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Autoorganización

Autoorganización en cubos de Nb 3 O 7 (OH) del tamaño de una micra durante un tratamiento hidrotermal a 200 °C. Los cubos inicialmente amorfos se transforman gradualmente en mallas 3D ordenadas de nanocables cristalinos , como se resume en el modelo siguiente. [1]

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 control por parte de ningún agente externo. A menudo es desencadenado por fluctuaciones aparentemente aleatorias , amplificadas por una retroalimentación positiva . La organización resultante está totalmente descentralizada, distribuida entre todos los componentes del sistema. Como tal, la organización suele ser robusta y capaz de sobrevivir o reparar perturbaciones sustanciales . La teoría del caos analiza la autoorganización en términos de islas de previsibilidad en un mar de caótica imprevisibilidad.

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

Descripción general

La autoorganización se realiza [2] 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 . [3] Los ejemplos citados de comportamiento autoorganizado 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 . [4] La autoorganización es un ejemplo del concepto relacionado de emergencia . [5]

La autoorganización se basa en cuatro ingredientes básicos: [6]

  1. Fuerte no linealidad dinámica, que a menudo (aunque no necesariamente) implica retroalimentación positiva y negativa.
  2. balance de explotación y exploración
  3. múltiples interacciones entre componentes
  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. [7] [8] Afirma que cualquier sistema dinámico determinista evoluciona automáticamente hacia un estado de equilibrio que puede describirse en términos de un atractor en una cuenca circundante . estados. Una vez allí, la evolución posterior del sistema se ve 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. [7]

El cibernético Heinz von Foerster formuló el principio de " orden a partir del ruido " en 1960. [9] Observa que la autoorganización se ve facilitada por perturbaciones aleatorias ("ruido") que permiten al sistema explorar una variedad de estados en su espacio de estados. 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 a partir del ruido" [10] [11] ( francés : le principe de complexité par le bruit ) [12] por primera vez en el libro de 1972 L'organisation biologique et la théorie de l'information y luego en el libro de 1979 Entre le cristal et la fumée . El físico y químico Ilya Prigogine formuló un principio similar como "orden a través de fluctuaciones" [13] o "orden a partir del caos". [14] Se aplica en el método de recocido simulado para la resolución de problemas y el aprendizaje automático . [15]

Historia

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

El filósofo René Descartes presenta hipotéticamente la autoorganización en la quinta parte de su Discurso sobre el método de 1637 . Explicó la idea en su obra inédita El mundo . [a]

Immanuel Kant utilizó el término "autoorganización" en su Crítica del juicio de 1790 , donde argumentó que la teleología es un concepto significativo sólo si existe una entidad cuyas partes u "órganos" sean simultáneamente fines y medios. Un sistema de órganos así debe poder comportarse como si tuviera mente propia, es decir, como si fuera capaz de gobernarse a sí mismo. [17]

En un producto natural como este, se piensa que cada parte debe su presencia a la acción de todas las partes restantes, y también que existe para el bien de las demás y del todo, es decir, como un instrumento u órgano... La parte debe ser un órgano que produzca las otras partes y, en consecuencia, cada una de ellas produzca recíprocamente a las otras... Sólo bajo estas condiciones y bajo estos términos tal producto puede ser un ser organizado y autoorganizado y, como tal, ser llamado un final físico . [17]

Sadi Carnot (1796–1832) y Rudolf Clausius (1822–1888) descubrieron la segunda ley de la termodinámica en el siglo XIX. Afirma 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, al consumir la energía de baja entropía de una batería y difundir calor de alta entropía). [18] [19]

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. [20]

El psiquiatra e ingeniero W. Ross Ashby introdujo el término "autoorganización" en la ciencia contemporánea en 1947. [7] 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 de autoorganización. [21] Norbert Wiener retomó la idea en la segunda edición de su Cibernética: o control y comunicación en el animal y la máquina (1961).

La autoorganización estuvo asociada [ ¿por quién? ] con la teoría general de sistemas en la década de 1960, pero no se convirtió en algo común en la literatura científica hasta que los físicos Hermann Haken et al. y los investigadores de sistemas complejos lo adoptaron en una visión más amplia de la cosmología Erich Jantsch , [ se necesita aclaración ] química con sistema disipativo , biología y sociología como autopoiesis del pensamiento sistémico en los años 1980 ( Instituto Santa Fe ) y 1990 ( sistema adaptativo complejo ), hasta nuestros días con las tecnologías disruptivas emergentes profundizadas por una teoría de redes rizomáticas . [22] [ ¿ investigación original? ]

Alrededor de 2008-2009, comenzó a tomar forma un concepto de autoorganización guiada. Este enfoque tiene como objetivo regular la autoorganización para propósitos 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 plan de diseño global. Los resultados deseados, como aumentos en la estructura interna y/o funcionalidad resultantes, se logran combinando objetivos globales independientes de las tareas con limitaciones de las interacciones locales dependientes de las tareas. [23] [24]

Por campo

Células de convección en un campo de gravedad.

Física

Los numerosos fenómenos autoorganizados en física incluyen transiciones de fase y rupturas espontáneas de simetría, como la magnetización espontánea y el crecimiento de cristales en la física clásica , y el láser , [25] la superconductividad y la condensación de Bose-Einstein en la física cuántica . La autoorganización se encuentra en la criticidad autoorganizada en sistemas dinámicos , en tribología , en sistemas de espuma de espín y en gravedad cuántica de bucles , [26] en plasma , [27] en cuencas fluviales y deltas, en solidificación dendrítica (copos de nieve). , en imbibición capilar [28] y en estructura turbulenta. [3] [4]

Química

La estructura del ADN que se muestra esquemáticamente a la izquierda se autoensambla en la estructura de la derecha. [29]

La autoorganización en química incluye el autoensamblaje inducido por secado, [30] autoensamblaje molecular , [31] sistemas de reacción-difusión y reacciones oscilantes , [32] redes autocatalíticas , cristales líquidos , [33] complejos de rejilla , cristales coloidales , monocapas autoensambladas , [34] [35] micelas , separación en microfases de copolímeros en bloque y películas de Langmuir-Blodgett . [36]

Biología

Bandadas de pájaros (boids en Blender), un ejemplo de autoorganización en biología

La autoorganización en biología [37] 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 eusocial en insectos ( abejas , hormigas) . , termitas ) [38] y mamíferos , y comportamiento de bandadas en aves y peces. [39]

El biólogo matemático Stuart Kauffman y otros estructuralistas han sugerido que la autoorganización puede desempeñar funciones 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 a la hora de impulsar reacciones bioquímicas en las células. Los sistemas de reacciones en cualquier celda son autocatalizadores , pero no simplemente autoorganizados, ya que son sistemas termodinámicamente abiertos que dependen de un aporte continuo de energía. [40] [41] La autoorganización no es una alternativa a la selección natural, pero limita lo que la evolución puede hacer y proporciona mecanismos como el autoensamblaje de membranas que luego la evolución explota. [42]

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" [43] que se formuló considerando primero cómo se genera el orden microscópico en sistemas simples no vivos. Sistemas biológicos que están lejos del equilibrio termodinámico . Luego se amplió la consideración a moléculas de ARN cortas y replicantes que se suponía eran similares a las primeras formas de vida en el mundo del ARN . Se demostró que los procesos subyacentes de autoorganización generadores de orden 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 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 temprana de estructuras , la gravedad cuántica y la estructura a gran escala del universo podrían ser resultado o haber implicado cierto grado de autoorganización. [44] Sostiene que los sistemas autoorganizados son a menudo sistemas críticos , con estructuras que se extienden 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 invariante de escala en muchos órdenes de magnitud, las ideas y estrategias desarrolladas en el estudio de 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 enjambre , la autoorganización se utiliza para producir comportamiento emergente. En particular, la teoría de grafos aleatorios se ha utilizado como justificación de la autoorganización como principio general de sistemas complejos. En el campo de los sistemas multiagente , comprender cómo diseñar sistemas que sean capaces de presentar un comportamiento autoorganizado es un área de investigación activa. [45] Los algoritmos de optimización pueden considerarse autoorganizados porque su objetivo es 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. [46] [47] Las redes autoorganizadas incluyen redes de mundo pequeño [48] de autoestabilización [49] y redes sin escala . Éstas surgen de interacciones ascendentes, a diferencia de las redes jerárquicas descendentes dentro de las organizaciones, que no se autoorganizan. [50] Se ha argumentado que los sistemas de computación en la nube son inherentemente autoorganizados, [51] pero si bien tienen cierta autonomía, no son autogestionados ya que no tienen el objetivo de reducir su propia complejidad. [52] [53]

Cibernética

Norbert Wiener consideraba la identificación serial automática de una caja negra y su posterior reproducción como autoorganización en cibernética . [54] La importancia del bloqueo de fase o la "atracción de frecuencias", como él la llamó, se analiza en la segunda edición de su Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine . [55] 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 Homeostato de W. Ross Ashby buscan , cuando se les perturba, converger en uno de los muchos posibles estados estables. [56] Ashby utilizó su medida de variedad de conteo de estados [57] para describir estados estables y produjo el teorema del " buen regulador " [58] que requiere modelos internos para la resistencia y la estabilidad autoorganizadas (por ejemplo, el criterio de estabilidad de Nyquist ). Warren McCulloch propuso la "redundancia del comando potencial" [59] como característica de la organización del cerebro y del sistema nervioso humano y la condición necesaria para la autoorganización. Heinz von Foerster propuso la redundancia, R =1 −  H / H max , donde H es entropía . [60] [61] 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 consideraba que la autoorganización era necesaria para la autonomía de 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 regulación (2), el control operativo homeostático (3) y el desarrollo (4) que producen el mantenimiento de la identidad (5) en condiciones ambientales. perturbación. La atención se prioriza mediante una retroalimentación de alerta de "bucle algedónico": una sensibilidad tanto al dolor como al placer producida por un rendimiento insuficiente o excesivo en relación con una capacidad estándar. [62]

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 espín concurrentes recursivos contablemente infinitos [63] a los que llamó conceptos. Su estricta definición del concepto "un procedimiento para generar una relación" [64] permitió que su teorema "Los conceptos similares se repelen, los conceptos diferentes se atraen" [65] para establecer un principio general de autoorganización basado en el giro. Su edicto, un principio de exclusión, "No hay dobles ", significa que no hay dos conceptos iguales. Después de un tiempo suficiente, todos los conceptos se atraen y fusionan como 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. [66] [63]

Sociología

Autoorganización social en las rutas internacionales de la droga

El comportamiento autoorganizado de los animales sociales y la autoorganización de estructuras matemáticas simples sugieren que debería esperarse autoorganización en la sociedad humana . Los signos reveladores de la autoorganización suelen ser propiedades estadísticas compartidas con los sistemas físicos autoorganizados. Ejemplos como masa crítica , comportamiento de rebaño , pensamiento de grupo y otros, abundan en sociología , economía , finanzas conductuales y antropología . [67] El orden espontáneo puede verse influenciado por la excitación . [68]

En teoría social, el concepto de autorreferencialidad ha sido introducido como una aplicación sociológica de la teoría de la autoorganización por Niklas Luhmann (1984). Para Luhmann los elementos de un sistema social son comunicaciones que se autoproducen, es decir, una comunicación produce más comunicaciones y, por tanto, un sistema social puede reproducirse a sí mismo mientras 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. [69]

Ciencias económicas

A veces se dice que la economía de mercado se autoorganiza. Paul Krugman ha escrito sobre el papel que desempeña la autoorganización del mercado en el ciclo económico en su libro The Self Organizing Economy . [70] Friedrich Hayek acuñó el término catalaxia [71] para 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 imponer una planificación central normalmente 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 llamada economía mixta ). Cuando se aplica a la economía, el concepto de autoorganización puede rápidamente volverse ideológico. [72] [73]

Aprendiendo

Permitir a otros "aprender a aprender" [74] a menudo se entiende como enseñarles [75] cómo someterse a que les enseñen. El aprendizaje autoorganizado (SOL) [76] [77] [78] niega que "el experto sepa más" o que alguna vez exista "el mejor método", [79] [80] [81] insistiendo en cambio en "el construcción de significado personalmente significativo, relevante y viable" [82] para ser probado experiencialmente por el alumno. [83] Esto puede ser colaborativo y más gratificante personalmente. [84] [85] Se considera un proceso que dura toda la vida, no limitado a entornos de aprendizaje específicos (hogar, escuela, universidad) o bajo el control de autoridades como padres y profesores. [86] Es necesario probarlo y revisarlo intermitentemente a través de la experiencia personal del alumno. [87] No necesita estar restringido ni por la conciencia ni por el lenguaje. [88] Fritjof Capra argumentó que está poco reconocido en la psicología y la educación. [89] Puede estar relacionado con la cibernética, ya que implica un circuito de control de retroalimentación negativa , [64] o con la teoría de sistemas . [90] Puede llevarse a cabo como una conversación de aprendizaje o un diálogo entre alumnos o dentro de una sola persona. [91] [92]

Transporte

El comportamiento autoorganizado de los conductores en el flujo del 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 en movimiento. Estos efectos de autoorganización se explican mediante la teoría del tráfico en tres fases de Boris Kerner . [93]

Lingüística

El orden aparece espontáneamente en la evolución del lenguaje a medida que el comportamiento individual y poblacional interactúa con la evolución biológica. [94]

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 financiación y se le exige que asigne de forma anónima una fracción de sus fondos a la investigación de otros. Los defensores del SOFA argumentan que daría como resultado una distribución de fondos similar a la del actual sistema de subvenciones, pero con menos gastos generales. [95] En 2016, se inició una prueba piloto de SOFA en los Países Bajos. [96]

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: [97]

La mayoría de los científicos estarían de acuerdo con la visión crítica expresada en Problems of Biological Physics (Springer Verlag, 1981) por el biofísico LA Blumenfeld, cuando escribió: "El ordenamiento macroscópico significativo de la estructura biológica no surge debido al aumento de ciertos parámetros o una 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 consecuencia de una organización microscópica, no macroscópica.

Por supuesto, Blumenfeld no responde a la pregunta adicional de cómo surgen en primer lugar esas estructuras similares a programas. 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 en sí misma fundamental. La virtud de su idea es que resuelve lo que perciben como un "choque de doctrinas" sobre la naturaleza del tiempo en física . La mayoría de los físicos estarían de acuerdo en que no existe evidencia empírica que respalde su punto de vista ni existe una necesidad matemática para ello. No hay "choque de doctrinas". Sólo Prigogine y algunos colegas mantienen estas especulaciones que, a pesar de sus esfuerzos, siguen viviendo en la zona de penumbra 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 pueda ser una causa autosuficiente de su propia organización: [98]

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

Ver también

Notas

  1. ^ Para conocer la historia relacionada, consulte Aram Vartanian, Diderot y Descartes .

Referencias

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Otras lecturas

enlaces externos