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, 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 , הסעה תרמית של נוזלים, תנודה כימית, נחילי בעלי חיים, מעגלים עצביים ושווקים שחורים.

מבוא

ערך מורחב – היסטוריה של התרמודינמיקה

במשך שנים רבות אנשים תהו מהו מקורו של הסדר. מדוע יש סדר במקום סתם מקריות או כאוס. בחיי יומיום 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.

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 המייצרת 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.

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 שסך הכל, 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 התפתחו ביקום שלנו מערכות עם רמות סדר גבוהות? לכאורה החוק השני של התמרמודינמיקה אמור להוביל בדיוק לתוצאה הפוכה של הגברת האי סדר. לדוגמה אם ניקח טיפת צבע ונפיל אותה לתוך כוס מים, 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 רוס אשבי. בשנות ה-60 השתמשו במונח חוקרים מתחום תאוריית המערכות הכלליות. עם זאת המונח הפך 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.

מחקריו של פריגוז'ין בנושא "מבנים דיסיפטיביים" הייתה אחת הראשונות להראות שהחוק השני של התרמודינמיקה כפי שהובן עד אז אינו תקף לכל סוגי המערכות. פריגוז'ין חקר מערכות כימיות ופיזיקליות שאינן קרובות לשיווי משקל, והראה כי במקרים מסוימים תנודות קטנות יכולות להתגבר דרך לולאות משוב וליצור דפוסים חדשים.

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 ) 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.

במקביל חוקרי מערכות מורכבות החלו לעסוק במושג שנקרא הגחה. הגחה היא תכונה של מערכת שנובעת מהשפעה הדדית (אינטראקציה) בין מרכיבי המערכת, ללא שתכונה זו נמצאת בתוך רכיבי המערכת עצמם. כך לדוגמה ב היא תכונה של חומר שנובעת מהתנגשויות בין מולקולות שונות, בעוד שלאף מולקולה בודדת אין תכונה של טמפרטורה. באופן דומה פקק תנועה הוא תכונה של תנועה ברחוב או בעיר הנובעת מהשפעה הדדית של מספר מכוניות זו על זו, בלי שלמכונית הבודדת תהיה תכונה כזו.

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. 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 להימצא במצב דינאמי בין סדר מוחלט לבין כאוס. במצב זה המערכת מסוגלת ליצור תופעות חדשות ולתחזק את עצמה במשך תקופה ארוכה.

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.

ארגון עצמי נשען על ארבעה מרכיבים בסיסיים:

• 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).

היסטוריה של המחקר

הרעיון שלפיו הדינמיקה של מערכת יכולה להוביל לעלייה בארגון שלה עצמה יש היסטוריה של כמה אלפי שנים אם כי ברוב הזמן רעיון זה היה עמום וללא הסבר מסודר. 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.

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" .

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 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 (1860–1948) ניסה להחיותו.

בשנת 1947 ניסח חוקר הקיברנטיקה ויליאם רוס אשבי 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. 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".

המונח אומץ על ידי הקיברנטיקאים היינץ פון פורסטר , גורדון פאסק וסטאפורד באר ; 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).

ב-1960 ניסח 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 הצרפתי הנרי 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" או "סדר מתוך כאוס". רעיון זה מיושם בשיטה של חישול מדומה בתחומים של פתרון בעיות ולמידת מכונה.

ארגון עצמי במדעי הטבע

ארגון עצמי בפיזיקה

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

הדגמה של "אפקט אגוזי ברזיל" עם אורז ומטבעות - המטבעות כבדים יותר ובכל זאת הם עולים למעלה עקב טלטול מקרי

מיון לפי גודל – אחת הדוגמאות הפשוטות ביותר לארגון עצמי או סדר ספונטני היא מיון של גרגרים, אבנים או חלקיקים אחרים לפי גודל. דוגמה זו מופיעה בספריו של ריצ'רד דוקינס כמו השען העיוור כדי להמחיש יצירת סדר ספונטני. לדוגמה, אם ננער מסננת עם חורים בגודל קבוע, החלקיקים הקטנים יעברו דרכה בעוד הגדולים יישארו למעלה. תופעה דומה מתקיימת בחופים, כאשר גלים (שמעניקים למערכת אנרגיה חופשית) מסדרים גרגרים ושברי צדפים בקווים מסוימים. מיון כזה מתרחש גם בקופסאות גרנולה עם סוגי גרגרים שונים: על ידי טלטול עדין, הגרגרים הקטנים נאגרים בתחתית והגדולים יותר עולים למעלה, מה שמביא לרמה גבוהה יותר של סדר דבר המכונה "אפקט אגוזי ברזיל" . מבחינה סטטיסטית, שני מאגרים נפרדים של חומר הומוגני הם בעלי סדר גבוה יותר מאשר חומר מעורבב – ראו מכניקה סטטיסטית והסבר של החוק השני של התרמודינמיקה. התופעה מהווה ארגון עצמי משום שהחלקיקים יוצרים סדר מבלי שתהיה לכך הנחיה חיצונית או כוונה.

גביש קרח – דוגמה למעבר פאזה וארגון עצמי

מעברי פאזה – תהליכים בהם מערכת משנה את מצבה באופן פתאומי, לדוגמה היווצרות גבישים, גבישים נוזליים או מגנטיזציה ספונטנית. הדבר מהווה ארגון עצמי משום שהחלקיקים או המולקולות מסדרים את עצמם במבנה חדש ומסודר ללא צורך בהכוונה חיצונית, כתוצאה משינוי בפרמטרים כמו טמפרטורה או לחץ. תהליך זה כולל לרוב שבירת סימטריה, כלומר הופעה של סדר חדש שלא היה קיים במצב ההתחלתי.

תאי ברנארד (Bénard cell ) – תופעה המתרחשת בנוזלים הממוקמים בין מאגר חם ומאגר קר. כאשר הפרש הטמפרטורה קטן, חום מובל על ידי הולכת חום בתוך הנוזל. כאשר הגרדיאנט עובר סף מסוים, נוצרים תאי זרימה (מערבולות) המובילים חום באופן יעיל יותר – דוגמה לארגון עצמי במערכות תרמודינמיות רחוקות משיווי משקל. חוקרים כגון קיי ושניידר מציינים כי הופעת תאי ברנארד מגדילה את קצב ייצור האנטרופיה, קצב בזבוז החום וקצב ההרס של אקסרגיה במערכת, והקצב עולה ככל שהגרדיאנט גדול יותר. זהו דוגמה פשוטה לארגון עצמי משום שהמערבולות נוצרות באופן ספונטני כתוצאה מהפרש הטמפרטורה בלבד, ללא הכוונה של כוח חיצוני מארגן.

אגרגט פרקטלי שנוצר על ידי DLA

אגרגציה מוגבלת על ידי דיפוזיה (Diffusion-limited aggregation ) – תהליך שבו חלקיקים בתנועה בראונית (random walk) מצטברים ליצירת אגרגטים בעלי מבנה פרקטלי. תופעה זו נצפתה במערכות רבות, כולל electrodeposition, זרימות Hele-Shaw ומרבצים של מינרלים. תיאוריה זו הוצעה על ידי T.A. Witten Jr. ו-L.M. Sander ב-1981. זהו דוגמה לארגון עצמי שכן החלקיקים יוצרים דפוס מסודר ומורכב באופן ספונטני, כתוצאה מהאינטראקציה המקומית בלבד.

סוליטונים דיאספטיים (Dissipative soliton ) – מבנים יציבים באופן מקומי שמופיעים במערכות דיאספטיות, המרחיבים את מושג הסוליטון הקלאסי. סוליטונים אלו יכולים ליצור bound states ולהתנהג כחלקיקים, אך גם להופיע, להתפזר וליצור מבנים חדשים ללא מגבלות שימור אנרגיה או מומנטום. זהו ארגון עצמי משום שהסוליטונים נוצרים ומתנהגים כיחידות מסודרות ללא התערבות חיצונית.

סימולציה במחשב שמדמה כיצד החומר ביקום (גלקסיות, ערפיליות, והחומר האפל) מתרכז ויוצר את המבנים הגדולים שאנחנו רואים כיום, כמו סופיות של גלקסיות וצברים של גלקסיות. המודל Lambda-CDM הוא המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי שמתאר את היקום המתרחב עם אנרגיה אפלה (Lambda) וחומר אפל קר (Cold Dark Matter – CDM).

היווצרות מבנים בקוסמולוגיה (צפיפות היקום) – היקום התחיל ממצב חם וצפוף כמעט אחיד לפני כ-13.8 מיליארד שנים. סקירות קרינת מיקרוגל מראות תמונה כמעט אחידה עם הבדלים זעירים בטמפרטורה. עם הזמן התפתחו מבנים בקנה מידה גדול: כוכבים, גלקסיות וצברים של גלקסיות. תחום זה עוסק בהבנת יצירת מבנים מתוך יקום כמעט אחיד. זהו ארגון עצמי משום שמבנים מורכבים נוצרים מתוך תנאים ראשוניים פשוטים, ללא כוח חיצוני מכוון שדוחף ליצירת דפוסים אלו.

ארגון עצמי בכימיה

דוגמה להרכה עצמית מולקולרית

ארגון עצמי בכימיה מתייחס לתהליכים שבהם מולקולות או יונים במערכת כימית מסתדרים בצורה מסודרת באופן ספונטני, ללא פיקוח חיצוני ישיר, כדי ליצור מבנים עם תכונות פונקציונליות מסוימות. תופעה זו מתרחשת בדרך כלל במערכות פתוחות, שבהן יש חילוף של חומר ואנרגיה עם הסביבה, ומאפשרת הופעה של מורכבות ארגונית ברמה המולקולרית או הננומטרית.

תהליכים נפוצים של ארגון עצמי בכימיה כוללים:

• הרכבה עצמית מולקולרית – תהליך שבו מולקולות בודדות יוצרות בצורה ספונטנית קומפלקסים או מבנים מסודרים כמו מונו-שכבות או ננו-מבנים. הארגון מתרחש בעקבות אינטראקציות כימיות פיזיקליות, כמו קשרים מימניים ואינטראקציות הידרופוביות, מבלי שדרוש כוח חיצוני. זהו דוגמה קלאסית לארגון עצמי כיוון שהמערכת מגיעה למבנה יציב מסודר בצורה טבעית.
• מערכות דיפוזיה של תגובה – תבניות מרחביות הנוצרות כתוצאה מהפצה וכימיה בו-זמנית.
• מתנדים כימיים – תהליכים כימיים מחזוריים שיוצרים שינויים בזמן בריכוזי חומרים.
• רשתות אוטוקטליטיות – תגובות כימיות שבהן התוצר מזרז את יצירתו עצמו.
• גבישים נוזליים – חומרים בעלי סדר מסוים אך גמישים, שימושיים בתצוגות ואופטיקה.
• גבישים קולואידים – ארגון עצמאי של חלקיקים קולואידיים ליצירת מבנים מסודרים.
• מונו-שכבות בהרכבה עצמית – שכבות דקות של מולקולות המצטברות על משטחים בצורה מסודרת.
• מיצלות – הם צברים של מולקולות סורפקטנט במים שבהם החלק ההידרופובי (המרגיש דחיה ממים) מסתתר בתוך הצבר והחלק ההידרופילי פונה כלפי חוץ. המולקולות האלה מסתדרות בצורה מסודרת כדי למזער את האנרגיה של המערכת ולשמור על יציבות תרמודינמית.
• שכבות Langmuir–Blodgett – שכבות מונו-מולקולריות הנבנות על פני מים ומועברות למשטחים מוצקים.
• בלוקי קופולימרים – הפרדת מיקרו-פאזה של בלוקי קופולימרים, סידור עצמי של בלוקים פולימריים ליצירת מבנים ננומטריים.

כוחות פיזיקליים וכימיים המניעים את הארגון העצמי בכימיה כוללים קשרים מימניים, כוחות ואן דר ואלס, כוחות דיפול ואינטראקציות הידרופוביות.

ארגון עצמי חשוב במיוחד בביוכימיה, בכימיה של חומרים מתקדמים, ננוטכנולוגיה ובפיתוח חומרים חכמים , מאחר שהוא מאפשר יצירת מבנים מורכבים כמו ננו-צינורות פחמניים, מולקולות ארגוניות ופולימרים מסודרים. מחקר בתחום זה משלב ידע מכימיה, פיזיקה וביולוגיה, ומוביל לפיתוח חומרים עם תכונות ייחודיות כמו מוליכות חשמלית, תגובות קטליטיות מבוקרות או חומרים חכמים ().

חוקרים בולטים בתחום כוללים את ג'ורג' ויטאקר , שהדגים את עקרונות הארגון העצמי במולקולות ביולוגיות, ואת דייוויד לויד , שחקר מנגנונים של עצירה עצמית וסינתזה מבוקרת של מבנים מולקולריים.

ארגון עצמי בביולוגיה

נחיל ציפורים, דוגמה לארגון עצמי בביולוגיה

ארגון עצמי הוא תהליך שבו סדר ודפוסים מורכבים נוצרים באופן ספונטני מתוך אינטראקציות פנימיות של מערכת, ללא שליטה מרכזית חיצונית. בתהליכים כאלה, חלקים פשוטים יחסית – כגון מולקולות או תאים – מקיימים ביניהם קשרים מקומיים שמובילים להיווצרות מבנים יציבים ודינמיים.

ניתן להבחין בארגון עצמי בביולוגיה בתחומים רבים – ארגון התא החי, היווצרות של קרום התא וממברנות, היווצרות החיים, קיפול ספונטני של חלבונים וביו-מאקרו-מולקולות אחרות, הרכבה עצמית של ממברנות שומנית דו-שכבתיות, היווצרות דפוסים ומורפוגנזה בביולוגיה התפתחותית, קואורדינציה בתנועות האדם, התנהגות אאוסוציאלית בקרב חרקים (דבורים, נמלים, טרמיטים) ויונקים, והתנהגות של נחילי ציפורים ודגים.

הקשר בין ארגון עצמי לתרמודינמיקה נחקר בהרחבה. מבנים חיים נחשבים למבנים דיסיפטיביים, כלומר מערכות פתוחות הרחוקות משיווי משקל תרמודינמי אשר שומרות על סדר פנימי באמצעות קליטת אנרגיה חיצונית ופיזורה בצורת אנטרופיה לסביבה. החוקרים ג'יימס קיי ואריק שניידר הציעו לראות בארגון עצמי מנגנון משלים לאבולוציה: בעוד האבולוציה מסבירה את השינוי וההסתגלות של מערכות חיות לאורך זמן, הארגון העצמי מסביר כיצד נוצרות התבניות והמבנים הבסיסיים שאותם האבולוציה יכולה לפתח.

ארגון עצמי בתא חי

תא חי מורכב ממספר עצום של מולקולות – חלבונים, שומנים, חומצות גרעין ועוד – שכל אחת מהן מצייתת לחוקי הפיזיקה והכימיה (מתוארת על ידי ביוכימיה), אך האינטראקציה ביניהן יוצרת מבנים יציבים ומורכבים כמו קרום התא, גרעין, מיטוכונדריה ורשתות בקרה ביוכימיות.

הארגון בתא ובתוך אברוני התא מתקיים בזכות:

• זרימת אנרגיה – התא קולט אנרגיה חופשית (למשל, מגלוקוז בבעלי חיים או אור בצמחים או כחוליות), וממיר אותה לאנרגיה כימית ומשם לעבודה כימית (יצירה או פירוק של מולוקולות בצורה מבוקרת), שמאפשרת שמירה על סדר פנימי. כאשר התא לא מקבל מספיק אנרגיה (מחסור באור או מים בצמחים, מחסור במים חמצן או מזון בבעלי חיים) הוא לא מצליח לשמור על הסדר הפנימי ומגיע למצב פתולוגי ומשם לפרוק של התא או מוות שלו.
• חוקי התרמודינמיקה – התא אינו מערכת מבודדת; כדי לשמור על סדר פנימי, הוא מגדיל את האנטרופיה של סביבתו (לדוגמה, בפליטת חום).
• משוב חיובי ושלילי – רשתות של תגובות כימיות שיכולות לווסת את עצמן, להגביר ייצור של מרכיבים מסוימים, או לעצור את הייצור כשיש עודף במרכיבים אלה.
• הרכבה עצמית (Self-assembly) – מולקולות ביולוגיות מסוימות, כמו חלבוני קרום התא, יכולות להתארגן באופן ספונטני למבנים מורכבים בגלל תכונות פיזיקליות-כימיות שלהן.

קרום התא וארגון עצמי

ארגון הדו-שכבה הליפידית בקרום התא בשני עלעלים של ליפידים, כשהזנבות פונים כלפי פנים והראשים כלפי חוץ. התארגנות כזו היא ספונטנית ולכן היא דוגמה לארגון עצמי.

דוגמה בולטת לארגון עצמי בתא חי היא יצירת קרום התא, ובמיוחד קל להבחין בכך בהיווצרות דו-שכבה ליפידית. הדו־שכבה הליפידית היא המבנה הבסיסי שמרכיב את קרום התא ומאפשר את קיומו של ארגון עצמי ביולוגי. היא נוצרת משתי שכבות מקבילות של ליפידים — מולקולות בעלות "ראש" קוטבי ואוהב מים (הידרופילי) ו"זנב" הידרופובי שאינו מסיס במים. בסביבה מימית, הליפידים מסתדרים כך שהראשים פונים כלפי המים משני צידי הקרום, והזנבות פונים פנימה זה אל זה, אל סביבה שומנית מוגנת ממים. סידור זה נוצר באופן ספונטני כיוון שהוא מועדף אנרגטית — קשרי ואן־דר־ואלס בין הזנבות והקשרים הקוטביים בין הראשים והסביבה המימית מעניקים למבנה יציבות מבנית. התוצאה היא מבנה יציב המבודד את פנים התא מהסביבה שנוצר כתהליך של ארגון עצמי.

קרום התא לא רק "גבול" פיזי, אלא אחד הגורמים המרכזיים שמאפשרים ארגון עצמי בתוך התא החי. הסיבה היא שקרום התא מגדיר סביבה פנימית מובחנת מהחוץ, וזה תנאי קריטי לארגון עצמי מורכב:

• הפרדה מרחבית (Compartmentalization) - הקרום יוצר "חדר" פנימי שבו מולקולות יכולות להתרכז ולהגיב זו עם זו, בלי להתפזר לכל הכיוונים. מולוקלות מבחוץ לא יכולות להיכנס לתא באופן חופשי. בלי קרום, החומרים היו מתערבבים עם הסביבה, ולא היה ניתן לשמור על תגובות ביוכימיות ממוקדות.
• שליטה בזרימה של חומר ואנרגיה - הקרום חדיר-סלקטיבי: הוא מכניס חומרים חיוניים (כמו סוכר וחומצות אמינו) ומוציא פסולת (חומרים שמזיקים לתא), ושולט במעבר של יונים ומטענים חשמליים. שליטה זו מאפשרת שימור סדר פנימי ושמירה על תנאים המתאימים לפעילות אנזימים. מבחינה התא דומא למפעל כימי - גבולות המפעל - קרוא התא - מאפשרות לתאים שונים לייצר תרכובות שונות בלי להפיע זה לזה.
• פלטפורמה לארגון מבני - חלבונים ומתחמים מולקולריים "משובצים" בקרום ומסודרים במבנה שמאפשר תקשורת, העברת אותות, ושיתוף פעולה בין מערכות שונות של התא.

בתאים אאוקריוטיים (בעלי גרעין, כמו צמחים פטריות, בעלי חיים) הקרום אינו רק חיצוני — יש גם קרומים פנימיים (של אברונים כמו מיטוכונדריה, רשתית אנדופלסמטית, גולג’י) שמאפשרים ארגון עצמי מקומי בתוך אזורים שונים של התא - כך המיטכונדריה יכולה לעסוק בפעילות מובחנת אחת הדורשת מבנים ותרכובות מסוימות, בעוד גרעין התא עוסק בפעילות מובחנת אחרת הדורשת תרכובות ומערכות אחרות. התמחות כזו מאפשרת לתא בודד להיות בעל תפקוד מורכב יותר לעומת תא ללא חלוקה פנימית כזו.

בהשערות על מוצא החיים, יצירת בועיות שומניות (פרוטוצלים) היא שלב קריטי — כי היא מאפשרת לא רק שמירה על מולקולות רלוונטיות, אלא גם את הארגון העצמי שדרוש להיווצרות מטבוליזם ראשוני.

ארגון עצמי והופעת החיים

ערך מורחב – מוצא החיים

הארגון העצמי נחשב לאחד התנאים המרכזיים להיווצרות חיים על פני כדור הארץ, שכן הוא מאפשר למרכיבים כימיים פשוטים להתארגן לכדי מערכות פונקציונליות כמו ממברנה ביולוגית, רשת מטבולית ומנגנוני שכפול מידע גנטי.

חוקרים רבים הציעו מודלים המתארים כיצד ארגון עצמי תרם לשלב הקדם־ביוטי של היווצרות החיים. סטיוארט קאופמן חקר את רעיון ה"רשתות האוטוקטליטיות", שבהן מולקולות מזרזות זו את יצירתה של זו עד שנוצרת מערכת יציבה ועצמאית. Hermann Haken, , מייסד תחום ה"סינרגטיקה" , תיאר כיצד דפוסים ותבניות מופיעים במערכות פתוחות באמצעות מספר קטן של פרמטרים מקרוסקופיים. חוקרים אחרים, כמו Humberto Maturana ופרנסיסקו וארלה, הציגו את מושג ה"אוטופואזיס" – מערכות שמקיימות ומשמרות את עצמן, דוגמת תא חי.

Lloyd Demetrius פיתח את המושג "אנטרופיית אבולוציה" והציע את "עקרון הסדר העצמי", לפיו מצבים יציבים בתהליך ארגון עצמי הם כאלה הממקסמים את האנטרופיה האבולוציונית, בהתחשב בקצב ניצול האנרגיה החיצונית. הוא השתמש במודלים תרמודינמיים כדי להראות כיצד ארגון עצמי במערכות ביולוגיות מתרחש בתנאים של יציבות אנרגטית. עבודתו מציעה תיאוריה מתמטית המתארת את ההתנהגות הקולקטיבית של אורגניזמים, תוך הדגשת הקשר בין אנרגיה, ארגון עצמי והיווצרות חיים.

מחקרים במכונים כגון מכון מקס פלאנק לדינמיקה וארגון עצמי בוחנים מודלים כימיים ופיזיקליים שבהם מערכות פשוטות יחסית מפתחות מבנים מורכבים באופן עצמאי, מה שמספק תובנות על תהליכים אפשריים בהיווצרות החיים. למשל, במחקר שפורסם בשנת 2023 ב־Nature Communications, הוצג מודל שבו מולקולות קטליטיות יוצרות אשכולות אוטונומיים ("clusters") – תופעה המבוססת על יצירת ריכוזים והיענות לקינטיקה של המעגל המטבולי; אשכולות אלה נוצרו באופן אקספוננציאלי וממחישים מנגנון אפשרי להתפתחות חיים מהירה בתחילת הדרך.

ארגון עצמי, אבולוציה ומורכבות

ארגון עצמי ואבולוציה הם שני מנגנונים משלימים במערכות ביולוגיות. ארגון עצמי מייצר מבנים ודפוסים ראשוניים מתוך אינטראקציות פנימיות של המערכת, ואילו אבולוציה, באמצעות ברירה טבעית, בוחרת את המבנים היציבים והמותאמים ביותר לסביבה. במובן זה, ארגון עצמי מספק את "החומר הראשוני" עבור האבולוציה, בעוד שהאבולוציה מספקת מנגנון סלקטיבי שמכוון את ההתפתחות למורכבות פונקציונלית.

מספר חוקרים חקרו את הקשר בין שני התחומים: סטיוארט קאופמן הציע שקבוצות אוטוקטליטיות מאפשרות למערכות מולקולריות פשוטות לפתח מורכבות ולהוות בסיס להתפתחות אבולוציונית (The Origins of Order, 1993). Eric Schneider ו-James Kay (1994) הציעו שמערכות חיות הן מימוש של החוק השני של התרמודינמיקה: ארגון עצמי מייצר סדר, ואבולוציה בוחרת מתוך סדר זה את המבנים המותאמים ביותר. האווארד תומס אודום פיתח את עקרון המקסימום של ניצול אנרגיה במערכות ביולוגיות, שמדגים כיצד ארגון עצמי ואבולוציה פועלים יחד לייעול ניצול האנרגיה וליצירת מבנים יציבים.

הקשר בין תרמודינמיקה לבין מערכות חיות הוצע עוד קודם לכן על ידי חוקרים קודמים, כגון איליה פריגוז'ין ו-Hermann Haken, שחקרו את הופעת הסדר במערכות תרמודימיות פתוחות ואת דפוסי הסינרגטיקה, ותיארו כיצד מבנים מורכבים נוצרים באופן ספונטני מתוך אינטראקציות פנימיות. רעיונות אלה הציבו בסיס להבנה שמבנים ביולוגיים מורכבים נובעים משילוב של ארגון עצמי ופעולת ברירה טבעית.

שילוב עקרונות ארגון עצמי עם תהליכים אבולוציוניים מסביר תופעות ביולוגיות רבות, כגון מורפוגנזה, רשתות גנטיות ותבניות חברתיות אצל חרקים ויונקים. ארגון עצמי מייצר מבנים מורכבים ראשוניים, ואבולוציה משמרת ומפתחת אותם לאורך זמן, מה שמאפשר הופעה הדרגתית של מורכבות ביולוגית פונקציונלית.

קיפול חלבונים

החלבון לפני הקיפול ואחריו

קיפול חלבונים הוא תהליך שבו חלבון מקבל את המבנה התלת־ממדי הפעיל שלו באופן ספונטני, בהתאם לרצף חומצות האמינו שלו, ללא הכוונה חיצונית. כאשר חלבון מסונתז בתא על ידי הריבוזום, הוא נמצא במבנהו הראשוני, כלומר כשרשרת ארוכה של חומצות אמינו ללא מבנה מוגדר. במצב זה החלבון אינו פעיל. בסיום הקיפול, החלבון נמצא במבנה המכונה מבנה נטיבי (Native state), והוא בעל מבנה שלישוני או רביעוני, מקופל במבנה תלת־ממדי. מבנה זה מאפשר לחלבון למלא תפקידים שונים כמו להוות זרז עבור תגובות כימיות אחרות או ליצור מבנים בתאים. תהליך קיפול החלבונים נחשב לארגון עצמי משום שהוא נובע מאינטראקציות מקומיות בין שיירי חומצות האמינו, ייצוב מבנים משניים כמו סליל אלפא וביתא-שיט והיווצרות קונפורמציות יציבות.

חוקרים בולטים בתחום זה כוללים את כריסטיאן אנפינסן, שזכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה בשנת 1972 על המחקר שלו שהראה שחלבונים יכולים להתקפל למבנה פעיל באופן ספונטני בהתאם למידע הגנטי הטמון ברצף האמינו. בנוסף, Ken A. Dill ו-Peter Guy Wolynes חקרו את תהליכי הקיפול מנקודת מבט של פיזיקה סטטיסטית, והצביעו על כך שמנגנון הקיפול מתאפיין ב"נוף אנרגיה" (energy landscape) – דוגמה מובהקת לארגון עצמי מולקולרי, שבו החלבון "מחפש" את המבנה היציב ביותר מתוך מספר רב של קונפורמציות אפשריות. תאוריות אלו מצביעות על כך שהקיפול של חלבונים אינו תוצאה של תכנון חיצוני אלא תהליך עצמי מובנה שמאפשר למולקולות ביולוגיות להשיג פונקציונליות בצורה אמינה ויעילה.

מערכות עצביות ורשתות עצביות

ארגון עצמי מתבטא גם במערכת עצבית ובהתפתחות של רשתות עצביות במוח. דפוסי חיבור בין נוירונים נוצרים חלקית באופן ספונטני, ומבנים אלו משתנים בהתאם לאינטראקציות עם הסביבה, תהליכי למידה וזיכרון. חוקרים כמו איב מרדר ו-Michael A. Arbib חקרו כיצד דינמיקה עצבית מקומית יכולה ליצור דפוסים מורכבים ברמה הגלובלית של המערכת. תהליכים אלה ממחישים כיצד ארגון עצמי מאפשר למערכות עצביות ליצור תפקוד מורכב גם ללא תכנון מרכזי.

אקולוגיה ומערכות אקולוגיות

ארגון עצמי מופיע גם ברמה של מערכת אקולוגית. דפוסי התפשטות אוכלוסיות, שרשראות מזון ודפוסי תזמון עונתיים נוצרים כתוצאה מאינטראקציות מקומיות בין מינים, משאבים וסביבה. מחקרים על נחילי ציפורים ועדרי דגים ממחישים כיצד התנהגות קולקטיבית נוצרת מתוך חוקים פשוטים של אינטראקציה מקומית, ללא שליטה חיצונית. רעיונות אלה מתקשרים ל"Ecological self-organization" ולמודלים של מערכות מורכבות באקולוגיה.

תבניות התפתחותיות ומורפוגנזה

תהליכי מורפוגנזה ו-Pattern formation במהלך ביולוגיה התפתחותית מהווים דוגמה קלאסית לארגון עצמי. דפוסים כגון פסי עור של חיות, פריחת פרחים או מבנים של שלד חיה נוצרים ממנגנונים של אינטראקציה כימית ותאית מקומית, כמו Turing pattern או מסלולי אותות מולקולריים. חוקרים כמו אלן טיורינג ו-Hans Meinhardt חקרו כיצד דפוסים מורכבים אלו נוצרים באופן ספונטני ומאפשרים מגוון ביולוגי עשיר.

ארגון עצמי בסרטן

הגישה של “ארגון עצמי בסרטן” רואה בגידולים סרטניים מערכות ביולוגיות מורכבות שבהן דפוסי גדילה, חדירה וגרורות נובעים מאינטראקציות בין תאים, הסביבה המיקרוסקופית ותהליכים אבולוציוניים, ולא רק ממוטציות גנטיות בתא בודד. גישה זו משתלבת עם ביולוגיה מערכתית ותורת המורכבות, ומציעה שינוי פרדיגמה בהבנת המחלה. גידולים סרטניים מתנהגים כמערכות אדפטיביות שבהן תאים שונים מתקשרים זה עם זה ועם המיקרו-סביבה, ויוצרים דפוסים יציבים של גדילה והתפשטות. תהליכים אלה כוללים משובים, תחרות בין תתי-שבטים של תאים, ושינויים דינמיים בתגובה ללחצי סביבה ולחצים טיפוליים כמו כימותרפיה. מחקרים הראו כי תאי סרטן יכולים ליצור מבנים תלת־ממדיים מאורגנים (כגון spheroids) המייצגים דפוסים חוזרים של ארכיטקטורת רקמה. גם לאחר פירוק ופיזור, תאים יכולים להתארגן מחדש למבנים דומים, תופעה המצביעה על קיומם של עקרונות ארגון עצמי ומעין “זיכרון מורפולוגי” של הגידול.

ארגון עצמי במדעי 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 וחיים מלאכותיים מציגים תכונות של ארגון עצמי. ברובוטיקה של נחילים , 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 , ההבנה כיצד להנדס מערכות המסוגלות להציג התנהגות מאורגנת עצמית היא תחום מחקר פעיל.

ארגון עצמי במדעי החברה

ארגון עצמי במדעי החברה מתאר את הדרך בה מבנים חברתיים, כלכליים ופוליטיים נוצרים ומתפתחים מתוך אינטראקציות מקומיות בין פרטים או קבוצות, ללא תכנון מרכזי או סמכות עליונה. תהליכים אלו מאפשרים יצירת דפוסים חברתיים מורכבים, ארגונים והתנהגויות קולקטיביות באופן ספונטני. שם נוסף שבו מתואר ארגון עצמי במדעי החברה הוא סדר ספונטני.

גישות אלו מדגישות את הדמיון בין מערכות חברתיות למערכות ביולוגיות ומדגימות כיצד עקרונות ארגון עצמי מסייעים להבנה של התנהגות קולקטיבית מורכבת, מבנים חברתיים ודינמיקה פוליטית.

ארגון עצמי בסוציולוגיה

בסוציולוגיה, המושג "ארגון עצמי" מתאר את הדרך בה מבנים חברתיים נוצרים ומתפתחים מתוך אינטראקציות בין פרטים או קבוצות, ללא תכנון מרכזי. דוגמה לכך היא מחקרו של תומאס שלינג על בידוד חברתי, שבו הראה כיצד העדפות אישיות של פרטים יכולות להוביל לסגרגציה חברתית.

הסוציולוג ניקלאס לומן הציע מודל של "אוטופואזיס" (autopoiesis) לתיאור מערכות חברתיות, שבו כל מערכת חברתית יוצרת ומתחזקת את עצמה באמצעות תקשורת פנימית, ללא צורך במרכז שליטה חיצוני.

מארק גרנובטר חקר כיצד רשתות חברתיות ומבנים ארגוניים נוצרים מתוך אינטראקציות מקומיות בין פרטים, ללא תכנון מרכזי, תוך דגש על תהליכים דינמיים של קבלת החלטות, אמון ותיאום.

ארגון עצמי במדעי המדינה

במדעי המדינה, מודלים של ארגון עצמי ו"סדר ספונטני" (Spontaneous Order) מתאר את הדרך שבה מוסדות פוליטיים, נורמות והסדרים החברתי יכולים להיווצר ולהתייצב כתוצאה מאינטראקציות בין פרטים או קבוצות, ולחצים חברתיים, ללא תכנון מרכזי. רעיון זה מציע כי הסדר החברתי אינו חייב להיות תוצאה של שליטה או תכנון, אלא יכול להתהוות באופן טבעי מתוך פעולתם של פרטים הפועלים לפי ענייניהם האישיים. דוגמה לגישה כזו מופיעה מחקרים על משחקי אסטרטגיה ותורת המשחקים בקבלת החלטות קולקטיבית.

הוגים מרכזיים בתחום זה הם פרידריך האייק ואלינור אוסטרום. האייק, בספרו "החוק, החקיקה והחירות" (Law, Legislation and Liberty), טוען כי מוסדות חברתיים וכלכליים מתפתחים מתוך אינטראקציות בין פרטים, וללא צורך בתכנון מרכזי. הוא מדגיש את חשיבותה של חירות הפרט ואת המגבלות של שליטה מרכזית בסדר החברתי. אלינור אוסטרום, בספרה "Governing the Commons", חקרה כיצד קבוצות מקומיות מצליחות לפעמים לנהל משאבים משותפים ללא התערבות ממשלתית. היא זיהתה תנאים מסוימים המאפשרים ארגון עצמי מוצלח, כגון כללים ברורים, פיקוח עצמי, ומנגנוני פתרון סכסוכים.

רעיון הסדר הספונטני משפיע על תחומים נוספים במדעי המדינה, כגון תיאוריה של מוסדות, תיאוריה של קבלת החלטות קבוצתית, ותיאוריה של ממשל פוליצנטרי. הוא מציע גישה אלטרנטיבית לתכנון מרכזי ומדגיש את היכולת, בתנאים מסוימים, של קבוצות מקומיות, לארגן את עצמן ולהתמודד עם אתגרים פוליטיים וחברתיים.

ארגון עצמי בכלכלה

בכלכלה, חוקרים כמו W. Brian Arthur חקרו את התופעה של "סדר מופע עצמו" (self-organizing order) בשווקים ובמערכות טכנולוגיות, והראו כיצד התנהגויות פרטיות ואינטראקציות מקומיות יוצרות דפוסים יציבים של תחרות, חדשנות והתפשטות טכנולוגית.

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 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. 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.

ארגון עצמי בשוק

אדם סמית בספרו עושר האומות תיאר כיצד אינטראקציות בין יצרנים וצרכנים בשוק חופשי מובילות להופעת סדר ספונטני. לפי סמית, יצרנים המבקשים למקסם רווחים וצרכנים המחפשים את המוצרים המתאימים להם יוצרים דרך המסחר מנגנונים שמאזנים היצע וביקוש וקובעים מחירים וכמויות בצורה אוטונומית. לדוגמה, אם מחיר מוצר גבוה מדי, הביקוש יורד והיצרנים נדרשים להוריד את המחיר; אם מוצר באיכות נמוכה מדי, הוא עלול לפגוע במוניטין היצרן, ולעומת זאת מוצר איכותי מדי במחיר גבוה עלול לא להימכר. תהליכים אלה יוצרים איזון בין איכות ומחיר ללא צורך בתכנון מרכזי.

אף כי סמית לא ניסח את הדברים בצורה כזו (המונח של ארגון עצמי התפתח בשלב מאוחר יותר) מונחים מודרניים, התופעה הזו נחשבת לדוגמה של ארגון עצמי: מבנים ודפוסים מורכבים (כגון מחירים, כמות סחורה ושוק מאוזן) נוצרים מתוך אינטראקציות מקומיות בין סוכנים, ללא סמכות עליונה שמכתיבה את תוצאת השוק. רעיון זה של סדר ספונטני הושם בהמשך במודלים מודרניים של כלכלה, כלכלה אקולוגית ומדעי מערכות מורכבות, המדגישים את החשיבות של משוב עצמי, התאמה דינמית ושמירה על יציבות במערכות פתוחות.

ארגון עצמי ותרמודינמיקה בכלכלה

החוק השני של התרמודינמיקה שימש נקודת מוצא לניתוח של הכלכלה כ"מערכת פתוחה" שבה זרמים של אנרגיה וחומרים מאפשרים שמירה על סדר פנימי. הכימי זוכה פרס נובל פרדריק סודי היה הראשון שדיבר על הקשר בין החוק השני של התרמודינמיקה לבין כלכלה. בספרו Wealth, Virtual Wealth and Debt (1926), הוא הבחין בין "עושר אמיתי" (כמו אנרגיה, מזון, מבנים) לבין "עושר וירטואלי" (כמו כסף וחוב), והצביע על כך שעושר אמיתי מתכלה עם הזמן עקב עליית האנטרופיה (או מחייב השקעת אנרגיה בשימורו), בעוד שעושר וירטואלי יכול לגדול ללא הגבלה. הוא טען כי כלכלה אינה יכולה להתבסס על חוב צומח ללא קשר למשאבים פיזיים, שכן הדבר סותר את חוקי התרמודינמיקה.

בשנות ה-70, הכלכלן ניקולס ג'ורג'סקו-רוגן פיתח רעיונות אלו בספרו The Entropy Law and the Economic Process (חוק האנטרופיה והתהליך הכלכלי), ובחן את ההשלכות של החוק השני על גבולות לצמיחה הכלכלית. ג'ורג'סקיו-רוגן הבחין בין זרמים לבין מאגרים במערכות כלכליות וטען כי הכלכלה כפופה למגבלות פיזיקליות של אנרגיה וחומר. עבודתו של ג'ורג'סקיו-רוגן, יחד עם זו של סודי, לא זכתה להכרה רחבה בקרב הכלכלנים ה"מרכזיים", אך השפיעה רבות על פיתוח הכלכלה האקולוגית.

המשכיות רעיונות אלו ניכרת בעבודתו של הרמן דיילי, שבחן את עקרונות הכלכלה האקולוגית ואקולוגיה תעשייתית תוך שילוב מושגים של זרמים, מאגרים ומשוב עצמי במערכות כלכליות. מחקרים מאוחרים יותר, כמו שיידר וקיי (2006) על מערכות אקולוגיות כדי להבין כיצד עקרונות של ארגון עצמי ויציבות במערכות טבעיות ניתנים ליישום גם למערכות כלכליות.

במונחים של ארגון עצמי, זרמי האנרגיה והחומרים במערכת הכלכלית מאפשרים יצירת מבנים ודפוסים מורכבים, בדומה למערכות ביולוגיות. כדור הארץ אינו מערכת סגורה – הוא מקבל זרם נכנס של אנרגיה סולארית ומפזר זרם יוצא בצורת קרינת חום. מבחינת הכלכלה האנושית, קיימים זרמים נכנסים של אנרגיה מתחדשת (קשה לאגור או לשלוט בהם) ומקורות אנרגיה סופיים (כגון דלק מחצבי), שמעצבים את הדינמיקה של סדר עצמי, יציבות והתאמה במערכת הכלכלית. רעיון זה מדגיש כיצד כלכלה יכולה לפעול באופן דינמי ואוטונומי, תוך הסתגלות למגבלות פיזיקליות וחברתיות, בדומה למנגנונים של ארגון עצמי במערכות טבעיות.

ארגון עצמי בכלכלה אקולוגית

בכלכלה אקולוגית, רעיון הארגון העצמי משמש להבנה של האופן שבו מערכות כלכליות מתפתחות ומתנהלות בתוך מסגרת של מערכות אקולוגיות, ביוגאופיזיות וחברתיות. במערכות אלו פועלים כוחות שונים – דוגמת אבולוציה ביולוגית, אבולוציה חברתית, ארגון עצמי, ומשוב בין מרכיבים – שמאפשרים שמירה על יציבות, גמישות ותחזוקה של מבנים מורכבים במערכות טבעיות.

כלכלה אקולוגית רואה את הכלכלה כחלק ממערכת תרומדינמית פתוחה (המקבלת אנרגיה מהשמש ומדלקים מחצביים), שבה קיימת אינטראקציה מתמשכת בין מערכת אקולוגית ומחזורים ביו-גאו-כימיים למערכות אנושיות, כמו שוק, מוסדות חברתיים, חקלאות ותעשייה. דפוסי סדר וארגון בתוך המערכת הכלכלית נוצרים מתוך אינטראקציות מקומיות או מערכתיות של פרטים וגופים, באופן דומה לארגון עצמי במערכות ביולוגיות, אך לעיתים הם מתנגשים עם דפוסי הסדר הטבעי של מערכות אקולוגיות.

חוקרים כמו הווארד ט. אודום רוברט יולנוביץ חקרו כיצד זרימות אנרגיה, חומרים ומידע במערכות טבעיות מתנהלות תוך שמירה על יציבות ומורכבות, והציעו כי עקרונות אלו יכולים לשמש להבנת התנהגות כלכלית בת קיימא. אודום פיתח את מושג ה-"emergy" (energy memory), המתאר את האנרגיה המושקעת בתהליכים טבעיים ותרבותיים. הוא טוען כי כלכלה אקולוגית חייבת להתבסס על עקרונות של ארגון עצמי, המאפשרים למערכות לשמור על יציבות תוך ניצול יעיל של משאבים. רוברט יולנוביץ השתמש בתיאוריות מידע ותרמודינמיקה כדי לחקור את הארגון של זרימות אנרגיה וחומרים במערכות אקולוגיות. הוא פיתח מדדים כמו "ascendency" ו-"development capacity" כדי לתאר את הארגון העצמי של מערכות אקולוגיות, והראה כיצד עקרונות אלו יכולים להתאים גם למערכות כלכליות. מחקריו מצביעים על כך שמערכות אלו לא שואפות למקסום יעילות בלבד, אלא גם שומרות על גמישות ויכולת התאמה. רעיונות אלו מתבטאים גם במודלים מודרניים, כמו כלכלת הדונאט של קייט רדוורת' , המציעים מסגרת שבה הכלכלה פועלת בתוך גבולות חברתיים וסביבתיים, תוך שמירה על דינמיקה עצמאית ומנגנוני משוב.

גיורגוס קאליס כלכלן אקולוגי יווני, חקר את התיאוריה של קו-אבולוציה (אבולוציה הדדית) בין מערכות חברתיות, כלכליות ואקולוגיות. הוא טוען כי שינוי במערכת אחת משפיע על השאר, ושהן מתפתחות יחד באופן עצמאי. הוא גם חקר את רעיון ה-"bioeconomy" (ביואקונומיה), המציע שימוש ברעיונות של ארגון עצמי כדי ליצור כלכלה בת קיימא. ג'יי. ברקלי רוסר ג'וניור חקר את השפעת הכאוס והמורכבות על כלכלה. הוא טוען כי כלכלה היא מערכת דינמית ומורכבת, שבה ארגון עצמי משחק תפקיד מרכזי.

ראו גם

• אחדות המדע
• היסטוריה של התרמודינמיקה
• אבולוציה
• סינרגטיקה – חקר תופעות של יצירת דפוסים וסדר במערכות מורכבות.
• מבנה דיסיפטיבי – מבנים פתוחים שאינם בשיווי משקל השומרים על סדר פנימי באמצעות זרימת אנרגיה.
• מורפוגנזה – תהליכי יצירת צורות ותבניות ביולוגיות.
• רשתות מורכבות – מערכות של רכיבים מקושרים, בהם דפוסי קשרים יוצרים התנהגויות חדשות.
• סדר ספונטני – יצירת סדר מתוך אינטראקציות מקומיות ללא תכנון מרכזי, במיוחד במדעי החברה.
• אוטופואזיס – תיאוריה על מערכות שמקיימות ומשמרות את עצמן, למשל תאים חיים.
• רשת אוטוקטליטית – מערכת מולקולרית שבה רכיבים מזרזים יצירת רכיבים נוספים, מודל בארגון עצמי של חיים ראשוניים.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא ארגון עצמי בוויקישיתוף

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