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Autoorganización

Autoorganización en cubos de Nb₃O₇(OH) de tamaño micrométrico durante un tratamiento hidrotermal a 200 °C. Los cubos inicialmente amorfos se transforman gradualmente en mallas 3...

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Autoorganización en cubos de Nb₃O₇(OH) de tamaño micrométrico 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 a continuación. [ 1 ]

La autoorganización , también llamada orden espontáneo en las ciencias sociales , es un proceso en el que surge algún tipo de orden general a partir de interacciones locales entre partes de un sistema inicialmente desordenado . El proceso puede ser espontáneo cuando se dispone de energía suficiente, sin necesidad de control por parte de ningún agente externo. A menudo se desencadena por fluctuaciones aparentemente aleatorias , amplificadas por retroalimentación positiva . La organización resultante es totalmente descentralizada y se distribuye entre todos los componentes del sistema. Por lo tanto, la organización suele ser robusta y capaz de sobrevivir o autorrepararse ante perturbaciones sustanciales . La teoría del caos describe la autoorganización en términos de islas de predictibilidad en un mar de imprevisibilidad caótica.

La autoorganización es un fenómeno que se da en diversos campos, como la física , la química , la biología , el comportamiento colectivo , la ecología , las redes de comunicación , la robótica , la inteligencia artificial , la lingüística , las ciencias sociales , el urbanismo , la filosofía y la ingeniería . [ 2 ] Algunos ejemplos de autoorganización son la cristalización , la convección térmica de fluidos, la oscilación química , el comportamiento de enjambre animal , los circuitos neuronales y los mercados negros .

Descripción general

La autoorganización se realiza [ 3 ] 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 de ecosistema . [ 4 ] 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 . [ 5 ] La autoorganización es un ejemplo del concepto relacionado de emergencia . [ 6 ]

La autoorganización se basa en cuatro ingredientes básicos: [ 7 ]

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

Principios

El cibernético William Ross Ashby formuló el principio original de autoorganización en 1947. [ 8 ] [ 9 ] Este principio establece 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 alcanzado, la evolución posterior del sistema está restringida a permanecer dentro del 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. [ 8 ]

El cibernético Heinz von Foerster formuló el principio de " orden a partir del ruido " en 1960. [ 10 ] Este principio 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 probabilidad de que el sistema llegue a la cuenca de un atractor "fuerte" o "profundo", desde donde luego entra rápidamente en el propio atractor. El biofísico Henri Atlan desarrolló este concepto al proponer el principio de " complejidad a partir del ruido" [ 11 ] [ 12 ] (en francés : le principe de complexité par le bruit ) [ 13 ] 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" [ 14 ] o "orden a partir del caos". [ 15 ] Se aplica en el método de recocido simulado para la resolución de problemas y el aprendizaje automático . [ 16 ]

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, con suficiente tiempo, espacio y materia, el orden surge por sí mismo. [ 17 ]

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

Immanuel Kant empleó el término «autoorganizado» en su Crítica del Juicio de 1790 , donde argumentó que la teleología es un concepto significativo solo si existe una entidad cuyas partes u «órganos» sean simultáneamente fines y medios. Dicho sistema de órganos debe ser capaz de comportarse como si tuviera mente propia, es decir, debe ser capaz de gobernarse a sí mismo. [ 18 ]

En un producto natural como este, se considera que cada parte debe su existencia a la acción de todas las demás partes, y también que existe en función de las otras y del todo, es decir, como un instrumento u órgano... La parte debe ser un órgano que produce las demás partes; cada una, en consecuencia, produce recíprocamente a las demás... Solo 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 . [ 18 ]

Sadi Carnot (1796–1832) y Rudolf Clausius (1822–1888) descubrieron la segunda ley de la termodinámica en el siglo XIX. Esta ley 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). [ 19 ] [ 20 ]

Los pensadores del siglo XVIII intentaron comprender las "leyes universales de la forma" para explicar las formas observadas en 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. [ 21 ]

El psiquiatra e ingeniero W. Ross Ashby introdujo el término "autoorganización" en la ciencia contemporánea en 1947. [ 8 ] Fue adoptado 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. [ 22 ] 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 con la teoría general de sistemas en la década de 1960, pero no se generalizó en la literatura científica hasta que los físicos Hermann Haken et al. y los investigadores de sistemas complejos la adoptaron en un contexto más amplio, desde la cosmología ( Erich Jantsch) , la química (con sistemas disipativos) , la biología y la sociología (como autopoiesis ) hasta el pensamiento sistémico en las 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 . [ 23 ]

Hacia 2008-2009, comenzó a gestarse el concepto de autoorganización guiada. Este enfoque busca regular la autoorganización para fines específicos, de modo que un sistema dinámico pueda alcanzar atractores o resultados concretos. La regulación restringe el proceso de autoorganización dentro de un sistema complejo limitando 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 el aumento de la estructura interna y/o la funcionalidad resultante, se logran combinando objetivos globales independientes de la tarea con restricciones dependientes de la tarea en las interacciones locales. [ 24 ] [ 25 ]

Por campo

Física

Celdas de convección en un campo gravitatorio

Los numerosos fenómenos autoorganizados en física incluyen transiciones de fase y ruptura espontánea de simetría, como la magnetización espontánea y el crecimiento de cristales en física clásica , y el láser , [ 26 ] 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 , [ 27 ] en plasma , [ 28 ] en cuencas fluviales y deltas, en solidificación dendrítica (copos de nieve), en imbibición capilar [ 29 ] y en estructura turbulenta. [ 4 ] [ 5 ]

Química

La estructura de ADN mostrada esquemáticamente a la izquierda se autoensambla en la estructura de la derecha [ 30 ].

La autoorganización en química incluye el autoensamblaje inducido por secado, [ 31 ] el autoensamblaje molecular , [ 32 ] los sistemas de reacción-difusión y las reacciones oscilantes , [ 33 ] las redes autocatalíticas , los cristales líquidos , [ 34 ] los complejos reticulares , los cristales coloidales , las monocapas autoensambladas , [ 35 ] [ 36 ] las micelas , la separación de microfases de copolímeros de bloque y las películas de Langmuir-Blodgett . [ 37 ]

Biología

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

La autoorganización en biología [ 38 ] 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 ) [ 39 ] y mamíferos , y el comportamiento de bandada en aves y peces. [ 40 ]

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 : 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 autoorganizados, ya que son sistemas termodinámicamente abiertos que dependen de un aporte continuo de energía. [ 41 ] [ 42 ] 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 aprovecha. [ 43 ]

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 “dinámica darwiniana” [ 44 ] , formulado al considerar primero cómo se genera el orden microscópico en sistemas no biológicos simples que están lejos del equilibrio termodinámico . Posteriormente, el análisis se extendió a moléculas cortas de ARN replicantes, consideradas similares a las primeras formas de vida en el mundo del ARN . Se demostró que los procesos subyacentes de generación de orden de la autoorganización en los sistemas no biológicos y en el ARN replicante son básicamente similares.

Cosmología

En su ponencia de 1995, «La cosmología como un problema en los fenómenos críticos», Lee Smolin afirmó 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 el resultado de, o haber implicado, cierto grado de autoorganización. [ 45 ] Argumenta que los sistemas autoorganizados suelen ser sistemas críticos , con una estructura que se extiende en el espacio y el tiempo sobre todas las escalas disponibles, como lo demuestran, por ejemplo, Per Bak y sus colaboradores. Por lo tanto, dado que la distribución de la materia en el universo es más o menos invariante a 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

Fenómenos de las matemáticas y la informática, como los autómatas celulares , los grafos 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 los grafos 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. [ 46 ] Los algoritmos de optimización pueden considerarse autoorganizados porque buscan encontrar la solución óptima a un problema. Si la solución se considera como un estado del sistema iterativo, la solución óptima es la estructura seleccionada y convergente del sistema. [ 47 ] [ 48 ] Las redes autoorganizadas incluyen redes de mundo pequeño [ 49 ] autoestabilización [ 50 ] y redes libres de escala . Estas surgen de interacciones ascendentes, a diferencia de las redes jerárquicas descendentes dentro de las organizaciones, que no son autoorganizadas. [ 51 ] Se ha argumentado que los sistemas de computación en la nube son inherentemente autoorganizados, [ 52 ] pero si bien tienen cierta autonomía, no son autogestionados ya que no tienen el objetivo de reducir su propia complejidad. [ 53 ] [ 54 ]

Cibernética

Norbert Wiener consideró la identificación serial automática de una caja negra y su posterior reproducción como autoorganización en cibernética . [ 55 ] La importancia del bloqueo de fase o la "atracción de frecuencias", como él la llamó, se discute en la 2.ª edición de su Cibernética: o Control y Comunicación en el Animal y la Máquina . [ 56 ] K. Eric Drexler ve la autorreplicación como un paso clave en el nanoensamblaje y el ensamblaje universal . Por el contrario, los cuatro galvanómetros conectados simultáneamente del Homeostato de W. Ross Ashby buscan , cuando se perturban, converger en uno de los muchos estados estables posibles. [ 57 ] Ashby usó su medida de conteo de estados de variedad [ 58 ] para describir estados estables y produjo el teorema del " Buen Regulador " [ 59 ] 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" [ 60 ] como característica de la organización del cerebro y del sistema nervioso humano y condición necesaria para la autoorganización. Heinz von Foerster propuso la Redundancia, R = 1 − H / H max , donde H es la entropía . [ 61 ] [ 62 ] En esencia, esto afirma 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 sistemas persistentes y vivos. Aplicó su modelo de sistema viable a la gestión. Este consta de cinco partes: el monitoreo del desempeño 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 enfoque se prioriza mediante una retroalimentación de "bucle algedónico" de alerta: una sensibilidad tanto al dolor como al placer producidos por un desempeño inferior o superior al estándar. [ 63 ]

En la década de 1990, Gordon Pask argumentó que H y Hmax de von Foerster no eran independientes, sino que interactuaban mediante procesos de espín concurrentes recursivos contablemente infinitos [ 64 ], a los que denominó conceptos. Su estricta definición de concepto, "un procedimiento para generar una relación" [ 65 ], permitió que su teorema "Los conceptos semejantes se repelen, los conceptos distintos se atraen" [ 66 ] enunciara un principio general de autoorganización basado en espines. Su precepto, un principio de exclusión, " No hay doppelgangers ", significa que no puede haber dos conceptos iguales. Tras un tiempo suficiente, todos los conceptos se atraen y se 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. [ 67 ] [ 64 ]

Sociología

Autoorganización social en las rutas internacionales de narcotráfico

El comportamiento autoorganizado de los animales sociales y la autoorganización de estructuras matemáticas simples sugieren que la autoorganización es esperable en la sociedad humana . Los signos reveladores de la autoorganización suelen ser propiedades estadísticas compartidas con sistemas físicos autoorganizados. Ejemplos como la masa crítica , el comportamiento de manada , el pensamiento grupal y otros, abundan en sociología , economía , finanzas conductuales y antropología . [ 68 ] El orden espontáneo puede verse influenciado por la excitación . [ 69 ]

En 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 autoproductoras; es decir, una comunicación genera más comunicaciones y, por lo tanto, un sistema social puede reproducirse mientras exista una comunicación dinámica. Según Luhmann, los seres humanos son sensores en el entorno del sistema. Desarrolló una teoría evolutiva de la sociedad y sus subsistemas, utilizando análisis funcionales y la teoría de sistemas. [ 70 ]

El anarquismo puede abogar por la autoorganización como uno de sus principios básicos. [ 71 ]

Ciencias económicas

A veces se dice que la economía de mercado es autoorganizada. Paul Krugman ha escrito sobre el papel que desempeña la autoorganización del mercado en el ciclo económico en su libro La economía autoorganizada . [ 72 ] Friedrich Hayek acuñó el término catalaxia [ 73 ] 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 la imposición de la planificación central suele hacer que el sistema económico autoorganizado sea menos eficiente. En el otro extremo del espectro, los economistas consideran que las fallas del mercado son tan significativas 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 planificada (a veces llamada economía mixta ). Cuando se aplica a la economía, el concepto de autoorganización puede impregnarse rápidamente de ideología. [ 74 ] [ 75 ]

Aprendiendo

Capacitar a otros para "aprender a aprender" [ 76 ] a menudo se interpreta como instruirlos [ 77 ] sobre cómo someterse a la enseñanza. El aprendizaje autoorganizado (SOL) [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] niega que "el experto lo sepa todo" o que exista "un único método óptimo" [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] , insistiendo en cambio en "la construcción de un significado personalmente significativo, relevante y viable" [ 84 ] que debe ser probado experimentalmente por el aprendiz. [ 85 ] Esto puede ser colaborativo y más gratificante a nivel personal. [ 86 ] [ 87 ] Se considera un proceso que dura toda la vida, no limitado a entornos de aprendizaje específicos (hogar, escuela, universidad) ni bajo el control de autoridades como padres y profesores. [ 88 ] Necesita ser probado y revisado intermitentemente a través de la experiencia personal del aprendiz. [ 89 ] No tiene por qué estar restringido ni por la conciencia ni por el lenguaje. [ 90 ] Fritjof Capra argumentó que está poco reconocido dentro de la psicología y la educación. [ 91 ] Puede estar relacionado con la cibernética, ya que implica un bucle de control de retroalimentación negativa , [ 65 ] o con la teoría de sistemas . [ 92 ] Puede llevarse a cabo como una conversación de aprendizaje o un diálogo entre aprendices o dentro de una misma persona. [ 93 ] [ 94 ]

Transporte

El comportamiento autoorganizado de los conductores en el flujo de tráfico determina casi todo el comportamiento espaciotemporal del tráfico, como la congestión en los cuellos de botella de las autopistas, la capacidad de las mismas y la aparición de atascos móviles. Estos efectos autoorganizados se explican mediante la teoría del tráfico trifásica de Boris Kerner . [ 95 ]

Lingüística

El orden aparece espontáneamente en la evolución del lenguaje a medida que el comportamiento individual y poblacional interactúa con la evolución biológica. [ 96 ]

Investigación

La asignación de fondos autoorganizada ( SOFA , por sus siglas en inglés) es un método para distribuir 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 anónimamente 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. [ 97 ] En 2016, se inició un programa piloto de SOFA en los Países Bajos. [ 98 ]

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: [ 99 ]

La mayoría de los científicos coincidirían con la visión crítica expresada en Problemas de Física Biológica (Springer Verlag, 1981) por el biofísico L.A. Blumenfeld, quien escribió: «El ordenamiento macroscópico significativo de la estructura biológica no surge del aumento de ciertos parámetros de un sistema por encima de sus valores críticos. Estas estructuras se construyen según complejas estructuras arquitectónicas programadas, utilizando la información significativa generada durante 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 de cómo surgen esas estructuras similares a programas. Su explicación conduce directamente a una regresión infinita .

En resumen, Prigogine y Stengers sostienen que la irreversibilidad del tiempo no deriva de un micromundo independiente del tiempo, sino que es fundamental en sí misma. La virtud de su idea radica en que resuelve lo que perciben como un «choque de doctrinas» sobre la naturaleza del tiempo en física . La mayoría de los físicos coincidirían en que no existe evidencia empírica que respalde su postura, ni necesidad matemática para ella. No hay tal «choque de doctrinas». Solo Prigogine y algunos colegas mantienen estas especulaciones que, a pesar de sus esfuerzos, siguen en la zona gris de la credibilidad científica.

Véase también

Notas

  1. ↑ Para información histórica relacionada, véase Aram Vartanian, Diderot y Descartes .

Referencias

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