Синергетика как теория самоорганизации

Белоусова - Жаботинского, таким образом, является ассимптотически  устойчивой. Рождение и существование незатухающих колебаний в такой системе свидетельствует о том, что отдельные части системы действуют согласованно с поддержанием определенных соотношений между фазами. При составе

                   сульфата церия - 4,0 ммоль/л,

                   бромида калия - 0,35 ммоль/л,

                   малоковой кислоты - 1,20 моль/л,

                   серной кислоты - 1,50 моль/л,

                   немного ферроина

при 20°С в системе происходят периодические изменения цвета с периодом около 4 минут. После нескольких таких колебаний спонтанно возникают неоднородности концентрации и образуются на некоторое время (30 минут), если не подводить новые вещества, устойчивые пространственные структуры, рисунок 2.2.1б. Если непрерывно подводить реагенты и отводить конечные продукты, то структура сохраняется неограниченно долго.

3.2.2. Биологические системы

Животный мир демонстрирует  множество высокоупорядоченных  структур и великолепно функционирующих. Организм как целое непрерывно получает потоки энергии (солнечная энергия, например, у растений) и веществ (питательных) и выделяет в окружающую среду отходы жизнедеятельности. Живой организм - это система открытая. Живые системы при этом функционируют определенно в дали от равновесия. В биологических системах, процессы самоорганизации позволяют биологическим системам ²трансформировать² энергию с молекулярного уровня на макроскопический. Такие процессы, например, проявляются в мышечном сокращении, приводящим к всевозможным движениям, в образовании заряда у электрических рыб, в распознавании образов, речи и в других процессах в живых системах. Сложнейшие биологические системы являются одним из главных объектов исследования в синергетике. Возможность полного объяснения особенностей биологических систем, например, их эволюции с помощью понятий открытых термодинамических систем и синергетики в настоящее время окончательно неясна.

В существующих теориях  эволюции основное внимание обращалось на воздействие окружающей среды  на систему. Именно в изменении или же возникновении новых факторов среды видели в прошлом главную движущую силу эволюции. Даже в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора главный акцент делался на среду, которая выступала в качестве определяющего фактора адаптации живых систем к изменяющимся условиям их существования. Не подлежит сомнению, что внешние условия, среда обитания оказывают огромное влияние на эволюцию, но это влияние в не меньшей степени зависит также от самой системы, ее состояния и внутренней предрасположенности.

С точки зрения парадигмы  самоорганизации становится ясным, что условием развития не только живых, но и динамических систем вообще является взаимодействие системы и окружающей ее среды. Только в результате такого взаимодействия происходит обмен веществом, энергией и информацией между системой и ее окружением. Благодаря этому возникает и поддерживается неравновесность, а это в конечном итоге приводит к спонтанному возникновению новых структур. Таким образом, самооргани-зация выступает как источник эволюции систем, так как она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы.

На разных уровнях  эволюционной лестницы самоорганизация  приоб-ретает свой специфический характер. Так, уже на предбиологической стадии возникают автопоэтические системы, которые не просто взаимодействуют со средой, но постоянно обновляют себя и тем самым поддерживают свое существование и относительную автономность. Самой элементарной автопоэтической живой системой является клетка, которая непрерывно об-новляет состав своих молекул в результате взаимодействия двух противо-положных процессов. Именно в подобном процессе самообновления элементов автопоэтических систем некоторые ученые видят не только прообраз метаболизма, но и обмена веществ в целом. Противоположны им алло-поэтические системы, функционирование которых жестко задано извне. Типичными системами такого рода являются машины, которые конструи-руются с целью производства определенной продукции.

Чтобы понять, почему самоорганизация  составляет основу эволюции систем, необходимо напомнить, что в диссипативных структурах спонтанный порядок и новая устойчивая динамическая структура возникают благодаря усилению флуктуации, а последние зависят от интенсивности взаимодействия системы с окружением. Непрерывное их взаимодействие на всем протяжении динамики системы определяет эволюцию последней. Это означает, что эволюция системы соответствующим образом влияет на развитие среды, точнее говоря, тех внешних, окружающих систем, с которыми она взаимодействует. Вот почему здесь можно с известными оговорками говорить не просто об эволюции, а о коэволюции.

Обычно при анализе  эволюционных процессов постепенные изменения, которые при этом происходят, характеризуют как случайные, а совокупный их результат как необходимый. Хотя такое представление и подчеркивает существование связи между ними, тем не менее, не раскрывает механизма взаимодействия между двумя взаимодополнительными сторонами единого процесса эволюции. Парадигма же самоорганизации позволяет это сделать. Действительно, на микроуровне при самоорганизации происходит процесс расширения или усиления флуктуации вследствие увеличения неравновесности системы под воздействием среды. Этот процесс остается незаметным на макроуровне, пока изменения не достигнут некоторой критической точки, после которой спонтанно возникает новый порядок или структура.

Поскольку флуктуации представляют собой случайные отклонения системы, постольку можно сказать, что случайные факторы самоорганизации, а следовательно, и эволюции, выступают на микроуровне системы. Но результат их взаимодействия также не является однозначно детерминированным, как об этом часто заявляют. Именно здесь сложившиеся традиционные представления существенно отличаются от современных. В самом деле, в критической точке открываются, по крайней мере, два возможных пути эволюции системы, что математики выражают термином "бифуркация", означающим раздвоение или разветвление. Какой путь при этом "выберет" система, в значительной степени зависит от случайных факторов, так что ее поведение нельзя предсказать с достоверной определенностью. Но когда такой путь выбран, то дальнейшее движение системы подчиняется уже детерминистским законам. Таким образом, динамику развития системы или ее эволюцию вообще следует рассматривать как единство двух взаимно дополняющих сторон единого процесса развития, а именно случайности и необходимости. Процесс расширения флуктуации как случайных факторов эволюции не следует рассматривать в форме их простого накопления, как это нередко представлялось в отечественной литературе. На самом деле случайные процессы взаимодействуют друг с другом, причем результат такого взаимодействия не может быть предсказан заранее. Только когда возникает новая структура или динамический режим, эволюция системы на макроуровне приобретает детерминистский характер.

3.2.3.Самоорганизация  в различных видах эволюции

Если самоорганизация  в простейшей форме может возникнуть уже в физико-химических системах, то вполне обоснованно предположить, что более сложноорганизованные системы могли появиться также в результате специфического, качественно отличного - во многих отношениях, но родственного по характеру процесса самоорганизации. С этой точки зрения и возникновение жизни на Земле вряд ли можно рассматривать как уникальное и крайне маловероятное событие, как утверждал, например, известный французский биолог Жак Моно. Несмотря на крайне редкое сочетание благоприятствующих факторов, возникновение жизни на Земле представляет, тем не менее, закономерный результат длительного процесса эволюции.

Поэтому вполне правдоподобно  допущение, что процессы автокаталитической самоорганизации могут стать основой для исследования множества самых различных эволюционных процессов. Правда, при этом высказываются опасения, не ведет ли такой подход к редукционизму или даже к физикализму, т. е. объяснению свойств и закономерностей более сложноорганизованных систем закономерностями простых физических систем. Против такого опасения можно выдвинуть ряд убедительных аргументов. Начать с того, что теория диссипативных структур с самого начала постулирует, что вновь возникающие структуры и системы образуются в результате нарушения прежних симметрии, структур и порядка, так что о сведении к ним новых структур не может быть речи. Кроме того, говоря о каталитических диссипативных структурах как основе различных форм эволюции, теоретики синергетики обращают внимание не столько на простое их сходство, сколько на глубокое родство лежащего в их основе механизма самоорганизации.

Теория диссипативных  структур, возникшая на основе исследования простейших физико-химических систем, оказалась способной объяснить многие эволюционные процессы, происходящие в биологических, экологических и даже социально- культурных системах. Разумеется, на этом пути встречается немало трудностей и проблем, которые ждут своего конкретного разрешения. Но главное ее преимущество состоит в том, что новая парадигма помогает взглянуть на мир и составляющие ее системы с точки зрения их возникновения и развития.

Попытка приписать качественно отличным от неорганических систем живым системам особые сверхприродные, а потому необъяснимые рациональным способом свойства или качества по сути дела устанавливает непроходимые границы между ними. В результате этого устраняется возможность установления какой-либо связи между неживой и живой природой, неодушевленным и одушевленным миром, а тем самым ликвидируется какая-либо попытка взглянуть на весь окружающий мир с точки зрения его эволюции. Учение о диссипативных структурах может раскрыть механизмы эволюции в конкретных видах эволюции, начиная от простейших систем неживой природы и кончая сложными формами эволюции в биологических, социально-экономических и культурно-исторических системах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Открытие самоорганизации  в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого "здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким, редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Мы видели, что необратимость  времени тесно связана с неустойчивостями в открытых системах. И.Р. Пригожин определяет два времени. Одно - динамическое, позволяющее задать описание движения точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой механике. Другое время - новое внутренние время, которое существует только для неустойчивых динамических систем. Оно характеризует состояние системы, связанное с энтропией.

Процессы биологического или общественного  развития не имеют конечного состояния. Эти процессы неограниченны. Здесь, с одной стороны, как мы видели, нет какого-либо противоречия со вторым началом термодинамики, а с другой стороны - четко виден поступательный характер развития (прогресса) в открытой системе. Развитие связано, вообще говоря, с углублением неравновесности, а значит, в принципе с усовершенствованием структуры. Однако с усложнением структуры возрастает число и глубина неустойчивостей, вероятность бифуркации.

Успехи решения многих задач позволили выделить в них  общие закономерности, ввести новые  понятия и на этой основе сформулировать новую систему взглядов - синергетику. Она изучает вопросы самоорганизации и поэтому должна давать картину развития и принципы самоорганизации сложных систем, чтобы применять их в управлении. Эта задача имеет огромное значение, и, по нашему мнению, успехи в ее исследовании будут означать продвижение в решении глобальных задач: проблемы управляемого термоядерного синтеза, экологических проблем, задач управления и других.

Место и роль синергетики  в системе современной науки  определяется такими ее особенностями. Во-первых, возникнув в результате активного взаимодействия многих отраслей естественнонаучных знаний, синергетика, в свою очередь, стала важным интегрирующим фактором современной науки. Она может служить показателем применения новой формы интеграции научного знания. Во-вторых, синергетика предполагает "дальнейший отход от всей системы идеалов и норм классической науки" (Аршинов, 1988. С. 314) и поэтому вызывает затруднение описание синергетики в прежних категориях и, судя по всему, есть необходимость ввести новые критерии, учитывающие как особенности новых объектов научных исследований, так и характеристики и тенденции развития современной науки, ее социальную детерминированность. В-третьих, у синергетики нет конкретного предмета исследования в том смысле, что она изучает процессы самоорганизации, проявляющиеся повсеместно, во всех случаях, когда для этого создается необходимое сочетание внешних и внутренних факторов и условий. В четвертых, синергетика имеет точки опоры внутри разных естественных наук. Наконец, в отличие от традиционных естественных дисциплин синергетика возникла на стыке математики и концептуально развитых естественных наук...

Мы понимаем, что использование  идей и представлений синергетики  не должно подменять глубокого анализа  конкретной ситуации. Выяснить, каким может быть путь от модельных задач и общих принципов к реальной проблеме - дело специалистов. Кратко можно сказать так: если в изучаемой системе можно выделить один самый важный процесс (или небольшое их число), то проанализировать его поможет синергетика. Она указывает направление, в котором нужно двигаться. И, по-видимому, это уже много.

Исследование большинства  реальных нелинейных задач было невозможно без вычислительного эксперимента, без построения приближенных и качественных моделей изучаемых процессов (синергетика играет важную роль в их создании). Оба подхода дополняют друг друга. Эффективность применения одного зачастую определяется успешным использованием другого. Поэтому будущее синергетики тесно связано с развитием и широким использованием вычислительного эксперимента.