Самоорганизация в живой природе

 

Введение

Мир всё время меняется. Мы не можем утверждать, что процесс  самоорганизации направлен на достижение состояния равновесия (под которым  понимается абсолютный хаос), у нас  нет для этого оснований, гораздо  больше данных для утверждения обратного - мир непрерывно развивается, и в  этом изменении просматривается  определённая направленность, отличная от стремления к равновесию.

В настоящие дни проблему самоорганизации в живой и  неживой природе подробно изучает  новая наука - синергетика, появившаяся  в 70-е годы прошлого века и претендующая на описание движущихся сил эволюции любых объектов нашего мира. Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации.

 

 

История становления синергетики как науки

 

Основателем синергетики, является профессор Штутгартского университета Г. Хакен, который начал свою карьеру в период бурного развития физики твердого тела, теории полупроводников и сверхпроводимости. Он является одним из «пионеров» создания теории экситонов и поляронов в твердых телах. Работы тех лет подытожены в книге «Квантовополевая теория твердого тела» (М.: Наука, 1980). Также ему принадлежат работы по теории лазеров, а именно флуктуации лазерного излучения, из которой берет начало известный термин «неравновесные фазовые переходы».

 

Возникновение теории самоорганизации  —было подготовлено трудами многих выдающихся ученых. К ним относятся, в первую очередь, Ч. Дарвин — создатель теории биологической эволюции, Л. Больцман и А. Пуанкаре — основоположники статистического и динамического описания сложного движения, а также А.Н. Колмогоров, Л.И. Мандельштам, А.А. Андронов, Н.С. Крылов, Н.Н. Боголюбов, А.А Власов, Л.Д. Ландау и многие, многие другие.

Существенную роль в становлении  теории самоорганизации сыграли  работы В.И. Вернадского о ноосфере. Созданием теории самоорганизации  в современном ее понимании мы во многом обязаны И. Пригожину и  Г. Хакену.

В девятнадцатом веке Ч. Дарвином была создана теория эволюции живой  природы, которая вывила условия  и механизмы возникновения новых  видов жизни. Синергетика делает то же самое в отношении неживых  уровней организации материи  – элементарных частиц и т.д.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в  природе. Везде, где создаются новые  структуры, необходим приток энергии  и обмен со средой (эволюция, как  и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим  результат производства, то в синергетике  изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод  теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «дайте мне энергию, и я создам мир».

 Долгое время в науке  преобладало представление о  том, что процессы самоорганизации  присущи всем живым системам. Что же касается неживых, то, согласно второму закону термодинамики, они могли эволюционировать лишь в сторону хаоса и беспорядка. Другими словами, системы неживой природы способны лишь к дезорганизации, разрушению, вырождению. Но тогда становится невозможным понять, откуда появились живые системы, способные к самоорганизации, и почему физические законы не применимы к живым телам, состоящим из тех же молекул, атомов, частиц?

Со временем ученые не только опровергли эту точку зрения, но и самым тщательным образом занялись изучением этой проблемы. Наиболее впечатляющими были эксперименты с  самоорганизующимися химическими  реакциями, начатые в 50-е гг. Б.Н. Белоусовым и подробно исследованные В. Жаботинским. Главным, бесспорным условием самоорганизации  является требование открытости системы.

Современная наука достаточно сильна накопленным потенциалом  научного знания и имеет определенную устойчивость, ввиду зависимости финансовых и интеллектуальных вложений в нее со стороны общества от практической полезности получаемых результатов.

С процессами самоорганизации  в химических системах, их математическими  моделями в рамках кинетического  подхода можно познакомиться  в книгах И.Р.Пригожина и ученых его школы или прочитать о  них в компактной и информативной  книге И.К.Кудрявцева. На примере  химических и отчасти физических систем ниже будет рассмотрен категориальный аппарат синергетики, будут раскрыты основные понятия и представления  синергетики, точнее, те из них, которые  кажутся необходимыми для философского осмысления процессов общественного  развития.

 

 

 

Связь синергетики с другими  науками

 

Процессы самоорганизации, которые изучает синергетика, основываются на одном общем эффекте — способности  разнокачественных единиц материи  в известных условиях проявлять  активность, и даже не просто активность, а своего рода двойственность, каким-то образом согласованную, протекающую  по единому плану и направленную в каждом конкретном случае на вполне конкретный факт структурирования или структурной трансформации.

 

Самоорганизующиеся системы  приобретают присущие им свойства, структуры или функции и без  какого бы то ни было вмешательства  извне. Дифференциация клеток в биологии и рост снежинок могут в равной степени служить примерами самоорганизации. С другой стороны, такие устройства, как используемые в радиопередатчиках  электронные генераторы, сделаны  руками человека. Однако мы часто забываем о том, что во многих случаях технические  устройства функционируют на основе процессов, тесно связанных с  самоорганизацией. В электронном  генераторе движение электронов становится когерентным без воздействия  извне когерентной вынужденной  силы. Самоустройство сконструировано так, что допускает специфические коллективные движения электронов.

 

В собственном смысле синергетика  — это теория и методология, исследующая  процессы самоорганизации. По своему рангу  синергетика близка к философским  наукам, поскольку объектом являются вопросы о том, как вообще возникают  организационные структуры материальных образований со всеми их функциями. Но в не меньшей мере это и мировоззренческие  вопросы.

 

Однако проблемы, общие  для философии и синергетики, раскрываются в них по-разному. Синергетика  выражает то же содержание, но на языке  конкретных терминов многих наук, использует значительный объем фактологического материала целого ряда дисциплин, таких, как физика, химия, биология, общая теория вычислительных систем, экономика, социология, и не пользуется абстрактно-всеобщей философской формой. Каждая из вышеперечисленных наук имеет достаточно веские основания считать синергетику своей составной частью. Но синергетика каждый раз привносит характерные особенности, понятия, методы, чуждые традиционно сложившимся научным направлениям.

 

Так, например, термодинамика  действует в полную меру только в том случае, если рассматриваемые системы находятся в тепловом равновесии; термодинамика необратимых процессов применима только к системам вблизи теплового равновесия. Синергетические системы в физике, химии, биологии находятся вдали от теплового равновесия и могут обнаруживать такие необычайные особенности, как колебания.

 

Хотя термодинамические  понятия о макроскопических переменных используются и в синергетике, такие  переменные, называемые параметрами  порядка, имеют совершенно иную природу, чем в термодинамике.

 

Таким образом, синергетика  — не сумма физических идей или  математических методов. Это система  взглядов, в которых физик, химик, биолог и математик видят свой материал. Эта наука уже сыграла  роль своего рода катализатора между  представителями разнообразных  наук.

Синергетика и самоорганизация

Всякий процесс эволюционного  стихийного развития сопровождается фоном  случайностей. Огромное их большинство  проходит для эволюции бесследно. Природа  пробивает себе дорогу через множество  тщетных попыток, пустых проб. Например, количество видов животных и растений, сохранившихся на земле, составляет менее 1% от тех, что на ней были; остальные  погибли в ходе эволюции.

 

Диссипативные системы—сильно неравновесные. В них возможны неустойчивые состояния. В таких системах на определенном для каждой системы удалении от состояния равновесия флуктуации вместо того, чтобы затухать (как в равновесных системах), наоборот усиливаются и завладевают всей системой, вынуждая ее эволюционировать к новому режиму. Эти явления возникают в так называемой нелинейной области, в которой свойства системы моделируются нелинейными уравнениями.

 

Величины флуктуаций резко  увеличиваются вблизи так называемых точек бифуркации (см. ниже) по сравнению с неравновесными состояниями, далекими от точек бифуркаций, и тем более по сравнению с равновесными состояниями. Гигантские флуктуации, чередуясь, создают впечатление хаоса, но на самом деле система прощупывает, какая из флуктуаций наиболее соответствует как состоянию самой системы, так и внешним условиям. Любая из них по стечению обстоятельств, а не в силу детерминированного выбора может стать началом эволюции системы в совершенно неожиданном направлении.

 

На уровне математического  описания бифуркация означает разветвление решений нелинейного дифференциального  уравнения. Физический смысл бифуркации таков: точка бифуркации - это точка  разветвления путей эволюции открытой нелинейной системы.

 

Следует подчеркнуть, что  при недостаточной удаленности  от равновесия нелинейность процесса сама по себе не может привести к  множественным решениям. В сильно неравновесных системах может совершаться переход от беспорядка к порядку. Новые динамические состояния материи - диссипативные структуры - отражают взаимодействие данной системы с окружающей средой.

 

Диссипативные структуры  являются результатом противоборства двух противоположностей: накачки энергии  средой в систему и оттока энергии  за счет теплопроводности или излучения; притока массы реагирующих веществ  и рассеяния их за счет диффузии или стока продуктов реакции. Иными словами, диссипативные структуры  возникают на потоке энергии или  массы (а также информации).

В эволюции человечества начало каждого события—это создание новой  информации, а значит, шаг в развитии; далее следует адаптация—этап повышения  ценности информации, сопровождающийся потерей ее новизны и увеличением  сложности, уходом от равновесия к бифуркации, что приводит к обострению чувствительности систем к внутренним и внешним  флуктуациям, разрушающим организацию  системы, переводящим ее в хаотическое  состояние. Затем снова выход из хаоса из-за нового события-информации, запоминаемого системой.

 

Генерация ценной информации возможна, когда в динамической системе  есть так называемый перемешивающий слой. Его особенность по сравнению  со странным аттрактором состоит  в том, что фазовые траектории как входят, так и выходят из него. Динамический слой обязательно  должен быть в информационной системе, так как он обеспечивает возникновение  новой информации, которое происходит случайно, независимо от начальных  условий системы.

 

Согласно одной из синергетической  моделей, перемешивающий слой возникает  в информационной системе в процессе эволюции последней, в ходе которой элементы системы могут перемещаться, т.е. диффундировать. Если исходное состояние системы хаотическое, то на первом этапе образования динамического слоя в системе зарождаются отдельные фрагменты перемешивающего слоя, затем они расширяются, образуя границы друг с другом и заполняя всю систему, число областей начинает уменьшаться за счет их укрупнения, при этом криволинейные границы между областями выпрямляются, и постепенно в процессе поглощения малых областей большими образуется перемешивающий слой.

 

Одна из целей науки—это прогнозирование развития событий. В значительной мере эта цель заявлена и утверждена наукой прошлых эпох. Со времен Лапласа считалось, что будет достигнута такая степень развития науки, начиная с которой можно будет предсказывать будущее. В этой связи представляет интерес уникальное в истории науки публичное извинение президента Международного союза чистой и прикладной математики сэра Джона Лайтхилла, сделанное им от имени своих коллег, за то, «что в течение трех веков образованная публика вводилась в заблуждение апологией детерминизма, основанного на системе Ньютона, тогда как можно считать доказанным, по крайней мере, с 1960 года, что этот детерминизм является ошибочной позицией».

 

Ну а каковы прогностические  перспективы синергетики? Г.Николис и И.Пригожин задают этот вопрос и отвечают на него так: «Способна ли эволюция привести систему к глобальному оптимуму или же каждая гуманитарная система представляет собой уникальную реализацию некоторого сложного стохастического процесса, для которого никак нельзя установить правила заранее? Положительный ответ нужно дать на второй вопрос, а не на первый. Опыт прошлого бесполезен для предсказания будущего, он лишь может подсказать, чего надо не допускать во избежание повторения ошибок».

 

Нелинейные эволюционирующие системы исследуются в самых  разных направлениях. В Институте  прикладной математики РАН группа исследователей совместно с учеными Московского  университета решает задачи, в которых  варьируется только характер начального воздействия на одну и ту же систему, причем имеется в виду не изменение  интенсивности, а пространственная конфигурация, топология этого воздействия. В результате в системе возникают  разные структуры. Это является еще  одним примером влияния среды  на систему.

 

Там же изучаются «режимы  с обострением», т.е. режимы сверхбыстрого (нелинейного) нарастания воздействия  источника на нелинейную систему, когда  воздействие неограниченно возрастает за конечное время. В этих условиях под неустойчивостью понимаются главным образом режимы сверхбыстрого  нарастания процессов с нелинейной положительной обратной связью, а  точнее, вероятностный характер распада  сложно организованных структур вблизи момента обострения.

            В определенной части своего  смысла синергетика и такие   понятия как самоорганизация,  саморазвитие и эволюция имеют  общность,  которая позволяет  указать их  все  в  качестве  результатов  синергетического  процесса.  В  особенности   самоорганизация  устойчиво   ассоциируются сегодня  с   синергетикой.  Однако  такие   ассоциации  имеют   двоякое  значение.  С   одной   стороны,   эффект   самоорганизации   является существенным, но, тем не  менее, одним из компонентов,  характеризующих синергетику, с  другой —  именно  этот  компонент   придает  выделенный смысл  всему понятию синергетики и,  как  правило,  является  наиболее  существенным и представляющим  наибольший интерес. Не только  результаты, а и  условия,  причины   и  движущие  силы самоорганизации   имеют  альтернативы.  Так,   в   рассмотрении   И.Р. Пригожина   применительно  к  диссипативным   структурам  речь  идет  о когерентной   самоорганизации,  альтернативой   для  которой   является континуальная     самоорганизация     индивидуальных     микросистем, разработанная  и   предложенная  А.П.  Руденко.  Главным   достоинством ''континуальной''   самоорганизации,   предложенной   А.П.   Руденко, является то, что именно такой подход позволяет  провести  рассмотрении связи  самоорганизации и  саморазвития.  В  соответствии  с  развитым взглядами сущность  прогрессивной эволюции  состоит в саморазвитии континуальной самоорганизации индивидуальных объектов.  Показывается, что способностью  к саморазвитию   и   прогрессивной   эволюции   с естественным отбором обладают только  индивидуальные  микрообъекты  с континуальной самоорганизацией и что именно прогрессивная химическая эволюция способна быть основанием для возникновения жизни.