Autoorganización

La autoorganización, también llamada orden espontáneo en las ciencias sociales, es un proceso en el que surge alguna forma de orden general a partir de interacciones locales entre partes de un sistema inicialmente desordenado. El proceso puede ser espontáneo cuando se dispone de suficiente energía, no necesitando el control de ningún agente externo. A menudo se desencadena por fluctuaciones aparentemente aleatorias, amplificadas por comentarios positivos. La organización resultante es totalmente descentralizada, distribuida entre todos los componentes del sistema. Como tal, la organización suele ser robusta y capaz de sobrevivir o autorreparar perturbaciones sustanciales. La teoría del caos analiza la autoorganización en términos de islas de previsibilidad en un mar de imprevisibilidad caótica.

La autoorganización ocurre en muchos sistemas físicos, químicos, biológicos, robóticos y cognitivos. Los ejemplos de autoorganización incluyen cristalización, convección térmica de fluidos, oscilación química, enjambre de animales, circuitos neuronales y mercados negros.

Visión general

La autoorganización se realiza en la física de los procesos de no equilibrio y en las reacciones químicas, donde a menudo se caracteriza como autoensamblaje. El concepto ha demostrado ser útil en biología, desde el nivel molecular hasta el ecosistémico. Los ejemplos citados de comportamiento de autoorganización también aparecen en la literatura de muchas otras disciplinas, tanto en las ciencias naturales como en las ciencias sociales (como la economía o la antropología). La autoorganización también se ha observado en sistemas matemáticos como los autómatas celulares. La autoorganización es un ejemplo del concepto relacionado de emergencia.

La autoorganización se basa en cuatro ingredientes básicos:

1. fuerte no linealidad dinámica, a menudo (aunque no necesariamente) que implica retroalimentación positiva y negativa
2. balance de explotación y exploración
3. múltiples interacciones
4. disponibilidad de energía (para superar la tendencia natural hacia la entropía, o pérdida de energía libre)

Principios

El cibernético William Ross Ashby formuló el principio original de autoorganización en 1947. Afirma que cualquier sistema dinámico determinista evoluciona automáticamente hacia un estado de equilibrio que puede describirse en términos de un atractor en una cuenca de estados circundantes. Una vez allí, la evolución posterior del sistema está obligada a permanecer en el atractor. Esta restricción implica una forma de dependencia mutua o coordinación entre sus componentes o subsistemas constituyentes. En términos de Ashby, cada subsistema se ha adaptado al entorno formado por todos los demás subsistemas.

El cibernético Heinz von Foerster formuló el principio de "orden a partir del ruido" en 1960. Señala que la autoorganización se ve facilitada por perturbaciones aleatorias ("ruido") que permiten que el sistema explore una variedad de estados en su espacio de estado. Esto aumenta la posibilidad de que el sistema llegue a la cuenca de un atractor "fuerte" o "profundo", desde donde luego ingresa rápidamente al propio atractor. El biofísico Henri Atlan desarrolló este concepto al proponer el principio de "complejidad del ruido" (en francés: le principe de complexité par le bruit) primero en el libro de 1972 L'organisation biologique et la théorie de l'information y luego en el libro de 1979 Entre el cristal y la fumee. El físico y químico Ilya Prigogine formuló un principio similar como "orden a través de las fluctuaciones" u "orden a partir del caos". Se aplica en el método de recocido simulado para la resolución de problemas y el aprendizaje automático.

Historia

La idea de que la dinámica de un sistema puede conducir a un aumento en su organización tiene una larga historia. Los antiguos atomistas como Demócrito y Lucrecio creían que una inteligencia de diseño es innecesaria para crear orden en la naturaleza, argumentando que dado suficiente tiempo, espacio y materia, el orden emerge por sí mismo.

El filósofo René Descartes presenta hipotéticamente la autoorganización en la quinta parte de su Discurso del método de 1637. Profundizó en la idea en su obra inédita El mundo.

Immanuel Kant usó el término "autoorganización" en su Crítica del juicio de 1790, donde argumentó que la teleología es un concepto significativo solo si existe tal entidad cuyas partes u "órganos" son simultáneamente fines y medios. Tal sistema de órganos debe ser capaz de comportarse como si tuviera una mente propia, es decir, es capaz de gobernarse a sí mismo.

En un producto natural como éste, se piensa que cada parte debe su presencia a la mediación de todas las partes restantes, y también que existe por el bien de las demás y del todo, es decir, como un instrumento u órgano... La parte debe ser un órgano que produce las otras partes; cada una, en consecuencia, produce recíprocamente las otras... Sólo bajo estas condiciones y bajo estos términos puede tal producto ser un ser organizado y autoorganizado y, como tal, ser llamado un fin físico .

Sadi Carnot (1796–1832) y Rudolf Clausius (1822–1888) descubrieron la segunda ley de la termodinámica en el siglo XIX. Establece que la entropía total, a veces entendida como desorden, siempre aumentará con el tiempo en un sistema aislado. Esto significa que un sistema no puede aumentar espontáneamente su orden sin una relación externa que disminuya el orden en otras partes del sistema (por ejemplo, mediante el consumo de energía de baja entropía de una batería y la difusión de calor de alta entropía).

Los pensadores del siglo XVIII habían tratado de comprender las "leyes universales de la forma" para explicar las formas observadas de los organismos vivos. Esta idea se asoció con el lamarckismo y cayó en descrédito hasta principios del siglo XX, cuando D'Arcy Wentworth Thompson (1860-1948) intentó revivirla.

El psiquiatra e ingeniero W. Ross Ashby introdujo el término "autoorganizado" a la ciencia contemporánea en 1947. Fue retomado por los cibernéticos Heinz von Foerster, Gordon Pask, Stafford Beer; y von Foerster organizaron una conferencia sobre "Los principios de la autoorganización" en Allerton Park de la Universidad de Illinois en junio de 1960, que condujo a una serie de conferencias sobre sistemas autoorganizados. Norbert Wiener retomó la idea en la segunda edición de Cybernetics: or Control and Communication in the Animal and the Machine (1961).

La autoorganización se asoció con la teoría general de sistemas en la década de 1960, pero no se convirtió en un lugar común en la literatura científica hasta que los físicos Hermann Haken et al. y los investigadores de sistemas complejos lo adoptaron en un panorama más amplio desde la cosmología Erich Jantsch, la química con sistema disipativo, la biología y la sociología como autopoiesis al pensamiento sistémico en los siguientes años 80 (Instituto Santa Fe) y 1990 (sistema adaptativo complejo), hasta nuestros días con el tecnologías emergentes disruptivas profundizadas por una teoría de redes rizomáticas.

Alrededor de 2008-2009, comenzó a tomar forma un concepto de autoorganización guiada. Este enfoque tiene como objetivo regular la autoorganización para fines específicos, de modo que un sistema dinámico pueda alcanzar atractores o resultados específicos. La regulación restringe un proceso de autoorganización dentro de un sistema complejo al restringir las interacciones locales entre los componentes del sistema, en lugar de seguir un mecanismo de control explícito o un modelo de diseño global. Los resultados deseados, tales como aumentos en la estructura y/o funcionalidad interna resultante, se logran combinando objetivos globales independientes de la tarea con restricciones dependientes de la tarea en las interacciones locales.

Por campo

Física

Los numerosos fenómenos de autoorganización en la física incluyen transiciones de fase y ruptura espontánea de la simetría, como la magnetización espontánea y el crecimiento de cristales en la física clásica, y el láser, la superconductividad y la condensación de Bose-Einstein en la física cuántica. Se encuentra en la criticidad autoorganizada en sistemas dinámicos, en tribología, en sistemas de espuma giratoria y en gravedad cuántica de bucles, cuencas fluviales y deltas, en solidificación dendrítica (copos de nieve), en imbibición capilar y en estructura turbulenta.

Química

La autoorganización en química incluye autoensamblaje molecular, sistemas de reacción-difusión y reacciones oscilantes, redes autocatalíticas, cristales líquidos, complejos de rejilla, cristales coloidales, monocapas autoensambladas, micelas, separación de microfases de copolímeros en bloque y películas de Langmuir-Blodgett.

Biología

La autoorganización en biología se puede observar en el plegamiento espontáneo de proteínas y otras biomacromoléculas, el autoensamblaje de membranas de bicapa lipídica, la formación de patrones y la morfogénesis en biología del desarrollo, la coordinación del movimiento humano, el comportamiento social en insectos (abejas, hormigas, termitas) y mamíferos, y el comportamiento de bandada en aves y peces.

El biólogo matemático Stuart Kauffman y otros estructuralistas han sugerido que la autoorganización puede desempeñar un papel junto con la selección natural en tres áreas de la biología evolutiva, a saber, la dinámica de poblaciones, la evolución molecular y la morfogénesis. Sin embargo, esto no tiene en cuenta el papel esencial de la energía en la conducción de reacciones bioquímicas en las células. Los sistemas de reacciones en cualquier celda se autocatalizan, pero no simplemente se autoorganizan, ya que son sistemas termodinámicamente abiertos que dependen de una entrada continua de energía. La autoorganización no es una alternativa a la selección natural, pero restringe lo que la evolución puede hacer y proporciona mecanismos como el autoensamblaje de membranas que luego explota la evolución.

Se propuso que la evolución del orden en los sistemas vivos y la generación de orden en ciertos sistemas no vivos obedecieran a un principio fundamental común llamado “la dinámica darwiniana” que se formuló considerando primero cómo se genera el orden microscópico en sistemas no biológicos simples que están lejos del equilibrio termodinámico. Luego se amplió la consideración a las moléculas de ARN replicantes cortas que se supone que son similares a las formas de vida más antiguas en el mundo del ARN. Se demostró que los procesos de autoorganización generadores de órdenes subyacentes en los sistemas no biológicos y en la replicación del ARN son básicamente similares.

Cosmología

En su artículo de conferencia de 1995 "La cosmología como problema en los fenómenos críticos", Lee Smolin dijo que varios objetos o fenómenos cosmológicos, como las galaxias espirales, los procesos de formación de galaxias en general, la formación de estructuras tempranas, la gravedad cuántica y la estructura a gran escala del universo podrían ser el resultado o haber implicado cierto grado de autoorganización.Argumenta que los sistemas autoorganizados son a menudo sistemas críticos, con una estructura que se extiende en el espacio y el tiempo en todas las escalas disponibles, como lo muestran, por ejemplo, Per Bak y sus colaboradores. Por lo tanto, debido a que la distribución de la materia en el universo es más o menos invariable en escala en muchos órdenes de magnitud, las ideas y estrategias desarrolladas en el estudio de los sistemas autoorganizados podrían ser útiles para abordar ciertos problemas no resueltos en cosmología y astrofísica.

Ciencias de la Computación

Los fenómenos de las matemáticas y la informática, como los autómatas celulares, los gráficos aleatorios y algunos casos de computación evolutiva y vida artificial, exhiben características de autoorganización. En la robótica de enjambres, la autoorganización se utiliza para producir un comportamiento emergente. En particular, la teoría de grafos aleatorios se ha utilizado como justificación de la autoorganización como principio general de los sistemas complejos. En el campo de los sistemas multiagente, la comprensión de cómo diseñar sistemas que sean capaces de presentar un comportamiento autoorganizado es un área de investigación activa. Los algoritmos de optimización pueden considerarse autoorganizados porque tienen como objetivo encontrar la solución óptima a un problema. Si la solución se considera como un estado del sistema iterativo, la solución óptima es la estructura convergente seleccionada del sistema.Las redes autoorganizadas incluyen autoestabilización de redes de mundo pequeño y redes sin escala. Estos surgen de interacciones de abajo hacia arriba, a diferencia de las redes jerárquicas de arriba hacia abajo dentro de las organizaciones, que no se autoorganizan. Se ha argumentado que los sistemas de computación en la nube son inherentemente autoorganizativos, pero si bien tienen cierta autonomía, no son autogestionables ya que no tienen el objetivo de reducir su propia complejidad.

Cibernética

Norbert Wiener consideró la identificación serial automática de una caja negra y su posterior reproducción como autoorganización en cibernética. La importancia del bloqueo de fase o la "atracción de frecuencias", como él lo llamó, se analiza en la 2ª edición de su Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine. K. Eric Drexler ve la autorreplicación como un paso clave en el ensamblaje nano y universal. Por el contrario, los cuatro galvanómetros conectados simultáneamente del Homeostat de W. Ross Ashby buscan, cuando se les perturba, converger en uno de los muchos estados estables posibles. Ashby usó su medida de variedad de conteo de estado para describir estados estables y produjo el "buen regulador"teorema que requiere modelos internos para la estabilidad y la resistencia autoorganizadas (p. ej., el criterio de estabilidad de Nyquist). Warren McCulloch propuso la "Redundancia del Mando Potencial" como característica de la organización del cerebro y del sistema nervioso humano y condición necesaria para la autoorganización. Heinz von Foerster propuso Redundancia, R =1 − H / H _max, donde H es entropía. En esencia, esto establece que el ancho de banda de comunicación potencial no utilizado es una medida de autoorganización.

En la década de 1970, Stafford Beer consideró que la autoorganización era necesaria para la autonomía en los sistemas vivos y persistentes. Aplicó su modelo de sistema viable a la gestión. Consta de cinco partes: el seguimiento del desempeño de los procesos de supervivencia (1), su gestión mediante la aplicación recursiva de la regulación (2), el control operacional homeostático (3) y el desarrollo (4) que producen el mantenimiento de la identidad (5) bajo condiciones ambientales. perturbación. El enfoque se prioriza mediante una retroalimentación de alerta de "bucle algedónico": una sensibilidad tanto al dolor como al placer producidos por el bajo rendimiento o el exceso de rendimiento en relación con una capacidad estándar.

En la década de 1990, Gordon Pask argumentó que H y Hmax de von Foerster no eran independientes, sino que interactuaban a través de procesos de giro concurrentes recursivos infinitamente numerables a los que llamó conceptos. Su definición estricta de concepto "un procedimiento para generar una relación" permitió que su teorema "Los conceptos similares se repelen, los conceptos diferentes se atraen" para establecer un principio general de autoorganización basado en el giro. Su edicto, un principio de exclusión, "No hay Doppelgangers" significa que no hay dos conceptos que puedan ser iguales. Después de un tiempo suficiente, todos los conceptos se atraen y se fusionan como un ruido rosa. La teoría se aplica a todos los procesos organizacionalmente cerrados u homeostáticos que producen productos duraderos y coherentes que evolucionan, aprenden y se adaptan.

La sociedad humana

El comportamiento de autoorganización de los animales sociales y la autoorganización de estructuras matemáticas simples sugieren que la autoorganización debe esperarse en la sociedad humana. Los signos reveladores de la autoorganización suelen ser propiedades estadísticas compartidas con los sistemas físicos autoorganizados. Ejemplos como la masa crítica, el comportamiento de rebaño, el pensamiento de grupo y otros, abundan en la sociología, la economía, las finanzas conductuales y la antropología.

En la teoría social, Niklas Luhmann (1984) introdujo el concepto de autorreferencialidad como una aplicación sociológica de la teoría de la autoorganización. Para Luhmann, los elementos de un sistema social son comunicaciones que se producen a sí mismas, es decir, una comunicación produce más comunicaciones y, por lo tanto, un sistema social puede reproducirse a sí mismo siempre que exista una comunicación dinámica. Para Luhmann, los seres humanos somos sensores en el entorno del sistema. Luhmann desarrolló una teoría evolutiva de la sociedad y sus subsistemas, utilizando análisis funcionales y teoría de sistemas.

En economía, a veces se dice que una economía de mercado se autoorganiza. Paul Krugman ha escrito sobre el papel que juega la autoorganización del mercado en el ciclo económico en su libro "La economía autoorganizada". Friedrich Hayek acuñó el término catalaxiapara describir un "sistema autoorganizado de cooperación voluntaria", en lo que respecta al orden espontáneo de la economía de libre mercado. Los economistas neoclásicos sostienen que la imposición de una planificación central generalmente hace que el sistema económico autoorganizado sea menos eficiente. En el otro extremo del espectro, los economistas consideran que las fallas del mercado son tan importantes que la autoorganización produce malos resultados y que el Estado debería dirigir la producción y los precios. La mayoría de los economistas adoptan una posición intermedia y recomiendan una combinación de características de economía de mercado y economía dirigida (a veces denominada economía mixta). Cuando se aplica a la economía, el concepto de autoorganización puede imbuirse ideológicamente rápidamente.

En el aprendizaje

Permitir que otros "aprendan a aprender" a menudo se entiende como instruirlos sobre cómo someterse a que se les enseñe. El aprendizaje autoorganizado (SOL) niega que "el experto sepa mejor" o que haya "el mejor método", insistiendo en cambio en "la construcción de un significado personalmente significativo, relevante y viable" para que el alumno lo pruebe experiencialmente. Esto puede ser colaborativo y más gratificante personalmente. Es visto como un proceso de por vida, no limitado a ambientes de aprendizaje específicos (hogar, escuela, universidad) o bajo el control de autoridades como padres y profesores. Necesita ser probado y revisado intermitentemente, a través de la experiencia personal del alumno.No necesita ser restringido ni por la conciencia ni por el lenguaje. Fritjof Capra argumentó que está poco reconocido dentro de la psicología y la educación. Puede estar relacionado con la cibernética, ya que implica un ciclo de control de retroalimentación negativa, o con la teoría de sistemas. Puede llevarse a cabo como una conversación de aprendizaje o un diálogo entre los alumnos o dentro de una persona.

Flujo de tráfico

El comportamiento de autoorganización de los conductores en el flujo de tráfico determina casi todo el comportamiento espaciotemporal del tráfico, como la interrupción del tráfico en un cuello de botella de la carretera, la capacidad de la carretera y la aparición de atascos de tráfico en movimiento. En 1996-2002, estos efectos complejos de autoorganización fueron explicados por la teoría del tráfico de tres fases de Boris Kerner.

En lingüística

El orden aparece espontáneamente en la evolución del lenguaje a medida que el comportamiento individual y de la población interactúa con la evolución biológica.

En la financiación de la investigación

La asignación de fondos autoorganizada (SOFA) es un método de distribución de fondos para la investigación científica. En este sistema, a cada investigador se le asigna una cantidad igual de fondos y se le exige que asigne de forma anónima una fracción de sus fondos a la investigación de otros. Los defensores de SOFA argumentan que daría como resultado una distribución de fondos similar a la del actual sistema de subvenciones, pero con menos gastos generales. En 2016, comenzó una prueba piloto de SOFA en los Países Bajos.

Crítica

Heinz Pagels, en una reseña de 1985 del libro de Ilya Prigogine e Isabelle Stengers Order Out of Chaos in Physics Today, apela a la autoridad:

La mayoría de los científicos estaría de acuerdo con la visión crítica expresada en Problems of Biological Physics (Springer Verlag, 1981) por el biofísico LA Blumenfeld, cuando escribió: "La ordenación macroscópica significativa de la estructura biológica no surge debido al aumento de ciertos parámetros o a un sistema por encima de sus valores críticos. Estas estructuras se construyen de acuerdo con estructuras arquitectónicas complicadas similares a programas, y se utiliza la información significativa creada durante muchos miles de millones de años de evolución química y biológica". La vida es una consecuencia de la organización microscópica, no macroscópica.

Por supuesto, Blumenfeld no responde a la pregunta adicional de cómo surgen esas estructuras similares a programas en primer lugar. Su explicación conduce directamente a la regresión infinita.

En resumen, ellos [Prigogine y Stengers] sostienen que la irreversibilidad del tiempo no se deriva de un micromundo independiente del tiempo, sino que es fundamental en sí misma. La virtud de su idea es que resuelve lo que perciben como un "choque de doctrinas" sobre la naturaleza del tiempo en la física. La mayoría de los físicos estarían de acuerdo en que no hay evidencia empírica para respaldar su punto de vista, ni existe una necesidad matemática para ello. No hay "choque de doctrinas". Sólo Prigogine y algunos colegas se aferran a estas especulaciones que, a pesar de sus esfuerzos, continúan viviendo en la zona crepuscular de la credibilidad científica.

En teología, Tomás de Aquino (1225-1274) en su Summa Theologica asume un universo creado teleológicamente al rechazar la idea de que algo puede ser una causa autosuficiente de su propia organización:

Puesto que la naturaleza trabaja para un fin determinado bajo la dirección de un agente superior, todo lo que hace la naturaleza debe necesariamente ser atribuido a Dios, como a su primera causa. Así también todo lo que se hace voluntariamente debe también ser atribuido a alguna causa superior distinta de la razón o la voluntad humanas, ya que éstas pueden cambiar o fallar; porque todas las cosas que son mudables y susceptibles de defecto deben remontarse a un primer principio inamovible y necesario por sí mismo, como se mostró en el cuerpo del artículo.