Самоорганизация в природе в терминах параметров порядка

 

Система может быть определена как комплекс взаимодействующих элементов (определение Берталанфи).

Систему можно определить как любую совокупность переменных, которую исследователь выбирает из числа переменных, свойственных реальному объекту (определение У.Р. Эшби).

Системой является произвольная вещь, на которой реализуется какое-то отношение, обладающее произвольно взятым определенным свойством. И двойственная формулировка: системой является произвольная вещь, на которой реализуются какие-то свойства, находящиеся в произвольно взятом определенном отношении (определение Уёмова А.И).

Системные исследования продвигаются вперед, имеют успех, несмотря на отсутствие общепринятого общего (абстрактного, для всех случаев справедливого) определения систе­мы.

Выделим для наглядности те характеристики, с которыми, прежде всего, ассоциируется наша интуиция системы: наличие системообразующего фактора (свойства или отношения), который выражает смысл системы; смысл системы часто называют эмерджентным свойством системы, т.е. свойством, которым обладает система, но не обладают какие-либо ее части сами по себе.

Система обладает структурой, посредством которой на определенном субстрате реализуется концепт и благодаря которой система есть то, что она есть, т.е. получает эмерджентное свойство. Структура есть не что иное, как отношения между элементами системы. Система содержит также элементы, которые упорядочены структурными отношениями.

Элементы и структура вторичны по отношению к концепту: концепт определяет, что является элементами системы и каково их структурное взаимоотношение, а не наоборот. Система является определенным единством, целостностью, индивидуальностью. Система как индивидуальность выделена из окружающей среды, отличается от нее. Системы нет без окружающей ее среды. Система имеет непространственную границу, которая отделяет ее от внешней среды. Система имеет каналы связи между системой и внешней средой, называемые входами и выходами системы.

В системных исследованиях очень часто бывает полезно изобразить систему графически. Для этого используются обычно две модели системы: модель черного ящика и модель белого ящика.

Модель черного ящикаиспользуется в тех случаях, когда особый интерес для исследователя представляет взаимоотношение системы со средой. Если у системы есть внешняя окружающая среда, то должна быть и связь системы с ней, какое-то взаимное влияние их друг на друга. Между ними должны быть и граница, и каналы связи – это схема модели «черного ящика», показанная на рис. 7.

 

Рис. 7. Модель «черного ящика» изучаемой системы

 

Характер связи системы с внешней средой, как правило, далеко не очевиден и часто требует специального изучения. Внешняя среда влияет на систему через каналы связи, называемые входами системы (см. рис. 9

модель «черного ящика»). Это название подчеркивает отсутствие сведений о содержании черного ящика, т.е. о внутренних характеристиках системы. В этой модели задаются, фиксируются только входные и выходные связи системы с внешней средой. Такая модель часто оказывается полезной, несмотря на кажущуюся простоту и бедность.

Если сигналы с выхода системы попадают на вход системы по каналу обратной связи в фазе (сдвиг фаз равен 0⁰, либо 360⁰) то такую обратную связь называют положительной, если сдвиг фаз равен 180⁰, то отрицательной.

Н. Винер связывал суть науки об управлении с организацией и самоорганизацией, которая рассматривалась им как антипод энтропии, фактор, противостоящий тенденции роста мирового хаоса.

Под самоорганизацией понимается способность к стабилизации некоторых параметров посредством направленной упорядоченности ее структуры с целью противостоять энтропийным факторам среды. Самоорганизация – это структура в действии.

Для процесса самоорганизации характерны следующие структурные компоненты и свойства:

1. Механизм управления, представленный в том или ином виде и отвечающий за получение, оценку, пе­реработку сигналов, несущих информацию и формулирование программы ответного действия.

2. Канал обратной связи.

К свойствам процесса самоорганизации относятся следующие:

1. Самоорганизующаяся система сохраняет состояние термодинамического равновесия.

2. Негаэнтропийный характер самоорганизующейся системы обеспечивается использованием управляющей информации.

3. Самоорганизующаяся система обладает функциональной активностью, (консерватизмом) выражающейся в противодействии внешним силам.

4. Самоорганизующаяся система обладает выбором линии поведения.

5. Целенаправленность действий.

6. Гомеостаз и связанная с ним адаптивность системы.

Рассмотрим механизм, обеспечивающий организационный процесс. Пусть имеется некоторая система с направленным, на нее внешним воздействием – вход системы. Вместе с вещественно-энергетическим потоком в нее попадает информация, представляющая собой собственную упорядоченность этого потока.

Эта информация оценивается в особом блоке системы – механизме управления, которым может быть система сравнения, или «свой–чужой».Если последняя ломается, то это проявляется в виде «терроризма». Здесь же вырабатывается программа ответного действия, система реагирует на воздействие извне. В выходном вещественно-энергетическом потоке также имеется информационная составляющая. Часть ее по каналу обратной связи (см. рис.2.) поступает на вход системы и снова попадает в механизм оценки и переработки информации. В результате система получает сведения об эффективности ее ответной реакции и изменяет направление и интенсивность действия, если это нужно для самостабилизации.

Таким путем многократного самоконтроля системы получившие название «самоорганизующиеся», настраиваются на внешние факторы, достигают равновесия с условиями среды существования и тем самым сохраняют себя рис.2. Если сигнал с выхода через цепь обратной связи попадает на вход в фазе, то такая обратная связь называется положительной обратной связью, если в противофазе, то – отрицательной обратной связью. Первая способствует раскачке системы (например, качелей), второй вид обратной связи – стабилизации, торможению, детерминизму… Можно выделить три основные характеристики процесса самоорганизации систем: гомеостаз, обратная связь, информация.

Гомеостаз. Слово «гомеостаз» произошло от двух греческих слов: homois – подобный, одинаковый, сходный и stasis – неподвижность, состояние. Это относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. Понятие «гомеостаз» применяют к биоценозам (сохранение постоянства видового состава и числа особей), в генетике, кибернетике. Таким образом, гомеостаз – то стремление живой системы сохранить стабильность своей организации, рода, популяции.

Гомеостаз присущ любому существу, любой живой системе. Стремление к гомеостазу – мощнейший фактор эволюции, открывает прямое влияние на интенсивность естественного отбора.

Разрушение организации живой системы означает ее гибель; живое всегда стремится сохранить свою стабильность – это факт эмпирический. Для неживой материи стремление сохранить свой гомеостаз выражен в принципе Ле Шателье–Брауна (принцип подвижного равновесия), который является следствием закона сохранения. Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нубудь из условий, определяющих равновесие, то равновесие смещается в том направлении, в каком эффект возмущающего воздействия уменьшается.

Устойчивость, доведенная до предела, прекращает свое развитие.Чересчур стабильные системы – тупиковые формы, развитие которых прекращается.Чрезмерная адаптация или специализация столь же опасна для совершенствования, как и его неспособность к адаптации. То есть стремление к гомеостазу должно компенсироваться другими тенденциями, определяющими рост раз­нообразия.

Механизм обратной связи – это механизм, определяющий изменение состояния, являющийся реакцией на внешнее воздействие и определяющийся этой реакцией.

Существуют отрицательные обратные связи, которые поддерживают гомеостаз, т.е. компенсируют внешнее воздействие (сохраняют динамическое равновесие) и положительные обратные связи, которые ухудшают стабильность системы и приводят, в конце концов, к возникновению новой структуры. Стремление к гомеостазу формирует механизмы не только отрицательных, но и положительных обратных связей, так как оно компенсируется тенденцией разнообразия. Одна из таких тенденций порождается принципом минимума диссипации энергии (рассеяния энергии). Суть этого принципа: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законом сохранения энергии и принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеяние энергии, или, что тоже самое, минимальный рост энтропии (рыба ищет – где глубже, человек – где лучше, и никто не перетрудиться, так устроена мудрая консервативная природа)

Живые системы – это всегда открытые системы. Живым системам свойствен метаболизм, т.е. обмен энергией и ве­ществом с внешним миром (обмен веществ), без которого они существовать не могут. Одной из ведущих тенденций развития живых систем является стремление к наибольшей степени использовать энергию внешней среды, уменьшая тем самым свою локальную энтропию.

Это является эмпирическим фактом: так же, как и стремление сохранить гомеостаз, живому свойственней стремление так изменить систему, направить эволюционный процесс в такую сторону, чтобы увеличить способность системы усваивать внешнюю энергию и вещество.

Таким образом, одной из особенностей любого из важнейших эволюционных процессов, протекающих в живом мире, является противоречие между тенденциями к стабильности, т.е. сохранению гомеостаза, иукреплению отрицательных обратных связей, и тенденциями к поиску новых, более рациональных способов использования энергии и вещества,т.е.укреплению положительных обратных связей. Способы решения этих противоречий могут быть различными, и это обстоятельство ответственно за самые разнообразные организационные формы материального мира.

Распространена теория двойственной обратной связи, согласно которой обратная связь в природных системах представлена в двух формах: информационной и неинформационной. Считается, что неинформационный тип распространен в неживой природе, а информационный появляется, начиная с органического уровня материи. Организация систем в живом мире порождает совершенно иной, новый тип механизмов развития, неизвестный в неживой природе, содержащий механизмы комбинированной (положительной и отрицательной обратной связи, переключающиеся в зависимости от результата воздействия среды) обратной связи. Это и есть та главная особенность, которая отличает живое от неживого. Однако некоторые прокариоты и вирусоподобные существа, традиционно относимые к живому миру, по-видимому, все-таки лишены способности формировать петли комбинированной обратной связи.

Содержание понятия информации тесно связано с понятием отражения. Отражение – всеобщее свойство движущейся материи, которое выражается в способности любого объекта на воздействие извне отвечать определенным действием. Способность каждого предмета или явления реагировать тем или иным способом на воздействие извне сопровождается определенными изменениями своей структуры, в результате чего отражаемым и отражающим объектами устанавливается соответствующее структурное отношение.

Таким образом, информация – это отраженная структура, воспроизводящая структуру оригинала, отраженное разнообразие. Растительный мир, животный мир, мыслящий человек и человеческое общество – это гигантская иерархия систем с информационной самоорганизацией.

Теория информации – это раздел кибернетики, занимающийся методами описания, оценки, хранения, передачи и использования информации Основные понятия теории информации – количество информации, емкость, пропускная способность канала связи и скорость передачи информации по нему.

Изменения, происходящие в системе в результате отражения или спонтанно, реализуются в форме вещественных или энергетических сигналов. Информация– это содержание сигнала, а значит, содержание отражения и изменения вообще.

Т.о можно говорить, о двух видах информации: информациякак мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и времени,мера разнообразий (сложности, организации, порядка), мера изменений, которыми сопровождаются все протекающие в мире процессы; информация как форма мышления, которое является высшим продуктом мозга.

Контрольные вопросы

 

1. Что такое «стрела времени»?

2. Перечислите основные свойства времени.

3. В чем причина необратимости времени?

4. Что такое самоорганизованная пространственная диссипативная структура в неживой природе?

5. Приведите пример самоорганизованной временной диссипативной структуры в неживой природе

6. В чем заключается химическая основа морфогенеза – возникновение сложной структуры живого организма в ходе эмбрионального развития?

7. Приведите пример самоорганизации системы в живой природе.

8. Приведите примеры эволюционного развития в микро-, макро- и мегамире.

9. Что такое самоорганизация?

10. Что такое синергетическая среда?