Процессы самоорганизации в физике, химии и биологии

РОССИЙСКАЯ  ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ  МАТЕМАТИКИ, ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА РАДИОФИЗИКИ

 

 

 

 Реферат на тему

Процессы  самоорганизации в физике,

 химии  и биологии

 

 

Выполнила: студентка 4 курса

гр. 981,  направление история

Ядрышникова Ю.А.

Проверил: к.ф.н, доцент

Дубов В.П                                   

 

 

 

 

Тюмень

2011

Оглавление:

1. Введение…………… …………………………………………………......2
2. Диссипативная самоорганизация (синергетический подход)………….6
3. Понятие самоорганизации в химии……………………………………...9
4. Процессы самоорганизации в биологии………………………………..11
5. Заключение………………………………………………………………..15
6. Словарь……………………………………………………………………16
7. Список литературы……………………………………………………....19

 

 

Введение

 

Важнейшей проблемой естествознания является проблема самоорганизации* вещества в живой и неживой природе. Но сегодня, ни механизм, ни детальные параметры этого процесса неизвестны. А существует лишь множество вопросов без ответов, например, чем объясняется свойство систем самоорганизовываться и регулировать отношения с внешним миром, как вообще возникают организованные структуры с их функциями? На все эти вопросы пытается ответить наука синергетика.

Трудность этой проблемы состоит в  том, что необходимо раскрыть физическую природу всех этих процессов. И если речь зашла о физической природе  самоорганизации, то эту проблему, прежде всего, должна решать физика. Но сегодня она решить ее не может. Возьмем такой объект органической природы, как живая клетка. Это ярко выраженная самоорганизующаяся система, но физика бессильна объяснить загадку живой клетки. Возьмем кристалл - объект неживой природы. О кристалле физика знает почти всё, однако перед загадкой кристалла как самоорганизующейся системы она тоже бессильна¹.

Гипотеза об упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе». Позже он подробно разработал эту идею в так и не опубликованной книге «Le Monde».

И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, согласно которой планеты образовались из туманности за счёт притяжения и отталкивания, внутренне присущих материи.

Необходимо заметить, что представления  о спонтанном возникновении порядка  и самоорганизации нетождественны. Атомизм Демокрита или статистика Больцмана рассматривают возникновение порядка как случайность, причём категория порядка является субъективной, наличие порядка кажущееся.

В 1947 году термин появился в научной публикации Уильяма Эшби (англ. W. R. Ashby) «Principles of the Self-Organizing Dynamic System». В 1960 -е годы термин использовался в теории систем, а в 1970-е — 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.

Г. Хакен — основатель синергетики* определил её как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий* выяснилось, что термин самоорганизация, в области супрамолекулярной* химии и эволюционной биологии определен иным образом для других феноменов, нежели в синергетике. Кроме того, определение, данное в рамках синергетики, благодаря междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечётким².

Одной из центральных в синергетике  является идея о принципиальной возможности  спонтанного возникновения порядка  и организации из беспорядка и  хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации выступает положительная обратная связь системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой (в химии такое явление называется автокатализом).

Способность систем к самоорганизации  во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Обычно самоорганизация  переживает переломные моменты - точки  бифуркации. При этом под бифуркацией обычно понимают приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров. Основы теории бифуркации заложены А. Пуанкаре и A.M. Ляпуновым в начале XX в., затем эта теория была развита А.А. Андроновым и его учениками.

Вблизи точек бифуркации* в системах наблюдаются существенные случайные отклонения физических величин от их средних значений (флуктуации), поэтому роль случайных факторов резко возрастает. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны Белоусова - Жаботинского, структуры Рэлея и др.). В точке бифуркации система как бы стоит перед выбором пути дальнейшего развития. В таком состоянии небольшая флуктуация может послужить толчком к началу эволюции (организации) системы в некотором определенном (часто неожиданном или даже маловероятном) направлении, одновременно исключая возможности развития в других направлениях. Оказалось, что переход от хаоса к порядку поддается математическому моделированию и существует не так уж много общих моделей такого перехода. При этом существенно, что качественные переходы в самых разных сферах действительности (в природе и обществе) могут происходить по одному и тому же сценарию. Знание основных бифуркаций позволяет существенно облегчить исследование реальных систем (физических, химических, биологических и др.), в частности предсказать характер новых движений, возникающих в момент перехода системы в качественно другое состояние, оценить их устойчивость и область существования³.

Несмотря на огромную распространенность самоорганизующихся* систему, их изучение только начинается и, возможно, является самым загадочным явлением самой сокровенной тайной природы. Ведь как писал в своей книге знаменитый физик Э. Шрёдингер, сама жизнь есть процесс создания порядка из хаоса. Удивительная способность живого организма задерживать переход  к термодинамическому равновесию – смерти. Организм как открытая система поддерживает своё существование благодаря возможности преобразовывать энергию более хаотического движения в упорядоченное, и именно его способность пить упорядоченность из окружающей среды позволяет избегать перехода к атомному хаосу⁴.

 

Диссипативная самоорганизация (синергетический подход)

Характеристики системы:

• открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой);
• содержит неограниченно большое число элементов (подсистем);
• имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Характеристики процесса:

1. интенсивный обмен энергией/веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);
2. макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная перегруженность системы);
3. имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии/вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию);
4. новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне;
5. новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии/вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

Для однозначности определения  термина, его связи с характеристиками системы и процесса, как правило, делается ссылка на один из трёх стандартных  примеров самоорганизации:

• лазер* — пространственное упорядочение;
• ячейки Рэлея — Бенара* — пространственное упорядочение;
• реакция Белоусова — Жаботинского — пространственно-временное упорядочение⁵;

Итак, самоорганизованные структуры возникают в открытых системах, то есть системах, подвергшихся воздействию извне притока вещества или энергии через границы системы, однако это является обязательным, но недостаточным условием. Воздействие извне должно быть сильным, закритическим, при этом мы переходим в особую, нелинейную область, которую называют по терминологии Пригожина областью, удаленной от равновесия⁶.

Первым стандартным примером самоорганизации  является лазер - источник света. По сравнению с другими источниками света лазер обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Принцип работы лазера: возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света (см. Атом). Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно⁷.

Нобелевский лауреат Илья Пригожин создал нелинейную модель реакции Белоусова — Жаботинского, так называемый брюсселятор. Так как для возникновения упорядочения в таких системах необходим приток энергии или отток энтропии, её диссипация, Пригожин назвал эти системы диссипативными. Вследствие нелинейности, наличия более одного устойчивого состояния в этих системах, в них не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии.

По аналогии описания самоорганизующихся систем с фазовыми переходами диссипативная самоорганизация получила название фазового перехода в неравновесной системе.

Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от

- физики и химии

- химии до социологии

- социологии и филологии

Консервативная  самоорганизация (супрамолекулярная химия и фазовые переходы) В 1987 году Нобелевская премия по химии. Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен — основатель супрамолекулярной химии ввёл термины «самоорганизация» и «самосборка», вследствие необходимости описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений при равновесных условиях, в частности образование ДНК.

Любая система естественного происхождения, не принадлежащая компетенции равновесной термодинамики, стала рассматриваться как самоорганизованная ⁸.

 

Понятие самоорганизации в химии

 

Вопрос о возникновении органической жизни остается до сих пор одним  из самых интересных и сложных  вопросов современного естествознания. Ответить на этот вопрос означает объяснить, каким образом природа из минимума химических элементов и соединений создала сложнейшие макромолекулы, а затем высокоорганизованный комплекс биосистем?

Ответ на этот вопрос ищется в настоящее  время в особой химической науке  – Эволюционной химии*. Ее иногда называют также предбиологией – наукой о самоорганизации химических систем.

Под самоорганизацией понимают самопроизвольное повышение упорядоченности уровней  сложности материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем.

В рамках эволюционной химии выделяется два подхода к проблеме самоорганизации: субстратный и функциональный. Функциональный подход сосредотачивает внимание на исследовании самих процессов самоорганизации  материальных систем, на выявлении  законов, которым подчиняются эти  процессы. Здесь эволюционные процессы часто рассматриваются с позиций  кибернетики*. Крайней точкой зрения в этом подходе является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционирующих систем.

Субстратный подход состоит в исследовании вещественной основы биологических  систем, т.е. элементов-органов и  определенной структуры входящих в  живой организм химических соединений. Результатом субстратного подхода  к проблеме биогенеза (т.е. происхождение  жизни) является получение информации об отборе химических элементов и  структур.

Действительно, налицо определенный отбор химических элементов для  создания эволюционирующих систем. В  настоящее время известно более 100 химических элементов, однако, основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов*: С, Н, О, N, Р, S, общая весовая доля которых составляет 97,4 %. За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Их весовая доля в организмах »1,6 %.

Об отборе свидетельствует и  общая химическая картина мира. В  настоящее время известно около 8 млн. химических соединений. Из них  подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной  строительный материал которых  все те же 6 + 12 элементов. Интересно, что из остальных химических элементов  Природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.