry on self-organization at the Principia Cybernetica site
• The Science of Self-organization and Adaptivity, a review paper by Francis Heylighen
• The Self-Organizing Systems (SOS) FAQ by Chris Lucas, from the USENET newsgroup comp.theory.self-org.sys
• David Griffeath, Primordial Soup Kitchen (graphics, papers)
• nlin.AO, nonlinear preprint archive, (electronic preprints in adaptation and self-organizing systems)
• Structure and Dynamics of Organic Nanostructures
• Metal organic coordination networks of oligopyridines and Cu on graphite
• Selforganization in complex networks The Complex Systems Lab, Barcelona
• Interactive models for self organization and biological systems Center for Models of Life, Niels Bohr Institute.
• Computational Mechanics Group at the Santa Fe Institute
• «Organisation must grow» (1939) W. Ross Ashby journal page 759, from The W. Ross Ashby Digital Archive
• Cosma Shalizi's notebook on self-organization from 2003-06-20, used under the GFDL with permission from author.
• Connectivism: SelfOrganization
• UCLA Human Complex Systems Program
• «Interactions of Actors (IA), Theory and Some Applications» 1993 Gordon Pask's theory of learning, evolution and self-organization (in draft).
• «Heinz von Foerster's Self-Organisation, the Progenitor of Conversation and Interaction Theories» Gordon Pask Systems Research vol.13 pp349–362 1996
• The Cybernetics Society
• Scott Camazine's webpage on self-organization in biological systems
• Mikhail Prokopenko's page on Information-driven Self-organisation (IDSO)
• Lakeside Labs Self-Organizing Networked Systems A platform for science and technology, Klagenfurt, Austria.

Дисертації на тему самоорганізації

• Gershenson, Carlos. (2007). «Design and control of Self-organizing Systems» (PhD thesis).
• de Boer, Bart. (1999). Self-Organisation in Vowel Systems Vrije Universiteit Brussel AI-lab (Ph. D. thesis).