自组织（self-assembly）

 

概述　　

  

混沌系统在随机识别时形成耗散结构的过程被定义为自组织。如图：

　　详解：

　　一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。

　　德国理论物理学家H. Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。

　　如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。

　　自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。

　　一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。

　　例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。

　　自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。

　　它的研究对象主要是复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。

　　"自组织"是现代非线性科学和非平衡态热力学的最令人惊异的发现之一。基于对物种起源、生物进化和社会发展等过程的深入观察和研究，一些新兴的横断学科从不同的角度对"自组织"的概念给予了解说：

　　从系统论的观点来说，"自组织"是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程；

　　从热力学的观点来说，"自组织"是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息，而不断地降低自身的熵含量，提高其有序度的过程；

　　从统计力学的观点来说，"自组织"是指一个系统自发地从最可几状态向几率较低的方向迁移的过程；

　　从进化论的观点来说，"自组织"是指一个系统在"遗传"、"变异"和"优胜劣汰"机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而不断提高其对于环境的适应能力的过程。C. R. Darwin的生物进化论的最大功绩就是排除了外因的主宰作用，首次从内在遗传突变的自然选择机制的过程中来解释物种的起源和生物的进化；

　　从结构论- 泛进化理论的观点来说，"自组织"是指一个开放系统的结构稳态从低层次系统向高层次系统的构造过程，因系统的物质、能量和信息的量度增加，而形成比如生物系统的分子系统、细胞系统到器官系统乃至生态系统的组织化度增加，基因数量和种类自组织化和基因时空表达调控等导致生物的进化与发育（Evo-Dev）过程。

　　自组织理论主要有三个部分组成：耗散结构理论（Dissipative Structure）、协同学（synergetics）、 突变论（Calastrophe Theory）。

　　其实，任何一个组织都必须具备自组织的一个基本要素，否则就失去了存在的基础和发展的动力。

 

自组织与耗散结构

--摘自：方舟冲浪

    自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。在自然界中这种现象是大量存在的，理论研究较多的典型实例如：贝纳德(Bé nard)流体的对流花纹，贝洛索夫－扎鲍廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化学振荡花纹与化学波，激光器中的自激振荡等。自组织理论除耗散结构理论外，还包括协同学、超循环理论等，它们力图沟通物理学与生物学甚至社会科学，对时间本质问题等的研究有突破性进展，在相当程度上说明了生物及社会领域的有序现象。

    耗散结构是自组织现象中的重要部分，它是在开放的远离平衡条件下，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部非线性动力学机制的作用，经过突变而形成并持久稳定的宏观有序结构。

    耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。

    耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。

    耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。[5]可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。

(1)远离平衡态

    远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi.

    近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格(Onsager)倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为：Lij=Lji，即只要和不可逆过程i相应的流Ji受到不可逆过程j的力Xj的影响，那么，流Ji也会通过相等的系数Lij受到力Xi的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。

    远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。

(2)非线性

    系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。

(3)开放系统

    热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS两部分组成的，即：dS=deS+diS
   热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS>=0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定，在deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产生diS外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。所以对于开放系统来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。

(4)涨落

    一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。

    在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉，系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。

    当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同结果之间进行选择的问题，在这里瞬间的涨落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式，所以普里戈金提出涨落导致有序的论断，它明确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定作用。

(5)突变

    阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。

http://www.swarmagents.com/complex/nonlinear/index.htm

自组织：来自生物界的启示
作者：Richard Conniff 翻译：张美玲 发布日期：05-07-08

在自然界，个体生物通过一些令人惊叹的自组织行为做出反应：白蚁给自己搭建极富美感的小土墩，它们的行为是由荷尔蒙而非等级制度所支配；群鹿逃散是因为他们中的大多数这么做，而不是由于领头者的带领。近年来，人类的商业世界也开始模仿自然界，形成极具影响力的自组织形式，eBay就是其中的一个例子

这是一个冬天的夜晚，在南非Okavango三角洲的一个水潭里，河马在水里闲游。太阳下山了，在地平线上绘出橘色的条纹。突然，一群小鸟冲了过来，成千上万只紧紧聚在一起，就像一个流动生物体一样，不停转变方向，呈波浪伏。一只红头隼冲进鸟群，猎取食物。红头隼每袭击一次，鸟群就向相反的方向冲过去一次。这种突然的逃避方式，与大多数群居动物的行为一样——行动都保持绝对的一致。

它们是如何做到这一点的？群体（一群鸟、一群鱼、一群羚羊或是昆虫）是如何完成这种完美舞蹈的？谁来负责协调？长期以来，观察家们都假设，这种同步性需要集中控制，或许还需要一些“副总经理”来负责飞行或运动过程中的倾斜或者偏航。观察家们还假设，一群长达17英里、多达数百万只的青鱼，可能是一个完整的层级，有前进的控制者，有训练者，有保卫者和年幼弱势的个体。不过事实上，这些设想都被证明是错误的。

群体完美一致的奥秘

群体中的个体，完全靠自己来判断接下来应该采取什么行动，而不是由别人来告诉它们应该怎么做、何时做，科学家称之为“自组织行为”：完美一致的秘密来自于成千上万不同个体的独立行为，这种独立行为通常只是简单地模仿相邻的伙伴。动物能够制造出复杂的结构体，也只是遵循了它们基因中的基本规则而已，并不像看起来那么令人惊奇。毕竟，有哪种等级制度能够对刹那间的危险（比如红头隼的突然袭击）做出如此一致的反应呢？

上世纪80年代中期，Craig Reynolds，一位用计算机动画制作复杂行为的专家，开始用电脑复制鸟群在空中飞翔和迂回前进的路线。那时候，生物学家也开始认为群体中的个体并不是根据某些高层权威做出反应，而是根据与邻近个体的行为来采取行动。Reynolds发现，只需在编程时遵循简单的3个规则，就可以用计算机的bird-oid模型演示所有鸟类聚集飞行的行为：避免和邻近的个体相碰撞、保持同速前进、相互靠拢。这样做出来的模型在模仿倾斜转弯或者俯冲的时候极其非常逼真，甚至可以糊弄住鸟类学家。

白蚁的雪球效应

在自然界中，自组织行为随处都会发生。白蚁建造的土墩是最令人称奇的作品。这些土墩竖立着，有的高达5米，仿佛神秘的宗教纪念碑。每一个土墩都建立在广阔的金字塔型地基上，堪称工程学的杰作。如果白蚁能有像人一样的体型，那么它们建造出来的最大的土墩可能比我们最高的摩天大楼还要高3倍，结构也同样复杂：每一个土墩从地基到顶部，墙壁上都有平滑的、雕刻出来的坑道，这是通风系统，让土墩释放二氧化碳，吸收新鲜空气。其他的坑道能够辐射周围50米内的环境，成为白蚁抢食物时的掩护。

在土墩的内部深处，中央房间就像是007电影里某些狂热天才的组装厂一样，房间里有半打的粘土架子，上面有些类似蜂房的纤维组织。这是一个没有阳光的花园，白蚁在这里培育菌类，并把这当作预先消化食物的地方。

这些土墩有着令人无法置信的复杂结构，每一个里面都住着上百万只白蚁，相当于一个小城市，正是这些土墩使得白蚁能够在非洲的荒野上处于主导者地位。白蚁比黑尾牛羚、南非水牛和其他热带哺乳动物加起来吃的草还要多。但真正令人惊奇的地方在于：白蚁在建造这些土墩的时候没有任何计划，也没有任何监督。

为了了解白蚁怎么开始建造土墩，法国一位名叫Pierre-Paul Grasse的生物学家曾经把工蚁从荒野中放到一个碟子里来，这个碟子里也有和荒野相同的土壤层。和人类新成立的团体一样，这些白蚁开始也有点“不合作”，没有一只白蚁明确地知道自己要干什么。它们用唾液和粘土混合，一口一口地来堆积“小球”。一旦小球达到了临界密度，雪球效应就会起作用。白蚁的唾液中含有一种具有吸引力的信息素，能吸引其他的工蚁来一起增大“小球”。这种积极的反馈回路使一个庞大的建筑物诞生了。圆柱形的粘土竖立起来了，扩大为墙，然后屋顶也有了，土墩形成了。不同结构的外型并没有任何计划，而是由潜在的物理和化学因素及白蚁个体的规模影响而产生的。

Scott Turner是纽约国立大学的一位生物学家，他一直在研究南非白蚁的土墩，研究它们在受到袭击后如何修复土墩。他说，由于袭击导致土墩内空气的变化，白蚁就迅速地冲过来修复粘土受到损坏的墙。最开始的工作是修复被打了许多洞的坑道。当坑道修复好之后，白蚁这种极具吸引力的信息素浓度逐渐增大，它们开始用粘土塞满这些空间。一两周后，土墩的墙壁又像以前一样坚固了，在这个过程中，并没有“人”站出来说：“让我们来解决这个问题吧。”

“等级”混合“自组织”

甚至在有着明确等级制度、智力相对较高的物种里，动物似乎仍然有进行自组织行为的习惯，有些研究者称之为民主。例如，只有当将近60%的成年红鹿站起身、看起来很不安的时候，群鹿才会开始行动，而不是它们的领头者说要这么做；天鹅中的领头者发出起飞的信号，但只有当这些信号上升到一定强度极限的时候，整个群体才真正开始行动；甚至在大猩猩中，行动的决定也是基于团体中大多数的成年猩猩。

而人类呢？在某些情境中，我们也会有明确的自组织行为。比如，工作中亲密接触的女性，她们的月经周期会趋向一致，没人知道为什么会这样。再比如，走路的时候，我们常常会配合对方的步幅，正因为这样，军队在过桥的时候，都要从齐步改为便步，以免产生共振。当然，我们并不是白蚁。我们能思考怎么去做，有时候还可以借助强大的领导层的帮助。但是，复杂产品或是行为的产生，好像并没有或是只有很少的领导层参与。比如，Linux电脑操作系统就是由分散在世界各地的独立编程者发展而来的。

在等级制度所期望的，与团队实际想做的事情之间，有着很微妙的相互作用。比如，开会的时候，当人们开始收拾文件，或是把手平放在桌子上时，表示马上就要散会了，这是很清晰的信号。管理者忽略这样的自组织行为是件很危险的事情。互联网本身就是一个复杂但是有着高度适应性的系统，在过去十年里，商界开始模仿自然界，形成极具影响力的自组织形式。eBay就是一个例子。它的规则很简单：卖家在eBay上提供商品说明，并且设定一个价格，然后开始拍卖。任何合法的、健康的东西都可以在eBay上卖。eBay和它的用户一起，共同确保商品不会迅速消失。

这种对外界需求的快速反应，在所有复杂的自组织系统中非常典型，这中间不存在等级，只存在依靠一些基本规则搭建起来的、极具弹性的框架。企业可以在个别业务部中使用这种模式，BP石油公司就是一个成功的例子。在对待排放物这个事情上，BP将等级和自组织完美混合在一起。过去BP对每一个分公司都有固定的排放物限额，现在它选择设定一个团队目标，然后在分公司中让一切事情进行自组织。结果，BP不仅完成了它的环境目标，还因此提高了企业形象，也节省了金钱。

 http://www.douban.com/group/topic/4721853/