Самоорганизация в живой и неживой природе

В открытых системах (т.е. обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией) физической, химической, биологической и др. природы, находящихся вдали от термодинамического равновесия, возможно взаимодействие элементов и подсистем, приводящее к их согласованному, кооперативному поведению, и в результате, – к образованию новых устойчивых структур и самоорганизации.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения составляющих его частиц благодаря поступлению энергии извне, при достаточной его "накачке", приводятся в согласованное движение. Они начинают колебаться в одинаковой фазе, и вследствие этого мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример свидетельствует, что в результате взаимодействия со средой за счет поступления дополнительной энергии прежние, случайные колебания элементов такой системы, как лазер, превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы, и происходит самоорганизация системы.

Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен (р.1927) назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

Другим примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведение в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн, или в периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно ("химические часы"). Эти реакции впервые были экспериментально изучены отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе бельгийскими учеными во главе И.Р. Пригожиным была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (по имени столицы Бельгии – Брюсселя). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую часто называют неравновесной, или нелинейной.

О равновесии и неравновесии систем уже говорилось. Поясним, что понимается под нелинейностью в термодинамике и теории самоорганизации вообще. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Хотя линейные уравнения и до сих пор часто применяются в физике и точном естествознании в целом, они оказываются неадекватными для описания открытых систем или же при весьма интенсивных воздействиях на системы. Именно с подобными системами и процессами имеет дело новая термодинамика, и поэтому ее нередко называют нелинейной.

Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого "здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Как же объясняет современная наука, и в частности, синергетика процесс самоорганизации систем? Для этого должны выполнятся необходимые условия.

Система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придет в состояние полной дезорганизации.

Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры.

Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае аффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Мы перечислили необходимые, но далеко недостаточные условия для возникновения самоорганизации в различных системах природы. Даже в химических самоорганизующихся системах, которые изучали Белоусов и Жаботинский, в "игру" вступают такие новые факторы, как процессы катализа, которые ускоряют химические реакции. Поэтому можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Заключение

В качестве основных выводов из содержания курса “Концепции современного естествознания” отметим следующее. Современное естествознание представляет собой сложную, разветвленную систему множества наук. Ведущими науками ХХ в. по праву можно считать физику, биологию, химию, науки о космосе, прикладную математику (неразрывно связанную с вычислительной техникой и компьютеризацией), кибернетику, синергетику. В рамках физики, в свою очередь, выделяются специальная и общая теории относительности, квантовая теория, ядерная физика. В биологии должны быть отмечены эволюционное учение, генетика и экология, нашедшие свое достойное продолжение в естественных науках о человеке – его происхождении, видовом и индивидуальном развитии. Усиливаются взаимосвязи как внутри самого естествознания (между физикой, химией, биологией, геологией и т.п.), так и между естественными, техническими, общественными и гуманитарными науками. Более четко стало представляться соотношение общественных и гуманитарных наук как наук, прежде всего, о духовной (нравственно-эмоциональной, интеллектуально-мыслительной, эстетической и т.п.) жизни человека.

Вторая половина ХХ в. – это время научно-технической революции, характеризующейся лидирующей ролью науки по отношению к технике и материальному производству. Современное производство немыслимо без опережающего развития фундаментальной науки и прикладных научных разработок. Если государство не заботится о развитии науки, оно не заботится о своем будущем. Но усиление воздействия науки на общество и природу обусловливает не только прогресс, но и возникновение ряда трудно решаемых глобальных проблем. Это свидетельствует о противоречивом характере взаимодействия науки, общества и природы, причем ведущим звеном этой цепи следует считать само общество, тип присущих ему отношений между определяющими силами его развития.

Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире.

После изучения того или иного предмета запоминаются, как правило, основные идеи, при развитии которых создается наиболее полное представление о сущности предмета. Такие идеи для естествознания весьма удачно сформулировали в двадцати фразах современные американские физики Роберт Хейзен и Джеймс Трефил. Первые семь из них общие для естествознания, а остальные относятся к его отраслям.

Вот эти научные истины:

* Вселенная регулярна и предсказуема.

* Все движения можно описать одним набором законов (имеются в виду три закона Ньютона).

* Энергия не исчезает.

* При всех превращениях, энергия переходит из более полезных в менее полезные формы (первый и второй законы термодинамики).

* Электричество и магнетизм – две стороны одной и той же силы.

* Все состоит из атомов.

* Все – материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив ее.

Вся химия – в двух фразах:

* Атомы склеиваются электронным "клеем".

* Поведение вещества зависит от того, какие атомы входят в его состав и как они расположены.

Физика, включая астрофизику и космологию:

* Ядерная энергия выделяется при превращении массы в энергию.

* Атомы, из которых состоит все, сами состоят из кварков и лептонов.

* Звезды рождаются, живут и умирают, как и все остальное в мире.

* Вселенная возникла в прошлом в определенный момент и с тех пор она расширяется.

* Законы природы едины для любого наблюдателя (резюме специальной и общей теории относительности).

Науки о Земле:

* Поверхность Земли постоянно изменяется, и на ее лице нет ничего вечного.

* Все процессы на Земле происходят циклами.

Биология сводится к четырем фразам:

* Все живое состоит из клеток, представляющих собой заводы жизни.

* Все живое основано на генетическом коде.

* Все формы появились в результате естественного отбора.

* Все живое связано между собой (в этой фразе заключена суть всей экологии).

Что же мы можем сказать об окружающем нас мире? То, что он одновременно и един, и удивительно многообразен, что он вечен и бесконечен в беспрестанном процессе взаимопревращения одних конечных систем в другие; что он является единой системой, а каждая ее отдельная часть может быть только относительно самостоятельной, будучи неизбежно зависимой от общих законов бытия.

Литература

Использованная литература

1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание.– М., 1999.

2. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики.– М., 1966.

3. Спассский Б.И. Физика для философов. – М., 1989.

4. Полинг Г. Общая химия.– М., 1964.

5. Вилли К., Детье В. Биология. – М.,1975.

6. Общая биология /под ред. Дубинина Н.П./.– М.,1980.

7. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. – М.,1989.

8. Блауберг И.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода.– М.,1973.

9. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М., 2002.

10. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М., 1998.

11. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М., 1999.

Рекомендуемая литература

1. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. – М.,1960.

2. Силк Дж. Большой взрыв: рождение и эволюция Вселенной. – М.,1982.

3. Дубинин Н.П. Что такое человек. – М.,1983.

4. Фридман Э.П. Приматы. – М., 1979.

5. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М.,1986.

6. Гинзбург В.А. О физике и астрофизике. – М., 1980.

7. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. – М., 1995.

8. Шама Д. Современная космология.– М., 1973.