Бондарев В. Концепции современного естествознания

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 11 ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ

§ 11.1. Глобальный эволюционизм

Становление эволюционных идей в науке

В настоящее время учеными предпринимаются попытки сформулировать новые общие теории, которые бы адекватно представляли современные взгляды на природу, а также взаимоотношения общества и природы. Современные методологи науки и специалисты в различных областях естествознания наиболее перспективной системой взглядов считают эволюционно-синергетическую парадигму. Именно с ней многие ученые связывают дальнейшее развитие естествознания.
Как мы знаем, все в природе - галактики, звезды, планеты, мир неживой и живой природы и т.д. - движется и развивается. Вероятно, единая эволюционная теория будет иметь огромное научное, теоретико-познавательное и практическое значение (если она может быть построена). Но и сейчас практически все отрасли естествознания пронизаны принципом эволюционизма, т.е. убеждением в том, что материя, Вселенная и все ее элементы развиваются (эволюционируют). При этом подразумевается, что эволюция - развитие, процесс изменения (преимущественно необратимого) живой и неживой природы. Эволюция может вести к усложнению, дифференциации, повышению уровня организации системы (прогрессивная эволюция; или же, наоборот, к понижению этого уровня (регресс).
Принцип эволюционизма уходит корнями к воззрениям античных философов (Гераклита, Эмпедокла, Демокрита, Лукреция и др.), которые высказывали идеи об изменяемости окружающего мира. В естествознание идея развития мира начала активно внедряться в XVIII в. Принцип эволюционизма в простейших своих формах использовался при описании живой природы, особенно в трудах трансформистов, которые высказывались в пользу изменения и превращения органических форм и происхождения одних организмов от других (Р. Гук, Э. Дарвин (дед Ч. Дарвина), Д. Дидро, Ж.Л. Бюффон, Э.Ж. Сент-Илер, И.В. Гёте, К.Ф. Рулье, Ж.Б. Ламарк). В понимании сущности эволюции явлений в неживой природе большую роль сыграли идеи И. Канта, который в своей работе «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755) предпринял попытку объяснить происхождение мира исходя из физических законов.
Эволюционное учение достигает своего расцвета в XIX в. Теоретическому моделированию развивающихся объектов стали уделять все большее и большее внимание сначала в науках о Земле и биологии, а далее в социологии. Г.В.Ф. Гегель создал систематическую теорию диалектики, где центральным понятием было развитие, а противоречие выступало внутренним источником развития. Широкую популярность эволюционное учение получило после появления концепции Ч. Дарвина об эволюции живых объектов путем естественного отбора. Заслуга формулирования ряда законов, которые раскрывают сущность эволюционных процессов в обществе, безусловно, принадлежит К. Марксу. Немецкий языковед А. Шлейхер, рассматривавший естественные языки как единый организм, заложил основы теории эволюции естественных языков.
В 1850 г. Р.Ю.Э. Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики (одновременно с У. Томсоном), а позднее ввел понятие энтропии и предложил гипотезу «тепловой смерти» Вселенной. На основе понятия энтропии и представления о необратимых процессах, зависящих от времени, было введено понятие «стрелы времени» физических процессов. Выводы Клаузиуса о «тепловой смерти» Вселенной послужили толчком к развитию более сложных моделей эволюции (А. Эйнштейн, A.A. Фридман и Г.А. Гамов и др.).
Эволюционные идеи проникали в геологию, биологию, географию в XIX — первой половине XX в. В каждой из отраслей естествознания они имели свои формы реализации. Поэтому не было выработано единых концептуальных основ, позволявших посмотреть на проблему с общих позиций. Этому мешало и то, что в арсенал физических и химических отраслей знания эволюционные идеи вошли достаточно поздно. Вплоть до второй половины XX в. в этих отраслях господствовала исходная абстракция закрытой обратимой системы, в которой фактор времени не играет роли. В конечном счете изучались закрытые равновесные системы, а неравновесные процессы рассматривались как возмущения, второстепенные отклонения, которыми можно пренебречь в окончательном описании познаваемого объекта. Во многом предпосылкой возникновения эволюционно-синергетической парадигмы было появление кибернетики, общей теории систем, а далее синергетики, в рамках которой рассматриваются приведенные ниже идеи.

Основные принципы глобального эволюционизма

Только в конце XX в. естествознание приступило к созданию теоретических и методологических средств для построения единой модели универсальной эволюции, выявления общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной, возникновение Солнечной системы и Земли, возникновение жизни и, наконец, возникновение человека и общества. Именно такой моделью и является концепция глобального эволюционизма. В этой концепции Вселенная определяется как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от Большого взрыва до возникновения общества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой.
В настоящее время считается, что эволюция есть процесс возникновения более сложных структур из более простых, т.е. суть эволюции состоит в интеграции более простых элементов в целостные образования более высокого уровня, в более сложные системы, характеризуемые новыми качествами. Перечислим наиболее важные фазы эволюции окружающего нас мира [29]:
◊ космическая эволюция (Большой взрыв, образование элементарных частиц, формирование атомов и молекул, возникновение галактик, звезд и планет и т.д.);
◊ химическая эволюция (образование системы химических элементов и соединений, возникновение органических соединений, полимеризация в цепи органических молекул);
◊ геологическая эволюция (образование структур земной коры, гор, вод и т.д.);
◊ эволюция протоклетки (самоорганизация биополимеров и хранение информации на молекулярном уровне, пространственная индивидуализация, возникновение молекулярного - языка);
◊ дарвиновская эволюция (развитие видов животных и растений и их взаимодействие, возникновение экосистемы на Земле);
◊ эволюция человека (развитие труда, языка и мышления);
◊ эволюция общества (распределение труда, общественная организация, техника, общественные формации и т.д.);
◊ эволюция информации и обмена информацией (обогащение и хранение знания, развитие связи, науки и т.д.).

§ 11.2. Самоорганизация как элементарный процесс эволюции

Самоорганизация и классическая термодинамика

Согласно современным представлениям, элементарным процессом эволюции является самоорганизация. Можно сказать, что в сущности эволюция состоит из бесконечной последовательности процессов самоорганизации. В широком смысле слова под самоорганизацией понимают тенденцию развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Самоорганизующиеся системы должны отвечать определенным требованиям: 1) они должны быть неравновесными или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия; 2) они должны быть открытыми и получать приток энергии, вещества и информации извне. По Г. Хакену [23, 24], систему можно назвать самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием понимается такое, которое навязывает системе структуру или функционирование.
В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания - синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате скоррелированного поведения подсистем. Ее основные идеи восходят к Э. Шрёдингеру, A.M. Тьюрингу, Л. фон Берталанфи, И. Пригожину, М. Эйгену и Г. Хакену. Считается, что решающее значение для создания синергетики имели разработка и развитие методологии следующих дисциплин: термодинамики необратимых процессов в открытых системах; нелинейной механики, электрофизики и физики лазеров; химической кинетики сильно неравновесных процессов; эволюции популяций в экологии; нелинейной теории регулирования, кибернетики и системного анализа. Приведенный перечень подтверждает междисциплинарный характер синергетики.
Для того чтобы понять сущность самоорганизующихся систем, которые рассматривает синергетика, напомним, что выделяют закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Поведение закрытых систем рассматривается в рамках классической термодинамики. Центральным понятием термодинамики является энтропия S — функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы: dS = dQ/T. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, приближая систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.
По отношению к закрытым системам были сформулированы два из трех начал термодинамики. Первое начало термодинамики по существу является законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам: Q = А +ΔU, где Q - количество теплоты, сообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепловой машине); А — совершаемая ею работа; ΔU— изменение ее внутренней энергии. Первое начало термодинамики сформулировано в середине XIX в. под влиянием работ Ю.Р. Майера, Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца. Согласно первому началу, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.
Второе начало термодинамики именуется законом возрастания энтропии и гласит, что в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах). Другими словами, невозможен переход теплоты от более холодного тела к более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде. Следовательно, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе асимметрии (однонаправленность всех самопроизвольных процессов).
На основании второго начала термодинамики была сформулирована модель «тепловой смерти» Вселенной, согласно которой все виды энергии во Вселенной постепенно переходят в тепловую энергию, а Вселенная неизбежно приближается к тепловой смерти. Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, и энтропия не может уменьшаться. Способность Вселенной поддерживать организованные структуры со временем ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные. По мере уменьшения запаса энергии и возрастания энтропии в системе снижаются различия между ее частями. Это значит, что Вселенную ждет однородное будущее.
Использование второго начала имеет глубокий естественнонаучный смысл. С его помощью описывается достаточно широкий класс явлений. Приведем несколько примеров: 1) если холодное тело вступило в контакт с нагретым, обмен теплотой происходит так, что в конце концов температуры обоих тел выравниваются; система становится совершенно однородной, а процесс идет лишь в одном направлении; 2) если из сосуда, часть которого заполнена газом, убрать перегородку, газ заполнит все пространство. Противоположный процесс не происходит: газ сам по себе не сконцентрируется в половине объема сосуда; 3) след, который самолет оставляет за собой в небе, постепенно размывается и исчезает. Во всех этих случаях системы эволюционируют к единственному конечному состоянию - состоянию теплового равновесия. Первоначальные структуры исчезают, заменяясь однородными системами. При анализе этих явлений на микроскопическом уровне, т.е. при рассмотрении движения атомов или молекул, обнаруживается, что беспорядок увеличивается. Именно такие явления описываются классической термодинамикой.
Однако по мере развития естествознания были выявлены противоречия между результатами некоторых природных явлений и выводами, сделанными в рамках классической (равновесной) термодинамики. Последняя не могла объяснить возникновение таких сложных систем, как галактики, Солнечная система и, наконец, растительный и животный мир Земли. Особенно много вопросов возникло после установления факта нестационарности характера Вселенной. Накопившиеся данные позволили в рамках неравновесной термодинамики и синергетики сформулировать следующие постулаты: 1) процессы разрушения систем и их самоорганизации во Вселенной равноправны; 2) процессы нарастания сложности и упорядоченности имеют в основном единый алгоритм, который не зависит от природы систем, т.е. существует достаточно универсальный механизм самоорганизации в живой и неживой природе.

Примеры процессов, происходящих в открытых системах

Рассмотрим несколько простых примеров упорядочения (самоорганизации) в открытых системах [24].
Пример 1. Упорядочение водяного пара при его охлаждении извне. При высоких температурах молекулы пара движутся свободно, без взаимной корреляции. При понижении температуры образуется капля жидкости, в которой расстояние между молекулами в среднем сохраняется, т.е. их движение сильно скоррелировано. Наконец, при еще более низких температурах, в точке замерзания, вода превращается в кристаллы льда - молекулы расположены в определенном порядке. Такие переходы между различными агрегатными состояниями (фазами) происходят весьма резко. Хотя молекулы каждый раз одни и те же, макроскопические свойства трех фаз существенно различны. И совершенно очевидно, что различаются их механические, оптические, электрические и тепловые свойства.
Пример 2. Упорядочение в ферромагнетиках (например, в магнитной стрелке компаса). При нагревании у ферромагнетика внезапно исчезает намагниченность, а при понижении температуры намагниченность внезапно появляется снова. На микроскопическом, атомном уровне это можно представить так: магнит состоит из большого количества элементарных (атомных) магнитов (называемых спинами). При высоких температурах «магнитики» распределены по направлениям хаотически.

Их магнитные моменты, складываясь, взаимно уничтожаются, и в результате макроскопическая намагниченность оказывается равной нулю. При температурах ниже критической элементарные магниты выстраиваются в определенном порядке, что приводит к появлению макроскопической намагниченности. Таким образом, упорядочение на микроскопическом уровне служит причиной появления на макроскопическом уровне нового свойства материала. (Переход из одной фазы в другую называется фазовым.) Столь же резкий переход наблюдается в сверхпроводниках: в некоторых металлах и сплавах ниже определенной температуры электрическое сопротивление внезапно и полностью исчезает вследствие, упорядочения электронов в металле.
Пример 3. Процессы, происходящие в твердотельном лазере - оптическом лазерном генераторе (хотя лазерная генерация обнаружена и в межзвездном пространстве). Он представляет собой твердый стержень, в который внедрены атомы определенного типа - активная среда (рис. 11.1); на торцах стержня установлены зеркала. Каждый атом может возбуждаться действием извне, например с помощью света. После этого атом действует как микроскопическая антенна, испуская цуг световых волн длиной около 3 м. Процесс излучения длится обычно 10-8с. Зеркала служат для селекции таких цугов: бегущие в аксиальном направлении цуги отражаются несколько раз от зеркал и остаются в лазере более продолжительное время, остальные быстро покидают объем. С увеличением входной мощности (накачка лазера) происходит следующее. При малых мощностях накачки лазер работает как лампа: атомные антенны излучают световые цуги независимо друг от друга (хаотично). При мощности накачки, равной пороговой мощности лазерной генерации, имеет место совершенно иное явление. Атомные антенны осциллируют в фазе, испуская один гигантский цуг (рис. 11.2).

При дальнейшем увеличении накачки интенсивность излученного света (т.е. выходная мощность) резко возрастает. Очевидно, что при этом макроскопические свойства лазера коренным образом изменились, причем изменение напоминает фазовый переход в ферромагнетике.
Пример 4. Конвективная неустойчивость, или неустойчивость Бенара. Пусть слой жидкости подогревается снизу, а сверху температура поддерживается постоянной. При малой разности температур теплота переносится благодаря теплопроводности и жидкость остается в покое. Когда температурный градиент достигает некоторого критического значения, в жидкости начинается макроскопическое движение. Так как нагретые области жидкости расширяются, они имеют более низкую плотность и всплывают наверх, охлаждаются и опускаются снова на дно. Это движение происходит упорядоченно. При этом формируются либо цилиндрические, либо гексагональные ячейки. Таким образом, из однородного состояния возникает упорядоченная пространственная структура. Более того, при еще большем увеличении температурного градиента возникает новое явление — в цилиндрах начинается волновое движение вдоль их осей. С помощью этих и аналогичных явлений предпринимаются попытки описывать процессы движения воздуха и образования облаков, перемещения литосферных плит и т.д.
Пример 5. В реакции Белоусова — Жаботинского также образуются пространственные, временные или пространственно-временные структуры. Для ее осуществления смешивают Ce2(SO4)3, КВгО3, СН2(СООН)2, H2SO4 и добавляют несколько капель ферроина (окислительно-восстановительного индикатора). Получающуюся однородную смесь переливают в пробирку, где сразу начинаются временные осцилляции. Раствор периодически меняет цвет - с красного, указывающего на избыток Се3+, на голубой, соответствующий избытку Се4+. Так как реакция идет в замкнутой системе, она в конце концов приходит в однородное равновесное состояние. Процессы образования подобных структур подчиняются принципам, аналогичным тем, которые управляют переходами типа порядок - беспорядок в лазерах, а также в гидродинамических и других системах.
Пример 6. Моделью клеточного взаимодействия может служить агрегация слизевика (многоклеточного организма, образованного путем соединения отдельных клеток). В фазе роста организм существует в виде отдельных амебовидных клеток. Через несколько часов после прекращения роста эти клетки собираются и образуют полярное тело, вдоль которого они разделяются на споровые и стебельковые клетки, составляющие плодовое тело слизевика. Отдельные клетки способны время от времени спонтанно испускать в окружающее пространство порции молекул определенного типа, называемые цАМФ, и, более того, усиливать импульсы цАМФ. Таким образом, они спонтанно выделяют химические вещества. Происходит коллективное испускание химических импульсов, которые мигрируют в виде волн концентрации из центра, вследствие чего возникает градиента концентрации цАМФ. Отдельные клетки «чувствуют» направление градиента и мигрируют к центру с помощью псевдоподий (ложноножки). В результате получаются макроскопические волновые структуры (спиральные или концентрические круги).
Таким образом, во многих системах различного характера (физических, химических, геологических, биологических, географических и т.д.) активно происходят процессы самоорганизации и возникновения более сложных структур. При этом такие системы должны быть открытыми (обмениваться веществом и энергией с окружающей средой) и существенно неравновесными (находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия).

Свойства самоорганизующихся систем

Поведение систем, рассматриваемых синергетикой, описывается с помощью нелинейных уравнений - уравнений второго или большего порядка, поскольку самоорганизующиеся системы крайне сложны (нелинейны). Следовательно, эти системы можно характеризовать как неустойчивые и неравновесные. Неравновесность в свою очередь порождает избирательность системы, ее сложные реакции на внешние воздействия среды. При этом некоторые более слабые внешние воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, в нелинейных системах возможны ситуации, когда совместные действия двух причин вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия этих причин по отдельности.
Важным следствием нелинейности поведения самоорганизующихся систем является пороговый характер многих процессов в таких системах, т.е. при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, слабые возмущения (флуктуации) оказывают сильное воздействие на систему, разрушая сложившуюся структуру и способствуя ее радикальному качественному изменению. Поэтому нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой иногда создаются отношения обратной положительной связи, а именно: система влияет на среду таким образом, что в последней вырабатываются определенные условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Примером может служить ситуация, когда в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, наличие которого стимулирует производство самого этого фермента.
При взаимодействии открытых системы с внешней средой происходит диссипация энергии - переход энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, в конечном счете в тепловую энергию. В общем случае диссипативными именуют такие системы, в которых энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного, в конечном счете теплового (хаотического) движения. В открытых системах с нелинейным протеканием процессов возможны термодинамически устойчивые неравновесные состояния, далекие от состояния термодинамического равновесия и характеризующиеся определенной пространственной и временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, так как ее существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. При этом огромное количество микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря этому могут спонтанно возникать новые типы структур, характеризующиеся переходом от хаоса и беспорядка к порядку и организации.
Понятие диссипативности непосредственно связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы характеризуются множеством параметров, причем эти параметры улавливают воздействие окружающей среды неодинаково. С течением времени в системе выделяется несколько ведущих, определяющих параметров, к которым «подстраиваются» остальные. Такие параметры системы именуются параметрами порядка. Соотношения, связывающие параметры порядка, обычно намного проще, чем математические модели, детально описывающие систему в целом, поскольку параметры порядка отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому выявление параметров порядка - одна из важнейших задач, решаемых при изучении самоорганизующихся систем.

§ 11.3. Закономерности самоорганизации и эволюционного процесса

Закономерности и факторы эволюции

Одной из центральных в синергетике является идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации выступает положительная обратная связь системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой (в химии такое явление называется автокатализом).
Способность систем к самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Обычно самоорганизация переживает переломные моменты - точки бифуркации. При этом под бифуркацией обычно понимают приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров. Основы теории бифуркации заложены А. Пуанкаре и A.M. Ляпуновым в начале XX в., затем эта теория была развита A.A. Андроновым и его учениками.
Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются существенные случайные отклонения физических величин от их средних значений (флуктуации), поэтому роль случайных факторов резко возрастает. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны Белоусова - Жаботинского, структуры Рэлея и др.). В точке бифуркации система как бы стоит перед выбором пути дальнейшего развития. В таком состоянии небольшая флуктуация может послужить толчком к началу эволюции (организации) системы в некотором определенном (часто неожиданном или даже маловероятном) направлении, одновременно исключая возможности развития в других направлениях. Оказалось, что переход от хаоса к порядку поддается математическому моделированию и существует не так уж много общих моделей такого перехода. При этом существенно, что качественные переходы в самых разных сферах действительности (в природе и обществе) могут происходить по одному и тому же сценарию. Знание основных бифуркаций позволяет существенно облегчить исследование реальных систем (физических, химических, биологических и др.), в частности предсказать характер новых движений, возникающих в момент перехода системы в качественно другое состояние, оценить их устойчивость и область существования.
Итак, основными условиями формирования новых структур являются открытость системы, нахождение ее вдали от точки равновесия и наличие флуктуации. Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуации достигают такой силы, что организация системы может разрушиться. Разрешение кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый, более высокий уровень упорядоченности, который получил название диссипативной структуры. Это и есть акт самоорганизации системы. Поскольку флуктуации случайны, то и выбор конечного состояния системы является случайным, неоднозначным, причем процесс перехода одноразовый и необратимый. В процессе перехода все элементы системы ведут себя коррелированно (согласованно), хотя до этого они находились в состоянии хаоса.
Общая схема эволюционного процесса как последовательности процессов самоорганизации сводится к следующему [29]:
◊ относительно стабильное п-есостояние системы утрачивает устойчивость. В качестве причин, вызывающих потерю устойчивости, выступают временные изменения внутреннего состояния или наложенных краевых условий. Наиболее характерной причиной эволюционной неустойчивости является внезапное появление новой моды в движении, новой разновидности молекул в химии, нового вида в биологии. Этот новый элемент в рассматриваемой динамической системе приводит к потере устойчивости состояния системы, которое до появления нового элемента было устойчивым;
◊ неустойчивость, обусловленная новым элементом в системе, запускает динамический процесс, который приводит к дальнейшей самоорганизации системы, и система порождает новые упорядоченные структуры;
◊ по завершении процесса самоорганизации система переходит в эволюционное состояние (п +1). После n-гоэволюционного цикла начинается новый (п +1)-й эволюционный цикл.
Характерно, что реальная эволюция никогда не заканчивается, она каким-то образом находит выход из любого тупика, и этим выходом является новый цикл самоорганизации.

Каждый парциальный (частный) эволюционный процесс переводит систему в новую, в определенном смысле более высокую эволюционную плоскость, а процесс в целом обладает спиральной структурой (рис. 11.3). Анализ действующих и определяющих последовательность состояний системы условий, сил и механизмов необходим для разработки теории эволюции. Окончательные ответы пока получить не удается.
Особое значение придается следующим факторам [29]:
◊ способности к уменьшению энтропии путем обмена энергией и веществом с окружающей средой;
◊ неравновесному характеру системы, находящемуся на закритическом расстоянии от термодинамического равновесия;
◊ нелинейности (динамика системы существенно определяется эффектами, которые описываются уравнениями второго и более высокого порядка);
◊ способности к самовоспроизведению, т.е. к образованию относительно точных копий исходной системы или подсистем;
◊ конечности времени жизни системы, связанной с ней непрестанной смене поколений и процессу обновления;
◊ существованию нескольких устойчивых состояний системы, зависимости текущего состояния от предыстории, потенциальной способности к хранению информации;
◊ отбору систем и механизмов с благоприятными свойствами из большого числа возможных конкурентных процессов;
◊ стабильности системы при случайной ошибке в процессе репродукции как источнику новых структур, механизмов и информации;
◊ обработке информации, т.е. способности к ее созданию, хранению, воспроизведению и использованию;
◊ оптимизации и адаптации, способности подстраиваться к изменяющимся внешним условиям, существованию критериев оптимизации;
◊ морфогенезу, т.е. формообразованию системы и ее органов;
◊ образованию эталонов с тенденцией к увеличению многообразия и сложности;
◊ ветвлению, т.е. все более сильному расщеплению реального и в еще большей мере потенциального пути эволюции;
◊ сетевой структуре с тенденцией к образованию все более сложных соотношений и зависимостей между подсистемами;
◊ единству действия необходимых и случайных факторов;
◊ дифференциации, специализации и распределению функций подсистем;
◊ объединению систем путем соединения в целое все более возрастающей сложности и все большей потенции к действию;
◊ иерархическому строению систем, элементы которых вложены один в другой (существование параметров порядка);
◊ ускорению эволюции, т.е. постоянному нарастанию средней скорости эволюционного процесса вследствие механизмов обратной связи.
Этот перечень можно легко продолжить.

Особенности эволюционного процесса

Одна из существенных черт глобальной эволюции - подобие явлений в системах, на первый взгляд совершенно различных. Например, обнаружена аналогия качественных переходов при эволюционных процессах с фазовыми переходами в термодинамике. Проиллюстрировать это положение можно на примерах из физики и экологии (рис. 11.4 и 11.5). Пусть биологические виды занимают на определенной территории одну экологическую нишу. При появлении нового вида, который существенно лучше использует ту же нишу, наступает фаза перехода от сосуществования к полному вытеснению исходных видов (рис. 11.4, а, б). Отметим общие свойства такого рода процессов: состояния 1 и 2 разделены переходной областью конечной величины; в переходной области состояния (виды) отличимы друг от друга; симметрия относительно использования видами экологической ниши не должна нарушаться; скачкообразный переход может быть обойден, например, с помощью медленного улучшения селекционной ценности таксона 1 до ценности таксона 2. Аналогичными свойствами характеризуется и такой, например, термодинамический фазовый переход, как переход вода - пар. На рис. 11.4, в для сравнения представлен график изменения термодинамического потенциала -Ω = pV функции объема.

Другой существенный для эволюции процесс - специализация, дифференциация или распределение функций (рис. 11.5, а). Например, такой процесс реализуется, когда один вид использует две экологические ниши, но в ходе эволюции одна часть вида специализируется по отношению к одной нише, Другая часть - к другой, пока не образуются два различных вида. Поскольку при этом ресурсы обеих ниш используются с разделением функций, становится возможным быстрое улучшение приспособленности (рис. 11.5, б). В подобных случаях удается установить следующие свойства: переход происходит в определенной точке, отмечаемой прекращением образования смешанного потомства; с наступлением перехода нарушается симметрия использования ниш подвидами; в точке перехода оба состояния совпадают. Такой переход аналогичен кинетическому переходу, например, как в лазере (рис. 11.5, в).

Обратимся к рис. 11.6. На нем отмечена еще одна существенная особенность процессов эволюции - ветвление. Наглядное описание этого свойства дает теория графов. Например, если вершинам графа поставить в соответствие виды некоего рода или класса, возникавшие в ходе эволюции жизни на Земле, и соединить ребрами (стрелками) виды, произошедшие друг от друга, то результатом будет особого вида ориентированный граф - древо эволюции. Оно обладает рядом специфических свойств: у такого древа всегда одно начало и в большинстве случаев несколько концов, соответствующих вымершим или ныне живущим видам; циклические последовательности предок — потомок наблюдаются лишь в исключительных случаях (например, у вирусов гриппа); у такого графа не существует сходящихся подграфов, поскольку по определению исключается перенос генетической информации между различными видами одного поколения, а происхождение одного вида от другого означает восприятие генетической информации.
Картина изменяется при переходе от видов к расам или подвидам. Если информационный обмен возможен, то возникают сходящиеся ветви, т.е. достигается существенный прогресс в эволюции. Разумеется, не случайно, что при этом возникают речевые структуры. Передача информации с помощью языка -существенный фактор высших ступеней эволюции. Возникновение и распространение естественных языков также может служить примером процесса эволюции. На древе эволюции естественных языков отмечено сильное ветвление.

Таким образом, эволюционно-синергетическая парадигма отражает направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации. Вся история Вселенной - от момента сингулярности до возникновения человека и развития общества — предстает как единый эволюционный процесс на основе процессов самоорганизации. Важную роль в парадигме универсального эволюционизма играет идея отбора. Все новое возникает как результат отбора наиболее эффективных формообразований, неэффективные новообразования отбраковываются. В настоящее время эволюционно-синергетическая парадигма - важнейшая в естествознании. С одной стороны, она дает представление о мире как о целостности, позволяет видеть законы и явления в их единстве, а с другой - ориентирует естествознание на выявление конкретных закономерностей самоорганизации и эволюции материи на всех ее структурных уровнях.
В заключение заметим, что в мир далеко еще не познан. Многие явления природы не получили научного объяснения и потому носят загадочный, таинственный характер. Так, не исследованы в достаточной мере явления в различных оболочках Земли (литосфере, атмосфере и т.д.), законы макроэволюции и многое другое. Но было бы наивно полагать, что естествознание может сразу решить все проблемы познания. Естествознание — не завершенное здание, а целенаправленная деятельность человечества. Поэтому можно полагать, что непознанное сегодня будет исследовано и объяснено в будущем, когда для этого сложатся соответствующие предпосылки. Однако на смену одним непознанным вопросам придут другие, не менее интересные и загадочные.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какое место в естествознании занимает эволюционное учение? Каковы его исторические корни? Что такое эволюционно-синергетическая парадигма?
2. Что такое глобальный эволюционизм и в чем он проявляется? Перечислите фазы эволюции окружающего нас мира.
3. Что такое синергетика? Каковы ее основные принципы?
4. Каковы основные идеи классической термодинамики? Как они соотносятся с представлениями, развиваемыми в синергетике?
5. Какие примеры самоорганизующихся процессов вы знаете?
6. Что такое самоорганизующиеся системы? Каковы их основные признаки и свойства?
7. Что такое диссипативность и нелинейность системы?
8. Каковы основные условия и факторы возникновения и существования самоорганизующихся процессов?
9. В чем проявляется подобие различных самоорганизующихся процессов? Приведите примеры.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Балбоянц А. Молекулы, динамика, жизнь. Введение в самоорганизацию материи. М., 1990.

1. Винер Н. Кибернетика и общество. М., 1958.
2. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. М., 1980.
3. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс.
4. Жизнь Земли. Синергетика. Экология. Геодинамика. Музееведение: Сб. науч. тр. М., 2001.
5. Капица С.П., Курдюмов С/7., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М., 1998.

7. Климентович Н.Ю. Без формул о синергетике. Минск, 1986.

1. Князева E.H. Одиссея научного разума. М., 1995.
2. Князева E.H., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М., 1994.
3. Концепция самоорганизации в исторической ретроспективе. М., 1994.
4. Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. М., 1990.
5. Лопушанская А.И. Термодинамика необратимых процессов. М., 1987.
6. Лоскутов А.Ю., Михайлов A.C. Введение в синергетику. М., 1990.
7. Мелик-Гайказян И.В. Информация и самоорганизация (методологический анализ). Томск, 1995.
8. Николис Г., Пригожий И. Познание сложного. М., 1990.
9. Осипов А.И. Самоорганизация и хаос: Очерк неравновесной термодинамики. М., 1986.
10. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках. М., 1985.
11. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
12. Степин B.C. Философская антропология и философия науки. М., 1992.
13. Степин B.C. Теоретическое знание. М., 2000.
14. Ферстер Г. фон, Зопф Г.В. Принципы самоорганизации. М., 1964.
15. Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М., 1967.
16. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. М., 1991.
17. Хакен Г. Синергетика. М., 1985.
18. ЧернавскийД.С. Синергетика и информация. М., 2001.
19. Шеннон К., Бандвагон Е. Работы по теории информации и кибернетике. М., 1963.
20. Щербаков A.C. Самоорганизация материи в неживой природе. М., 1990.
21. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. М., 1979.
22. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. Физика процессов эволюции. М., 2001.
23. Эгейн М. Самоорганизация материи и биологических макромолекул. М., 1973.
24. Эгейн М., Винклер Р. Игра жизни. М., 1979.
25. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М., 1987.

.

Комментарии (2)
Обратно в раздел Наука