Синергетическая концепция самоорганизации. 4

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………3

1. Основное понятие синергетики самоорганизации……………………..4
1. Синергетика – теория самоорганизации………………………………..4
2. Самоорганизация в синергетике………………………………………...8
3. Синергетическая концепция самоорганизации………………………...9
2. Организация в живой и неживой природе……………………………...12
1. Иерархия уровней организации живого………………………………..12
2. Метод Фибоначчи как фактор гармонической самоорганизации…….14

Заключение………………………………………………………………………17

Литература……………………………………………………………………….19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

   Почему целое может обладать свойствами, которыми не обладает ни одна из его частей? В чем человек видит сложность окружающего его мира? Почему, зная фундаментальные физические законы, мы не можем предсказывать поведение простейших биологических объектов? Как согласовать следующую из классической термодинамики тенденцию к установлению равновесия с переходом от простого к сложному, от низшего к высшему, который мы видим в ходе биологической эволюции?

Еще полтора  десятилетия назад эти вопросы  относили к компетенции философии. Сейчас они встают в конкретном контексте  физических, химических, биологических  задач. В их решении все больше помогает теория самоорганизации, или  синергетика.

Очень большое значение в этой новой  науке получило понятие о живых  и неживых системах, очень неустойчивых  в природе, и их самоорганизация. На такую неустойчивую и самоорганизующуюся систему существенно влияют слабые воздействия, которые могут создавать в ней согласованное, кооперативное поведение подсистем различных типов — отдельных особей, видов, популяций. В результате согласованного взаимодействия подсистем происходят процессы упорядочения и возникновения из хаоса определенных структур, их изменение и усложнение.

 Итак, рассмотрим самоорганизацию в  живой и неживой природе. 
 
 
 
 
 
 

1. ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ СИНЕРГЕТИКИ И САМООРГАНИЗАЦИИ

1.1 Синергетика – теория самоорганизации

Когда мы говорим о молодой науке, естественно  спросить: почему ее не было раньше, что  привело к ее возникновению, чем  отличается взгляд на мир этой науки  от представлений, выработанных раньше? Попробуем ответить на эти вопросы.

Наверное, вы не раз задумывались над поразительным  отличием систем, существующих в природе, от тех, что созданы человеком. Для  первых характерны устойчивость относительно внешних воздействий, самообновляемость, возможность к самоусложнению, росту, развитию, согласованность всех составных частей. Для вторых – резкое ухудшение функционирования даже при сравнительно небольшом изменении внешних воздействий или ошибках в управлении. Сам собой напрашивается вывод: нужно позаимствовать опыт построения организации, накопленный природой, и использовать его в нашей деятельности. Отсюда вытекает одна из задач синергетики – выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновении, развитии и самоусложнении.

При решении  задач в самых разных областях от физики и химии до экономики  и экологии, создание и сохранение организации, формирование упорядоченности  является либо целью деятельности, либо ее важным этапом. Приведем два  примера. Первый – задачи, связанные  с управляемым термоядерным синтезом. В большинстве проектов самый  важный момент – создание необходимой  пространственной или пространственно-временной  упорядоченности.

Другой  пример – формирование научных коллективов, где активная творческая работа большинства  сотрудников должна сочетаться с  возможностью совместно решать крупные  задачи. Такой коллектив должен быть устойчив и быстро реагировать на все новое. Какова оптимальная организация, позволяющая добиваться этого?

Вопрос  об оптимальной упорядоченности  и организации особенно остро  стоит при исследованиях глобальных проблем – энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения  огромных ресурсов. Здесь нет возможности  искать ответ методом проб и ошибок, а «навязать» системе необходимое  поведение очень трудно. Гораздо  разумнее действовать, опираясь на знание внутренних свойств системы, законов  ее развития. В такой ситуации значение законов самоорганизации, формирования упорядоченности в физических, биологических  и других системах трудно переоценить.

Другая  причина, обусловившая создание синергетики, – необходимость при решении  ряда задач науки и техники  анализировать сложные процессы различной природы, используя при  этом новые математические методы.

Классическая  математическая физика (т.е. наука об исследовании математических моделей  физики) имела дело с линейными  уравнениями. Формально это уравнения, в которые неизвестные входят только в первой степени. Реально  они описывают процессы, идущие одинаково  при разных внешних воздействиях. С увеличением интенсивности  воздействий изменения остаются количественными, новых качеств  не возникает. Область применения линейных уравнений необычайно широка. Она  охватывает классическую и квантовую  механику, электродинамику и теорию волн. Методы их решения, разрабатывавшиеся  в течение столетий, обладают большой  общностью и эффективностью.

Однако  ученым все чаще приходится иметь  дело с явлениями, где более интенсивные  внешние воздействия приводят к  качественно новому поведению системы. Здесь нужны нелинейные математические модели. Их анализ – дело гораздо  более сложное, но при решении  многих задач он необходим. Это приводит к формированию широкого фронта исследований нелинейных явлений, к попыткам создать общие подходы, применимые ко многим системам (к таким подходам относится и синергетика).

Современная наука все чаще формулирует свои закономерности, обращаясь к более  богатому и сложному миру нелинейных математических моделей.

Новым инструментом изучения нелинейных моделей  стал вычислительный эксперимент. Ученые получили возможность «проиграть»  модель изучаемого процесса во многих вариантах, используя мощные ЭВМ. И что особенно важно – вычислительный эксперимент может привести к открытию новых явлений.

Широкое использование ЭВМ показало, что  ни быстродействие вычислительных машин, ни рост объема расчетов не являются панацеей от всех бед, сами по себе они не дают понимания изучаемых нелинейных задач.

Нужны понятия, подходы, обобщения, которые  отражают важнейшие общие черты  исследуемых явлений и помогают построить их адекватные математические модели. Все это также стало  мощным стимулом развития синергетики.

Взгляды, вырабатываемые современной наукой при решении многих задач, иногда оказываются созвучными размышлениям ученых и философов, живших много  веков назад, в частности близкими к мыслям и воззрениям, характерным  для философских течений Древнего Востока. Зачастую совпадает не только общий подход, но и конкретные детали. Возникает вопрос: почему синергетика, опирающаяся на достижения современной  науки, на диалектико-материалистическое мировоззрение, приходит к выводам, сделанным тысячелетия назад?

Первая  причина – общность предмета анализа. Изучаются сложные самоорганизующиеся системы, причем акцент делается на внутренние свойства как на источник саморазвития.

Вторая  причина – новое отношение  к проблеме целого и части. Для  философских школ Древней Греции характерно предположение, что часть  всегда проще целого, что, изучив каждую из частей, можно понять свойства целого. И естествознание – вплоть до последних  десятилетий – этот подход вполне устраивал. Однако сначала общественные науки, а потом и точные пришли к выводу о необходимости целостного, системного анализа многих объектов.

Синергетика, как правило, имеет дело с процессами, где целое обладает свойствами, которых  нет ни у одной из частей. Целое  в таких системах отражает свойства частей, но и части отражают свойства целого. Здесь нельзя утверждать, что  целое сложнее части, оно совсем другое.

Третье. Имея дело со сложными, жизненно важными  для нас объектами (например, экологическими системами), приходится действовать  предельно осторожно. Успех здесь  возможен только в том случае, если мы знаем внутренние свойства системы. Отсюда стратегия – действие, сообразуемое с законами природы, разумная соразмерность  с естественным ритмом, с постоянно  меняющимися условиями.

Наверное, нетерпеливый читатель несколько разочарован: авторы никак не хотят просто и  конкретно сказать, чем же занимается синергетика.

Нам кажется, здесь уместно вспомнить суждение Гегеля о том, что ни одно определение не кажется содержательным, пока не ясен смысл входящих в него понятий (для нас таким понятием является понятие структуры). Когда же смысл понят, определение становится просто ненужным. Ответ на вопрос, чем занимается синергетика, каков ее предмет и перспективы, неоднозначен.

В синергетике  широко используют уравнения в частных  производных. Эти уравнения –  инструмент исследования процессов, в  которых изучаемые величины изменяются не только во времени, но и в пространстве. Разрабатываться он начал два  века назад в связи с задачами гидродинамики и механики сплошных сред. Наиболее простыми и детально изученными являются линейные уравнения в частных производных.

«Использование  математики в науке – это использование  языка, при помощи которого мы можем  устанавливать соотношения слишком  сложные, чтобы их можно было кратко описать обычным языком». Роль этого  языка трудно переоценить. Именно из-за того, что он есть, мы можем за несколько  лет изучить в школе законы механики, оптики, электромагнетизма  – разделов, на создание которых  потребовались столетия интенсивной  работы исследователей

1.2 Самоорганизация в синергетике

    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. 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. В  показано, что теоретическое обоснование  явления самоорганизации неравновесных  открытых систем, равно как и процесса неравновесного упорядочения, было дано И.Р. Пригожиным и А.П. Руденко практически  в одно время независимо друг от друга. Главным достоинством «континуальной» самоорганизации, предложенной А.П. Руденко, является то, что именно такой подход позволяет провести рассмотрение связи самоорганизации и саморазвития. В соответствии с развитыми 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. 

1.3 Синергетическая концепция самоорганизации

    1) Объектами исследования являются  открытые системы в неравновесном  состоянии, характеризуемые интенсивным  (потоковым, множественно–дискретным)  обменом веществом и энергией  между подсистемами и между  системой с ее окружением.

    Конкретная  система погружена в среду, которая  является также ее субстратом.

    2) Среда — совокупность составляющих  ее (среду) объектов, находящихся  в динамике. Взаимодействие исследуемых  объектов в среде характеризуется  как близкодействие — контактное  взаимодействие. Среда объектов  может быть реализована в физической, биологической и другой среде  более низкого уровня, характеризуемой  как газо-подобная, однородная или  сплошная. (В составе системы реализуется дальнодействие — полевое и опосредствованное (информационное взаимодействие.)

    3) Различаются процессы организации и самоорганизации Общим признаком для них является возрастание порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды (также удаления от хаоса по другим критериям). Организация, в отличие от самоорганизации, может характеризоваться, например, образованием однородных стабильных статических структур.

    4) Результатом самоорганизации становится  возникновение, взаимодействие, также  взаимосодействие (например, кооперация) и, возможно, регенерация динамических  объектов (подсистем) более сложных  в информационном смысле, чем  элементы (объекты) среды, из которых  они возникают. Система и ее составляющие являются существенно динамическими образованиями.

    5) Направленность процессов самоорганизации  обусловлена внутренними свойствами  объектов (подсистем) в их индивидуальном  и коллективном проявлении, а  также воздействиями со стороны  среды, в которую «погружена»  система. 

    6) Поведение элементов (подсистем)  и системы в целом, существенным  образом характеризуется спонтанностью  — акты поведения не являются  строго детерминированными.

    7) Процессы самоорганизации происходят  в среде наряду с другими  процессами, в частности противоположной  направленности, и могут в отдельные  фазы существования системы как  преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду.

    Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада  структуры, возникшей ранее в  результате процесса организации.

    Приведенное развернутое определение является если и не вполне совершенным, то все–таки необходимым шагом на пути конкретизации содержания, которое относится к синергетике, и выработки критериев для создания моделирующей самоорганизующейся среды.

    О соотношении синергетики и самоорганизации  следует вполне определенно сказать, что содержание, на которое они  распространяются, и заложенные в  них идеи неотрывны друг от друга. Они, однако, имеют и различия. Поэтому синергетику как концепцию самоорганизации следует рассматривать в смысле взаимного сужения этих понятий на области их пересечения.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ОРГАНИЗАЦИЯ  В ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

2.1  Иерархия уровней организации живого

Представления о неравновесности живого организма  развил биолог фон Берталанфи, введя  термин «открытые системы», ныне широко используемый в синергетике. Он рассматривал стационарные состояния в неравновесной  живой системе, которые, определил  как «текущее равновесие». На основе обобщения физических, в частности  термодинамических, представлений  он разработал свою теорию биологических  организмов, рассматривая организм как  целостную сложную иерархическую  систему.

По существу в применении к биологии он предложил  и использовал метод системного анализа, активно применяемый сейчас в науке и технике. В частности, им высказана идея, что системная  организация — основа точной биологии. А как метко сказал Н. В. Тимофеев-Ресовский, системный анализ — «это когда сначала думают, а потом делают». Организм — пространственное целое, проявляющееся во взаимодействии частей и частных процессов. Процессы в живом организме обусловливаются целостной пространственной системой, подчиненной жесткой иерархии.

Концепция структурных  уровней позволяет не только описать  живые организмы по уровням их сложности и закономерностям  функционирования, но и расположить  в иерархическом порядке, при  котором каждый предыдущий уровень  входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации хорошо сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия.

Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы Н. В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный, молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценозный . Существует и такая градация: молекулярный, клеточный, тканевой, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.

Элементарная  единица — это структура, закономерное изменение которой приводит к  элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является ген, на клеточном — клетка, на организменном — особь, на популяционном — совокупность особей одного вида — популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.

Эти уровни организации  будут подробно рассмотрены в  соответствующих разделах, а здесь  отметим их аналогию с физической шкалой размеров и масс, дискретностью энергетических уровней в квантовой механике.

Переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно, в соответствии с основными  принципами квантовой механики, и  такие переходы в физике представляют собой неравновесные фазовые  переходы, которым в синергетике  соответствуют бифуркации. Механизм перехода в понятиях синергетики  реализуется через хаотические  состояния, и через него реализуется  связь разных уровней организации. В точках бифуркации малое случайное  изменение может привести к сильному возмущению системы, и возникает  фазовый переход. В таком представлении  гибель живого организма можно рассматривать  как фазовый переход «жизнь —  не жизнь».

Понятия о целом  и части, используемые не только в  системном анализе, но и в философии, можно применять к физике живого, поскольку живым организмам присущи  гармоническая иерархичность и  целевая функция1. Действительно, рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно касаемся проблемы  целого и части — все наблюдаемые объекты являются частями более общего понятия целого и, в свою очередь, состоят из каких-то частей. Эти представления применимы к эволюции любой сложной неравновесной системы с нелинейной динамикой ее развития в процессах самоорганизации. Гармонизация этих процессов в живых организмах и шире — во всей природе находит свое отражение в понятиях «ян» и «инь» восточной философии и в идее «золотого сечения». 

2.2 Метод Фибоначчи как фактор гармонической самоорганизации

Математическим  обоснованием гармонического соотношения  частей организма, его соразмерности, порядку и необходимому организму  хаосу, обусловленности пространственно-временного и функционального взаимодействия органов (например, человека и процессов  в его организме) является метод Фибоначчи. На основе большого количества эмпирических обобщений было установлено, что числа ряда Фибоначчи нужно сопоставить с параметрами жизненных процессов. Оказалось,

что они отражают не только изменение и устойчивость живого организма, но и энергетический баланс, определяющий его развитие.

Различие в  процессах самоорганизации в  неживых и живых системах, как  отмечали И. Пригожин и И. Стенгерс , заключается в том, что молекулы неорганического мира, участвующие в сложных химических реакциях, просты, а в биологической самоорганизации, наоборот, реакции просты, а молекулы укрупняются, усложняются и становятся макромолекулами. Это обусловлено тем, что структура реакций переходит в структуру элементов — молекул, т.е. процесс закрепляется в структуре. Взаимоотношение между структурой и процессами отражает известный закон единства и борьбы противоположностей, закон единства сохранения и изменения сущности, который составляет суть развития самоорганизующихся систем. И здесь третий член золотой пропорции Фибоначчи снимает противоречие между сохранением (устойчивостью) и изменением через развитие, которое включает и то и другое — состояние и процесс. Многие физиологические процессы в организме человека, гармонизируются по «золотому сечению» (методу Фибоначчи), Так, биолог В. Д. Цветков из Пущинского биологического центра установил, что оптимизация артериального давления и ритмов сердечно—сосудистой системы происходит по соотношению, «золотого сечения».

Ряд Фибоначчи  становится системообразующим фактором гармонической самоорганизации  живого организма. В этом смысле эволюция — не просто адаптация организма  к внешним условиям, а его стремление к гармонии, соразмерности развития всего организма как целого и  функционирования его внутренних органов  как частей. Структурно-функциональная организация человеческого тела и его организма в процессе эволюции отражает эту гармонию по методу Фибоначчи и в опыте  человечества. Рекурсивный1 характер этого гармоничного ряда в применении к живым организмам позволяет учитывать память о предыдущих поколениях.

С гармонией  развития организма, как целого, так  и его частей, хорошо согласуется  универсальный для всего современного естествознания принцип дополнительности Бора. Применительно к рассматриваемой  проблеме он отвергает возможность понимать жизнь и ее эволюцию путем вычленения и исследования отдельных частей организма: определяя более точно одну сторону живого объекта, мы теряем определенность в понимании другой.

Согласно этому  же принципу, можно высказать и  парадоксальную мысль: познание жизни  и сама жизнь несовместимы! Например, при хромосомном анализе определения  дозы радиации, полученной человеком  давно (так называемой реконструированной дозы), лазерный луч убивает усики  хромосом, тем самым убивает саму хромосому. Относительно живого организма  как целостной системы В.А. Энгельгардт  выделял три признака, характеризующих  взаимоотношения между целым  и частями:

— возникновение  в системе взаимодействующих  связей между целым и частями;

— утрата некоторых  свойств u1095 астей при вхождении их в состав целого;

— появление  у возникающего целого новых свойств, определяемых свойствами

__основных частей и возникновением новых связей между частями.

Организация живых  систем обусловливает их эволюцию, а основным критерием их организации  является эффективность использования  энергии, причем эволюция должна идти как по сложности и организованности, так и по степени их функциональности, и эта функциональность играет более  активную роль в эволюции, чем структура. Поэтому, организация включает в  себя не только структуру, но и связи  между элементами и их взаимодействие.

Так как эволюция живого идет через развитие его организации, то ее можно связать с общим  законом самоорганизации материи: процесс развития характеризуется  непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Это биологический закон  дивергенции (его можно сравнить с физическим законом дивергенции  — расходимостью), который понимают как «расходимость» видов. На это  указывал В.А. Энгельгардт, подчеркивая, что энергетика биологических систем характеризуется двумя как будто  противоположными чертами — наличием элементов многообразия, с одной стороны, и наличием элементов унификации, с другой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сейчас можно  считать общепринятым положение, что  живые организмы являются открытыми  неравновесными системами, и, естественно, поэтому хочется применить к  ним те же физические законы, которые  используются для объяснения физико-химических процессов в объектах неживой  природы и даже управления ими. В  этом направлении на базе синергетики  были получены некоторые конкретные результаты, однако построить окончательную  физическую модель живого не удалось, хотя такое желание, конечно, есть. Синергетический подход пока очень хорошо вписывается в холистическое восприятие и объяснение мира и позволяет в какой-то мере с общих позиций описывать и живую, и неживую природу и говорить об их единстве. Антропный принцип может быть использован как универсальный инструмент в исследовании сложных систем любой природы. Он оказывается принципом существования сложного в нашем мире: чтобы на макроуровне было возможно образование сложных систем, элементарные процессы на микроуровне должны проходить очень избирательно, т.е. в соответствии с «подгонкой» фундаментальных констант по антропному принципу, в том числе и констант — параметров, определяющих жизнедеятельность организма.

Пределы изменения  этих параметров очень узки (вспомним, например, диапазон температур, давлений и других условий, в которых может  существовать человек): достаточно небольшого изменения, их и жизнь становится невозможной.

Используя принцип  дополнительности Бора, можно считать, что нельзя судить о содержании общих  биологических закономерностей, оставаясь  только в рамках чисто биологических  воззрений, тем более что биология сообщает множество интересных и  важных подробностей о человеке, упуская, тем не менее, нечто принципиальное. Нужно, по Бору, дополнение в лице физики! Бор считал, что познание живого организма в виде атомно-молекулярной системы принципиально дополнительно  к изучению этого организма как целостной системы и ни один результат биологического исследования не может быть однозначно трактован, если не использовать представления физики и химии. Именно в этом смысле следует понимать, что лишь одними законами биологии или физики невозможно объяснить феномен живого. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания, Уч-к для ВУЗов, М, 2003.
2. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах М: Мир, 1979.
3. Пригожин И.Р., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
4. Князева Е.Н. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем.-М., 1994.