Организация и самоорганизация систем.

Строение и уровни организации живой материи

• Биосфера

• Функции : энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная.

• Существует благодаря трофическим связям, сформированным около 3,4 – 3,5 млрд лет назад.

• В составе - нижние слои атмосферы: гидросфера и литосфера, глубиной до нескольких километров, приспособленные для жизни организмов.

• Распределение живого вещества неравномерно. Основная биомасса сосредоточена в тонком приземном слое, который имеет размер несколько сотен метров.

• Может быть условно разделена на экотопы и биоценозы.

• Экосистемы(биогеоценоз)

• Это единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой обитания, в котором живая и неживая природа связаны между собой обменом веществ, энергией и информацией.

• Необходимые компоненты – это биогенные вещества, продуценты, консументы, редуценты.

• Круговорот веществ в экосистеме обеспечивается солнечной энергией.

• Популяции, виды

• Эволюционные процессы в живой природе происходят на уровне популяций, а не отдельных особей.

• Популяции являются открытыми самоорганизующимися системами.

• Число видов животных от 1,5 до 2 млн.: 75% составляют членистоногие,

• позвоночные – 4%, из них 2% - рыбы; млекопитающих животных порядка 3500 видов, при этом 2500 видов относятся к грызунам.

• Число видов растений – около 500 тыс.

• Организмы

• Сложные целостные системы, способные к самостоятельному существованию.

• Целостные самоорганизующиеся, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы.

• Органы

• Составляют основу органной системы.

• Состоят из специализированных клеток.

• Клетки

• Плазматическая мембрана(«активный» пограничный слой, участвующий в транспортировке необходимых клетке веществ, и выводе различного материала)

• Цитоплазма(студенистое вещество с органеллами)

• Гладкая эндоплазматичекая сеть(связана с синтезом жиров)

• Ядро с ядрышком(содержит генетический материал, закодированный в молекулах ДНК)

• Шероховатая эндоплазматичекая сеть(связана с синтезом белков) с рибосомами(отвечающими за«сборку»белковых молекул, выводящихся из клетки)

• Комплекс Гольджи(мембранная структура для преобразования и транспортировки белков)

• Митохондрии(содержат ферменты, расщепляющие жиры, и отвечают за энергопродукцию)

• Лизосомы(содержат ферменты, расщепляющие крупные, в т.ч. вредные, молекулы, поступающие в клетку)

• Биополимеры

Углеводы— аккумуляторы энергии.

Жиры илипиды - гидрофобные вещества. При расщеплении выделяют огромное количество энергии.

Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, в состав которых могут входить два типа углеводов: рибаза и дезоксирибаза.

Белки-самые сложные молекулы, которые состоят из определённых последовательностей аминокислот.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

-жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм) или неоднократно (теория катастроф);

- жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

- жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

- жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение) Анаксимандр из Милета (VI до н.э.): жизнь из морского ила. Фалес (VI век до н.э) : живые существа из воды, сама жизнь есть свойство материи. Анаксагор (V век до н.э.): жизнь из семян, которые существуют везде и всегда.

Аристотель (384-322 в до н.э.): достаточно было смочить сухое тело, чтобы в нем зародились живые существа. ;

- жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Современная теория эволюции :синтетическая, или общая, теория эволюции

Соединение дарвинизма с генетикой началось в 20-е годы 20 столетия. Принципиальные положения синтетической теории эволюции были заложены работами С.С.Четверикова (1926) по популяционной генетике.

Механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей:

1.случайные мутации на генетическом уровне;

2.наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, т. к. их носители выживают и оставляют потомство.

Структурно СТЭ состоит из теорий микро- и макроэволюции.

Теория микроэволюции изучает необратимые преобразования генетико-экологической структуры популяции, которые могут привести к формированию нового вида. Вид существует в виде популяций, именно популяция является элементарной единицей эволюции.

Теория макроэволюции изучает происхождение надвидовых таксонов (семейств, отрядов, классов и т.д.), основные направления и закономерности развития жизни на Земле в целом, включая возникновение жизни и происхождение человека как биологического вида.

Но макро- и микроэволюция происходят в конечном итоге под воздействием изменений в окружающей среде.

Н.В.Тимофеев-Ресовский сформулировал положение об элементарных явлениях и факторах эволюции:

· элементарная эволюционная структура – популяция, которая выступает той реальной целостной системой взаимосвязи организмов, которая обладает всеми условиями для саморазвития, прежде всего способностью наследственного изменения в смене биологических поколений.;

· элементарное эволюционное явление - изменение генотипического состава популяции. В рамках популяции происходят наследственные изменения генофонда.;

· элементарный эволюционный материал - генофонд популяции Элементарной единицей наследственности выступает ген (участок молекулы ДНК, отвечающий за развитие определенных признаков организма).;

· элементарные эволюционные факторы - мутационный процесс (относят генные, хромосомные, геномные мутации), «волны жизни» (популяционные волны- количественные колебания в численности популяций под воздействием различных причин - сезонной периодики, климатических, природно-катастрофических и пр.), изоляция(закрепляет возникшие как случайно, так и под действием отбора различия в наборах и численности генотипов в изолированных частях популяции. Различают два типа изоляции: пространственно-географическую, и биологическую, или репродуктивную), естественный отбор (его генетическая сущность дифференцированное (неслучайное) сохранение в популяции определенных генотипов и избирательное их участие в передаче генов следующему поколению).

СТЭ не является застывшей концепцией. У нее есть ряд трудностей, на которых основываются недарвиновские концепции эволюции, как уже упоминавшиеся выше, так и недавно возникшие, например, пунктуализм. Сторонники этой концепции считают, что процесс эволюции идет путем редких и быстрых скачков, а в 99 % своего времени вид пребывает в стабильном состоянии (стазисе). В предельных случаях скачок к новому виду может совершаться в течение одного или нескольких поколений, и в популяции, состоящей всего из десятка особей.

Организация и самоорганизация систем.

Если задуматься, то структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между элементами той или иной системы.

Под организацией системы будем понимать изменение структуры системы, определяемое внешними условиями, при котором она функционирует.

Если изменение системы к некоторому относительно устойчивому состоянию происходит благодаря наличию внутренних связей и связей с внешней средой, а не из-за каких-либо дополнительных влияний извне, то это изменение называется самоорганизацией.

Система называется самоорганизующейся, если она без специфического воздействия (т.е. такого воздействия которое навязывает системе структуру или функционирование) извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру.

Процессы самоорганизации могут иметь место только в системах, обладающих высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жёсткий, а вероятностный характер. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты самой различной природы: живая клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив и т. д. Процессы самоорганизации происходят за счёт перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы.

Различают три типа процессов самоорганизации. (На них останавливаться не будем).

Отличительная особенность процессов самоорганизации — их целенаправленный, но вместе с тем и естественный, спонтанный характер: эти процессы, протекающие при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны, относительно независимы от неё. Самоорганизация - это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи.

Динамика развития систем приводит к последовательному изменению их структур. Проявлением свойства открытости является изменение структуры сложной системы в процессе ее взаимодействия с окружающей средой.

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. Подавляющее же большинство реальных систем во Вселенной – это открытые системы, которые обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. К такого рода системам относятся и системы, которые больше всего интересуют человека, значимы для него - биологические и социальные системы.

Сегодня у всех на слуху две науки: экология и синергетика. К какой области знания их отнести?

Термин «экология» (эйкос — дом, среда; логос — учение, наука) впервые был использован немецким зоологом Э. Геккелем в 1867 году для описания взаимосвязей растений и животных со средой обитания. Долгие годы экология была чисто биологической наукой. Сегодня она вышла далеко за ее рамки. Известны слова биолога А.В. Яблокова: «Экологический подход к исследованию явлений стал всеобщим, и сейчас трудно говорить об экологии как отдельной науке; это скорее особое видение любого предмета исследования — от культуры до внутриклеточных процессов... Экология как таковая — это и человековедение, или, лучше, обществоведение». Насчитывается около ста различных направлений экологии, которые можно объединить в три больших блока:

- биологическая экология (изучает взаимосвязи животного и растительного мира со средой обитания);

- социальная экология (изучает взаимосвязи человека и человеческого общества со средой обитания, называемой социоприродной);

- инженерная экология (изучает влияние техносферы на социоприродную среду, предлагает технические способы решения экологических проблем).В СВЯЗИ С ЭТИМ ВСТАЛ ВОПРОС О СОТРУДНИЧЕСТВЕ ДВУХ КУЛЬТУР.

В основе науки экологии лежат фундаментальные законы развития природы и общества. В наиболее простом виде эти законы сформулировал Б.Коммонер в своей книге «Замыкающийся круг» (в биоэкологии рассматриваются свои, более специфические (законы) афористические правила — принцип конкурентного исключения, закон минимума, закон толерантности и т.д.):

- все связано со всем (все процессы и явления, протекающие в природе и обществе взаимосвязаны);

- все должно куда-то деваться (развитие социоприродных систем, в том числе общества, происходит за счет окружающей среды);

- природа знает лучше (мы знаем сравнительно немного о механизмах и функциях природы и, пытаясь ее «улучшить», зачастую ей вредим; машины, механизмы и технологические процессы, которые создает человек, это лишь жалкие попытки скопировать природу; во взаимодействии с природой человек во многом не в состоянии предусмотреть последствия своей деятельности);

- ничто не дается даром (это, по сути, закон сохранения и превращения энергии; если выигрываешь в одном — проигрываешь в другом).

Термин «синергетика» (синергос — совместно действующий) был предложен немецким физиком Г.Хакеном для обозначения области науки, изучающей процессы самоорганизации в социоприродной среде.

Классическая наука, несмотря на колоссальные открытия XX века, до настоящего времени остается на механистических позициях, занимаясь поиском первокирпичиков мироздания (атомы, элементарные частицы, кварки).

НО сегодня в науке вызревает новый подход, связанный с переходом от изучения объектов к изучению их отношений и процессов. Формируется новый подход к представлениям об окружающем мире — синергетический, позволяющий объяснить образование упорядоченных устойчивых систем на основе самоорганизации.

Основы синергетики разработаны в исследованиях Г. Хакена, И. Пригожина, Г. Николиса. Большой вклад в становление идей синергетики внесли наши соотечественники: химик А. П, Руденко, физик Ю. Л. Климентович, математики А. Н. Колмогоров и Я.Г.Синая. Пока даже нет однозначного толкования термина «синергетика». Есть несколько представлений о том, что такое синергетика:

1. Синергетика как совокупность общих идей научного познания.

2. Синергетика как междисциплинарный метод изучения определенного класса систем.

3. Синергетика — не наука, а подход к описанию сложных систем, структур, процессов.

4. Синергетика - наука, изучающая закономерности поведения открытых, диссипативных, нелинейных систем вдали от их равновесия.

Целью синергетики является выявление общих идей, методов и закономерностей развития социоприродных систем и отражение их в разных областях знания.

Примеры самоорганизующихся систем существуют во всех естественных науках:

· лазер, создающий высокоорганизованное оптическое излучение;

· эффект Бенара - при нагревании жидкости на ее поверхности возникает динамическая упорядоченная структура, напоминающая кристалл в виде сеточки с ячейками гексагональной формы. В центральной части такой ячейки жидкость поднимается вверх, а по граням опускается. По поверхности жидкость растекается от центра к краям, а в придонном слое – к центру;

· конвективное движение молекул воздуха в атмосфере с образованием таких зон, внутри которых теплый воздух поднимается вверх, а по краям этих зон холодный воздух движется вниз, в результате совместного действия гравитационного поля Земли и градиента температур (при случайном превышении некоторого критического значения), создаваемого внешним источником тепла, например, океаном, нагретым Солнцем;

· реакция Белоусова-Жаботинского - это автоколебательные процессы при окислении-восстановлении солей церия: Се3+, Се4+. На стадии окисления жидкость становится красной, при восстановлении - синей. Окраска раствора постоянно периодически изменяется;

· в биологии к числу синергетических явлений относятся мышечные сокращения, электрические колебания в коре головного мозга и т. д.

Основными свойствами всех самоорганизующихся систем являются:

I. Открытость; открытыми называются такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного потока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, которые неизбежно стремятся к однородному равновесному состоянию. Открытые системы – это системы необратимые, в них важным оказывается фактор времени.

Изучение неравновесных состояний позволяет придти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку. Отличие неравновесной структуры от равновесной заключается в следующем:

1. система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т.п.);

2. поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории;

3. приток энергии создает в системе порядок, и стало быть энтропия ее уменьшается;

4. наличие бифуркации - переломной точки в развитии системы; в точках бифуркации становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и окружающей ее среды. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, при этом роль случайных факторов резко возрастает. В точках бифуркации принципиально невозможно сказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности, система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития.

5. когерентность, система ведет себя как единое целое, как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил. Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (порядка 10^-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была "информирована" о состоянии системы в целом.

II. Нелинейность; в математическом плане нелинейность относится к определенному виду уравнений, которые содержат коэффициенты, зависящие от свойств среды, и имеют несколько (более одного) решений. Отсюда вытекает и качественный, физический смысл нелинейности: множеству решений нелинейных уравнений соответствует множество путей эволюции системы, описываемой этими уравнениями. Нелинейность в самом общем, мировоззренческом плане может быть развернута посредством идеи многовариантности (или, как принято еще говорить, альтернативности) путей эволюции.

Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто имеют пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком, разрушается сложившаяся структура, в ней происходят радикальные качественные изменения.

Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях могут создаваться отношения обратной положительной связи между системой и средой. Положительная обратная связь означает, что система так влияет на среду, что в ней вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь, обратно воздействуют на изменения в самой этой системе.

III. Диссипативность; это качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Процессы, протекающие в системе, качественно отличаются оттого, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Для поддержания диссипативности требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Система может быть в целом неравновесной, но уже некоторым образом организованной, упорядоченной. Такие структуры И.Пригожин назвал диссипативными структурами. Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, может совершаться переход от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи. Весь мир, доступный нашему познанию, состоит из диссипативных систем, и в этом мире обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивость.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости переходит в одно из многих возможных для нее устойчивых состояний. В точке бифуркации эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана – решает случай! Это связано с тем, что в системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации. Под действием одной из них и происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и «выбор» конечного состояния оказывается случайным. Но после того, как «выбор сделан», и система перешла в качественно новое устойчивое состояние – назад возврата нет. Процесс этот необратим, следовательно, развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран, случаем – однозначно спрогнозировать нельзя. Феномен бифуркации также заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, в природе в целом. Если в фазе эволюции ход процессов закономерен и жестко детерминирован, то скачок всегда происходит случайным образом и поэтому именно случайность определяет последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке.

При протекании самоорганизации в явном виде обнаруживается «стрела времени» - однонаправленность времени от прошлого к будущему. Ведь скачок в точке бифуркации всегда случаен, определяется уникальным сочетанием множества факторов, воссоздать которые вновь практически невозможно.

Синергетика изучает необычные для классического и неклассического естествознания стороны мира: его нестабильность, многообразие изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, делает возможным моделирование катастрофических ситуаций и др.

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

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

2. 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, как в живой, так и в неживой природе.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: