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Autoorganización

Autoorganización en cubos de Nb 3 O 7 (OH) de tamaño micrométrico durante un tratamiento hidrotermal a 200 °C. Los cubos inicialmente amorfos se transforman gradualmente en mallas tridimensionales 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, sin necesidad de control por parte de ningún agente externo. A menudo se desencadena por fluctuaciones aparentemente aleatorias , amplificadas por la retroalimentación positiva . 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 autorepararse ante perturbaciones sustanciales . La teoría del caos analiza la autoorganización en términos de islas de previsibilidad en un mar de imprevisibilidad caótica.

La autoorganización se produce en muchos sistemas físicos , químicos , biológicos , robóticos y cognitivos . Algunos ejemplos de autoorganización son la cristalización , la convección térmica de fluidos, la oscilación química , la agrupación animal , los circuitos neuronales y los mercados negros .

Descripción general

La autoorganización se realiza [2] en la física de procesos de no equilibrio y en reacciones químicas , donde a menudo se caracteriza como autoensamblaje . El concepto ha demostrado ser útil en biología, desde el nivel molecular hasta el de los ecosistemas . [3] También aparecen ejemplos citados de comportamiento autoorganizativo 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. interacciones múltiples 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 de estados circundantes. Una vez allí, la evolución posterior del sistema está limitada 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] Señala 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] ( en francés : le principe de complexité par le bruit ) [12] primero 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] u "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 llevar a un aumento de su organización tiene una larga historia. Los atomistas antiguos, como Demócrito y Lucrecio, creían que no era necesaria una inteligencia diseñadora para crear orden en la naturaleza, argumentando que, si se disponía de tiempo, espacio y materia suficientes, el orden surge por sí solo. [16]

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

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

En un producto natural como éste, cada parte se considera como si debiera su existencia a la acción de todas las partes restantes, y también como si existiera para el bien de las otras y del todo, es decir, como un instrumento u órgano... La parte debe ser un órgano que produzca las otras partes, cada una de las cuales, en consecuencia, produce recíprocamente a las otras... Sólo bajo estas condiciones y en estos términos puede un producto de este tipo ser un ser organizado y autoorganizado , y, como tal, ser llamado un fin físico . [17]

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 otra parte del sistema (por ejemplo, mediante el consumo de la energía de baja entropía de una batería y la difusión de calor de alta entropía). [18] [19]

Los pensadores del siglo XVIII habían intentado 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 y Stafford Beer ; y von Foerster organizó una conferencia sobre "Los principios de la autoorganización" en el Allerton Park de la Universidad de Illinois en junio de 1960, lo que dio lugar a una serie de conferencias sobre sistemas autoorganizados. [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 se asoció [ ¿por quién? ] con la teoría general de sistemas en la década de 1960, pero no se volvió común en la literatura científica hasta que los físicos Hermann Haken et al. y los investigadores de sistemas complejos la adoptaron en un panorama más amplio desde la cosmología Erich Jantsch , [ aclaración necesaria ] la química con el sistema disipativo , la biología y la sociología como autopoiesis hasta el pensamiento sistémico en las siguientes décadas de 1980 ( Instituto Santa Fe ) y 1990 ( sistema adaptativo complejo ), hasta nuestros días con las tecnologías emergentes disruptivas profundizadas por una teoría de redes rizomáticas . [22] [¿ investigación original? ]

Entre 2008 y 2009, comenzó a tomar forma un concepto de autoorganización guiada. Este enfoque apunta a 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 plan de diseño global. Los resultados deseados, como aumentos en la estructura interna resultante y/o la funcionalidad, se logran combinando objetivos globales independientes de la tarea con restricciones dependientes de la tarea sobre las interacciones locales. [23] [24]

Por campo

Celdas de convección en un campo de gravedad

Física

Los numerosos fenómenos autoorganizativos en física incluyen transiciones de fase y rupturas espontáneas de simetría , como la magnetización espontánea y el crecimiento de cristales en física clásica , y el láser , [25] la superconductividad y la condensación de Bose-Einstein en física cuántica . La autoorganización se encuentra en la criticidad autoorganizada en sistemas dinámicos , en tribología , en sistemas de espuma de espín y en la 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 de 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 la biología del desarrollo , la coordinación del movimiento humano, el comportamiento eusocial en insectos ( abejas , hormigas , termitas ) [38] y mamíferos , y el comportamiento de bandada en aves y peces. [39]

El biólogo matemático Stuart Kauffman y otros estructuralistas han sugerido que la autoorganización puede desempeñar papeles 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 el impulso de las reacciones bioquímicas en las células. Los sistemas de reacciones en cualquier célula son autocatalizadores , pero no simplemente autoorganizadores, 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 la evolución luego explota. [42]

Se propuso que la evolución del orden en los sistemas vivos y la generación de orden en ciertos sistemas no vivos obedecían a un principio fundamental común llamado “la dinámica darwiniana” [43] que se formuló considerando primero cómo se genera el orden microscópico en sistemas no biológicos simples que están lejos del equilibrio termodinámico . Luego se extendió la consideración a moléculas cortas de ARN replicante que se suponía que eran similares a las primeras formas de vida en el mundo del ARN . Se demostró que los procesos subyacentes de generación de orden de autoorganización en los sistemas no biológicos y en el ARN replicante son básicamente similares.

Cosmología

En su artículo de conferencia de 1995 "La cosmología como un 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 de estructuras tempranas , la gravedad cuántica y la estructura a gran escala del universo podrían ser el resultado de o haber involucrado cierto grado de autoorganización. [44] Sostiene 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 invariante en la 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 sin resolver 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 , presentan características de autoorganización. En la robótica de enjambre , la autoorganización se utiliza para producir un comportamiento emergente. En particular, la teoría de los gráficos aleatorios se ha utilizado como justificación de la autoorganización como principio general de los sistemas complejos. En el campo de los sistemas multiagente , comprender cómo diseñar sistemas capaces de presentar un comportamiento autoorganizado es un área de investigación activa. [45] 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. [46] [47] Las redes autoorganizadas incluyen redes de mundo pequeño [48], autoestabilización [49] y redes libres de 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 son autoorganizadas. [50] Se ha sostenido 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 consideró la identificación serial automática de una caja negra y su reproducción posterior como autoorganización en cibernética . [54] La importancia del bloqueo de fase o la "atracción de frecuencias", como lo llamó, se analiza en la segunda edición de su Cibernética: o control y comunicación en el animal y la máquina . [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 Homeostat de W. Ross Ashby buscan , cuando se perturban, converger en uno de los muchos estados estables posibles. [56] Ashby usó 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 estabilidad autoorganizadas (por ejemplo, el criterio de estabilidad de Nyquist ). Warren McCulloch propuso la "Redundancia de Comando Potencial" [59] como característica de la organización del cerebro y el sistema nervioso humano y la condición necesaria para la autoorganización. Heinz von Foerster propuso la Redundancia, R =1 −  H / H max , donde H es la entropía . [60] [61] En esencia, esto establece que el ancho de banda de comunicación potencial no utilizado es una medida de la 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 rendimiento de los procesos de supervivencia (1), su gestión mediante la aplicación recursiva de la regulación (2), el control operativo homeostático (3) y el desarrollo (4) que produce el mantenimiento de la identidad (5) bajo perturbación ambiental. El foco se prioriza mediante una retroalimentación de alerta de "bucle algedónico": una sensibilidad tanto al dolor como al placer producida por un rendimiento inferior o superior al previsto 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 definición estricta de concepto "un procedimiento para generar una relación" [64] permitió que su teorema "Los conceptos iguales se repelen, los conceptos distintos se atraen" [65] estableciera un principio general de autoorganización basado en el espín. Su edicto, un principio de exclusión, " No hay Doppelgangers " significa que no pueden haber dos conceptos iguales. Después de un tiempo suficiente, todos los conceptos se atraen y se fusionan como ruido rosa . La teoría se aplica a todos los procesos organizativamente cerrados u homeostáticos que producen productos duraderos y coherentes que evolucionan, aprenden y se adaptan. [66] [63]

Sociología

La autoorganización social en las rutas internacionales de la droga

Tanto el comportamiento autoorganizativo de los animales sociales como la autoorganización de estructuras matemáticas simples sugieren que se debería esperar la autoorganización 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 manada , el pensamiento grupal y otros abundan en la sociología , la economía , las finanzas conductuales y la antropología . [67] El orden espontáneo puede verse influenciado por la excitación . [68]

En la teoría social, el concepto de autorreferencialidad fue 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 autoproductoras, 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 son 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 relación con el orden espontáneo de la economía de libre mercado. Los economistas neoclásicos sostienen que imponer una planificación central suele hacer que el sistema económico autoorganizado sea menos eficiente. En el otro extremo del espectro, los economistas consideran que los fallos 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 mezcla 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 impregnarse rápidamente de ideología. [72] [73]

Aprendiendo

Permitir que otros "aprendan a aprender" [74] se entiende a menudo como instruirlos [75] sobre cómo someterse a que se les enseñe. El aprendizaje autoorganizado (SOL) [76] [77] [78] niega que "el experto sepa más" o que exista "el mejor método", [79] [80] [81] insistiendo en cambio en "la construcción de un significado personalmente significativo, relevante y viable" [82] que el alumno debe probar experiencialmente. [83] Esto puede ser colaborativo y más gratificante a nivel personal. [84] [85] Se lo 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 los padres y profesores. [86] Debe probarse y revisarse de forma intermitente a través de la experiencia personal del alumno. [87] No necesita estar restringido ni por la conciencia ni por el lenguaje. [88] Fritjof Capra sostuvo que está poco reconocido en la psicología y la educación. [89] Puede estar relacionado con la cibernética, ya que implica un bucle 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 estudiantes o dentro de una persona. [91] [92]

Transporte

El comportamiento autoorganizativo 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 en una autopista, la capacidad de la autopista y la aparición de atascos de tráfico en movimiento. Estos efectos autoorganizativos se explican mediante la teoría del tráfico trifásico 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 , por sus siglas en inglés ) 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 sistema de subvenciones actual, 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 opinión crítica expresada en Problemas de física biológica (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 de un sistema por encima de sus valores críticos. Estas estructuras se construyen de acuerdo con estructuras arquitectónicas complicadas, similares a programas, en las que 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 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 hay evidencia empírica que respalde su punto de vista, ni hay una necesidad matemática para ello. No hay un "choque de doctrinas". Sólo Prigogine y unos pocos colegas sostienen estas especulaciones que, a pesar de sus esfuerzos, siguen viviendo en la zona crepuscular de la credibilidad científica.

En teología , Tomás de Aquino (1225-1274) en su Summa Theologica asume un universo creado teleológico al rechazar la idea de que algo puede ser una causa autosuficiente de su propia organización: [98]

Como la naturaleza obra por un fin determinado bajo la dirección de un agente superior, todo lo que la naturaleza hace debe necesariamente atribuirse a Dios, como a su primera causa. Así también todo lo que se hace voluntariamente debe atribuirse a una causa superior distinta de la razón o la voluntad humanas, ya que éstas pueden cambiar o fallar; pues todo lo que es cambiante y susceptible de defectos debe atribuirse a un primer principio inamovible y necesario por sí mismo, como se demostró en el cuerpo del artículo.

Véase también

Notas

  1. ^ Para una historia relacionada, véase Aram Vartanian, Diderot y Descartes .

Referencias

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