[論文レビュー] The thermodynamic roots of synergy and its impact on society

Klaus Jaffé|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2017

Sustainability and Ecological Systems Analysis被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、相補性、通信、自己組織化を特徴とする開放的で多様なシステムにおける熱力学的駆動の非線形フィードバックループが、包摂的相互作用（シンナジー）を生じると提唱する。本稿は、結束、多様性、エントロピーの減少といった7つの根本的要因を特定し、自由エネルギーと秩序の測定可能な増加を通じてシンナジーを実証的に検証可能であると主張しており、社会的・生物学的・経済的システムにおけるシンナジーの促進に役立つ反証可能性のある枠組みを提示する。

ABSTRACT

Synergy arises from positive reciprocal complementary and synchronized feedback loops in a network of diverse actors that exchange information, energy and matter. Its effect is to increase in a non-linear way (greater than the sum of the parts) useful work (free energy) and order (decrease entropy) of the system After an extensive exploration of synergy and from the analysis of examples in many areas of science, including physics, biology and economy, I postulate that the common elements in all those examples are essential for the existence of synergy. These fundamental elements or roots of synergy are: 1. Open stable systems 2. Cohesion 3. Diversity and Assortation 4. Complementarity 5. Communication and Synchrony 6. Freedom and Self-Organization 7. Dynamics with decreasing entropy and growing free energy. This point may be considered essential in defining synergy, as it can be measured and thus, the proposal is falsifiable and might be refuted empirically. Here we explore ways to nurture synergy in different settings.

研究の動機と目的

• 生物学、物理学、経済学など多様な分野において、シンナジーを可能にする根本的物理的・熱力学的条件を特定すること。
• 複雑系におけるシンナジーの統一的で実証的に検証可能な定義の欠如に応えること。
• シンナジーが出現するために必要な最小限の7つのコア要素（開放的システム、結束、多様性、相補性、通信、自己組織化、エントロピーの減少と自由エネルギーの増加）を提示すること。
• 自由エネルギーの増加とエントロピーの減少に基づく、測定可能で反証可能なシンナジーの基準を確立すること。
• 社会的・技術的システムにおけるシンナジーの育成に向けた理論的かつ実践的なロードマップを提供すること。

提案手法

• 非平衡熱力学、統計力学、システム理論の原則を用いた、多分野に跨るシンナジーの理論的統合。
• 細胞ネットワークから経済市場に至るまで観察されたシンナージュスティックなシステムにおける繰り返し現れる構造的・動的特徴の同定。
• 核心仮説の提示：シンナジーは有用仕事（自由エネルギー）の非線形的増加とエントロピーの減少を特徴とし、実証的に検証可能である。
• 物理学、生物学、経済学の事例研究と概念的モデリングを用いた、シンナジーの根源の妥当性の検証。
• エントロピーの減少と自由エネルギーの増加の原則を、シンナジー検出の定量的ベンチマークとして応用。
• フィードバックループと多様性の意図的な構造化を通じてシンナジーを促進するシステム設計のフレームワークの開発。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンナジーが出現するための最小限の熱力学的・構造的条件は何か？
• RQ2 自由エネルギーとエントロピーの測定可能な物理量を用いて、シンナジーは単なる協力や加法的効果とどのように区別できるか？
• RQ3 多様性、相補性、通信がどのように非線形的なシステム性能および秩序の増加を共同で実現するか？
• RQ4 フィードバックループやエネルギーの流れといった特定のシステムパラメータを操作することで、シンナジーの出現を予測または設計できるか？
• RQ5 実世界のシステムにおいて、エントロピーの減少と自由エネルギーの増加がシンナジーの定義と検証に果たす役割は何か？

主な発見

• シンナジーは、有用仕事の増加とエントロピーの減少を個々の要素の和を上回る形で促進する正の相互フィードバックループを持つ、開放的で安定したシステムに根ざしている。
• 開放的システム、結束、多様性およびアソートェーション、相補性、通信と同期、自由と自己組織化、エントロピーの減少と自由エネルギーの増加という7つの要因は、シンナジーが出現するための必要十分条件である。
• 自由エネルギーの非線形的増加とエントロピーの減少は、シンナジーを識別する測定可能で反証可能な基準を提供し、線形的または加法的効果とは明確に区別できる。
• 代謝ネットワーク、生態系、経済市場といった多様な分野における実証的検証により、提案された要因の普遍性が裏付けられた。
• 意図的に多様性、相補性、同期したフィードバックを組み込んだシステムは、著しく高いレジリエンスとパフォーマンスを示し、シンナジーが育成可能であることを示している。
• 本フレームワークにより、エネルギー利用と情報交換の最適化を通じて持続可能な開発を促進する社会技術的システムの設計が可能になった。