Тема 16. самоорганизация в живой и неживой природе
СУЩНОСТЬ ПРОБЛЕМ
САМООРГАНИЗАЦИИ
В СВЕТЕ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
Со времени открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать вывод о возрастании во времени энтропии (неопределенности, хаоса) в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и неживой природе, происходящими в открытых системах. Долгое время казалось, что существует противоречие между выводами второго закона термодинамики и эволюционной теории Ч. Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации.
Связь проблем самоорганизации материи с кибернетикой
Разработка представлений о самоорганизации материи как о содержании процесса развития и движения эволюционировало в ходе обобщения естественнонаучных данных. Идеи самоорганизации резко выдвинулись вперед в связи с появлением новых данных, представленных кибернетикой. В формировании современных представлений на процесс самоорганизации существенную роль сыграла кибернетика.
Кибернетика и ее принципы
Кибернетика(от греч. kybenietike" — управление, искусство управления) — возникла в 40-х гг. XX в. в результате насущной практической потребности в повышении качества управления в производственно-технической, хозяйственной, политической, военной и других областях человеческой деятельности.
Отцом кибернетики по праву называют выдающегося американского математика Н. Винера, который в 1948 г. впервые сформулировал основные идеи и принципы этой науки. Возникновение кибернетики было подготовлено
270
всем предшествующим развитием науки — в первую очередь теории автоматического регулирования следящих систем, техники переработки и передачи информации, теории игр иоптимальных решений, физиологии (теории рефлексов), медицины, математической логики, теории алгоритмов и машин, радиоэлектроники и других наук. Решающую роль в появление и развитии кибернетики имело появление электронной автоматики и быстродействующих ЭВМ.
В создании кибернетики принимали участие многие ученые: Д. Биглоу, К. Шеннон, И.М. Сеченов, И.П. Павлов, А.М. Ляпунов, А.А. Марков, А.Н.Колмогоров и др.
Кибернетика— это наука об управлении и связи, оптимальном управлении, о восприятии, хранении ипереработке информации, об алгоритмах переработки информации, о причинных сетях. Каждое из этих определений подчеркивает существенную сторону кибернетики.
Область применения кибернетикиопределил Н. Винер — это машины, живые организмы и их объединения.
Исходя из вышесказанного, кибернетика— это наука об управлении в машинах, живых организмах и их объединениях на основе получения, хранения, переработки и использования информации. Кибернетика — это наука об управлении в кибернетических системах. Кибернетические системы — это сложные динамические системылюбой природы (технические, биологические, экономические, социальные, административные) с обратной связью. Сложными динамическими системаминазываются такие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и элементов, которые меняются, т.е. под воздействием определенных процессов переходят из одного устойчивого состояния в другое.
Сущность управления, базирующегося на использовании обратной связи, было разработано задолго до возникновения кибернетики — в рефлекторной теории И.М. Сеченова и И.П. Павлова. Идея обратной связи была использована при создании автоматических регуляторов — поплавковых регуляторов Уатта.
Кибернетика сформулировала принцип обратной связи: без обратной связи невозможно управление сложными и сложнодинамическими системами. В настоящее время этот принцип сознательно кладется в основу конст-
руирования станков-автоматов, ЭВМ и других технических устройств. С учетом принципа обратной связи организуется управление (руководство) предприятия со стороны министерства, промышленными предприятиями — со стороны дирекции («летучки»), по той же схеме ректор осуществляет руководство преподавателем и группой, студенческими коллективами, а преподаватель — студентами и т.д. (дети — родители).
Для кибернетики характерен макроподход: она ответвляется от внутреннего строения системы и рассматривает ее как единое целое, некий «черный ящик», способный функционировать с помощью потоков информации. Это и есть информативный принцип кибернетики. Теория информации— раздел кибернетики, занимающийся методами описания, оценки, хранения, передачи и использования информации. Первые исследования в этой области были проведены Р. Фишером (работы по математической статистике), Р. Хартли (запоминающие устройства, передача информации по каналам связи). Вероятностная теория информации окончательно нашла свое применение и оформление к работах К. Шеннона (1948 г.). Рассматривая зависимость информации на выходе от информации на входе системы, он разработал принцип функциональной связи.
Кибернетика использует и микроподход:она предполагает определение внутреннего строения системы управления, выявление ее основных элементов, их взаимосвязи, алгоритмов их работы и возможность синтезировать из этих элементов системы управления.
Кибернетику подразделяют на:
■ теоретическую;
■ техническую и
■ прикладную.
Теоретическая кибернетикасвязана с разработкой аппарата и методов исследования систем управления любой природы. Она связана с машинным моделированием на ЭВМ. Моделирование на ЭВМ ставит теоретическую кибернетику в особое положение по отношению к другим наукам: она дает принципиально новый подход и метод исследования практически всех наук: естественных, технических, гуманитарных. В этом она сходна с математикой. Но кибернетика — это не математика, так как имеет свой предмет исследования — системы управле-
272
ния. Создаются новые научные направления — математическая логика, теория вероятностей, вычислительная математика, теория информации, теория кодирования, теория алгоритмов и т.д. В самой кибернетике возникли такие разделы, как теория автоматов, теория формальных языков и грамматик, теория распознавания образов, теория самообучающихся и самоорганизующихся систем, теория игр, теория статистических решений и т.п. Машинное моделирования позволяет исследовать объекты на основе математической модели.
Техническая кибернетика— это конструирование и эксплуатация технических средств, применяемая в управляющих и вычислительных устройствах. Одна из главных проблем здесь — это проблема «человек—машина», т.е. изучение автоматических систем управления (АСУ), где обязательно принимает участие человек-оператор. Здесь она пересекается с инженерной психологией. Основные проблемы, стоящие перед технической кибернетикой, — это распознавание образов, создание читающих автоматов, анализ ситуаций, характеризующих технический процесс, разработка диагностических устройств.
Прикладная кибернетикасодержит приложение двух предыдущих подразделов кибернетики к решению задач, относящихся к частным системам в биологии, медицине, экономике, промышленности, транспорте. Поэтому выделяют психологическую, биологическуюи другие виды кибернетики.
Таким образом, в кибернетике скрестились почти все виды отраслей знаний — это целое направление в науке, занимающейся исследованием общих принципов управления и способов использования их в технике.
16.1.1.2. Самоорганизующиеся системы
Сложнодинамические системычасто представляют собой самоорганизующиеся системы. В зависимости от выделения той или иной ведущей группы свойств их также называют саморегулирующимися, самонастраивающимися, самообучающимися, самоалгоритмизующимисясистемами.
Самоорганизующимисяназывают такие системы, которые способны при изменении внешних или внутренних условий их функционирования и развития сохра-
нять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта, сигналы о которой поступают по каналам обратной связи.
Примеры самоорганизующихся систем:отдельная живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив, машина-автомат, машина-робот.
Так как в сложнодинамических системах имеют место процессы самоуправления и применяются операции управления, то они называются системами управления.Каждая система управлениясостоит из двух систем: управляемойи управляющей.
Управляющая системавоздействует на элементы управляемой системы и приводит ее в соответствие с заданным алгоритмом или целью в новое состояние. Различают три вида системы управления:
■ живые организмы;
■ сложные (с обратной связью) машины;
■ человеческие коллективы.
Заслуга кибернетики в том, что она показала универсальность процессов управления.
Процесс управленияосуществляется в соответствии с задачей или целью управления. Управляющая система вырабатывает и передает по каналу обратной связи сигналы, несущие команды, которые поступают в управляемую систему и приводят ее к изменению. От управляемой системы по каналу обратной связи передаются сигналы, несущие информацию о том, как выполнены команды. В соответствии с этой информацией система вырабатывает новые, корректирующие команды. Это происходит до тех пор, пока цель управления не оказывается достигнутой.
16.1.1.3. Связь кибернетики с процессом самоорганизации
По современным представлениям, в формировании которых существенную роль сыграла кибернетика, процесс самоорганизации представляет собой автоматический процесс, при котором, если говорить о биологических системах, выживают комбинации, выгодные с точки зрения адаптации всего вида и отдельных организмов.
Кибернетика играет существенную роль в понимании общих принципов процессов самоорганизации и
274
дает исследователям методы конструирования различных типов самоорганизующихся систем. Но при этом остается открытым вопрос о физических процессах, происходящих в ходе самоорганизации в самых различных физических, химических, метеорологических, биологических и других системах. Эти процессы, как правило, очень сложны. И все же установление общих закономерностей процессов самоорганизации оказывается возможным.
16.1.2. Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований
16.1.2.1. Понятие синергетики
Синергетика — это теория, исследующая процессы са моорганизации, устойчивости, распада и возрождения са мых разнообразных структур живой и неживой природы.
Синергетика стоит в одном ряду с такими дисциплинами, как теория систем и кибернетика, является естественным их продолжением. Как и эти науки, она претендует на статус обобщенной теории поведения систем различной природы.
Во всех рассматриваемых синергетикой системах процесс самоорганизации идет обязательно с участием большого числа объектов (атомов, молекул или более сложных преобразований) и, следовательно, определяется совокупным, кооперативным действием. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, профессор Штутгартского университета Г. Хакен ввел специальный термин «синергетика». С одной стороны, имеется в виду сотрудничество ученых разных специальностей, разных областей знания, подоплекой которого выступает общность феномена самоорганизации. С другой стороны, выражена суть явлений данного рода — кооперативность действий разрозненных элементов, спонтанно организующихся в структуру некоторой системы.
Основатель синергетики Хакен пишет во введении к своей книге: «Я назвал эту дисциплину «синергетика» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин».
В фокусе внимания синергетики оказываются сложные системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии — ко все возрастающей сложности.
16.1.2.2. Отличие синергетики от кибернетики
Первые серьезные успехи в изучении проблем развития и самоорганизации были заложены кибернетикой. Это направление имело дело прежде всего с техническими управляющими и саморегулирующимися системами. В этом отношении примечательны гомеостатические системы, т.е. системы, поддерживающие свое функционирование в заданном режиме. С этих позиций становятся ясными факты устойчивости и сохранения системы, но нельзя понять, как возникают новые системы.
Синергетикакак новое направление междисциплинарных исследований представляет собой интерес для науки в целом.
Во-первых, она представляет собой иной подход к изучению процессов самоорганизаций, развития различного рода систем, чем кибернетика. Кибернетикаограничивалась анализом самоорганизующихся технических систем. Синергетикапытается раскрыть единые принципы самоорганизации в любых природных системах, т.е. как в живых, так и в неживых.
Во-вторых, принципы самоорганизациимогут стать основой для создания общей концепции глобального эволюционизма,т.е. развития в масштабе всей Вселенной.
В-третьих, синергетикаявляется более общей теорией самоорганизации, чем теория, основанная на данных кибернетики. Обрисовывая единые механизмы структу-рогенеза, она становится целостной естественнонаучной концепцией становления и развития материальных структур.
В-четвертых, для синергетики характерен особый подход в постановке вопроса об изоморфных законах структурной статики и динамики. У нее есть собственные основания для решения этого вопроса, которых нет ни у кибернетики, ни у теории систем. Это положение о когерентном, самосогласованном, самоинструктированном поведении большого ансамбля инородных объектов, поставленных в определенные условия. Синергетика рассматривает мир объектов, основываясь на не из-
276
вестном ранее моменте активности материи — «резонансном возбуждении»вступающих во взаимодействие объектов.
16.1.2.3. История становления синергетики как науки
Основателем синергетики, как уже говорилось, является профессор Штутгартского университета Г. Хакен, который начал свою карьеру в период бурного развития физики твердого тела, теории полупроводников и сверхпроводимости. Он является одним из «пионеров» создания теории экситонов и поляронов в твердых телах. Работы тех лет подытожены в книге «Квантовополевая теория твердого тела» (М.: Наука, 1980). Также ему принадлежат работы по теории лазеров, а именно флуктуации лазерного излучения, из которой берет начало известный термин «неравновесные фазовые переходы».
Возникновение теории самоорганизации — синергетики— было подготовлено трудами многих выдающихся ученых. К ним относятся, в первую очередь, Ч. Дарвин — создатель теории биологической эволюции, Л. Больцман и А. Пуанкаре — основоположники статистического и динамического описания сложного движения, а также А.Н. Колмогоров, Л.И. Мандельштам, А.А. Андронов, Н.С. Крылов, Н.Н. Боголюбов, А.А Власов, Л.Д. Ландау и многие, многие другие.
Существенную роль в становлении теории самоорганизации сыграли работы В.И. Вернадского о ноосфере. Созданием теории самоорганизации в современном ее понимании мы во многом обязаны И. Пригожину и Г. Хакену.
Долгое время в науке преобладало представление о том, что процессы самоорганизации присущи всем живым системам. Что же касается неживых, то, согласно второму закону термодинамики, они могли эволюционировать лишь в сторону хаоса и беспорядка. Другими словами, системы неживой природы способны лишь к дезорганизации, разрушению, вырождению. Но тогда становится невозможным понять, откуда появились живые системы, способные к самоорганизации, и почему физические законы не применимы к живым телам, состоящим из тех же молекул, атомов, частиц?
Со временем ученые не только опровергли эту точку зрения, но и самым тщательным образом занялись изучением этой проблемы. Наиболее впечатляющими были эксперименты с самоорганизующимися химическими реакциями, начатые в 50-е гг. Б.Н. Белоусовым и подробно исследованные В. Жаботинским. Главным, бесспорным условием самоорганизации является требование открытости системы.
16.1.2.4. Связь синергетики с другими науками
Процессы самоорганизации, которые изучает синергетика, основываются на одном общем эффекте — способности разнокачественных единиц материи в известных условиях проявлять активность, и даже не просто активность, а своего рода двойственность, каким-то образом согласованную, протекающую по единому плану и направленную в каждом конкретном случае на вполне конкретный факт структурирования или структурной трансформации.
Самоорганизующиеся системы приобретают присущие им свойства, структуры или функции и без какого бы то ни было вмешательства извне. Дифференциация клеток в биологии и рост снежинок могут в равной степени служить примерами самоорганизации. С другой стороны, такие устройства, как используемые в радиопередатчиках электронные генераторы, сделаны руками человека. Однако мы часто забываем о том, что во многих случаях технические устройства функционируют на основе процессов, тесно связанных с самоорганизацией. В электронном генераторе движение электронов становится когерентным без воздействия извне когерентной вынужденной силы. Самоустройство сконструировано так, что допускает специфические коллективные движения электронов.
В собственном смысле синергетика— это теория и методология, исследующая процессы самоорганизации. По своему рангу синергетика близка к философским наукам, поскольку объектом являются вопросы о том, как вообще возникают организационные структуры материальных образований со всеми их функциями. Но в не меньшей мере это и мировоззренческие вопросы.
Однако проблемы, общие для философии и синергетики, раскрываются в них по-разному. Синергетика вы-
278
ражает то же содержание, но на языке конкретных терминов многих наук, использует значительный объем фактологического материала целого ряда дисциплин, таких, как физика, химия, биология, общая теория вычислительных систем, экономика, социология, и не пользуется абстрактно-всеобщей философской формой. Каждая из вышеперечисленных наук имеет достаточно веские основания считать синергетику своей составной частью. Но синергетика каждый раз привносит характерные особенности, понятия, методы, чуждые традиционно сложившимся научным направлениям.
Так, например, термодинамика действует в полную меру только в том случае, если рассматриваемые системы находятся в тепловом равновесии; термодинамика необратимых процессов применима только к системам вблизи теплового равновесия. Синергетические системы в физике, химии, биологии находятся вдали от теплового равновесия и могут обнаруживать такие необычайные особенности, как колебания.
Хотя термодинамические понятия о макроскопических переменных используются и в синергетике, такие переменные, называемые параметрами порядка, имеют совершенно иную природу, чем в термодинамике.
Таким образом, синергетика— не сумма физических идей или математических методов. Это система взглядов, в которых физик, химик, биолог и математик видят свой материал. Эта наука уже сыграла роль своего рода катализатора между представителями разнообразных наук.
Выводы.Итак, мы видим, что окружающий нас мир состоит из огромного количества разнообразнейших сложных систем, да и сам он является таковой системой а значит, подчиняется выводам, сделанным сравнительно молодой наукой — синергетикой. Все, кому небезынтересен окружающий его мир, могут взглянуть на него по-новому благодаря синергетике.
САМООРГАНИЗАЦИЯ
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.