Auto-organisation

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Auto-organisation en cubes micrométriques de Nb 3 O 7 (OH) lors d'un traitement hydrothermal à 200 °C. Initialement, les cubes amorphes se transforment progressivement en maillages 3D ordonnés de nanofils cristallins comme résumé dans le modèle ci-dessous. [1]

L'auto-organisation , également appelée (dans les sciences sociales ) ordre spontané , est un processus dans lequel une certaine forme d' ordre global résulte d'interactions locales entre les parties d'un système initialement désordonné . Le processus peut être spontané lorsqu'une énergie suffisante est disponible, ne nécessitant aucun contrôle par un agent externe. Elle est souvent déclenchée par des fluctuations apparemment aléatoires , amplifiées par une rétroaction positive . L'organisation qui en résulte est totalement décentralisée, répartie sur toutes les composantes du système. En tant que telle, l'organisation est généralement robuste et capable de survivre ou de réparer elle-même une perturbation substantielle.La théorie du chaos traite de l'auto-organisation en termes d'îlots de prévisibilité dans une mer d'imprévisibilité chaotique.

L'auto-organisation se produit dans de nombreux systèmes physiques , chimiques , biologiques , robotiques et cognitifs . Des exemples d'auto-organisation incluent la cristallisation , la convection thermique des fluides, l'oscillation chimique , l' essaimage d' animaux , les circuits neuronaux et les marchés noirs .

Aperçu

L'auto-organisation est réalisée [2] dans la physique des processus hors équilibre , et dans les réactions chimiques , où elle est souvent décrite comme l' auto-assemblage . Le concept s'est avéré utile en biologie, du niveau moléculaire au niveau écosystémique. [3] Des exemples cités de comportement auto-organisé apparaissent également dans la littérature de nombreuses autres disciplines, à la fois dans les sciences naturelles et dans les sciences sociales telles que l' économie ou l' anthropologie . L'auto-organisation a également été observée dans des systèmes mathématiques tels que les automates cellulaires . [4]L'auto-organisation est un exemple du concept connexe d' émergence . [5]

L'auto-organisation repose sur quatre ingrédients de base : [6]

  1. forte non-linéarité dynamique, impliquant souvent, mais pas nécessairement , une rétroaction positive et négative
  2. équilibre de l'exploitation et de l'exploration
  3. interactions multiples
  4. disponibilité de l'énergie (pour surmonter la tendance naturelle à l'entropie ou à la perte d'énergie libre)

Principes

Le cybernéticien William Ross Ashby a formulé le principe original de l'auto-organisation en 1947. [7] [8] Il affirme que tout système dynamique déterministe évolue automatiquement vers un état d'équilibre qui peut être décrit en termes d' attracteur dans un bassin d'environnement États. Une fois là-bas, l'évolution ultérieure du système est contrainte de rester dans l'attracteur. Cette contrainte implique une forme de dépendance mutuelle ou de coordination entre ses composants ou sous-systèmes constitutifs. Selon les termes d'Ashby, chaque sous-système s'est adapté à l'environnement formé par tous les autres sous-systèmes. [7]

Le cybernéticien Heinz von Foerster a formulé le principe de « l' ordre à partir du bruit » en 1960. [9] Il note que l'auto-organisation est facilitée par des perturbations aléatoires (« bruit ») qui permettent au système d'explorer une variété d'états dans son espace d'état. Cela augmente les chances que le système arrive dans le bassin d'un attracteur "fort" ou "profond", à partir duquel il pénètre ensuite rapidement dans l'attracteur lui-même. Le biophysicien Henri Atlan a développé ce concept en proposant le principe de « complexité à partir du bruit » [10] [11] ( français :le principe de complexité par le bruit ) [12]d'abord dans le livre de 1972 L'organisation biologique et la théorie de l'information , puis dans le livre de 1979 Entre le cristal et la fumée . Le physicien et chimiste Ilya Prigogine a formulé un principe similaire comme "l'ordre à travers les fluctuations" [13] ou "l'ordre à partir du chaos". [14] Il est appliqué dans la méthode de recuit simulé pour la résolution de problèmes et l'apprentissage automatique . [15]

Histoire

L'idée que la dynamique d'un système peut conduire à une augmentation de son organisation a une longue histoire. Les anciens atomistes tels que Démocrite et Lucrèce croyaient qu'une intelligence de conception n'était pas nécessaire pour créer de l'ordre dans la nature, arguant qu'avec suffisamment de temps, d'espace et de matière, l'ordre émerge de lui-même. [16]

Le philosophe René Descartes présente l'auto-organisation par hypothèse dans la cinquième partie de son Discours de la méthode de 1637 . Il a développé l'idée dans son ouvrage inédit The World . [une]

Immanuel Kant a utilisé le terme « auto-organisé » dans sa Critique du jugement de 1790 , où il a soutenu que la téléologie n'est un concept significatif que s'il existe une telle entité dont les parties ou les « organes » sont simultanément des fins et des moyens. Un tel système d'organes doit pouvoir se comporter comme s'il avait un esprit propre, c'est-à-dire qu'il était capable de se gouverner lui-même. [17]

Dans un tel produit naturel que cette chaque partie est considérée comme en raison de sa présence à l'agence de toutes les autres parties, et aussi comme existant pour le bien des autres et de l'ensemble, qui est comme un instrument ou d'un organe ... La partie doit être un organe produisant les autres parties — chacune, par conséquent, produisant réciproquement les autres... Ce n'est qu'à ces conditions et à ces termes qu'un tel produit peut être un être organisé et auto-organisé , et, comme tel, être appelé une fin physique . [17]

Sadi Carnot (1796-1832) et Rudolf Clausius (1822-1888) ont découvert la deuxième loi de la thermodynamique au XIXe siècle. Il indique que l' entropie totale , parfois comprise comme un désordre, augmentera toujours avec le temps dans un système isolé . Cela signifie qu'un système ne peut pas augmenter spontanément son ordre sans une relation externe qui diminue l'ordre ailleurs dans le système (par exemple en consommant l'énergie à faible entropie d'une batterie et en diffusant de la chaleur à entropie élevée). [18] [19]

Les penseurs du XVIIIe siècle avaient cherché à comprendre les « lois universelles de la forme » pour expliquer les formes observées des organismes vivants. Cette idée est devenue associée au lamarckisme et est tombée en discrédit jusqu'au début du XXe siècle, lorsque D'Arcy Wentworth Thompson (1860-1948) a tenté de la faire revivre. [20]

Le psychiatre et ingénieur W. Ross Ashby a introduit le terme « auto-organisé » dans la science contemporaine en 1947. [7] Il a été repris par les cybernéticiens Heinz von Foerster , Gordon Pask , Stafford Beer ; et von Foerster a organisé une conférence sur "Les principes de l'auto-organisation" à Allerton Park à l'Université de l'Illinois en juin 1960, qui a conduit à une série de conférences sur les systèmes d'auto-organisation. [21] Norbert Wiener a repris l'idée dans la deuxième édition de Cybernetics : or Control and Communication in the Animal and the Machine (1961).

L'auto-organisation a été associée [ par qui ? ] avec la théorie générale des systèmes dans les années 1960, mais n'est pas devenu monnaie courante dans la littérature scientifique jusqu'à ce que les physiciens Hermann Haken et al. et les chercheurs sur les systèmes complexes l' ont adopté dans une plus grande image de la cosmologie Erich Jantsch , [ clarification nécessaire ] chimie avec système dissipatif , biologie et sociologie comme autopoiesis à la pensée systémique dans les années 1980 ( Santa Fe Institute ) et 1990 ( système adaptatif complexe ) , jusqu'à ce que nos jours avec le perturbateurtechnologies émergentes approfondies par une théorie des réseaux rhizomatiques . [22]

Vers 2008-2009, un concept d'auto-organisation guidée a commencé à prendre forme. Cette approche vise à réguler l'auto-organisation à des fins spécifiques, de sorte qu'un système dynamique puisse atteindre des attracteurs ou des résultats spécifiques. La réglementation contraint un processus d'auto-organisation au sein d'un système complexe en restreignant les interactions locales entre les composants du système, plutôt que de suivre un mécanisme de contrôle explicite ou un plan de conception global. Les résultats souhaités, tels que des augmentations de la structure interne et/ou de la fonctionnalité résultantes, sont obtenus en combinant des objectifs globaux indépendants de la tâche avec des contraintes dépendantes de la tâche sur les interactions locales. [23] [24]

Par champ

Cellules de convection dans un champ de gravité

Physique

Les nombreux phénomènes d'auto-organisation en physique incluent les transitions de phase et les brisures de symétrie spontanées telles que l'aimantation spontanée et la croissance cristalline en physique classique , et le laser , [25] la supraconductivité et la condensation de Bose-Einstein en physique quantique . On le trouve dans la criticité auto-organisée dans les systèmes dynamiques , en tribologie , dans les systèmes de mousse de spin et dans la gravitation quantique à boucle , [26]bassins fluviaux et deltas, en solidification dendritique (flocons de neige), en imbibition capillaire [27] et en structure turbulente. [3] [4]

Chimie

La structure d'ADN représentée schématiquement à gauche s'auto-assemble dans la structure à droite. [28]

L'auto-organisation en chimie comprend l'auto-assemblage moléculaire , [29] les systèmes de réaction-diffusion et les réactions oscillantes , [30] les réseaux autocatalytiques , les cristaux liquides , [31] les complexes de grille , les cristaux colloïdaux , les monocouches auto-assemblées , [32] [33 ] micelles , séparation en microphases de copolymères séquencés et films de Langmuir-Blodgett . [34]

Biologie

Le vol d' oiseaux , un exemple d'auto-organisation en biologie

L' auto-organisation en biologie [35] peut être observée dans spontanée repliement des protéines et d' autres macromolécules biologiques, la formation de bicouches lipidiques des membranes, la formation de structures et la morphogenèse dans la biologie du développement , la coordination du mouvement humain, le comportement social dans les insectes ( abeilles , fourmis , termites ) [36] et les mammifères , et le comportement de troupeau chez les oiseaux et les poissons. [37]

Le biologiste mathématique Stuart Kauffman et d'autres structuralistes ont suggéré que l'auto-organisation pourrait jouer des rôles parallèlement à la sélection naturelle dans trois domaines de la biologie évolutive , à savoir la dynamique des populations , l'évolution moléculaire et la morphogenèse . Cependant, cela ne prend pas en compte le rôle essentiel de l' énergie dans la conduite des réactions biochimiques dans les cellules. Les systèmes de réactions dans n'importe quelle cellule sont auto-catalyseurs mais pas simplement auto-organisés car ce sont des systèmes thermodynamiquement ouverts reposant sur un apport continu d'énergie. [38] [39]L'auto-organisation n'est pas une alternative à la sélection naturelle, mais elle contraint ce que l'évolution peut faire et fournit des mécanismes tels que l'auto-assemblage de membranes que l'évolution exploite ensuite. [40]

L'évolution de l'ordre dans les systèmes vivants et la génération de l'ordre dans certains systèmes non vivants ont été proposés pour obéir à un principe fondamental commun appelé « la dynamique darwinienne » [41] qui a été formulé en considérant d'abord comment l'ordre microscopique est généré dans des systèmes non-vivants simples. systèmes biologiques éloignés de l'équilibre thermodynamique . L'examen a ensuite été étendu aux molécules d' ARN courtes et répliquantes supposées être similaires aux premières formes de vie dans le monde de l' ARN . Il a été montré que les processus sous-jacents de génération d'ordres d'auto-organisation dans les systèmes non biologiques et dans la réplication de l'ARN sont fondamentalement similaires.

Cosmologie

Dans son article de conférence de 1995 "La cosmologie en tant que problème dans les phénomènes critiques", Lee Smolin a déclaré que plusieurs objets ou phénomènes cosmologiques, tels que les galaxies spirales , les processus de formation des galaxies en général, la formation précoce des structures , la gravité quantique et la structure à grande échelle de l'univers pourraient être le résultat ou avoir impliqué un certain degré d'auto-organisation. [42] Il soutient que les systèmes auto-organisés sont souvent des systèmes critiques , dont la structure s'étale dans l'espace et dans le temps sur toutes les échelles disponibles, comme le montrent par exemple Per Bak et ses collaborateurs. Par conséquent, parce que lela distribution de la matière dans l'univers est plus ou moins invariante à l'échelle sur de nombreux ordres de grandeur, les idées et stratégies développées dans l'étude des systèmes auto-organisés pourraient être utiles pour résoudre certains problèmes non résolus en cosmologie et en astrophysique .

Informatique

Les phénomènes des mathématiques et de l' informatique tels que les automates cellulaires , les graphiques aléatoires et certains exemples de calcul évolutif et de vie artificielle présentent des caractéristiques d'auto-organisation. Dans la robotique en essaim , l'auto-organisation est utilisée pour produire un comportement émergent. En particulier, la théorie des graphes aléatoires a été utilisée pour justifier l'auto-organisation en tant que principe général des systèmes complexes. Dans le domaine des systèmes multi-agents , comprendre comment concevoir des systèmes capables de présenter un comportement auto-organisé est un domaine de recherche actif. [43] Algorithmes d'optimisationpeuvent être considérés comme auto-organisés car ils visent à trouver la solution optimale à un problème. Si la solution est considérée comme un état du système itératif, la solution optimale est la structure convergée sélectionnée du système. [44] [45] Les réseaux auto-organisés incluent les réseaux du petit monde [46] l' auto-stabilisation [47] et les réseaux sans échelle . Ceux-ci émergent d'interactions ascendantes, contrairement aux réseaux hiérarchiques descendants au sein des organisations, qui ne s'auto-organisent pas. [48] ​​Il a été avancé que les systèmes de cloud computing sont intrinsèquement auto-organisés, [49]mais s'ils ont une certaine autonomie, ils ne s'autogèrent pas car ils n'ont pas pour objectif de réduire leur propre complexité. [50] [51]

Cybernétique

Norbert Wiener considérait l' identification sérielle automatique d'une boîte noire et sa reproduction ultérieure comme une auto-organisation en cybernétique . [52] L'importance du verrouillage de phase ou de « l'attraction des fréquences », comme il l'appelait, est discutée dans la 2e édition de sa Cybernétique : Ou Contrôle et Communication dans l'Animal et la Machine . [53] K. Eric Drexler voit l' auto-réplication comme une étape clé dans l'assemblage nano et universel . En revanche, les quatre galvanomètres connectés en même temps que de W. Ross Ashby de homéostat chasse, lorsqu'elle est perturbée, pour converger vers l'un des nombreux états stables possibles. [54] Ashby a utilisé sa mesure de comptage d'états de variété [55] pour décrire les états stables et a produit le théorème du " Bon Régulateur " [56] qui nécessite des modèles internes pour l' endurance et la stabilité auto-organisées (par exemple le critère de stabilité de Nyquist ). Warren McCulloch a proposé la « redondance du commandement potentiel » [57] comme caractéristique de l'organisation du cerveau et du système nerveux humain et la condition nécessaire à l'auto-organisation. Heinz von Foerster a proposé la redondance, R =1 −  H /H max , où H est l' entropie . [58] [59] En substance, cela indique que la bande passante de communication potentielle inutilisée est une mesure de l'auto-organisation.

Dans les années 1970, Stafford Beer considérait que l'auto-organisation était nécessaire à l' autonomie dans les systèmes persistants et vivants. Il a appliqué son modèle de système viable à la gestion. Il se compose de cinq parties : le suivi des performances des processus de survie (1), leur gestion par application récursive de régulation (2), le contrôle opérationnel homéostatique (3) et le développement (4) qui produisent le maintien de l'identité (5) sous perturbation. La mise au point est priorisée par un retour d'alerte en « boucle algédonique » : une sensibilité à la fois à la douleur et au plaisir produite par une sous-performance ou une surperformance par rapport à une capacité standard. [60]

Dans les années 1990, Gordon Pask a soutenu que les H et Hmax de von Foerster n'étaient pas indépendants, mais interagissaient via des processus de spin simultanés récursifs et dénombrables [61] qu'il appelait des concepts. Sa définition stricte du concept « une procédure pour amener une relation » [62] a permis à son théorème « Comme les concepts se repoussent, contrairement aux concepts s'attirent » [63] d'énoncer un principe général d'auto-organisation basé sur le spin. Son édit, un principe d'exclusion, "Il n'y a pas de doppelgangers " signifie qu'il n'y a pas deux concepts identiques. Après un temps suffisant, tous les concepts s'attirent et fusionnent sous forme de bruit rose. La théorie s'applique à tous les processus organisationnels fermés ou homéostatiques qui produisent des produits durables et cohérents qui évoluent, apprennent et s'adaptent. [64] [61]

Société humaine

Auto-organisation sociale dans les routes internationales de la drogue

Le comportement d'auto-organisation des animaux sociaux et l'auto-organisation de structures mathématiques simples suggèrent tous deux que l'auto-organisation devrait être attendue dans la société humaine . Les signes révélateurs de l'auto-organisation sont généralement des propriétés statistiques partagées avec les systèmes physiques auto-organisés. Des exemples tels que la masse critique , le comportement de troupeau , la pensée de groupe et autres, abondent en sociologie , en économie , en finance comportementale et en anthropologie . [65]

En théorie sociale, le concept d'autoréférentialité a été introduit comme une application sociologique de la théorie de l'auto-organisation par Niklas Luhmann (1984). Pour Luhmann, les éléments d'un système social sont des communications auto-produites, c'est-à-dire qu'une communication produit d'autres communications et donc un système social peut se reproduire tant qu'il existe une communication dynamique. Pour Luhmann, les êtres humains sont des capteurs dans l'environnement du système. Luhmann a développé une théorie évolutionniste de la société et de ses sous-systèmes, en utilisant des analyses fonctionnelles et la théorie des systèmes . [66]

En économie, on dit parfois qu'une économie de marché est auto-organisée. Paul Krugman a écrit sur le rôle que joue l'auto-organisation du marché dans le cycle économique dans son livre "The Self Organizing Economy". [67] Friedrich Hayek a inventé le terme catallaxie [68] pour décrire un "système auto-organisé de coopération volontaire", en ce qui concerne l'ordre spontané de l'économie de marché libre. Les économistes néoclassiques soutiennent que l'imposition d' une planification centrale rend généralement le système économique auto-organisé moins efficace. À l'opposé, les économistes considèrent que les défaillances du marchésont si importantes que l'auto-organisation produit de mauvais résultats et que l'État devrait diriger la production et la tarification. La plupart des économistes adoptent une position intermédiaire et recommandent un mélange de caractéristiques d' économie de marché et d' économie dirigée (parfois appelée économie mixte ). Appliqué à l'économie, le concept d'auto-organisation peut rapidement s'imprégner d'idéologie. [69] [70]

En apprentissage

Permettre aux autres d'« apprendre à apprendre » [71] revient souvent à leur apprendre [72] à se soumettre à l'enseignement. L'apprentissage auto-organisé (SOL) [73] [74] [75] nie que « l'expert sache le mieux » ou qu'il y ait jamais « la meilleure méthode », [76] [77] [78] insistant plutôt sur « la construction d'un sens personnellement significatif, pertinent et viable" [79] à tester expérimentalement par l'apprenant. [80] Cela peut être collaboratif et plus gratifiant personnellement. [81] [82]Elle est considérée comme un processus permanent, non limité à des environnements d'apprentissage spécifiques (maison, école, université) ou sous le contrôle d'autorités telles que les parents et les professeurs. [83] Il doit être testé et révisé par intermittence, à travers l'expérience personnelle de l'apprenant. [84] Il n'a pas besoin d'être limité par la conscience ou le langage. [85] Fritjof Capra a soutenu qu'il est mal reconnu en psychologie et en éducation. [86] Il peut être lié à la cybernétique car il implique une boucle de contrôle de rétroaction négative , [62] ou à la théorie des systèmes . [87] Il peut être mené comme une conversation ou un dialogue d' apprentissageentre les apprenants ou au sein d'une même personne. [88] [89]

Flux de trafic

Le comportement d'auto-organisation des conducteurs dans la circulation détermine la quasi-totalité du comportement spatio-temporel du trafic, comme la panne du trafic à un goulot d'étranglement, la capacité des autoroutes et l'émergence d'embouteillages mobiles. En 1996-2002 ces effets complexes auto-organisation ont été expliqués par Boris Kerner de la théorie du trafic en trois phases . [90]

En linguistique

L'ordre apparaît spontanément dans l' évolution du langage lorsque le comportement des individus et des populations interagit avec l'évolution biologique. [91]

Dans le financement de la recherche

L'allocation de financement auto-organisée ( SOFA ) est une méthode de répartition des fonds pour la recherche scientifique . Dans ce système, chaque chercheur se voit allouer un montant égal de financement et est tenu d'allouer anonymement une fraction de ses fonds à la recherche des autres. Les partisans du SOFA soutiennent qu'il en résulterait une répartition du financement similaire à celle du système de subventions actuel, mais avec moins de frais généraux. [92] En 2016, un test pilote de SOFA a débuté aux Pays-Bas. [93]

Critique

Heinz Pagels , dans une critique de 1985 du livre d' Ilya Prigogine et Isabelle Stengers , Order Out of Chaos in Physics Today , fait appel à l'autorité : [94]

La plupart des scientifiques seraient d'accord avec le point de vue critique exprimé dans Problems of Biological Physics (Springer Verlag, 1981) par le biophysicien LA Blumenfeld, lorsqu'il écrivait : système au-dessus de leurs valeurs critiques. Ces structures sont construites selon des structures architecturales complexes ressemblant à des programmes, les informations significatives créées au cours de plusieurs milliards d'années d'évolution chimique et biologique étant utilisées. " La vie est une conséquence d'une organisation microscopique et non macroscopique.

Bien sûr, Blumenfeld ne répond pas à la question supplémentaire de savoir comment ces structures de type programme émergent en premier lieu. Son explication conduit directement à une régression infinie.

En bref, ils [Prigogine et Stengers] soutiennent que l' irréversibilité temporelle n'est pas dérivée d'un micromonde indépendant du temps, mais est elle-même fondamentale. La vertu de leur idée est qu'elle résout ce qu'ils perçoivent comme un "choc de doctrines" sur la nature du temps en physique . La plupart des physiciens conviendraient qu'il n'y a pas de preuves empiriques pour étayer leur point de vue, ni de nécessité mathématique. Il n'y a pas de "choc des doctrines". Seuls Prigogine et quelques collègues tiennent à ces spéculations qui, malgré leurs efforts, continuent de vivre dans la zone crépusculaire de la crédibilité scientifique.

En théologie , Thomas d'Aquin (1225-1274) dans sa Summa Theologica suppose un univers créé téléologique en rejetant l'idée que quelque chose peut être une cause autosuffisante de sa propre organisation : [95]

Puisque la nature travaille pour une fin déterminée sous la direction d'un agent supérieur, tout ce qui est fait par la nature doit nécessairement remonter à Dieu, quant à sa cause première. De même, tout ce qui est fait volontairement doit aussi être relié à une cause plus élevée autre que la raison ou la volonté humaine, puisque celles-ci peuvent changer ou échouer ; car tout ce qui est changeant et susceptible d'être défectueux doit être ramené à un premier principe immeuble et auto-nécessaire, comme cela a été montré dans le corps de l'article.

Voir aussi

Remarques

  1. ^ Pour l'histoire connexe, voir Aram Vartanian, Diderot et Descartes .

Références

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Liens externes