1900 beobachtete Henri Bénard etwas, woran sich die Physik das nächste halbe Jahrhundert die Zähne ausbiss. Wird eine dünne Flüssigkeitsschicht von unten gleichmäßig erwärmt, bildet sie spontan — ganz ohne äußere ordnende Kraft — ein regelmäßiges Muster aus sechseckigen Konvektionszellen. Ordnung aus Wärme. Das Rätsel war thermodynamisch: Der zweite Hauptsatz sagt, dass abgeschlossene Systeme der Unordnung entgegenstreben, und doch organisierte sich hier ein System bei Wärmezufuhr von selbst. Die Auflösung kam von Ilya Prigogine (Nobel 1977): Der zweite Hauptsatz gilt für abgeschlossene Systeme, die Bénard-Zelle aber ist offen — Energie fließt durch sie hindurch, und Entropie wird an die Umgebung abgegeben. Fern vom Gleichgewicht können offene Systeme dissipative Strukturen hervorbringen — stabile Ordnungsmuster, die durch stetigen Energiefluss aufrechterhalten werden. Prigogines Rahmen wurde zu einer der Gründungsideen der Selbstorganisation: Ordnung kann spontan aus lokalen Wechselwirkungen entstehen, ohne zentrale Steuerung.
Die Bedingungen für Selbstorganisation sind heute gut verstanden. Das System muss viele Bestandteile mit nichtlinearen Wechselwirkungen enthalten, und es muss Energie oder Information hindurchströmen — das hält das System fern vom Gleichgewicht. Rückkopplung führt den Ausgang in den Eingang zurück, und die Wechselwirkungsregeln sind lokal: Die Akteure reagieren auf ihre Nachbarn, nicht auf den globalen Zustand. Sind alle vier Bedingungen erfüllt, kann Struktur entstehen, ohne dass jemand sie entwirft. Die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion bringt konzentrische Ringe und Spiralwellen hervor, statt monoton ins Gleichgewicht zu laufen. Schleimpilze klumpen aus Einzelzellen zu einem makroskopischen, problemlösenden Organismus zusammen, sobald die Nahrung knapp wird. Starenschwärme erzeugen koordinierte, komplexe Bewegung aus drei lokalen Regeln pro Vogel (Trennung, Ausrichtung, Zusammenhalt — Craig Reynolds' Boids von 1987 ist die kanonische Simulation). Termitenhügel mit aufwendigen Belüftungssystemen entstehen, weil Termiten lokalen Pheromonregeln folgen; Sanddünen wandern auf Kilometerskala aus Wind und lokalen Sand-Sand-Wechselwirkungen; Kristalle wachsen aus Atomen, die lokalen Bindungsregeln folgen. Der theoretische Apparat hat sich seit Prigogine angesammelt. Die Synergetik (Hermann Haken) lieferte einen formalen Rahmen für kollektives Verhalten in Nichtgleichgewichtssystemen. Zelluläre Automaten — von Neumann über Conways Game of Life bis zu Stephen Wolframs A New Kind of Science — zeigten, dass komplexe Ordnung aus extrem einfachen lokalen Regeln entstehen kann. Stuart Kauffmans autokatalytische Mengen modellieren chemische Netzwerke, die ihre eigene Produktion katalysieren. Die selbstorganisierte Kritikalität (Bak, Tang, Wiesenfeld, 1987) schlug vor, dass natürliche Systeme zu kritischen Zuständen hin evolvieren, in denen Lawinen jeder Größenordnung auftreten — eine vereinheitlichende Erklärung für die Potenzgesetz-Statistik, die in Erdbeben, Waldbränden und Finanzmärkten zu sehen ist. Der Rahmen wurde stellenweise überstrapaziert: Nicht jedes Potenzgesetz stammt aus selbstorganisierter Kritikalität, und jedes reale Beispiel enthält Energiefluss, Ausgangsstruktur und Zwangsbedingungen.
Die Forschung zum Ursprung des Lebens behandelt die Frage, wie aus präbiotischer Chemie selbstreplizierende, stoffwechselnde Strukturen entstanden, als ein Selbstorganisationsproblem; Jeremy Englands dissipationsgetriebene Anpassung und Kauffmans autokatalytische Mengen sind jüngere Versuche. Die Entwicklungsbiologie — wie sich aus einer einzigen Zelle ein Embryo organisiert — ist im Kern Morphogenese, mit Alan Turings Aufsatz The Chemical Basis of Morphogenesis von 1952 als Gründungsschrift. Selbstüberwachtes Lernen, die Grundlage der Foundation-Modelle, ist eine Spielart der Selbstorganisation: Das Modell organisiert seine inneren Repräsentationen aus unbeschrifteten Daten, ohne dass jemand sie ihm vorgibt. Verteilte Systeme (Peer-to-Peer-Protokolle, Mesh-Netze, Schwarmrobotik) werden auf Selbstorganisation hin entworfen. Wo Struktur ohne erkennbaren Konstrukteur auftaucht, lohnt der Verdacht auf Selbstorganisation — und der Blick auf den Energiefluss und die lokalen Regeln.