ארגון עצמי

ארגון עצמי, (באנגלית: Self-organization) במדעי החברה מכונה גם סדר ספונטני, הוא תהליך שבו צורה כלשהי של סדר כולל נובעת מאינטראקציות מקומיות בין חלקים של מערכת לא מסודרת. התהליך יכול להיות ספונטני כאשר יש מספיק אנרגיה זמינה, ללא צורך בשליטה של אף גורם חיצוני. ארגון עצמי מופעל לעיתים קרובות על ידי תנודות אקראיות לכאורה, שמועצמות על ידי משוב חיובי. הארגון המתקבל הוא מבוזר לחלוטין, ומופץ על כל מרכיבי המערכת. ככזה, הארגון בדרך כלל חזק ומסוגל לשרוד או לתקן בעצמו הפרעות משמעותיות. תורת הכאוס דנה בהתארגנות עצמית במונחים של איים של חיזוי בים של אי-חיזוי כאוטי.

ארגון עצמי בקוביות Nb3O7(OH) בגודל מיקרון במהלך טיפול הידרותרמי ב-200 מעלות צלזיוס. בתחילה, קוביות אמורפיות הופכות בהדרגה לרשתות תלת-ממד מסודרות של ננו-חוטים גבישיים, כפי שמוצג במודל שלעיל.

ארגון עצמי מתרחש במערכות פיזיקליות, כימיות, ביולוגיות, רובוטיות וקוגניטיביות רבות. דוגמאות לארגון עצמי כוללות התגבשות (אנ'), הסעה תרמית של נוזלים, תנודה כימית, נחילי בעלי חיים, מעגלים עצביים ושווקים שחורים.

מבוא

במשך שנים רבות אנשים תהו מהו מקורו של הסדר. מדוע יש סדר במקום סתם מקריות או כאוס. בחיי הומיום אנו מוקפים במערכות מסודרות כמו מבנים של גלקסיות, יצורים חיים, פתיתי שלג, תאים ועוד. מדוע וכיצד דברים פועלים יחד, כיצד אנו משיגים תיאום וסדר בתוך מערכת? קיימות שתי גישות יסודיות שונות לענות על שאלה זו: הגישה האחת היא, תיאום עשוי להיות מוכתב על ידי ישות חיצונית, סוג כלשהו של יוצר או מתכנן; ושנית, סדר עשוי להיווצר מבפנים, באופן עצמי. במשך אלפי שנים, חברות רבות הגיעו למסקנה הראשונה – שהסדר שאנו רואים בעולם נובע מישות עליונה חיצונית כלשהי. דתות וזרמים רוחניים מתארות את העולם כמשחק בין כוחות על-טבעיים של סדר וכאוס. המדע המודרני דוחה כל כוח על-טבעי, ובבסיסו עומדים חוקי טבע בלתי משתנים, הכוללים את שימור החומר והאנרגיה.^[1]

החוק הראשון של התרמודינמיקה הוא ביטוי לעיקרון שימור זה, ולפיו סך האנרגיה במערכת מבודדת נשמר – כלומר, אנרגיה וחומר לא יכולים להיווצר או להיעלם, אלא רק להשתנות מצורה אחת לאחרת. שימור האנרגיה הוא הנחת יסוד בסיסית במדע, ופועל יוצא ממנו הוא לדוגמה דחייה של רעיון של מכונת תנועה נצחית ומייצרת אנרגיה מכלום. החוק השני של התרמודינמיקה קובע שסך האנטרופיה – שמותארת לעיתים קרובות כאי-הסדר – במערכת מבודדת תמיד יעלה עם הזמן. דוגמה לכך היא פיזור חום. כשיש אובייקט חם – החום יתפשט תמיד כדי להתאזן עם סביבתו, אך לעולם לא יתרכז חזרה מעצמו באופן ספונטני. באופן דומה כאשר מסדרים חדר הוא יתבלגן מחדש שוב, ואנשים מזדקנים ולא נהיים צעירים יותר. כל אלו הן דוגמאות לכך שמערכת לא יכולה להגביר את הסדר הפנימי שלה מבלי שתהיה התערבות חיצונית^[1]. אפשר להסביר דבר זה באמצעות מכניקה סטטיסטית - מספר המצבים ה"מסודר" הוא קטן בהרבה לעומת מספר המצבים הלא מסודר. כדי שמערכת תהפוך מסודרת יותר יש צורך בהשקעת אנרגיה מבחוץ (לדוגמה מישהו שמסדר את החדר, או שינוי חזרה של תגובה כימית ספוטנית) אך השקעה זו גורמת לירידת סדר במערכת אחרת. כך שסה"כ בשתי המערכות רמת האנטרופיה עולה.

במשך שנים רבות, הפרוש היחיד לחוק השני של התרמודינמיקה היה שמערכות נוטות לאי-סדר, ודבר זה התקבל כהנחת יסוד. פרוש זה לא עונה לשאלה היסודית - מדוע יש התפתחו ביקום שלנו מערכות עם רמות סדר גבוהות? לכאורה החוק השני של התמרמודינמיקה אמור להוביל בדיוק לתוצאה הפוכה של הגברת האי סדר^[1]. לדוגמה אם ניקח טיפת צבע ונפיל אותה לתוך כוס, הצבע יתפזר באופן טבעי במים עד לקבלת צבע אחיד פחות או יותר - אנו לעולם לא רואים מצב הפוך שבו נוזל צבוע הופך פתאום לנוזל צלול, ובו יש אזור שבו יש טיפת צבע מבודדת. דבר זה ניתן כאמור להסבר על ידי מכניקה סטטיסית והוא כה נפוץ עד שאנו מזהים אותו כ"כיוונית הזמן" - אם מקרינים לנו סרט שבו נוצר דבר כזה אנו מזהים אותו כסרט שמוקרן הפוך.

המונח "התארגנות עצמית" (Self-organizing) הוכנס לשיח המדעי המודרני בשנת 1947 על ידי הפסיכיאטר והמהנדס ר. רוס אשבי. בשנות ה-60 השתמשו במונח חוקרים מתחום תאוריית המערכות הכלליות. עם זאת המונח הפ ך נפוץ יותר בספרות המדעית רק כשאומץ על ידי פיזיקאים וחוקרי מערכות מורכבות בשנות ה-70 וה-80, בעקבות עבודותו של איליה פריגוז'ין משנת 1977, דבר שהוביל לזכייתו בפרס נובל לכימיה.^[1] מחקריו של פריגוג'ין בנושא "מבנים דיסיפטיביים" הייתה אחת הראשונות להראות שהחוק השני של התרמודינמיקה כפי שהובן עד אז אינו תקף לכל סוגי המערכות. פריגוג'ין חקר מערכות כימיות ופיזיקליות שאינן קרובות לשיווי משקל, והראה כי במקרים מסוימים תנודות קטנות יכולות להתגבר דרך לולאות משוב וליצור דפוסים חדשים^[1].

תאי קונבקציה בשדה כבידה - הנוזל החם שוקל פחות ולכן מנסה לעלות והנוזל הקר מנסה לרדת כך שנוצרים דפוסים דמויי תא

דוגמה אחת לכך היא "תאי קונבקציה" (או תא ברנרד (אנ')) כשמחממים מים מלמטה באופן אחיד והם מתקררים באופן אחיד מלמעלה – הנוזל החם, שהוא קל יותר, מנסה לעלות למעלה, בעוד הנוזל הקר שבראש מנסה לרדת. שני הכיוונים ההפוכים הללו לא יכולים להתרחש בו-זמנית. התוצאה היא שהנוזל מתארגן מעצמו לתבנית של תאים משושים, שנקראת "תאי קונבקציה", כאשר בצד אחד של התא יש זרימה כלפי מעלה ובצד השני זרימה כלפי מטה^[1].

התאוריה של ארגון עצמי מביאה גישה חדשה למקור הסדר, וטוענת כי סדר יכול להגיח מתוך תכונות המערכת. זאת בניגוד לגישה דתית שאומרת שהסדר מגיע מתוך סידור על ידי ישות חיצונית על טבעית כלשהי, או על ידי גישה רדוקציוניסטית מסורתית שאומרמת שסדר מגיע ממערכת חיצונית אחרת. בארגון עצמי הסדר נובע מהאינטראקציות בין רכיבי המערכת: לולאות משוב מחזקות יכולות להגביר תגובות לא ליניאריות בין רכיבים המערכת. התגובות הלא ליניאריות יכולות ליצור מושכים, ומושכים אלה יכולים ליצור הגחה של דפוסי סדר חדשים.^[1] כדי שתהליך זה יעבוד, המערכת צריכה להיות רחוקה משיווי משקל כדי שיהיה לה מספיק אנטרופיה או אי סדר כדי שתנודות מקריות יוכלו להפוך למושכים, ולהגיח כדפוסים במערכת. כאשר מערכת נמצאת רחוק משיווי משקל היא יכולה להמצא במצב דינאמי בין סדר מוחלט לבין כאוס. במצב זה המערכת מסוגלת ליצור תופעות חדשות ולתחזק את עצמה במשך תקופה ארוכה.^[1]

ארגון עצמי מתממש בפיזיקה בתהליכים שאינם נמצאים בשיווי משקל ובתגובות כימיות ספונטניות. מושגים אלה פותחו במסגרת תרמודינמיקה רחוקה משיווי משקל. המושג משמש בביולוגיה, מהרמה המולקולרית ועד לרמה של מערכות אקולוגיות. דוגמאות להתנהגות של ארגון עצמי מופיעות גם בספרות של דיסציפלינות רבות אחרות, הן במדעי הטבע והן במדעי החברה (כגון כלכלה או אנתרופולוגיה). ארגון עצמי נצפה גם במערכות מתמטיות כמו אוטומטים תאיים.^[2]

ארגון עצמי נשען על ארבעה מרכיבים בסיסיים:^[3]

• אי-ליניאריות דינמית חזקה, הכרוכה לעיתים קרובות (אם כי לא בהכרח) בלולאות משוב חיובי ושלילי
• איזון בין ניצול וחקר
• אינטראקציות מרובות בין רכיבים.
• אנרגיה זמינה (כדי להתגבר על הנטייה הטבעית להגדלת אנטרופיה, או אובדן אנרגיה חופשית בעקבות החוק השני של התרמודינמיקה).

בשנת 1947 ניסח חוקר הקיברנטיקה וויליאם רוס אשבי (אנ') את העיקרון המקורי של ארגון עצמי. לפי עיקרון זה כל מערכת דינמית דטרמיניסטית מתפתחת אוטומטית לקראת מצב של שיווי משקל, שניתן לתארו במונחים של מושך באגן של מצבים מסביב לו. כשהמערכת מגיעה לשם, המשך התפתחות המערכת מוגבל לסביבת המושך. אילוץ זה מרמז על צורה של תלות הדדית או תיאום בין המרכיבים או תת-המערכות של המערכת. במונחים של אשבי, כל תת-מערכת הסתגלה לסביבה שנוצרה על ידי כל תת-המערכות האחרות.^[4] אשבי התייחס אל מערכת העצבים וקבע כי היא דוגמה למערכת או "מכונה: שמקיימת שתי תכונות בו זמנית - היא פועלת בצורה דטרמניסטית וגם מסוגלת לעבור שינוי ספונטני של הסידור הפנימי שלה עצמה".^[4]

ב-1960 ניסח חוקר הקיברנטיקה היינץ פון פורסטר את העיקרון של "סדר מתוך רעש". לפיו, הארגון העצמי הופך קל יותר באמצעות הפרעות אקראיות ("רעש") המאפשרות למערכת לחקור מגוון מצבים במרחב המצבים שלה. הדבר מגדיל את הסיכוי שהמערכת תגיע לאגן של מושך "חזק" או "עמוק", שממנו היא נכנסת במהירות למושך עצמו. הביופיזיקאי אנרי אטלן פיתח מושג זה על ידי הצעת העיקרון של "מורכבות מרעש" (בצרפתית: le principe de complexité par le bruit) הוא ביטא רעיון זה לראשונה בספר L'organization biologique et la théorie de l'information משנת 1974 ולאחר מכן בספר משנת 1979 Entre le cristal et la fumée. הפיזיקאי והכימאי איליה פריגוז'ין ניסח עיקרון דומה כמו "סדר באמצעות תנודות"^[5] או "סדר מתוך כאוס".^[6] רעיון זה מיושם בשיטה של חישול מדומה (אנ') בתחומים של פתרון בעיות ולמידת מכונה.

היסטוריה של התפתחות הרעיון

הרעיון שלפיו הדינמיקה של מערכת יכולה להוביל לעלייה בארגון שלה עצמה יש היסטוריה של כמה אלפי שנים. אנשי האסכולה האטומיסטית הקדומים כגון דמוקריטוס (המאה ה-5 לפנה"ס) ולוקרטיוס (המאה ה-1 לפנה"ס) חשבו כי אינטליגנציה מתכננת מיותרת ליצירת סדר בטבע, וטענו כי בהינתן מספיק זמן ומרחב וחומר, סדר נוצר מעצמו.^[7]

הפילוסוף רנה דקארט הציג את הארגון העצמי באופן היפותטי בחלק החמישי של ספרו מאמר על המתודה משנת 1637. הוא הרחיב על הרעיון ביצירתו שלא פורסמה "העולם".(אנ')

ב-1790 השתמש עמנואל קאנט במונח "ארגון עצמי" בביקורת כוח השיפוט, שם טען כי טלאולוגיה היא מושג בעל משמעות רק אם קיימת ישות כזו שחלקיה או "איבריה" הם בו זמנית מטרות ואמצעים. מערכת איברים כזו חייבת להיות מסוגלת להתנהג כאילו יש לה שכל משלה, כלומר, היא מסוגלת לשלוט בעצמה . במהלך המאה ה-19 סאדי קרנו (1796–1832) ורודולף קלאוזיוס (1822–1888) גילו את החוק השני של התרמודינמיקה. החוק קובע כי במערכת מבודדת (אנ') האנטרופיה הכוללת, שלעיתים מובנת כאי-סדר, תמיד תגדל עם הזמן. משמעות הדבר היא שתת-מערכת כלשהי (מערכת שיש בה זרימה של אנרגיה או חומר) אינה יכולה להגדיל באופן ספונטני את הסדר שלה, ללא קשר חיצוני שמפחית את הסדר במקומות אחרים במערכת (למשל באמצעות צריכת אנרגיה באנטרופיה נמוכה כמו סוללה חשמלית ופיזור חום שהוא בעל אנטרופיה גבוהה).

הוגים מהמאה ה-18 ביקשו להבין את "חוקי הצורה האוניברסליים" כדי להסביר את הצורות הנצפות של אורגניזמים חיים. רעיון זה נקשר ללאמארקיזם ולא זכה למוניטין עד תחילת המאה ה-20, כאשר ד'ארסי וונטוורת' תומפסון (אנ') (1860–1948) ניסה להחיותו.

הפסיכיאטר והמהנדס רוס אשבי הציג את המונח "ארגון עצמי" למדע העכשווי ב-1947. המונח אומץ על ידי הקיברנטיקאים היינץ פון פורסטר (אנ'), גורדון פאסק (אנ') וסטאפורד באר (אנ'); פון פורסטר ארגן כנס בנושא "עקרונות הארגון העצמי" בפארק אלרטון באוניברסיטת אילינוי ביוני 1960 שהוביל לסדרה של כנסים בנושא מערכות ארגון עצמי. המתמטיקאי נורברט וינר, שנודע כמייסדה של הקיברנטיקה, העלה את הרעיון במהדורה השנייה של "קיברנטיקה: או שליטה ותקשורת בחי ובמכונה" (1961).

ארגון עצמי בתחומים שונים

פיזיקה

קיימות תופעות רבות של ארגון עצמי בפיזיקה, כולל מעברי פאזה ושבירת סימטריה ספונטנית, כמו מגנטיזציה ספונטנית (אנ') וגידול גבישים בפיזיקה הקלאסית, לייזר, מוליכות-על ועיבוי בוז-איינשטיין בפיזיקה הקוונטית. ארגון עצמי נמצא בקריטיות מאורגנת עצמית (אנ') במערכות דינמיות, בטריבולוגיה (אנ'), במערכות קצף ספין (אנ'), ובכבידה קוונטית בלולאה (אנ'), בפלזמה, באגני נהרות ובדלתות, בהתמצקות דנדרטית (פתיתי שלג), באימביביציה נימית ובמבנים של זרימה טורבולנטית.

כימיה

ארגון עצמי בכימיה כולל הרכבה עצמית הנגרמת על ידי ייבוש, הרכבה עצמית מולקולרית (אנ'), מערכות דיפוזיה של תגובה (אנ') ומתנדים כימיים (אנ'), רשתות אוטוקטליטיות (אנ'), גבישים נוזליים, רשת קומפלקס (אנ'), גבישים קולואידים (אנ'), מונו-שכבות בהרכבה עצמית (אנ'), מיצלות, הפרדת מיקרו-פאזה של בלוקי קופולימרים, ופילמים Langmuir-Blodgett. (אנ')

ביולוגיה

נחיל ציפורים, דוגמה לארגון עצמי בביולוגיה

ניתן להבחין בארגון עצמי בביולוגיה בקיפול ספונטני של חלבונים וביו-מאקרומולקולות אחרות, הרכבה עצמית (אנ') של ממברנות שומנית דו-שכבתיות, היווצרות דפוסים (אנ') ומורפוגנזה בביולוגיה התפתחותית, קואורדינציה בתנועות האדם, התנהגות אאוסוציאלית בקרב חרקים (דבורים, נמלים, טרמיטים) ויונקים, והתנהגות של נחילי ציפורים ודגים.

מדעי המחשב

אקדח הגלשנים במשחק החיים של קונויי מדגים ארגון עצמי של אוטומט תאי

תופעות במתמטיקה ובמדעי המחשב כגון אוטומטים תאיים, גרפים מקריים וכמה מקרים של חישוב אבולוציוני (אנ') וחיים מלאכותיים מציגים תכונות של ארגון עצמי. ברובוטיקה של נחילים (אנ'), ארגון עצמי משמש לייצור התנהגות של הגחה. בפרט התיאוריה של גרפים אקראיים שימשה כהצדקה לארגון עצמי כעיקרון כללי של מערכות מורכבות.

בתחום מערכות מרובות סוכנים (אנ'), ההבנה כיצד להנדס מערכות המסוגלות להציג התנהגות מאורגנת עצמית היא תחום מחקר פעיל.

כלכלה

מספר הוגים תיארו את כלכלת השוק כדבר בעל ארגון עצמי. הכלכלן פול קרוגמן כתב על התפקיד שממלא ארגון עצמי בשוק במחזור העסקים בספרו The Self Organizing Economy שיצא לאור ב-1996. פרידריך האייק טבע את המונח קטלקסיה (אנ') כדי לתאר "מערכת מארגנת עצמית של שיתוף פעולה מרצון", בהתייחס לסדר הספונטני של כלכלת השוק החופשי. כלכלנים נאו-קלאסיים גורסים שכפיית תכנון מרכזי עלולה לגרום למערכת הכלכלית שהיא בעלת ארגון עצמי להיות יעילה פחות. מצד שני, כלכלנים מהזרם הסוציאליסטי סבורים שכשלי שוק עלולים להיות משמעותיים עד כך שארגון עצמי מייצר תוצאות שליליות ושהמדינה צריכה לקבוע את הייצור והתמחור. רוב הכלכלנים נוקטים בעמדת ביניים, וממליצים על שילוב של מאפייני כלכלת שוק וכלכלת מתוכננת - דבר המכונה לפעמים כלכלה מעורבת (אנ'). כלכלה מוסדית עוסקת בהתפתחות של מוסדות חברתיים שונים, חלקם בצורה של אבולוציה מוסדית או ארגון עצמי של מוסדות, ובשאלה כיצד מוסדות אלה משפיעים על מוסדות אחרים, כמו השוק או המדינה, ומושפעים בעצמם ממוסדות אלה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא ארגון עצמי בוויקישיתוף

• ארגון עצמי ב-Scholarpedia
• מהו ארגון עצמי, אוניברסיטת פרינסטון
• סרטון על ארגון עצמי, יוטיוב