Самоорганизация

Оглавление

Введение 3

1. Формирование  идей самоорганизации 4

2. Самоорганизация  как основа эволюции 8

3. Самоорганизация  в диссипативных структурах 9

4. Самоорганизация  - источник и основа эволюции  систем 12

5. Эволюция  и теория систем 15

6. Самоорганизация  в различных видах эволюции 17

7. Эволюция  в социальных и гуманитарных  системах 18

Заключение 21

Библиографический список 22

Введение

В настоящее время концепция  самоорганизации получает все большее  распространение не только в естествознании, но и в социально-гуманитарном познании. Поскольку большинство наук изучают  процессы эволюции систем, постольку  они вынуждены анализировать  и механизмы их самоорганизации. Вот почему концепция самоорганизации  становится теперь парадигмой исследования обширного класса систем и совершающихся  в них процессов и явлений. Обычно под парадигмой в науке  подразумевают фундаментальную  теорию, которая применяется для  объяснения широкого круга явлений, относящихся к соответствующей  области исследования. Примерами  таких теорий могут служить классическая механика Ньютона или эволюционное учение Дарвина. Сейчас значение понятия  парадигмы еще больше расширилось, поскольку оно применяется не только к отдельным наукам, но и  к междисциплинарным направлениям исследований. Типичными примерами  таких междисциплинарных парадигм являются возникшая полвека назад  кибернетика и появившаяся четверть века спустя синергетика. По ходу изложения  в некоторых главах мы уже освещали некоторые понятия и принципы синергетики, чтобы получить более  общее и глубокое представление  о конкретных механизмах самоорганизации. В этой главе рассмотрим их подробнее  в историческом и теоретическом  плане.

1. Формирование  идей самоорганизации

Ранние подходы к изучению самоорганизации в отдельных  науках ясно обозначились еще в XVIII в. Они связаны прежде всего с деятельностью основоположника классической политической экономии Адама Смита (1723-- 1790), который в своем главном труде "Исследование о природе и причинах богатства народов" ясно выразил идею о том, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов многочисленных его участников. Каждый отдельный человек старается употреблять свой капитал так, чтобы продукт его обладал наибольшей стоимостью. Обычно он и не имеет в виду содействовать общественной пользе и не сознает, насколько содействует ей. Преследуя свои собственные интересы, он часто более действенным образом служит интересам общества, чем тогда, когда сознательно стремится служить им.

Аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в обществе высказывали в том  же веке шотландские моралисты, которые  подчеркивали, что принципы нравственного  поведения людей не создаются  правителями, политиками и иными  общественными деятелями, а формируются  медленно и постепенно в ходе самоорганизации  людей под влиянием изменяющихся условий их жизни.

Важно при этом обратить внимание на то, что идеи самоорганизации, самосовершенствования и улучшения  деятельности социальных систем и общественных учреждений упомянутые ученые связывают  с эволюционными процессами, которые  происходят в жизнедеятельности  людей. Конечно, чаще всего идеи самоорганизации  и эволюции не были четко и ясно выражены, они скорее были результатом  интуитивного прозрения, чем строгого научного исследования.

Эволюционная теория Дарвина  послужила мощным толчком для  развертывания исследований о механизмах развития различных природных и  социальных систем. Если физические и  химические методы исследования многое дали для анализа структуры и функционирования живых систем, то эволюционная концепция биологии заставила физиков и химиков по-новому взглянуть на объекты своих исследований и природу в целом. Прежде всего, понятие об обратимых процессах, прочно утвердившееся в механике, не учитывало реального характера процесса изменений в природе. Действительно, для механического описания процессов достаточно задать лишь начальные координаты и скорость движущегося тела. Тогда с помощью системы дифференциальных уравнений, описывающих движение, можно однозначно определить положение тела в любой момент как в прошлом, так и в настоящем. Поэтому фактор времени по сути дела не играет никакой роли в механике.

Такое представление крайне упрощает свойства реальных процессов, и в середине прошлого века физики в связи с изучением тепловых процессов вынуждены были ввести фактор времени, который отражал  бы реальные изменения, происходящие в  ходе эволюции системы. Но представление  об эволюции в классической термодинамике, изучающей изолированные системы, было совершенно чуждо механике. В  то же время эволюция в термодинамике  понималась совсем иначе, чем в биологии. Резкое противоречие между биологической  и физической эволюцией удалось  разрешить только после того, когда  физика обратилась к понятию открытой системы, т. е. системы, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. При определенных условиях в открытых системах могут  возникнуть процессы самоорганизации  в результате получения новой  энергии и вещества извне и  диссипации, или рассеяния, использованной в системе энергии. Таким образом, было установлено, что ключ к пониманию  процессов самоорганизации содержится в исследовании процессов взаимодействия системы с окружающей средой.

К установлению общего взгляда  на процессы самоорганизации разные ученые шли разными путями. Автор  самого термина "синергетика" немецкий физик Герман Хакен, исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое приводит в конечном итоге к их кооперативному, или коллективному, поведению.

В начале 1960-х гг. Е. Лоренц, изучая компьютерные модели предсказания погоды, пришел к важному открытию, что уравнения, описывающие метеопроцессы, при почти тех же самых начальных условиях приводят к совершенно разным результатам. А это свидетельствовало о том, что детерминистская система уравнений обнаруживает хаотическое поведение. Отсюда был сделан вывод, что хаос также характеризуется определенным порядком, который, однако, имеет более сложный характер. Его можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности.

Мы видим отсюда, что  исследования процессов самоорганизации  в начале 1960-х гг. ограничивались отдельными естественнонаучными и инженерными дисциплинами. Постепенно ученые в своих исследованиях стали выходить за рамки своих дисциплин, начали замечать аналогию между понятиями и уравнениями, которые применялись для анализа разных по конкретному содержанию процессов. Таким образом, медленно, но неуклонно формировалось убеждение, что во всех этих исследованиях существует единое концептуальное ядро, которое служит общей их основой. В сущности именно это ядро и составляет парадигму исследования процессов самоорганизации.

Однако оно превратилось в такую парадигму только в  условиях определенного научного и  социального климата, возникшего в 1970-е годы, когда и в науке  и в социальной жизни шел поиск  новых форм организации исследовательской  и общественной деятельности. В науке  такие поиски сопровождались отказом  от традиционных методов редукционизма, когда сложные процессы пытались свести к простым и элементарным, а тем самым игнорировали их специфические особенности. В системе образования студенты требовали отказа от устаревших методов обучения, предоставления им большей свободы и самостоятельности.

Для научного познания этого  времени наиболее характерным был  переход от исследования отдельных  предметов и процессов к изучению их целостных систем, от рассмотрения их бытия и существования -- к анализу их возникновения и развития. Такой переход отчетливо выражен в новом системном методе исследования, который получил широкое распространение после Второй мировой войны в форме комплексных и междисциплинарных исследований. И кибернетика и позднее возникшая синергетика развиваются в русле общего системного движения науки, исследуя такие важнейшие аспекты систем, как их динамическая устойчивость, самоорганизация и организация и особенно механизм возникновения новых системных качеств.

В синергетике в противоположность  кибернетике исследуются механизмы  возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранения или поддержания  старых форм. Именно поэтому она  опирается на принцип положительной  обратной связи, когда изменения, возникшие  в системе, не подавляются или  корректируются, а, наоборот, постепенно накапливаются и, в конце концов, приводят к разрушению старой и возникновению  новой системы.

Для характеристики самоорганизующихся процессов в литературе употребляются  разные термины, начиная синергетическими и кончая нелинейными неравновесными системами или даже системами  автопоэтическими или самообновляющимися. Но в целом все они выражают одну и ту же идею, так как речь в них идет о сложноорганизованных системах, являющихся системами открытыми, находящимися вдали от точки термодинамического равновесия.

Хотя для всех них пока не существует единой фундаментальной  теории, в общую парадигму их объединяет принадлежность к сложноорганизованным системам.

2. Самоорганизация как  основа эволюции

Несмотря на то, что идеи эволюции, начиная от космогонической гипотезы Канта - Лапласа и кончая эволюционной теорией Дарвина, получили широкое признание в науке, тем не менее, они формулировались скорее в интуитивных, чем теоретических терминах. Поэтому в них трудно было выявить тот общий механизм, посредством которого осуществляется эволюция. Как отмечалось выше, главным препятствием здесь служило резкое противопоставление живых систем неживым, общественных -- природным. В основе такого противопоставления лежали слишком абстрактные, а потому неадекватные понятия и принципы классической термодинамики об изолированных и равновесных системах. Именно поэтому эволюция физических систем связывалась с их дезорганизацией, что противоречило общепринятым в биологических и социальных науках представлениям об эволюции.

Чтобы разрешить возникшее  глубокое противоречие между классической термодинамической эволюцией, с  одной стороны, и эволюцией биологической  и социальной, с другой, -- физики вынуждены были отказаться от упрощенных понятии и схем и вместо них  ввести понятия об открытых системах и необратимых процессах. Благодаря этому оказалось возможным развить новую нелинейную и неравновесную термодинамику необратимых процессов, которая стала основой современной концепции самоорганизации.

3. Самоорганизация  в диссипативных структурах

Многочисленные примеры  самоорганизации в гидродинамических, тепловых и других физических системах, не говоря уже о системах живой  природы, ученые замечали давно. Но в  силу доминировавших в науке своего времени взглядов они попросту не замечали их либо старались объяснить  с помощью существовавших тогда  понятий и принципов.

Поскольку в науке XVII -- первой половины XIX вв. доминировала механистическая  парадигма, постольку в ней все  процессы пытались объяснить путем  сведения их к законам механического  движения материальных частиц. Предполагалось, что эти частицы могут двигаться, не взаимодействуя друг с другом, а  самое главное -- их положение и скорость движения будут точно и однозначно определенными в любой момент в прошлом, настоящем и будущем, если заданы их начальное положение и скорость. Следовательно, в таком механическом описании время не играет никакой роли и поэтому его знак можно менять на обратный. Вследствие этого подобные процессы стали называть обратимыми. В некоторых случаях, когда речь идет о немногих и относительно изолированных друг от друга телах и системах, такой абстрактный подход может оказаться целесообразным и полезным. Однако в большинстве реальных случаев приходится учитывать изменение систем во времени, т. е. иметь дело с необратимыми процессами.

Как уже отмечалось выше, впервые такие процессы стали  изучаться в термодинамике, которая  начала исследовать принципиально  отличные от механических тепловые явления. Тепло передается от нагретого тела к пространстве, все эти простейшие явления нельзя описывать без учета фактора времени. На такой феноменологической основе были сформулированы исходные начала или законы классической термодинамики, среди которых важнейшую роль играет закон энтропии. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. Поэтому в отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию через F, энтропию -- S, то полная энергия системы Е будет равна:

E=F+ST,

где Т -- абсолютная температура по Кельвину.

Согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой  системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения. Так впервые в физическую науку были введены понятия времени и эволюции, связанные с изменением систем. Но понятие эволюции в классической термодинамике, как мы уже отмечали выше, рассматривается совсем иначе, чем в общепринятом смысле. Это стало вполне очевидным после того, когда немецкий ученый Л. Больцман (1844-1906) стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка в системе. Таким образом, второй закон можно было теперь сформулировать так: замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации.

Между тем классическая термодинамика  именно на них как раз и опиралась  и поэтому рассматривала, например, частично открытые системы или находящиеся  вблизи от точки термодинамического равновесия как вырожденные случаи изолированных равновесных систем. Очевидно, что для объяснения процессов  самоорганизации необходимо было ввести новые понятия и принципы, которые  бы адекватно описывали реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе и обществе.

Наиболее фундаментальным  из них, как мы уже знаем, является понятие открытой системы, которая  способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Поскольку между веществом и  энергией существует взаимосвязь, постольку  можно сказать, что система в  ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами системы, т. е. ее прежняя структура, разрушается. Между элементами системы возникают новые когерентные, или согласованные, отношения, которые приводят к кооперативным процессам и к коллективному поведению ее элементов. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах, которые связаны с диссипацией, или рассеянием, энтропии в окружающую среду.

Существуют также случаи самоорганизации иного типа, в  которых переход к новым структурам не связан с диссипацией. Например, увеличивая напор воды путем открытия водопроводного крана, мы можем наблюдать  переход от плавного ламинарного  течения жидкости к бурному турбулентному. Иногда наблюдаются даже случаи, когда возникновение новых структур происходит за счет увеличения энтропии самой системы. Так происходит, например, процесс образования кристаллов из жидкости, снежных хлопьев и биологических мембран

Однако в настоящее  время наибольший интерес и основное значение приобретают, конечно, диссипативные  структуры. Такие реакции сопровождаются образованием особых пространственных структур и происходят за счет поступления  новых химических реагентов и  удаления продуктов реакции. Важной их особенностью является также присутствие  катализаторов, которые способствуют ускорению хода реакции.

4. Самоорганизация  - источник и основа эволюции  систем

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, самоорганизация выступает  как источник эволюции систем, так  как она служит началам процесса возникновения качественно новых  и более сложных структур в  развитии системы.

В последние десятилетия  предпринималось немало попыток  описания эволюции в терминах современных  научных теорий. Наиболее интересным из них представляет, во-первых, кибернетический  подход, развитый английским биологом-кибернетиком Россом Эшби, который связывает эволюцию с достижением ультраустойчивого  состояния, при котором система  постепенно адаптируется к своему окружению, пока не достигнет равновесия. В  отличие от парадигмы самоорганизации  здесь не обращается внимания на то, что в ходе эволюции происходит усиление, интенсификация взаимодействия системы с окружающей средой. Вместо этого постулируется, что когда система достигает стабилизации, то ее взаимодействие со средой завершается равновесием. Но равновесие не исключает взаимодействия и к тому же является относительным. Во-вторых, для изучения эволюции нередко обращаются к математической теории катастроф, разработанной французским математиком Рене Томом (р. 1927). Однако она, пожалуй, в еще большей степени не подходит для представления эволюционных процессов, так как рассматривает развитие от заданного равновесного состояния системы к другому как "катастрофу".

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.

5. Эволюция и теория  систем

Системное движение, получившее широкое распространение в науке  после Второй мировой войны, ставит своей целью обеспечить целостный  взгляд на мир, покончить с узким  дисциплинарным подходом к его познанию и содействовать развертыванию  множества программ по междисциплинарному исследованию комплексных проблем. Именно в рамках этого движения сформировались такие важнейшие направления  междисциплинарных исследований, как  кибернетика и синергетика.

Теория систем в том  виде, как она представлена австрийским  биологом-теоретиком Людвигом фон Берталанфи (1901-1972) и его последователями, ориентируется в целом на поддержание и сохранение стабильности и устойчивости динамических систем. Нам уже приходилось указывать, что кибернетическая самоорганизация технических систем регулирования нацелена на сохранение их динамической устойчивости посредством отрицательной обратной связи. Новая, более общая динамическая теория систем должна, очевидно, опираться на те фундаментальные результаты, которые были достигнуты в нелинейной термодинамике и прежде всего в теории диссипативных структур. Ведь опираясь на прежние представления равновесной термодинамики, нельзя понять механизма возникновения нового порядка и структур, а следовательно, и подлинной эволюции систем, связанной с возникновением нового в развитии. Вот почему современные авторы обратились к теории диссипативных структур и синергетике для объяснения процессов эволюции. Конечно, эта теория не может еще обосновать ряд важнейших положений эволюции, в особенности когда речь заходит о космологической эволюции, взаимодействии процессов организации и дезорганизации и некоторых других*. Но она дает ключ к пониманию многих важных эволюционных процессов, происходящих в живой природе; а самое главное -- помогает установить связь между неживой и живой природой путем анализа форм предбиотической эволюции, возникновения элементарных живых систем из органических макромолекул.

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.

6. Самоорганизация  в различных видах эволюции

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 без привлечения каких-либо мистических сил вроде пресловутой "жизненной силы" или еще  более ранней "энтелехии".

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.

7. Эволюция в  социальных и гуманитарных системах

Несмотря на существенное отличие социально-культурной эволюции от биологической, между ними существует также большое сходство и, можно даже сказать, глубокая аналогия. Недаром видные ученые характеризуют социальную эволюцию как продолжение биологической или генетической эволюции другими средствами. Некоторые даже считают культуру более мощным средством приспособления.

Анализируя особенности  социально-культурной эволюции, следует  избегать двух крайностей. Во-первых, не забывать, что человек как биосоциальное  существо появляется как закономерный продукт эволюции материального  мира, а потому его эволюция, как  и эволюция общества в целом, обнаруживает целый ряд существенно аналогичных признаков и особенностей. Во-вторых, поскольку никакая аналогия не означает тождества, постольку становится необходимым вскрыть прежде всего те отличительные черты, которые присущи именно обществу и человеку как социальному существу.

Думается, что именно такой  подход даст нам возможность выбрать  правильную линию исследования и  избежать тех вульгаризаторских  ошибок, которые связаны с социал-дарвинизмом  и с некоторыми современными социально-биологическими воззрениями. Попутно мы покажем, что  новейшая концепция эволюции, опирающаяся  на парадигму самоорганизации, оказывается  более адекватной и для анализа  социально-культурной эволюции.