Тема 4.4. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма.

O Основные понятия

Синергетика — теория самоорганизации

Междисциплинарный характер синергетики

Самоорганизация в природных и социальных системах как самопроизвольное возникновение упорядоченных неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества

Примеры самоорганизации в простейших системах: ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского, спиральные волны

Необходимые условия самоорганизации: неравновесность и нелинейность системы

Признак неравновесности системы: протекание потоков вещества, энергии, заряда и т.д.

Диссипация (рассеяние) энергии в неравновесной системе

Диссипативная структура — неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости

Синхронизация частей системы в процессе самоорганизации

Понижение энтропии системы при самоорганизации

Повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации

Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его принципы:

- всё существует в развитии;

- развитие как чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

- законы природы как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

- фундаментальная и неустранимая роль случайности и неопределенности;

- непредсказуемость пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

- устойчивость и надежность природных систем как результат их постоянного обновления

& Краткое содержание

Самоорганизацией (синонимы: самоуправление, автономия) называется внутренний процесс, происходящий в открытой системе, по стабилизации или улучшению внутренней структуры системы без управления и руководства с внешней, по отношению к ней, стороны.

История развития идей самоорганизации

Идея, что динамика системы может сама по себе стремиться увеличивать порядок системы имеет долгую историю. Одним из первых это предположение высказал философ Декарт в пятой части "Рассуждения о методе", где он представляет его гипотетически. Более подробно Декарт разработал эту идею в никогда ненапечатанной книге "Le Monde".

Древние последователи теории атома считали, что нет необходимость в понятии разумного Творца: если есть достаточное количество пространства и материи, порядок в конце концов неизбежно наступит. Декарт добавил, что к порядку систему ведут самые обычные законы природы.

Натуралисты XVIII века стремились найти "универсальный закон форм" чтобы объяснить многообразие наблюдаемых форм живых организмов. Их идеи, вместе с теорией эволюции Ламарка, не были признаны до начала ХХ века. Современная наука подтвердила существование универсальных законов (основанных на фундаментальных законах физики и химии), управляющих развитием биологических систем.

Первое известное упоминание в печати этого термина (англ. Self-organization) появилось в статье Уильяма Эшби. Термин использовался в 1960-е годы в теории систем, а в 1970-е — 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.

Самоорганизация и другие науки

Явление самоорганизации наблюдается в самых разных областях науки, таких как

• Физика

• Химия

• Биология

• Кибернетика

  • Искусственный интеллект

  • Коллективный интеллект

Общественные науки

• Психология

• Социология

• Экономика

• Антропология

Неравновесная термодинамика изучает процессы в открытых системах, находящихся далеко от равновесного состояния. Исследованием поведения открытых систем занимается синергетика.

Основные свойства открытых систем:

1. реакция системы на внешние условия;

2. случайный характер поведения системы;

3. наличие переломных точек в развитии системы – точек бифуркации;

4. согласованное поведение всех частей системы, ее когерентность.

Изучение поведения открытых систем позволило прийти к пониманию целого ряда вопросов эволюции в неживой и живой природе. Отметим термодинамический аспект синергетики: открытые системы способны не только поддерживать упорядоченность системы, но и создавать ее из хаоса, беспорядка. Такие системы носят название диссипативных систем. Диссипативные системы рассеивают энергию в окружающую среду, т.е. производят энтропию. В результате этого в системе возникает порядок, а общая энтропия (энтропия системы и окружающей среды) возрастает.

Таким образом, теориями, изучающими общие закономерности самоорганизации, являются неравновесная (неклассическая) термодинамика и синергетика.

Свойства самоорганизующихся систем

• Отсутствие внешнего контроля

• Динамичность

• Взаимозависимость и меньшая свобода элементов

• Порядок во всей системе, возникающий из локальных взаимодействий

• Сложность

• Внутренние иерархии

Самоорганизация и энтропия

Понятие самоорганизации вступает в конфликт со вторым законом термодинамики, утверждающим, что количество энтропии (меры беспорядка) в системе никогда не уменьшается. Стюарт Кауффман предположил, что самоорганизация уравновешивает увеличение энтропии, предотвращая тепловую смерть вселенной, и назвал это "четвертым законом термодинамики".

Менее радикальна точка зрения Ильи Романовича Пригожина, считавшего, что самоорганизация происходит только в диссипативных (рассеивающих) системах, далеких от теплового равновесия. Такие системы потребляя большое количество энергии, увеличивают энтропию окружающей среды, уменьшая свою, и, таким образом, общее количество энтропии не уменьшается.

Теория самоорганизации (синергетика)

Синергетика— междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является познание природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). Синергетика вводит понятие динамического хаоса как некой сверхсложной упорядоченности.

Термин "синергетика" ввёл Герман Хакен (в 1977 году вышла его книга «Синергетика»), образовав его из греческих слов син — «совместное» и эргос — «действие».

Синергетика изначально представлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, одни и те же безотносительно природы систем.

До сих пор не улажен спор о целесообразности введения термина "синергетика", т.к. её предмет исследования лежит среди различных дисциплин, а основные методы синергетики взяты от нелинейной неравновесной термодинамики.

Эволюционная химия. Самоорганизация эволюционных систем (химическая эволюция).

Самоорганизация эволюционных систем (субстратный подход)

• Отбор химических элементов в процессе самоорганизации предбиологических систем внес определенные закономерности в этот процесс.

• Основу живых систем составляют только шесть элементов, получившие название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организме составляет более 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих биологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт, магний. Их весовая доля в организме — 1,6%. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, доля которых составляет около 1%. Участие всех остальных элементов впостроении биосистем практически не зафиксировано.

• Картина химического мира свидетельствует об отборе элементов. В настоящее время насчитывается около 8 млн. химических соединений. Из них 96% — органические, состоящие из тех же 6—18 элементов. Из остальных 90 химических элементов Природа создала всего 300 тыс. неорганических соединений.

• Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании химических и биологических систем; определяющими факторами в отборе химических элементов в данном случае выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоемкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильны, т.е. легко подвергаться гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как органоген № 1.

Эволюционные проблемы в химии

Эволюционная химия — это новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов создаются катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в химической промышленности катализаторы.

Возникновению эволюционной химии способствовали иссле­дования в области моделирования биокатализаторов и реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики», или динамики химических систем.

Ведущее положение в развитии нестационарной кинетики за­нимает теория саморазвития открытых каталитических систем, способствующая существенному улучшению свойств катализаторов.

Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы

• самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают предтечей биологии —наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

• Предполагают, что все функции и процессы, происходящие в живом организме, можно изложить на языке химии в виде конкретных химических процессов.

• Основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому новая химия должнаосновываться на каталитическом опыте живой природы.

• Для освоения каталитического опыта живой природы перспек­тивными направлениями являются исследования, ориентиро­ванные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, что предполагает изучение закономер­ностей живой природы, в том числе и опыта формирования фермента, клетки, организма. Здесь и заложены основы эво­люционной химии, пути поиска новых химических техноло­гий, возможных аналогов живых систем.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химичес­кой эволюции и биогенеза.

Основные проблемы данной теории — это вопросы о движу­щих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. вопросы выявления и определения основных закономерностей хи­мической эволюции, отбора элементов и структур, уровня хи­мической организации и иерархии химических систем как следствий эволюции.

Ключевая идея данной теории: химическая эволюция есть не что иное, как саморазвитие каталитических систем. Эволюци­онирующим доминантом являются катализаторы.

• Саморазвитие и самоорганизация, самоусложнение происхо­дят за счет естественного отбора активных каталитических центров и постоянного притока трансформируемой энергии. Поскольку источником энергии в основном является базисная реакция, то эволюционное преимущество получают каталити­ческие системы, протекающие на основе экзотермических ре­акций. Отсюда базисная реакция является источником энер­гии и средством отбора прогрессивных эволюционных изме­нений катализаторов.

• Практическим результатом теории открытых каталитических систем является «нестационарная технология», характеризующаяся меняющимися условиями химической реакции. В настоящее время обнаружено большое количество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции. Частным случаем нестационарного режима является стационарный режим, который до недавнего времени являлся гарантом высокой эффективности промышленного процесса.

• Перспектива развития новой химии — это создание малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных технологий.

Была разработана в 1964 г. А.П. Руденко.

Самоорганизация эволюционных систем

Каким образом Природа из минимума химических элементов и соединений создала сложнейший высокоорга­низованный комплекс биосистем? В настоящее время ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которыеспособствовали резкому повышению активности и селек­тивности действия каталитических групп. Есть уже и неко­торые выводы, полученные различными путями в самых различных областях науки (космохимии. геологии, геохи­мии, биохимии, термодинамике, химической кинетике):

A.На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур (более 5000 К), электрических разрядов и радиации препятствовали образованию конденсированного состояния.

B.Первые проявления катализа начинаются при смягчении условий (при температуре ниже 5000 К) и образовании первичных твердых тел.

C.Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия приближались к земным. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных органических молекул оставалось несущественным.

D.Проявление таких относительно несложных систем, как СН₃ОН, СН₂ = СН₂, Н₂СО, НСООН, а тем более аминокислот и первичных Сахаров, было некаталитической подготовкой старта для большого катализа.

E.Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния — известного количественного минимума органических и неорганических соединений — начала возрастать довольно быстро. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.

Принципы универсального (глобального) эволюционизма

Предметом острой моды в современной науке является концепция глобального эволюционизма — попытка физикалистскими и математическими средствами описать развитие Вселенной как целостной многоуровневой системы, создать формализованные модели ряда ключевых моментов эволюции (бифуркаций и катастроф, эволюционного компромисса как способа разрешения системных противоречий).

Основные тезисы глобального эволюционизма:

1. Наша Вселенная в силу связи всех ее составляющих есть некая единая система.

2. Ее эволюция — рост разнообразия форм материальной организации, ограничиваемый тенденцией к их единству и кооперативности — есть усложнение.

3. В процессе своей естественной эволюции Вселенная обретает с помощью человека способность не только познать саму себя, но и направлять свое развитие так, чтобы компенсировать или ослаблять дестабилизирующие факторы.

4. Главным из дестабилизирующих факторов пока является сам социум, возросшее могущество человека уже не позволяет рассматривать его в качестве независимой системы, вся история которой развивается на некоем фоне, называемом окружающей средой.

5. Ближайшая цель общественного развития – обеспечение коэволюции человека и биосферы, так как, если нагрузка на биосферу будет возрастать, она сделается непригодной для обитания, и том числе самого человека.

Для достижения сформулированной цели, согласно концепции глобального эволюционизма, следует избегать любых бифуркаций:

пока мы находимся внутри некоего канала, берега которого ограничивают множество возможных вариантов дальнейшей эволюции, мы можем предвидеть последствия своих действий, но если эволюция выйдет на пересечение ряда каналов (в точку бифуркации), где выбор дальнейшего направления станет случайным, это станет невозможным. Нам следует сознательно держаться своего канала, поскольку мы обладаем огромными возможностями разрушить его берега. Без этого длительное совместное развитие биосферы и самого человека остается благим намерением. Избежать бифуркационных состояний и ужиться с природой можно лишь на пути (в канале) сознательного усложнения системы «природа—человек». Условием такого сознательного усложнения является совершенствование технических возможностей человека, распространение таких технологий, которые позволяют максимально полно реализовать «дремлющие в природе» возможности.

Примером такой технологии может служить агроэкология, т.е. переход к агросистемам, отличающимся большим разнообразием видов, способностью к самозащите и не требующим для своего поддержания огромных доз ядохимикатов, дающих возможность обойтись без неумеренного орошения и глубокой механической обработки почвы. Такая технология позволяет отказаться от многого из того, что делает современное сельское хозяйство в его нынешних масштабах несовместимым с сохранением естественной составляющей биосферы. Внутреннее богатство новых сконструированных сложных систем укрепит наш "канал" новыми блоками.

Развитие с позиции глобального эволюционизма выглядит как совместное усложнение природного и социального.

Основные черты, характеризующие содержание и статус идеи глобального эволюционизма, составляющие содержание концепции глобального эволюционизма:

1. Концепция глобального эволюционизма - это систематизированный слой знаний, в рамках которого осуществляется сопоставление различных эволюционных концепций. Вне отдельных эволюционных теорий глобальный эволюционизм не имеет самостоятельного бытия, представляя собой «пространство» для их сопоставления.

2. В концепции глобального эволюционизма отображается структурная и генетическая общность процессов развития на разных уровнях материи. Вся познанная история Вселенной как самоорганизующейся системы - от Большого Взрыва до возникновения человечества - представляется в виде единого процесса - с генетической и структурной преемственностью 4-х типов эволюции - космической, химической, биологической и социальной.

3. Основные источники концепции глобального эволюционизма: современная теория биологической эволюции и космологические модели эволюции.

4. Основная форма реализации идеи глобального эволюционизма является экстраполяция основных понятий и принципов дарвиновского учения, а также понятий из других наук - на различные области эволюционирующих объектов.

Примеры:

• Дарвиновский принцип отбора применяют при построении космологических моделей к совокупности Вселенных или метагалактик.

• Принцип возрастания энтропии распространяется на всю нашу расширяющуюся Вселенную и т.д.

5. Важнейшие методы в разработке концепции глобального эволюционизма - предельно широкие экстраполяции и аналогии.

6. Методологическим фундаментом концепции глобального эволюционизма являются общефилософские представления о развитии сложных систем.

Их суть: развитие выступает как историческая связь изменений, фиксируемая в понятиях повторяемости, цикличности, преемственности, необратимости. Развитие всегда есть система качественных изменений объекта, которая характеризуется целостностью преобразований системы, их необратимым характером.

7. Место концепции в науке. Концепция «ГЭ» является важнейшим «блоком» современной естественнонаучной картины мира.

8. Ее ядро: анализ универсального процесса эволюции «по восходящей линии» - от низших элементарных форм развития квысшим.

Примеры:

1. Концепция «самоорганизующейся Вселенной» американского футуролога Э. Янча, основанная на обобщении принципов термодинамики неравновесных систем И. Пригожина. Глобальная эволюция прослеживается здесь от элементарных «диссипативных структур», выражающих процесс самоорганизации в «чистомвиде», до сложных иерархических систем в живой природе и обществе. Ключевое понятие концепции Э. Янча — понятие самоорганизации, которая есть не что иное, как «динамический принцип, порождающий богатое разнообразие форм, проявляющихся в биологической, экологической, социальной и культурной структурах, а также в физической реальности. Парадигма самоорганизации (по Янчу) это вся реальность как совокупность взаимосвязанных эволюционных процессов.

Процесс самоорганизации рассматривается на основе:

• специфической системной макродинамики,

• обмена энергией, веществом и информацией между системой и средой,

• коэволюции как процесса совместной эволюции системы и среды,

• самоэволюции, или эволюции самих эволюционных процессов.

Основное содержание концепции:

На основе системно-синергетического подхода Э. Янч создает модель динамически неустойчивой, эволюционирующей реальности на микро, макро- и мегауровне. Основные «образы» эволюции Вселенной - это «Большой Взрыв», космическая эволюция как коэволюция, «нарушение» пространственно-временных связей. Завершает концепцию глобальной эволюции Янча социобиологическая и социокультурная эволюция - эволюция сложных форм жизни и духовная эволюция, феномены, в которых весьма убедительно выражена самоэволюция, или эволюция эволюции.

2. Эволюционное учение Тейяра де Шардена (второй вариант глобального эволюционизма)

Основное содержание. В этом учении структурная и генетическая общность закономерностей эволюции прослеживается по нисходящей линии от высших структурных уровней материи к низшим. Основной целью является «установить вокруг человека, взятого за центр, закономерный порядок, связывающий последующее с предыдущим, открыть среди элементов универсума не систему непрерывных онтологических причинных связей, а эмпирический закон рекуррентности, выражающий их последовательное возникновение в течение времени»