Реферат на тему самоорганизация в живой и неживой природе

Обновлено: 04.07.2024

Концепция синергетики в современной науке широко применяется для исследования самых разнообразных явлений:

биологических,
химических,
социальных,
физических и т.д.

Кроме этого, синергетика позволяет построить общую картину эволюции на единой основе, а также выявить основные закономерности развития Вселенной.

Если посмотреть на историю Вселенной, можно заметить постоянный рост сложности всех подсистем. Изначально появились элементарные частицы, потом самые простые атомы гелия и водорода, далее более сложные атомы, из которых состоят первые живые клетки и т.д. Последней ступенью в эволюции живого является человек.

Говоря другими словами, история Вселенной – это некая борьба негэнтропии и энтропии – порядка с хаосом. и пока эта борьбы была довольно успешной, так как процессы самоорганизации приводили к возникновению все более сложных структур.

Самоорганизация физических систем началась задолго до того, как началась разработка теории самоорганизации. Такое явление экспериментальным путем было зафиксировано Х. Бернаром в процессе опыта с образованием призматических ячеек в вязкой жидкости. Для этого Берна налива ртуть в плоский сосуд, который подогревался снизу. По достижении критического значения разницы температур нижнего и верхнего слоя ртути верхний слов распадался на большое количество шестигранных призм, сторона и высота которых имела определенное соотношение. Такие структуры стали называться ячейками Бернара и являются классическим примером самоорганизации.

Образование облаков, снежинок, галактик и Вселенной являются другими примерами самоорганизации в неорганической природе.

Самоорганизация в живой природе и в социальной жизни

Процесс самоорганизации в живой природе является типичным процессом, так как сама жизнь возникла в результате самоорганизации неорганической материи. Живые организмы являются сильно неравновесными системами и потребляют энергию и вещество из окружающей среды. Образование популяций и биогеоценозов также является примером процесса самоорганизации. Мозг человека с процессами творчества и мышления тоже рассматривается в качестве самоорганизующейся системы.

Готовые работы на аналогичную тему

В общественной жизни в качестве диссипативной системы рассматривается экономика, где аналогичную диссипации функцию выполняет конкуренция. На сегодняшний день понятия и образы синергетики активно применяются в процессе исследования идеальных образований, таких как язык, искусство, знание и т.д.

Благодаря синергетике можно рассмотреть универсальную схему процесса эволюции, которая выглядит следующим образом.

На начальной стадии эволюции происходит медленное развитие свойств системы. Данный процесс является достаточно предсказуемым. В определенный момент происходит кумуляция внутренних сил либо внешнее воздействия доходит до критического значения, либо оба этих процесса вместе. При этом происходит быстрое изменение параметров системы, а состояние системы, ранее стабильное, резко снижает степень стабильности. В такой ситуации даже малейшее воздействие способно перевести этап эволюции на новый путь, а развитие потом пойдет по другой линии. Снова наступит спокойный участок, который затем в определенный момент вновь сменится новым бифуркационным процессом.

Бифуркация в общей эволюционной схеме

Механизм бифуркации имеет большое значение в общей эволюционной схеме. Именно такой механизм является источником роста многообразия разного вида форм организации материи, и, соответственно, непрерывно увеличивающейся сложности ее организации. Помимо этого, ввиду вероятностного характера процесса бифуркации, вероятность обратного эволюционного хода стремится к нулю. А это связано с еще одним фундаментальным фактом –невозможна обратимость не только эволюционного процесса, но и времени. общая направленность эволюционного процесса заключается именно в этом.

Так выглядит общая схема самоорганизационных процессов, которые в общих чертах справедливы и для живой материи, и для общества, и для неживой материи. Несмотря на общность, эта схема отражает такую особенность процессов эволюции, как направленность. Все эти процессы направлены в сторону усложнения организации Вселенной и роста разнообразия организационных форм. В эволюционной теории Дарвина отмечалось, то это положение справедливо для живого мира. Однако, это является справедливым для всех процессов самоорганизации, включая и Вселенную.

Таким образом, в ходе самоорганизации непрерывно разрушаются старые и появляются новые структуры, новые формы организации материи, которые обладают новыми свойствами. Следует отметить, что качественно это те же самые образования, которые отличаются только геометрическими формами, размерами или другими физическими особенностями. Во Вселенной происходит возникновение уникальных образований, возникновение новых бифуркаций, в результате чего формируются новые структуры, аналогов которым еще не было.

Процессы объединения элементов происходят непрерывно и на всех уровнях организации материального мира. данный процесс является универсальным. Все уровни мироздания пронизывает тенденция к кооперативности. Поэтому гипотеза, согласно которой процесс формирования новых форм организации материи подчиняется тем же фундаментальным законам, имеет право на существование. Механизмы, определяемые этими фундаментальными законами, называются механизмами сборки. Под действием этих механизмов появляются новые образования, которые обладают новыми свойствами. В ряде случаев эти свойства можно предсказать исходя из свойств элементов данных систем. Однако, это возможно далеко не во всех случаях.

Наиболее ярким примером является вода, которая обладает зависимостью плотности от температуры. Данное свойство невозможно вывести из свойств атомов кислорода и водорода. Таких примеров бесчисленное множество в сфере живого вещества и социальных отношений.

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.

Синергетика как наука самоорганизации в живой и неживой природе

Синергетика - новая наука современности

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 и неживой 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.

Синергетика сформировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.

С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь как из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, и не только механическую, но и работу по созиданию новых структур.

Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат.

В девятнадцатом веке Ч. Дарвином была создана теория эволюции живой природы, которая вывила условия и механизмы возникновения новых видов жизни. Синергетика делает то же самое в отношении неживых уровней организации материи – элементарных частиц и т.д.

Современная наука достаточно сильна накопленным потенциалом научного знания и имеет определенную устойчивость, ввиду зависимости финансовых и интеллектуальных вложений в нее со стороны общества от практической полезности получаемых результатов. Тем не менее, смешение научного знания с элементами обывательского доверия и даже мистики может ослаблять в какой–то мере науку как форму общественного сознания. Сказанное имеет для синергетики значение, поскольку в нее более, чем в другие области происходит ''слив'' невостребованной обществом познавательной активности. Эта роль своеобразного отстойника имеет, очевидно, свои плюсы и минусы. Необходимо лишь отметить, что существующая ситуация должна ясно осознаваться авторитетными учеными, руководителями и спонсорами.

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 и (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]

Синергетическая концепция самоорганизации

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]

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.[6]

Список литературы

Горелов А.А. Концепция современного естествознания. – М.: Высшее образование. 2005. 335 с

Данилов Ю.А., Кадомцев Б.Б. Что такое синергетика// Нелинейные волны. Самоорганизация. М.: Наука, 1983.

Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 1997. – 320 с.

Учебник для вузов (под ред. проф.В.Н. Лавриненко, проф.В.П.Ратникова: 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2006. – 79 с.

Хакен Г. ''Синергетика'' М.: Наука, 1980

[1] Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 1997. – 276-277 с.

[2] Учебник для вузов (под ред. проф.В.Н. Лавриненко, проф.В.П.Ратникова: 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2006. – 79 с.

[3] Горелов А.А. Концепция современного естествознания. – М.: Высшее образование. 2005. 126 с.

реферат. Самоорганизация в живой и неживой природе..docx

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учереждение

Высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Реферат на тему: Самоорганизация в живой и неживой природе

Введение. Синергетика.
Самоорганизация. Основные свойства систем.
Самоорганизация в неживой природе.
Самоорганизация в живой природе.
Заключение. Отличительные черты.

Введение. Синергетика.

Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем) и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды[источник не указан 146 дней]. Аналогично — и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике.

Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В означенных системах не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.

В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Самоорганизация. Основные свойства систем.

Самоорганизация, процесс, в ходе которого создаётся, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. 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. 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.

Различают 3 типа процессов Самоорганизация

Первый - это самозарождение организации, т. е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями (например, генезис многоклеточных организмов из одноклеточных).

Второй тип - процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий её функционирования [здесь исследуются главным образом гомеостатические механизмы , в частности механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи].

Третий тип процессов Самоорганизация связан с совершенствованием и с саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.

Общие свойства систем, способных к самоорганизации.

Самоорганизация - процесс эволюции от беспорядка к порядку. Естественно энтропия системы, в которой происходит самоорганизация, должна убывать. Однако это ни в коей мере не противоречит закону возрастания энтропии в замкнутой системе т.е. второму началу термодинамики

Таким образом, можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отлично от состояния статистического равновесия. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием. В приведенном выше примере с ячейками Бенара внешнее воздействие - нагревание сосуда приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости. В электрических генераторах внешнее воздействие - напряжение, создаваемое источником, приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника. Состояние системы, далекой от равновесия, является неустойчивым в отличие от состояния вблизи равновесия, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.
Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. В ряде случаев это достаточно очевидно, поскольку, например, макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако, если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций - макроскопических неоднородностей. Роль флуктуаций в процессах самоорганизации, как мы далее покажем, оказывается весьма важной, поэтому рассмотрим это понятие подробнее. Если мы возьмем макроскопический сосуд, в котором находятся порядка десяти молекул, то понятия плотности или давления в такой системе теряют смысл. Эти понятия применимы лишь к сосуду, содержащему большое число частиц, именно в этом случае мы можем измерить давление нашими приборами. При статистическом равновесии, как следует из определения, в различных областях пространства сосуда прибор должен показывать одинаковое давление. Однако оказывается, что в достаточно малых (но макроскопических) областях в какие-то моменты времени это давление, а следовательно, и плотность, отличаются от среднего давления и средней плотности в сосуде. Самопроизвольное (спонтанное) отклонение от состояния статистического равновесия и называется флуктуацией. В случае с газом или жидкостью в сосуде флуктуации давления невозможно наблюдать обычными манометрами. Тем не менее, именно такими флуктуациями объясняется броуновское движение. Его можно наблюдать, если в сосуд с жидкостью поместить легкую, но в то же время видимую в микроскоп частицу (напомним, что молекулы жидкости наблюдать в микроскоп невозможно). Опыт показывает, что частица совершает сложные хаотические, но вполне регистрируемые движения (рис. 16.2). Такое движение было названо броуновским. Объяснение этого опыта было дано А. Эйнштейном, который показал, что оно является результатом возникновения по разные стороны частицы областей с разным числом молекул жидкости. Наличие флуктуаций характерно для любой системы, содержащей большое число частиц.
Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. В задачу данного курса не входит исследование уравнений, поэтому мы не будем давать строгого определения нелинейности, а лишь проиллюстрируем некоторые важные свойства, следующие из нелинейности уравнений. Именно: в системах, эволюция которых описывается линейными уравнениями, малые изменения начального состояния приводят к малым изменениям конечного состояния через ограниченный промежуток времени, а для систем, описываемых нелинейными уравнениями, такое свойство, вообще говоря, не имеет места.

Для иллюстрации рассмотрим движение материальной точки в однородном поле тяжести, которое, как известно из школьного курса физики, описывается уравнением:

r(t) = r0 + vo (t - t0) + g (t-t0)2 / 2

В этом уравнении начальное состояние в момент t0 определяется начальной координатой r0 и начальной скоростью vo, от которых уравнение зависит линейно. При малом изменении этих параметров координата и скорость в любой последующий момент времени изменятся незначительно.

Противоположный пример, когда малые изменения начальной координаты и начальной скорости приводят к радикальному изменению эволюции, реализуется в игре "детский биллиард". Скатываясь по наклонной плоскости шарик ударяется и отскакивает от нескольких штырьков. Достаточно очевидно, что конечное состояние (положение) шарика полностью определяется начальными условиями и, в то же время, повторить траекторию шарика практически невозможно (в чем собственно и заключается смысл игры). Если описать движение шарика при помощи уравнений, которые в этом случае имеют, естественно, более сложный вид, то оказывается, что эти уравнения нелинейно зависят от начальных условий.

Строго говоря, фундаментальные законы естествознания в современных теориях всегда являются нелинейными, линейность является некоторым приближением, которое иногда оправдано. Говоря о том, что системы, способные к самоорганизации описываются нелинейными уравнениями, мы подразумеваем, что эффекты, обусловленные нелинейностью, являются достаточно значительными по сравнению с флуктуациями.

Заметим, что при планировании своих действий человек на уровне обыденного сознания всегда мыслит в линейном приближении, которое часто не оправдано, если речь идет о достаточно сложных системах, например при планировании социальных и экономических процессов в обществе. А в результате - "хотели, как лучше, а получилось, как всегда".

5. Самоорганизация всегда связана с самопроизвольным понижением симметрии. Красивая симметричная снежинка имеет, тем не менее, более низкую симметрию, чем бесструктурный водяной пар. Идеи такого понижения симметрии получили большое развитие в современной теории микромира, а также при описании фазовых переходов в физике (например, переход из жидкого состояния в кристаллическое). Вообще процессы самоорганизации во многом похожи на фазовые переходы, поэтому часто их называют кинетическими фазовыми переходами. Отличие заключается в том, что при фазовых переходах происходит возникновение микроструктур (например, кристаллической решетки), в то время как в макроскопическом объеме система остается однородной. Как уже отмечалось в предыдущих разделах, идеи, связанные с симметрией, играют в современном естествознании существенную, а в современной физике микромира даже доминирующую роль.

Проблема самоорганизации вещества в природе является первостепенной и главнейшей проблемой естествознания. 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. Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.

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. Законы самоорганизации относится к числу всеобщих. Самоорганизационными процессами определяются образование и разрушение целостных систем различного происхождения, как природных, так и социальных.

Цель данной работы – рассмотреть, как объясняет современная наука, и в частности, синергетика процесс самоорганизации систем живой и неживой природы.

1. Понятие самоорганизации

Под самоорганизацией понимают изменение структуры, обеспечивающее согласованность поведения благодаря наличию внутренних связей и связей с внешней средой. 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.

Структура есть упорядоченность (композиций) элементов, сохраняющаяся (инвариантная) относительно определенных изменений (преобразований). Структура - это относительно устойчивый, упорядоченный способ связи элементов, придающий их взаимодействию в рамках внутренне расчлененного объекта целостный характер[3, с. 55].

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.

Самоорганизация - это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы. Конкретная конфигурация структуры существует только в строго определенных условиях и в определенный момент "движения" сложной системы. Динамика развития систем приводит к последовательному изменению их структур. 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[1, с. 190].

Вопрос о взаимоотношении структуры и функции - один из древних и традиционных в биологии. 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[3, с. 181].

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.

Примером самоорганизации во времени является самопроизвольное возникновение автоколебаний. Обыкновенные часы, как известно, стоят, если напряжение пружины ниже критического, но начинают работать в периодическом режиме с определенным периодом, если напряжение выше критического. Примеров таких автоколебательных процессов великое множество. В физике и химии это периодические реакции. В живой природе к таковым относятся все биологические ритмы.

Важный класс явлений пространственновременной самоорганизации - так называемые автоволны. Наиболее известный и в то же время яркий пример - распространение импульса по нервному волокну. В двухмерной и трехмерной средах (например, в сердечной мышце) это же явление выглядит еще ярче и богаче: тут могут образовываться спиральные волны, тороидальные структуры, концентрические волны и т. п. Здесь, как и в предыдущих случаях, явление исчезает (или возникает) при медленном изменении параметров активной среды.

Особый класс явлений самоорганизации - самопроизвольное возникновение хаоса, а из хаоса - регулярной структуры.

2 Развитие неживой и живой природы

Понятие развития неживой и 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.

Структура есть упорядоченность (композиций) элементов, сохраняющаяся (инвариантная) относительно определенных изменений (преобразований) [3, с. 17].

Структура – это относительно устойчивый, упорядоченный способ связи элементов, придающий их взаимодействию в рамках внутренне расчлененного объекта целостный характер.

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.

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.

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.

Под самоорганизацией будем понимать изменение структуры, обеспечивающее согласованность поведения благодаря наличию внутренних связей и связей с внешней средой.

Закономерное изменение структуры системы соответственно историческим изменениям соотношений с внешней средой и называется эволюцией[2, с. 181].

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.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Самоорганизация в живой и неживой природе

Введение …………………………………………………………….3 Синергетика как наука самоорганизации в живой и неживой природе……………………………………………………………….5

Синергетика – новая наука современности ……………….. 5 Синергетика и самоорганизация ……………………………9 Синергетическая концепция самоорганизации ……………11

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, чтопроцесс 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,ивэтомизменении 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–этовечно присутствующиефакторыслучайностиинеопределённости.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 хорошоинтерпретирует 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.