Синергетика - новая наука современности

ВВЕДЕНИЕ 

  Наш мир, все, что доступно в нем наблюдению претерпевают непрерывные изменения  – мы наблюдаем его непрекращающуюся эволюцию. Все подобные изменения  происходят за счет сил внутреннего  взаимодействия, во всяком случае, никаких  внешних по отношению к нему сил мы не наблюдаем. Согласно принципу Бора, существующим мы имеем право считать лишь то, что наблюдаемо или может быть сделано таковым. Следовательно, подобных сил не существует. Таким образом, все, что происходит вокруг нас, мы можем считать процессом самоорганизации, то есть процессом, идущим за счёт внутренних стимулов, не требующих вмешательства внешних факторов, не принадлежащих системе. К числу таких процессов относится также и становление и действие Разума, ибо он родился в системе в результате её эволюции. Итак, весь процесс эволюции системы – процесс самоорганизации. 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.

  Для описания основ процесса самоорганизации  удобно (хотя и заведомо недостаточно) использовать терминологию дарвиновской триады: наследственность, изменчивость, отбор, придав этим понятиям более широкий смысл. Изменчивость в этом более широком смысле – это вечно присутствующие факторы случайности и неопределённости. Без предположения о непрерывно действующих случайных факторах, постоянная эволюция системы, сопровождающаяся появлением новых качественных особенностей, по-видимому, невозможна. Что касается термина “наследственность”, то он означает лишь то, что настоящее и будущее любой системы в мире зависит от его прошлого. Степень зависимости той или иной системы от прошлого может быть любой. Эту степень зависимости условимся называть памятью системы. Во вполне детерминированных системах прошлое однозначно определяет будущее ( возможно и обратное – по настоящему определить прошлое). Такие системы – системы с бесконечной памятью (абсолютной наследственностью).Это абстракция, но она хорошо интерпретирует некоторые процессы в неживом мире – например, то движение планет, которое мы наблюдаем ( конечно, лишь на некотором , конечном, правда очень большом, интервале времени. “Память системы” в реальных системах в том смысле, как мы её определили, чаще всего оказывается ограниченной: и бесконечная память и её отсутствие - лишь абстракции, которые удобны для интерпретации. Примером системы, лишённой памяти, является развитое турбулентное движение.

  Понятие “принципов отбора” является самым  трудным среди понятий дарвиновской триады. Процессы самоорганизации следуют  определённым правилам, законам. Это утверждение - некое эмпирическое обобщение, вопрос о происхождении этих правил лежит вне рационализма, как и вопрос о рождении Вселенной.

  Вследствие  этого необходимо более подробно коснуться понятия самоорганизации  в живой и неживой природе, или точнее, нового научного направления, изучающего именно эти процессы на Земле и во Вселенной – синергетики. 

     1 СИНЕРГЕТИКА КАК  НАУКА САМООРГАНИЗАЦИИ  В ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ  ПРИРОДЕ 

     1.1 Синергетика - новая  наука современности 

  Понятие «самоорганизация» означает упорядоченность существования материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем. В отличие от понятия «организация» оно отражает особенности существования динамических систем, которые сопровождаются их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности или материальной организации.

  Существуют  два подхода к проблеме самоорганизации  систем, которые все чаще обсуждаются  в естественно-научной и философской  литературе. Это так называемые субстратный  и функциональный подходы. К первому из них относят теорию происхождения жизни с вполне определенными особенностями вещественной основы биологических систем, т.е. со строго определенным составом элементов-органогенов и не менее определенной структурой входящих в живой организм химических соединений. Рациональный результат субстратного подхода к проблеме биогенеза – накопленная информация об отборе химических элементов и структур.¹

       В настоящие дни проблему самоорганизации  в живой природе подробно изучает  новая наука - синергетика, появившаяся в 70-е годы прошлого века и претендующая на описание движущихся сил эволюции любых объектов нашего мира.

     Появление синергетики в современном естествознании инициировано, скорее всего, подготовкой  глобального эволюционного синтеза всех естественно-научных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. Дело в том, что в классической науке (ХIX в.) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием образцовой физической дисциплины - равновесной термодинамики.²

     Стоит отметить, что постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. На волне этих проблем и возникла синергетика - теория самоорганизации.

     Главный мировоззренческий сдвиг, произведенной  синергетикой, можно выразить следующим  образом:

     - процессы разрушения и созидания,  деградации и эволюции во Вселенной  по меньшей мере равноправны;

     - процессы созидания (нарастания  сложности и упорядоченности)  имеют единый алгоритм независимо  от природы систем, в которых  они осуществляются.

     Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

     - они должны быть открытыми,  то есть обмениваться веществом  или энергией с внешней средой;

     - они должны также быть существенно  неравновесными, то есть находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

     В девятнадцатом веке Ч. Дарвином была создана теория эволюции живой природы, которая вывила условия и механизмы  возникновения новых видов жизни.

     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». ³ 

     1.2 Синергетика и  самоорганизация 

     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.

     Итак, исходя из этого можно предложить следующее определение: синергетика - (от греч. synergetikos - совместный, согласованно действующий) - научное направление, изучающее процессы образования  и массовых (коллективных) взаимодействий объектов (элементов, подсистем):

     1) происходящие в открытых системах  в неравновесных условиях;

     2) сопровождающиеся интенсивным обменом  веществом и энергией подсистем  с системой и системы с окружающей  средой;

     3) характеризуемые самопроизвольностью (отсутствием жесткой детерминации извне) поведения объектов (подсистем), сочетающейся с их взаимосодействием;

     4) имеющие результатом упорядочение, самоорганизацию, уменьшение энтропии, также эволюцию систем.

     Представляется  целесообразным отклонится от стремления к определению именно синергетики и констатировать то, чем реально занимаются специалисты в связи с исследованиями по синергетике. ⁴ 

     1.3 Синергетическая  концепция самоорганизации 

     Синергетическая концепция самоорганизации включает в себя следующие опреденления:

     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 газоподобная, 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.⁵ 
 
 
 

     2 РАЗВИТИЕ ЖИВОЙ  ПРИРОДЫ 

     2.1 Развитие живой природы 

     Понятие развития живой природы рассматривается  как необратимое направленное изменение  структуры объектов природы, поскольку  структура отражает уровень организации  материи.

     Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи составляющих систему элементов, определяющая существование ее как целого и ее качественные особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

     Важнейшее свойство структуры - ее относительная  устойчивость, понимаемая как сохранение в изменении. Однако структура содержит определенную динамичность, отдельные  временные моменты, представляет собой процесс развертывания во времени и в пространстве новых свойств элементов.

     Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок  внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие  «уровень организации» в отличие от понятия «структура» включает, кроме того, представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии.

     Что такое организация? Ссылаясь на основоположников теории организации Федорова и Богданова, Моисеев дает такое определение: «Организация изучаемого объекта (системы) - это совокупность консервативных, медленно изменяющихся (в частном случае постоянных, неизменных) характеристик объекта.

     Для определения организации нужно выделить эти характеристики объекта (системы)».

     Под организацией системы будем понимать изменение структуры системы, которое  обеспечивает согласованное поведение, или функционирование системы, которое  определяется внешними условиями.

     Если  под изменением организованности понимать изменение способа соединения (или связи) подсистем, образующих систему, то явление самоорганизации можно определить как такое неизбежное изменение системы и ее функций, которое происходит вне каких-либо дополнительных влияний, вследствие взаимодействия системы с условиями существования и приближается к некоторому относительно устойчивому состоянию.

     Закономерное  изменение структуры системы  соответственно историческим изменениям соотношений с внешней средой и называется эволюцией.

     Изменение структуры сложной системы в  процессе ее взаимодействия с окружающей средой - это проявление свойства открытости как роста возможностей выхода к  новому. С другой стороны, изменение  структуры сложной системы обеспечивает расширение жизненных условий, связанное с усложнением организации и повышением жизнедеятельности, т.е. приобретением приспособлений более общего значения, позволяющих установить связи с новыми сторонами внешней среды.

     Самоорганизация характеризуется возникновением внутренне  согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Причем понятия функция и структура системы тесно взаимосвязаны; система организуется, т.е. изменяет структуру ради выполнения функции.

     Вопрос  о взаимоотношении структуры  и функции - один из древних и традиционных в биологии. Аристотель, задавая вопрос «ради чего существует орган?», отвечал: «ради выполнения определенной цели», т.е. функции. Для биологических объектов понятия функции и цели идентичны. Так, под функцией понимается, например, физиологическое отправление.

     Рассматривая  структуру и функцию, предпочтение отдают первичности в изменении  функции. Однако наиболее правильно  рассматривать диалектическую взаимосвязь  и взаимообусловленность их изменений  в процессе эволюции (изменение среды требует изменения функции; а она, в свою очередь, влияет на изменение структуры).

     Растительное  и животное царство дает множество  убедительных примеров такой взаимообусловленности.

     Так, выход растений на сушу ознаменовался  приобретением комплекса морфофизиологических новшеств, защитных покровов, проводящей системы, дифференциацией тела на органы и т.д. Благодаря этим изменениям, прежде всего, было достигнуто уменьшение потери воды от испарения и усиление ее движения по растению. Здесь трудно сказать, что чему предшествовало, морфологические или физиологические изменения. В то же время очевидно, что «заказ» на уменьшение отрицательных последствий недостатка воды повлек за собой отбор растений на развитие защитных покровов и проводящей системы в наземных условиях.

     В данном случае речь идет о процессе самоорганизации, где можно выделить причину и следствие, указать  связи их с внешней средой: внешняя  среда изменяет функцию, функция  изменяет структуру. По мере усложнения внутренней организации функциональные возможности организмов усиливаются.

     Функциональные  особенности изменяются несколько  быстрее, чем структурные. Одним  из примеров влияния функциональных преобразований на структуру растения могут служить листья и преобразование структуры черешка изменением его функции: у листа после длительной самостоятельной жизни в укорененном состоянии перестраиваются исторически сложившиеся функции; при этом черенок приобретает функции стебля, усиливается его проводящая и механическая активность.

     Структура и функция - неотъемлемые свойства живой природы, они связаны в онто- и филогенезе. Любой орган обладает множественностью функций. Если из множеств функций, например, корня растений (проведение веществ или их запасение, образование придаточных почек, прикрепление, синтез и т.п.) одна окажется главной, то строение его в филогенезе изменится сообразно новой функции. С другой стороны, проявление любой функции растений одного и того же вида меняется количественно, причем различия часто наследственно обусловлены. На этой основе может происходить отбор по степени выражения данного свойства. Например, у одних растений по такому принципу усилилась присасывающая функция корней (паразиты), у других - опорные функции.

     Взаимосвязь изменения структуры и функции  в онто- и филогенезе способствует повышению выживаемости и конкурентоспособности. Для растений функция - единое физиологическое отправление, необходимое для выживания и размножения растений в онтогенезе (например, фотосинтез, дыхание, движение). Отбор направлен на поиски наиболее эффективных механизмов, реализующих необходимую функцию, т.е. на поиски архитектур системы.

     Именно  в структуре биологически активного  вещества эволюция закодировала его  способность выполнять строго определенную биологическую функцию.

     Функциональная роль биологических молекул задается их пространственной структурой - расположением в пространстве входящих в структуру атомов. Можно привести множество других примеров.

     Для изучения процесса развития необходимо знать характер изменения структур во времени, их динамические параметры. Надо также уметь вскрывать закономерности взаимосвязи между структурой и проявляемой системой функцией.

     До  недавнего времени естествознание и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода  к своим объектам изучения, без учета коллективных эффектов и исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации. В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией.

     Задача  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 возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен). ⁶

     Вопрос  об оптимальной упорядоченности  и организации особенно остро  стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения  огромных ресурсов.

     Философско-методологический анализ проблем глобального эволюционизма  неизбежно приводит к постановке фундаментального вопроса: существуют ли законы эволюционного процесса, представляющие собой определенную конкретизацию диалектической концепций  развития и в то же время общие для всех структурных уровней природной действительности?

     Хотя  эта проблема в настоящее время  еще далека от решения, все же есть определенные основания допускать  существование законов и закономерностей  прогрессивного развития в природе, охватывающих все основные этапы - космогонический, геологический, биологический, наряду со специфическими законами и закономерностями, присущими каждому из них. Это могут быть, во-первых, частнонаучные законы или закономерности, которые возможно экстраполировать на целостные процессы эволюции природной действительности (скажем, закон возрастания энтропии или определенные «биоаналогии», имеющие достаточно общее значение).

     Во-вторых, идея глобального эволюционизма  получает поддержку со стороны общенаучных концепций. Так, начавшаяся в последние годы разработка генетических аспектов общей теории систем позволяет предполагать, что некоторые сформулированные в ее рамках закономерности могут обладать весьма широкой сферой применимости, в частности, охватывать определенные черты эволюции всей исследуемой природной действительности. Изучению процессов эволюции живой природы, а также прогресса общества может содействовать дальнейшая разработка концепции самоорганизации.

     Наконец, в-третьих, возможно предположить, что существуют такие типы достаточно общих эволюционных законов и закономерностей, которые будут выявлены на основе комплексного анализа процессов развития в масштабах всей системы наук о природе. Пока, конечно, преждевременно обсуждать вопрос, будут ли законы, сформулированные первоначально в рамках общенаучной картины мира, включаться далее в такую форму организации теоретического знания, какой является теория (система теорий), или в иную, до сих пор мало исследованную форму междисциплинарного и общенаучного знания - учение (примером которой может служить учение В.И. Вернадского о биосфере), или же входить и в состав систем теорий, и в состав учений разной степени общности. Во всяком случае, очевидно, что потребности как теоретического, так и мировоззренческого плана будут стимулировать дальнейшее обоснование идеи глобального эволюционизма.

     Информационная  концепция развития систем любой  природы, в основе которой лежат  категории информатики - информация, энтропия, информационные процессы и  их связь с эволюционными процессами, по-видимому, может рассматриваться как одна из естественнонаучных конкретизации общей теории развития. ⁷ 

     2.2 Самоорганизация как основа эволюции 

     Несмотря  на то, что идеи эволюции, начиная  от космогонической гипотезы Канта - Далласа и кончая эволюционной теорией Дарвина, получили широкое признание в науке, тем не менее они формулировались скорее в интуитивных, чем в 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 изолированных и равновесных систем. 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 понятий 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.⁸

      ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     В заключении отметим следующее. Проблематика, содержание, методы исследований и результаты, относимые к синергетике характеризуются неоднозначными оценками и неопределенностью. Вместе с тем, синергетика как научное направление исследований является востребованной обществом.

     Значительное  количество результатов исследований в разных областях знания соотносится исследователями с синергетикой. Контекст синергетики дает возможность плодотворно взаимодействовать ученым разных специализаций на языке системного осмысления и поиска новых решений.

     Приведенные определения синергетики, полученные преемственным образом, могут конструктивно применяться при решении конкретных задач. Можно предположить, что в связи с существующими и грядущими результатами в кинетической химии, нейробиологии, транспьютерном нейрокомпьютинге и в других областях сформируется более определенный теоретический и аксиоматический базис синергетики, благодаря чему, в частности, и критика в ее адрес станет более конструктивной и продуктивной. Несомненно, при всем том, что синергетика полноценно «работает» сегодня как категория научного знания. ⁹