自己組織化

自己組織化は、社会科学では自発的秩序とも呼ばれ、最初は無秩序であったシステムの各部分間の局所的な相互作用から、何らかの形の全体的秩序が生じるプロセスです。十分なエネルギーが利用可能であり、外部エージェントによる制御を必要としない場合、このプロセスは自発的になる可能性があります。これは、一見ランダムな変動によって引き起こされ、正のフィードバックによって増幅されることがよくあります。結果として生じる組織は完全に分散化され、システムのすべてのコンポーネントに分散されます。そのため、組織は通常堅牢であり、大きな摂動に耐えるか、自己修復することができます。カオス理論では、カオス的な予測不可能性という海に浮かぶ 予測可能な島という観点から自己組織化について論じています。

自己組織化は、多くの物理的、化学的、生物学的、ロボット的、認知的システムで発生します。自己組織化の例には、結晶化、流体の熱対流、化学振動、動物の群れ、神経回路、ブラックマーケットなどがあります。

自己組織化は、非平衡過程の物理学や化学反応において実現され^{[2] 、}自己組織化として特徴付けられることが多い。この概念は、分子レベルから生態系レベルまで生物学で有用であることが証明されている。^[3]自己組織化行動の引用例は、自然科学と社会科学（経済学や人類学など）の両方で、他の多くの分野の文献にも登場する。自己組織化は、セルオートマトンなどの数学システムでも観察されている 。^[4]自己組織化は、関連する概念である創発の一例である。^[5]

自己組織化は4つの基本的な要素に依存しています。^[6]

1. 強い動的非線形性、多くの場合（必ずしもそうではないが）、 正と負のフィードバックを伴う
2. 開発と探索のバランス
3. コンポーネント間の複数の相互作用
4. エネルギーの利用可能性（エントロピー、つまり自由エネルギーの損失に向かう自然な傾向を克服するため）

サイバネティシャンのウィリアム・ロス・アシュビーは、 1947年に自己組織化の原理を定式化した。^{[7] [8]}これは、あらゆる決定論的動的システムが、周囲の状態の盆地内のアトラクターで説明できる平衡状態に向かって自動的に進化する、というものである。いったんそこに到達すると、システムのさらなる進化はアトラクター内にとどまるように制約される。この制約は、その構成要素またはサブシステム間の相互依存または調整の形を意味する。アシュビーの用語では、各サブシステムは、他のすべてのサブシステムによって形成された環境に適応している。^[7]

サイバネティクス学者ハインツ・フォン・フェルスターは、 1960年に「ノイズからの秩序」の原理を定式化した。 ^[9]それによれば、自己組織化はランダムな摂動（「ノイズ」）によって促進され、システムが状態空間内のさまざまな状態を探索できるようになる。これにより、システムが「強い」または「深い」アトラクターの盆地に到達し、そこからすぐにアトラクター自体に入る可能性が高まります。生物物理学者アンリ・アトランは、 1972年の著書「生物の組織と情報の理論」で最初に「ノイズからの複雑性」の原理^{[10] [11]}（フランス語：le principe de complexité par le bruit ） [ ^{12]を提唱すること}でこの概念を発展させた。 [10]物理学者で化学者のイリヤ・プリゴジンは、同様の原理を「ゆらぎによる秩序」^[13]または「混沌からの秩序」^{[14]として定式化しました。これは、}問題解決や機械学習のためのシミュレーテッドアニーリング法に応用されています。^[15]

システムのダイナミクスがその組織の強化につながるという考えには長い歴史がある。デモクリトスやルクレティウスなどの古代の原子論者は、自然界に秩序を生み出すために設計知性は不要であると信じ、十分な時間と空間と物質があれば秩序は自然に生まれると主張した。^[16]

哲学者ルネ・デカルトは、 1637年の『方法序説』の第5部で自己組織化を仮説的に提示している。彼は未発表の著作『世界』でこの考えを詳しく説明している。^[a]

イマヌエル・カントは1790年の『判断力批判』で「自己組織化」という用語を使用し、目的論は、その部分または「器官」が同時に目的と手段であるような実体が存在する場合にのみ意味のある概念であると主張した。そのような器官のシステムは、あたかも自分自身の心を持っているかのように、つまり自分自身を統制する能力があるかのように動作できなければならない。^[17]

このような自然の産物においては、各部分は、残りのすべての部分の働きによって存在していると考えられており、また、他の部分や全体のために存在している、つまり、道具や器官として存在していると考えられている。…その部分は、他の部分を生み出す器官でなければならない。したがって、各部分は相互に他の部分を生み出す。…このような条件と規約の下でのみ、そのような産物は組織化され自己組織化された存在となり、物理的目的と呼ばれることができる。^[17]

サディ・カルノー（1796–1832）とルドルフ・クラウジウス（1822–1888）は19世紀に熱力学の第二法則を発見した。この法則は、孤立したシステムでは全エントロピー（無秩序とも呼ばれる）が時間とともに常に増加すると述べている。つまり、システムの他の場所で秩序を低下させる外部関係（例えば、バッテリーの低エントロピーエネルギーを消費し、高エントロピーの熱を拡散するなど）がなければ、システムは自発的に秩序を高めることはできないということである。^{[18] [19]}

18世紀の思想家たちは、観察された生物の形態を説明するために「形態の普遍法則」を理解しようとした。この考えはラマルキズムと関連付けられ、評判が悪くなったが、20世紀初頭にダーシー・ウェントワース・トンプソン（1860年 - 1948年）がそれを復活させようとした。^[20]

精神科医でエンジニアのW・ロス・アシュビーは、1947年に現代科学に「自己組織化」という用語を導入しました。^[7]これは、サイバネティシャンのハインツ・フォン・フェルスター、ゴードン・パスク、スタッフォード・ビアによって取り上げられました。フォン・フェルスターは、1960年6月にイリノイ大学アレルトンパークで「自己組織化の原理」に関する会議を開催し、これが自己組織化システムに関する一連の会議につながりました。^[21] ノーバート・ウィーナーは、彼の著書『サイバネティクス：あるいは動物と機械における制御とコミュニケーション』（1961年） の第2版でこのアイデアを取り上げました。

自己組織化は1960 年代に一般システム理論^と関連づけられました^{が、科学文献で一般的に知られるようになったのは、物理学者の}ヘルマン・ハーケンらや複雑系の研究者が、宇宙論のエリック・ヤンチ、^[要説明]散逸系化学、オートポイエーシスとしての生物学や社会学からシステム思考、そしてその後の 1980 年代 (サンタフェ研究所) と 1990 年代 (複雑適応系)、そして根茎状ネットワーク理論によって深みを増した破壊的な新興技術の時代に至るまで、より広い視野で自己組織化を採用してからでした。^{[22] [独自の研究? ]}

2008年から2009年頃、誘導自己組織化の概念が形になり始めました。このアプローチは、特定の目的のために自己組織化を規制し、動的システムが特定のアトラクターまたは結果に到達できるようにすることを目的としています。この規制は、明示的な制御メカニズムやグローバルな設計ブループリントに従うのではなく、システムコンポーネント間のローカルな相互作用を制限することで、複雑なシステム内の自己組織化プロセスを制約します。結果として生じる内部構造や機能の向上などの望ましい結果は、タスクに依存しないグローバルな目標と、ローカルな相互作用に対するタスクに依存する制約を組み合わせることで達成されます。^{[23] [24]}

物理学における多くの自己組織化現象には、古典物理学における自発磁化や結晶成長などの相転移や自発的対称性の破れ、量子物理学におけるレーザー^[25]、超伝導、ボーズ・アインシュタイン凝縮などがある。自己組織化は、力学系における自己組織化臨界状態、トライボロジー、スピンフォーム系、ループ量子重力[ ^26] 、プラズマ [ ^27]、河川 流域やデルタ、樹枝状凝固（雪片）、毛細管吸収^[28]、乱流構造[ ^{3]などに見られる。 [4]}

化学における自己組織化には、乾燥誘起自己組織化、^[30] 分子自己組織化、^[31] 反応拡散系および振動反応、^[32] 自己触媒ネットワーク、液晶、^[33] グリッド複合体、コロイド結晶、自己組織化単分子膜、^{[34] [35]} ミセル、ブロック共重合体のミクロ相分離、およびラングミュア・ブロジェット膜が含まれます。^[36]

生物学における自己組織化^[37]は、タンパク質やその他の生体高分子の自発的な折り畳み、脂質二重膜の自己組織化、発生生物学におけるパターン形成と形態形成、人間の動作の調整、昆虫（ハチ、アリ、シロアリ）^[38]や哺乳類の真社会性行動、鳥や魚の群れ行動^[39]などで観察できます。

数理生物学者スチュアート・カウフマンと他の構造主義者は、進化生物学の3つの分野、すなわち集団動態、分子進化、形態形成において、自己組織化が自然選択と並んで役割を果たす可能性があると示唆している。しかし、これは細胞内の生化学反応を駆動するエネルギーの重要な役割を考慮に入れていない。どの細胞内の反応系も自己触媒的であるが、単に自己組織化しているわけではない。なぜなら、それらはエネルギーの継続的な入力に依存する熱力学的に開放されたシステムだからである。 ^{[40] [41]}自己組織化は自然選択に代わるものではないが、進化ができることには制約があり、進化が利用する膜の自己組織化などのメカニズムを提供している。^[42]

生体システムにおける秩序の進化と特定の非生体システムにおける秩序の生成は、「ダーウィンの力学」^{[43]と呼ばれる共通の基本原理に従うと提案されました。この原理は、}熱力学的平衡からかけ離れた単純な非生体システムで微視的な秩序がどのように生成されるかを最初に考慮することによって定式化されました。次に、 RNAワールドの最も初期の生命体に類似していると想定される短い複製RNA分子にまで検討が拡大されました。非生体システムと複製RNAにおける自己組織化の根本的な秩序生成プロセスは基本的に類似していることが示されました。

リー・スモーリンは1995年の会議論文「臨界現象における問題としての宇宙論」で、渦巻銀河、一般的な銀河形成過程、初期構造形成、量子重力、宇宙の大規模構造など、いくつかの宇宙論上の物体や現象は、ある程度の自己組織化の結果であるか、または自己組織化を伴っている可能性があると述べた。 ^{[44]彼は、例えば}ペル・バックとその協力者によって示されたように、自己組織化システムは多くの場合臨界システムであり、構造はあらゆる利用可能なスケールにわたって空間と時間に広がっていると主張している。したがって、宇宙の物質の分布は多くの桁にわたって多かれ少なかれスケール不変であるため、自己組織化システムの研究で開発されたアイデアと戦略は、宇宙論と天体物理学の特定の未解決問題に取り組むのに役立つ可能性がある。

セルオートマトン、ランダムグラフ、進化計算や人工生命の一部など、数学やコンピュータサイエンスの現象は自己組織化の特徴を示しています。群ロボットでは、自己組織化は創発的な行動を生み出すために使用されます。特に、ランダムグラフの理論は、複雑系の一般原理としての自己組織化の正当化に使用されてきました。マルチエージェントシステムの分野では、自己組織化された行動を示すことができるシステムを設計する方法を理解することが活発な研究分野です。^[45]最適化アルゴリズムは、問題に対する最適解を見つけることを目的としているため、自己組織化と見なすことができます。解が反復システムの状態と見なされる場合、最適解はシステムの選択された収束構造です。^{[46] [47]}自己組織化ネットワークには、スモールワールドネットワーク^[48]自己安定化^[49]およびスケールフリーネットワークが含まれます。これらは、自己組織化されていない組織内のトップダウンの階層型ネットワークとは異なり、ボトムアップの相互作用から生まれます。^[50]クラウドコンピューティングシステムは本質的に自己組織化されていると主張されてきましたが、^[51]ある程度の自律性はあるものの、複雑さを軽減するという目標がないため、自己管理はされていません。^{[52] [53]}

ノーバート・ウィーナーは、ブラックボックスの自動連続識別とそれに続く複製をサイバネティクスにおける自己組織化とみなした。^[54]位相ロック、または彼が「周波数の吸引」と呼んだものの重要性は、彼の著書『サイバネティクス：あるいは動物と機械における制御とコミュニケーション』第2版で議論されている。^[55] K・エリック・ドレクスラーは、自己複製をナノおよびユニバーサルアセンブリの重要なステップと見なしている。対照的に、W・ロス・アシュビーのホメオスタットの同時接続された4つのガルバノメータは、摂動を受けると、多くの可能な安定状態のうちの1つに収束しようとする。^{[56]アシュビーは、状態カウントの}多様性の尺度^{[57]を使用して安定状態を記述し、「}グッドレギュレータ」^[58]定理を生み出した。これは、自己組織化された耐久性と安定性（ナイキスト安定基準など）の内部モデルを必要とする。ウォーレン・マカロックは「潜在的コマンドの冗長性」^[59]を脳と人間の神経系の組織の特徴であり、自己組織化の必要条件として提唱した。ハインツ・フォン・フェルスターは冗長性、R =1 −  H / H _max（Hはエントロピー）を提唱した。^{[60] [61]}本質的には、これは未使用の潜在的な通信帯域幅が自己組織化の尺度であるということを述べている。

1970年代、スタッフォード・ビアは、持続的かつ生命的なシステムにおける自律性には自己組織化が必要であると考えた。彼は、その生存システムモデルを管理に応用した。それは、生存プロセスのパフォーマンスの監視（1）、再帰的な規制の適用による管理（2）、恒常的な運用制御（3）、環境の変動下でのアイデンティティの維持（5）を生み出す開発（4）の5つの部分から構成される。焦点は、警告的な「アルゲドニックループ」フィードバックによって優先される。これは、標準能力に対するパフォーマンス不足またはパフォーマンス過剰から生じる痛みと喜びの両方に対する感度である。^[62]

1990年代、ゴードン・パスクは、フォン・フェルスターのHとHmaxは独立ではなく、彼が概念と呼ぶ可算無限の再帰的同時スピンプロセス^[63]を介して相互作用すると主張した。彼は概念を「関係をもたらす手順」^[64]と厳密に定義したため、彼の定理「似た概念は反発し、異なった概念は引き合う」^[65]は、自己組織化の一般的なスピンベースの原理を述べることができた。彼の布告、つまり排他原理「ドッペルゲンガーは存在しない」は、2つの概念が同じになることはないことを意味する。十分な時間が経つと、すべての概念は引き合い、ピンクノイズとして融合する。この理論は、進化、学習、適応する永続的で一貫した製品を生み出す、組織的に閉じた、または恒常的なすべてのプロセスに当てはまる。 ^{[66] [63]}

社会的な動物の自己組織化行動と単純な数学的構造の自己組織化は、どちらも人間社会でも自己組織化が期待されるべきであることを示唆している。自己組織化の明らかな兆候は通常、自己組織化する物理システムと共有される統計的特性である。臨界質量、群集行動、集団思考などの例は、社会学、経済学、行動ファイナンス、人類学に豊富にある。^[67] 自発的秩序は覚醒によって影響を受ける可能性がある。^[68]

社会理論において、自己言及性の概念は、自己組織化理論の社会学的応用としてニクラス・ルーマン（1984）によって導入された。ルーマンにとって、社会システムの要素は自己生産的なコミュニケーションである。つまり、コミュニケーションはさらなるコミュニケーションを生み出し、したがって、動的なコミュニケーションがある限り、社会システムは自己再生できる。ルーマンにとって、人間はシステム環境のセンサーである。ルーマンは、機能分析とシステム理論を用いて、社会とそのサブシステムの進化理論を展開した。^[69]

市場経済は自己組織化的であると言われることがある。ポール・クルーグマンは、著書『自己組織化経済』の中で、景気循環における市場の自己組織化の役割について書いている。^[70] フリードリヒ・ハイエクは、自由市場経済の自発的秩序に関して、「自発的な協力の自己組織化システム」を表すためにカタラキシー[ ^71]という用語を作った。新古典派経済学者は、中央計画を課すと、自己組織化経済システムの効率が低下することが多いと考えている。その対極にある経済学者は、市場の失敗は非常に重大であるため、自己組織化は悪い結果をもたらし、国家が生産と価格設定を指示すべきであると考えている。ほとんどの経済学者は中間的な立場をとり、市場経済と指令経済の特徴の混合（混合経済と呼ばれることもある）を推奨している。経済学に適用すると、自己組織化の概念はすぐにイデオロギーに染まる可能性がある。^{[72] [73]}

他者が「学び方を学ぶ」ことを可能にすること^[74]は、しばしば、教えられることに従う方法を教えることを意味すると解釈される^{[75] 。自己組織化学習 (SOL) [76] [77] [78] は}、「専門家が一番よく知っている」ことや「唯一の最善の方法」が存在することを否定し^{[79] [80] [81]、}代わりに「個人的に重要で、関連性があり、実行可能な意味の構築」^[82]を学習者によって経験的にテストされることを主張する。^[83]これは共同作業であり、個人的にはよりやりがいがあるかもしれない。^{[84] [85]}これは生涯にわたるプロセスと見なされており、特定の学習環境 (家庭、学校、大学) に限定されず、親や教授などの権威者の管理下にも置かれない。^[86]これは学習者の個人的な経験を通じてテストされ、断続的に修正される必要がある。^[87]これは意識や言語によって制限される必要はない。^[88] フリッツォフ・カプラは、心理学や教育学ではそれがあまり認識されていないと主張した。^{[89]それは}負のフィードバック制御ループを伴うためサイバネティクスと関連している可能性があり、^[64]あるいはシステム理論と関連している可能性がある。^[90]それは学習者間または一人の人間の中で学習会話または対話として実施することができる。 ^{[91] [92]}

交通流におけるドライバーの自己組織化行動は、高速道路のボトルネックでの交通渋滞、高速道路の容量、移動中の交通渋滞の発生など、交通のほぼすべての時空間行動を決定します。これらの自己組織化効果は、ボリス・カーナーの3段階交通理論によって説明されます。^[93]

言語の進化において、個体や集団の行動が生物学的進化と相互作用するにつれて、秩序は自然に出現する。^[94]

自己組織的資金配分（SOFA ）は、科学研究のための資金を分配する方法である。このシステムでは、各研究者に同額の資金が割り当てられ、匿名で資金の一部を他の研究者の研究に割り当てることが求められる。SOFAの支持者は、SOFAにより現在の助成金システムと同様の資金配分が得られるが、経費は少なくなると主張している。^[95] 2016年にオランダでSOFAの試験運用が開始された。^[96]

ハインツ・パゲルスは、1985年にイリヤ・プリゴジンとイザベル・ステングラーの著書『今日の物理学における秩序と混沌』を評論し、権威を訴えている。^[97]

科学者のほとんどは、生物物理学者 LA ブルーメンフェルドが『生物物理学の問題』（Springer Verlag、1981 年）で述べた批判的な見解に同意するでしょう。ブルーメンフェルドは次のように書いています。「生物構造の有意義な巨視的秩序は、特定のパラメータまたはシステムが臨界値を超えて増加することによって生じるのではありません。これらの構造は、プログラムのような複雑な建築構造に従って構築され、数十億年にわたる化学的および生物学的進化の間に作成された有意義な情報が使用されています。」生命は、巨視的ではなく、微視的組織の結果です。

もちろん、ブルーメンフェルドは、そもそもプログラムのような構造がどのように出現するかというさらなる疑問には答えていません。彼の説明は、無限後退に直接つながります。

要するに、彼ら [プリゴジンとステングラー] は、時間の不可逆性は時間に依存しないミクロの世界から派生したものではなく、それ自体が根本的なものだと主張している。彼らの考えの長所は、物理学における時間の性質に関する「教義の衝突」と彼らが考えるものを解決している点である。ほとんどの物理学者は、彼らの見解を裏付ける経験的証拠はなく、数学的な必然性もないことに同意するだろう。「教義の衝突」など存在しない。プリゴジンと数人の同僚だけが、彼らの努力にもかかわらず、科学的信頼性の薄明の領域に留まり続けているこれらの推測に固執している。

神学においては、トマス・アクィナス（1225-1274）は著書『神学大全』の中で、何かが自らの組織化の自己完結的な原因となり得るという考えを否定し、目的論的に創造された宇宙を想定している。^[98]

自然はより高次の主体の指示のもとに、決まった目的のために働くので、自然によってなされるものはすべて、その第一原因として神に遡らなければなりません。同様に、自発的になされるものもすべて、人間の理性や意志以外の何らかの高次の原因に遡らなければなりません。なぜなら、これらは変化したり、失敗したりする可能性があるからです。なぜなら、変化しやすく、欠陥の可能性があるものはすべて、本文で示したように、不動で自己必然的な第一原理に遡らなければならないからです。