自己組織化

200℃での水熱処理中のミクロンサイズのNb 3 O 7 (OH)立方体の自己組織化。最初は非晶質であった立方体は、以下のモデルに示すように、徐々に結晶性ナノワイヤの整列した3Dメッシュへと変化する。 [ 1 ]

自己組織化は、社会科学では自発的秩序とも呼ばれ、当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発生します。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、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が論じられています。

自己組織化は、物理学、化学、生物学、集団行動、生態学、通信ネットワーク、ロボット工学、人工知能、言語学、社会科学、都市計画、哲学、工学など、様々な分野で起こる現象です。[ 2 ]自己組織化の例としては、結晶化、流体の熱対流、化学振動、動物の群れ、神経回路、闇市場などが挙げられます。

概要

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[ 3 ]、しばしば自己集合として特徴付けられる。この概念は、分子レベルから生態系レベルに至るまで、生物学において有用であることが証明されている。[ 4 ]自己組織化行動の例は、自然科学と社会科学（経済学や人類学など）の両方において、他の多くの分野の文献にも見られる。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 。[ 5 ]自己組織化は、関連する概念である創発の一例である。[ 6 ]

自己組織化は4つの基本的な要素に依存している：[ 7 ]

  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. 搾取と探査のバランス
  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）

原則

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。[ 8 ] [ 9 ]この原理は、あらゆる決定論的動的システムは、周囲の状態の集合体におけるアトラクターとして記述できる平衡状態へと自動的に進化する、と述べている。一旦そこに到達すると、システムのさらなる進化は、アトラクター内に留まるように制約される。この制約は、システムを構成するコンポーネント、すなわちサブシステム間の相互依存または協調の形態を示唆している。アシュビーの用語で言えば、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。[ 8 ]

サイバネティクス研究者のハインツ・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[ 10 ]。フェルスターによれば、ランダムな摂動（「ノイズ」）によって自己組織化が促進され、システムが状態空間内で様々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」あるいは「深い」アトラクターの盆地に到達し、そこから素早くアトラクター自体に入る可能性が高まる。生物物理学者のアンリ・アトランは、この概念を発展させ、「ノイズからの複雑性」の原理[ 11 ] [ 12 ]（フランス語：le principe de complexité par le bruit）[ 13 ]を1972年の著書『生物組織と情報理論』で初めて提唱し、その後1979年の著書『結晶と煙の間』で発表した。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」[ 14 ]または「混沌からの秩序」[ 15 ]として定式化しました。これは、問題解決や機械学習におけるシミュレーテッドアニーリング法に応用されています。[ 16 ]

歴史

システムのダイナミクスがその組織化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といった古代の原子論者は、自然界に秩序を生み出すために設計的な知性は不要であり、十分な時間と空間と物質があれば秩序は自然に出現すると主張した。[ 17 ]

哲学者ルネ・デカルトは、 1637年の『方法序説』第5部で自己組織化を仮説的に提示した。彼はこの概念を未発表の著作『世界』でさらに詳しく述べた。[ a ]

イマヌエル・カントは1790年の『判断力批判』において「自己組織化」という用語を用いて、目的論が意味を持つ概念となるのは、その部分、すなわち「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のみであると主張した。そのような器官系は、あたかも自らの意思を持っているかのように振る舞う、すなわち自己を統御する能力を備えていなければならない。[ 18 ]

このような自然物においては、すべての部分が他の部分の作用によって存在していると考えられ、また他の部分と全体のために存在している、つまり道具、器官として存在していると考えられる。…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、このような製品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。[ 18 ]

サディ・カルノー（1796–1832）とルドルフ・クラウジウス（1822–1888）は19世紀に熱力学第二法則を発見しました。この法則は、孤立系においては、全エントロピー（無秩序とも解釈される）が時間とともに常に増加することを述べています。これは、系内の他の場所で秩序を低下させる外部関係（例えば、電池の低エントロピーエネルギーの消費と高エントロピー熱の拡散）がない限り、系が自発的に秩序を高めることはできないことを意味します。[ 19 ] [ 20 ]

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」を理解しようと努めました。この考えはラマルキズムと結び付けられ、20世紀初頭にダーシー・ウェントワース・トンプソン（1860–1948）が復活を試みるまで、評判を落としていました。 [ 21 ]

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た。[ 8 ]この用語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、フォン・フェルスターは1960年6月にイリノイ大学アラートンパークで「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った。[ 22 ]ノーバート・ウィーナーは『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ている。

自己組織化は1960年代には一般システム理論と関連付けられていましたが、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、宇宙論のエーリッヒ・ヤンチ、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1980年代（サンタフェ研究所）と1990年代（複雑適応系）に、そして根茎状ネットワーク理論によって深みを開いた破壊的な新興技術が登場した現代に至るまで、より広い視野で自己組織化を採用したからでした。[ 23 ]

2008年から2009年頃にかけて、誘導自己組織化の概念が具体化し始めました。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や結果に到達することを目指しています。この規制は、明示的な制御メカニズムや全体設計図に従うのではなく、システム構成要素間の局所的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。結果として得られる内部構造や機能の向上といった望ましい結果は、タスクに依存しない全体目標と、タスクに依存する局所的な相互作用の制約を組み合わせることで達成されます。[ 24 ] [ 25 ]

分野別

重力場における対流細胞

物理

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[ 26 ]、超伝導、ボーズ・アインシュタイン凝縮などが含まれる。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[ 27 ]、 プラズマ[ 28 ]、 河川流域やデルタ、樹枝状凝固（雪片）、毛細管吸収[ 29 ] 、乱流構造[ 4 ] 、[ 5 ]などに見られる。

化学

左に模式的に示したDNA構造は、右の構造に自己集合する[ 30 ]

化学における自己組織化には、乾燥誘起自己組織化、[ 31 ]分子自己組織化、[ 32 ]反応拡散系および振動反応、[ 33 ]自己触媒ネットワーク、液晶、[ 34 ]グリッド複合体、コロイド結晶、自己組織化単分子膜、[ 35 ] [ 36 ]ミセル、ブロック共重合体のミクロ相分離、ラングミュア・ブロジェット膜[ 37 ]などが含まれる。

生物学

鳥の群れ（Blenderのボイド）、生物学における自己組織化の例

生物学における自己組織化[ 38 ]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、人間の運動の調整、昆虫（ハチ、アリ、シロアリ）[ 39 ]や哺乳類の真社会行動、鳥や魚の群れ行動[ 40 ]などに観察できます。

数理生物学者スチュアート・カウフマンをはじめとする構造主義者は、進化生物学の3つの分野、すなわち個体群動態、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している可能性を示唆している。しかし、これは細胞内の生化学反応を駆動する上でエネルギーが果たす重要な役割を考慮していない。あらゆる細胞内の反応系は自己触媒的であるが、単なる自己組織化ではない。なぜなら、それらは継続的なエネルギーの投入に依存する熱力学的に開放された系だからである。 [ 41 ] [ 42 ]自己組織化は自然選択に代わるものではないが、進化のできることを制限し、進化が利用する膜の自己集合などのメカニズムを提供する。[ 43 ]

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」[ 44 ]と呼ばれる共通の基本原理に従うと提案された。この原理は、まず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検討することによって定式化された。次に、 RNAワールドにおける最古の生命体に類似していると想定される短い複製RNA分子にまで考察が広げられた。非生体システムと複製RNAにおける自己組織化の根底にある秩序生成プロセスは基本的に同様であることが示された。

宇宙論

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」の中で、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、あるいは自己組織化を伴っている可能性があると述べた。[ 45 ]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、宇宙における物質の分布は数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や戦略は、宇宙論や天体物理学における特定の未解決問題の解決に役立つ可能性がある。

コンピュータサイエンス

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す。群ロボット工学では、自己組織化は創発行動を生み出すために用いられる。特にランダムグラフ理論は、複雑系の一般原理としての自己組織化の正当化に用いられてきた。マルチエージェントシステムの分野では、自己組織化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領域である。[ 46 ]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る。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ある。[ 47 ] [ 48 ]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[ 49 ]自己安定化[ 50 ]およびスケールフリーネットワークが含まれる。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じます。[ 51 ]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、[ 52 ]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、自己管理型ではありません。[ 53 ] [ 54 ]

サイバネティクス

ノーバート・ウィーナーは、ブラックボックスの自動的な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。[ 55 ]位相同期、あるいは彼が「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版で論じられている。[ 56 ] 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ている。対照的に、W・ロス・アシュビーのホメオスタットの4つの同時接続されたガルバノメータは、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。[ 57 ]アシュビーは、状態カウントの多様性の尺度[ 58 ]を用いて安定状態を記述し、「グッドレギュレータ」[ 59 ]定理を生み出した。この定理は、自己組織化された耐久性と安定性（例えば、ナイキスト安定基準）のため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」[ 60 ]を脳と人間の神経系の組織特性であり、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。[ 61 ] [ 62 ]これは本質的に、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不可欠であると考えた。彼は自身の生存可能システムモデルを経営に応用した。このモデルは5つの部分から構成される。(1) 生存プロセスのパフォーマンスの監視、(2) 制御の再帰的適用による管理、 (3)恒常的な動作制御、(4) 環境変動下におけるアイデンティティの維持をもたらす発達、(5) である。集中は、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、標準的な能力に対するパフォーマンス不足または過剰から生じる苦痛と快楽の両方に対する感受性である。[ 63 ]

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、可算無限の再帰的並行スピンプロセス[ 64 ]を介して相互作用すると主張した。彼はこれを概念と呼んだ。概念を「関係を生み出す手順」[ 65 ]と厳密に定義したことにより、「同種の概念は反発し、異種の概念は引き合う」[ 66 ]という定理は、スピンに基づく自己組織化の一般的な原理を述べることができた。彼の布告、すなわち排他原理「ドッペルゲンガーは存在しない」は、2つの概念が同一であ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、ピンクノイズのように融合する。この理論は、進化、学習、適応する永続的で一貫性のある製品を生み出す、組織的に閉じた、あるいは恒常的なプロセスすべてに当てはまる[ 67 ]。[ 64 ]

社会学

国際麻薬ルートにおける社会的自己組織化

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、どちらも人間社会に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。自己組織化の明確な兆候は、通常、自己組織化する物理システムと共通する統計的性質である。臨界質量、群集行動、集団思考といった例は、社会学、経済学、行動ファイナンス、人類学の分野に数多く存在する。[ 68 ]自発的秩序は覚醒によって影響を受ける可能性がある。[ 69 ]

社会理論において、自己言及性の概念は、ニクラス・ルーマン（1984）によって自己組織化理論の社会学的な応用として導入された。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。すなわち、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、したがって社会システムは動的なコミュニケーションが存在する限り自己再生可能である。ルーマンにとって、人間はシステム環境におけるセンサーである。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。[ 70 ]

アナキズムは自己組織化をその基本原則の一つとして主張することがある。[ 71 ]

経済

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、市場の自己組織化が景気循環において果たす役割について述べている。[ 72 ]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連して、「自発的な協力による自己組織化システム」を表すために「カタラクシー」という用語を造語した[ 73 ] 。新古典派経済学者は、中央計画を強制すると、自己組織化された経済システムの効率が低下すると主張する。一方、市場の失敗があまりにも大きいため、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統制すべきだと考える経済学者もいる。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を組み合わせた経済（混合経済と呼ばれることもある）を推奨している。経済学に適用されると、自己組織化の概念はすぐにイデオロギーに染まってしまう可能性がある。[ 74 ] [ 75 ]

学ぶ

他者が「学び方を学ぶ」ことを可能にすること[ 76 ]は、しばしば、教えられることに従う方法を教える[ 77 ]という意味に解釈される。自己組織化学習（SOL） [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]は、「専門家が一番よく知っている」あるいは「唯一の最善の方法」が存在するということを否定し[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]、代わりに「個人的に意義があり、関連性があり、実行可能な意味の構築」[ 84 ]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。[ 85 ]これは共同作業であり、個人的によりやりがいのあるものになる可能性がある。[ 86 ] [ 87 ]これは生涯にわたるプロセスであり、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と考えられている。[ 88 ]これは学習者の個人的な経験を通してテストされ、断続的に修正される必要がある。[ 89 ]意識や言語によって制限される必要はない。[ 90 ]フリッツォフ・カプラは、心理学や教育の分野ではそれがあまり認識されていないと主張した。[ 91 ]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、[ 65 ]あるいはシステム理論と関連している可能性がある。[ 92 ]学習者間または一人の人間の中で学習会話や対話として行うことができる。[ 93 ] [ 94 ]

交通機関

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における交通渋滞、高速道路の容量、移動交通渋滞の発生など、交通のほぼすべての時空間的挙動を決定づける。これらの自己組織化効果は、ボリス・カーナーの三相交通理論によって説明される。[ 95 ]

言語学

言語の進化においては、個体や集団の行動が生物の進化と相互作用するにつれて、秩序が自然に現れる。[ 96 ]

研究

自己組織的資金配分（SOFA ）は、科学研究への資金配分方法の一つです。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、研究者は匿名で資金の一部を他の研究者の研究に配分することが求められます。SOFAの支持者は、SOFAによって現在の助成金制度と同様の資金配分が実現され、経費も削減されると主張しています。[ 97 ] 2016年には、オランダでSOFAの試験運用が開始されました。[ 98 ]

批判

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』を書評し、権威に訴えている。[ 99 ]

生物物理学者LAブルーメンフェルドが『生物物理学の諸問題』 （シュプリンガー・フェアラーク、1981年）で述べた批判的な見解に、多くの科学者が同意するだろう。彼は次のように述べている。「生物学的構造における意味のある巨視的秩序は、システムの特定のパラメータが臨界値を超えて増加することによって生じるのではない。これらの構造は、プログラムのような複雑な建築構造に基づいて構築されており、数十億年にわたる化学的・生物学的進化の中で生み出された意味のある情報が利用されている。」生命は、巨視的ではなく、微視的組織の結果である。

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して出現するのかというさらなる疑問には答えていない。彼の説明は、直接的に無限後退につながる。

要するに、彼ら[プリゴジンとステングス]は、時間の不可逆性は時間に依存しないミクロ世界から導き出されるのではなく、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にある。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も、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。プリゴジンと少数の同僚だけが、彼らの努力にもかかわらず、科学的信憑性の薄暗い領域に留まり続けているこれらの推測に固執しているのだ。

神学においては、トマス・アクィナス（1225-1274）は『神学大全』の中で、何かがそれ自身の組織化の自給自足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前提としている。[ 100 ]

自然は高次の主体の指示の下、定められた目的のために機能するから、自然によって行われるものはすべて、その第一原因である神に遡及しなければならない。同様に、自発的に行われるものもすべて、人間の理性や意志とは異なる、より高次の原因に遡及しなければならない。なぜなら、理性や意志は変化したり、機能しなくなったりするからである。なぜなら、変化しやすく、欠陥が生じ得るものはすべて、本文で示したように、不動かつ自己必然的な第一原理に遡及しなければならないからである。

参照

注記

  1. ^関連する歴史については、アラム・ヴァルタニアン著『ディドロとデカルト』を参照。

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