2.10.4. Самоорганизация в процессах эволюции

Приведенные примеры возникновения диссипативных структур в сравнительно простых физических и химических системах оказались замечательными моделями для разработки достаточно общей теории самоорганизации материи. При этом были выявлены весьма общие требования, при выполнении которых, в системе возможны процессы самоорганизации. Оказалось, что открытая система, способная обмениваться с окружающей средой энергией, веществом и информацией, должна быть достаточно сложной в том смысле, что она включает в себя много объектов, принимаемых за элементы структуры. В рассмотренных примерах элементами являются молекулы вещества, но элезникает распределение плотности клеток, сильно напоминающее волновые картины в реакциях Белоусова-Жаботинского. Кроме этого процесс агрегации усиливается за счет того, что клетки получившие сигнал сами начинают выделять это вещество. Благодаря этому формируется тело, включающее до сотни тысяч клеток. Более детальный анализ описанного явления показывает его глубокую аналогию с реакциями Белоусова-Жаботинского.

Процессы, лежащие в основе агрегации амеб Dictyostelium discoideum, по-видимому, представляют собой замечательную модель для более сложных явлений самоорганизации в живой природе. Нарушение пространственной симметрии в распределении какого-либо биологически важного вещества, приводящее к неоднородному распределению клеток, может объяснить множество экспериментальных наблюдений, касающихся морфогенеза насекомых. Дело в том, что в развивающихся тканях, как правило, наблюдается градиент многих жизненно важных веществ. Естественно считать, что эти градиенты служат для отдельных клеток источником информации об их пространственном положении. Это дает возможность клеткам определять свое положение по отношению к другим клеткам-партнерам. Это рассуждение подводит нас к замечательной идеи, высказанной А. Тьюрингом в 1952 году, что “переходы опосредованные химическими веществами и приводящие к нарушению симметрии, являются одним из ключевых свойств жизни”.

2.10.4. Самоорганизация в процессах эволюции

Приведенные примеры возникновения диссипативных структур в сравнительно простых физических и химических системах оказались замечательными моделями для разработки достаточно общей теории самоорганизации материи. При этом были выявлены весьма общие требования, при выполнении которых, в системе возможны процессы самоорганизации. Оказалось, что открытая система, способная обмениваться с окружающей средой энергией, веществом и информацией, должна быть достаточно сложной в том смысле, что она включает в себя много объектов, принимаемых за элементы структуры. В рассмотренных примерах элементами являются молекулы вещества, но элементами открытой системы могут быть и макроскопические объекты, например, особи некоторой популяции.

Благодаря сложности, в открытых системах могут образовываться структуры. Поскольку, возникающие структуры включают в себя большое количество элементов системы, то ясно, что диссипативные структуры представляют собой коллективные явления. Роль кооперации в рассматриваемых явлениях настолько важна, что по предложению Г. Хакена данное научное направление получило название синергетика, что означает совместное действие. Стоит также отметить, что в возникновении диссипативных структур диссипация совершенно необходима, ибо она исполняет здесь конструктивную роль.

Термин эволюция является очень общим, он подразумевает любое изменение, в том числе развитие в природе и обществе. В закрытых физических системах результатом эволюции всегда является равновесное состояние, характеризующееся максимальной энтропией и максимальной степенью хаотичности.

В открытых системах эволюция ведет к равновесному, либо неравновесному, но стационарному состоянию. Если в системе происходит плавное изменение управляющих параметров, то эволюция приводит к последовательной смене стационарных состояний открытой системы. В любом случае, эволюция может вести как к деградации, так и к самоорганизации, в ходе которой возникают более сложные и совершенные структуры. Это означает, что самоорганизация не является необходимым результатом эволюции. Примером деградации может служить временная эволюция замкнутой системы к равновесию, примеры же самоорганизации приведены в предыдущих двух параграфах. В связи с этим важно подчеркнуть, что ни в физических, ни в химических и, даже в значительно более сложных биологических системах не заложена внутренняя необходимость самоорганизации.

Поскольку самоорганизация представляет лишь один из возможных вариантов эволюции, возникает потребность в установлении критериев самоорганизации. На этом пути возникает значительная трудность, обусловленная тем, что далеко не всегда очевидно, является ли данный процесс эволюции в откментами открытой системы могут быть и макроскопические объекты, например, особи некоторой популяции.

Благодаря сложности, в открытых системах могут образовываться структуры. Поскольку, возникающие структуры включают в себя большое количество элементов системы, то ясно, что диссипативные структуры представляют собой коллективные явления. Роль кооперации в рассматриваемых явлениях настолько важна, что по предложению Г. Хакена данное научное направление получило название синергетика, что означает совместное действие. Стоит также отметить, что в возникновении диссипативных структур диссипация совершенно необходима, ибо она исполняет здесь конструктивную роль.

Термин эволюция является очень общим, он подразумевает любое изменение, в том числе развитие в природе и обществе. В закрытых физических системах результатом эволюции всегда является равновесное¹⁰состояние, характеризующееся максимальной энтропией и максимальной степенью хаотичности.

В открытых системах эволюция ведет к равновесному, либо неравновесному, но стационарному состоянию. Если в системе происходит плавное изменение управляющих параметров, то эволюция приводит к последовательной смене стационарных состояний открытой системы. В любом случае, эволюция может вести как к деградации, так и к самоорганизации, в ходе которой возникают более сложные и совершенные структуры. Это означает, что самоорганизация не является необходимым результатом эволюции. Примером деградации может служить временная эволюция замкнутой системы к равновесию, примеры же самоорганизации приведены в предыдущих двух параграфах. В связи с этим важно подчеркнуть, что ни в физических, ни в химических и, даже в значительно более сложных биологических системах не заложена внутренняя необходимость самоорганизации.

Поскольку самоорганизация представляет лишь один из возможных вариантов эволюции, возникает потребность в установлении критериев самоорганизации. На этом пути возникает значительная трудность, обусловленная тем, что далеко не всегда очевидно, является ли данный процесс эволюции в откаектории номера ячеек, в которые попадает точка, изображающая движение системы через выбранные промежутки времени, образует регулярную последовательность, например, повторяется через один или несколько периодов, в случае периодического движения. Для хаотической траектории никакой регулярности не наблюдается. Это значит, что по предыдущим номерам ячеек мы не в состоянии предсказать последующие номера. Другими словами, вся траектория определяется только заданием полной последовательности номеров ячеек. Это означает, что мы можем говорить только о вероятностях переходов из одной ячейки в другую.

Таким образом, мы приходим к необходимости описания эволюции сравнительно простых систем в терминах вероятности — в терминах функций распределения. Именно такой переход вводит элемент необратимости в эволюцию системы. Напомним, что все фундаментальные динамические законы физики обратимы во времени, то есть, если возможно движение в одном направлении, то возможно и в обратном. Отсутствие стрелы времени в этих уравнениях делает их несовместимыми с необратимым поведением, присущим большинству реальных систем. Переход же к вероятностному описанию в терминах функций распределения устраняет это противоречие.

В заключение раздела, сформулируем условия возникновения упорядоченных структур.

• Диссипативные структуры могут возникать только в открытых системах. Только в них возможен приток энергии, компенсирующий потери вследствие диссипации, которая и обеспечивает существование упорядоченной структуры.

• Диссипативные структуры могут возникать только в достаточно сложных системах, включающих большое количество элементов. Коллективное взаимодействие этих элементов и открывает возможность согласованной перестройки всей системы, приводящей к новым структурам.

• Диссипативные структуры возникают лишь в системах, описывающихся нелинейными эволюционными уравнениями.

1 Нейтрон и протон получили единое название — нуклон, потому что внутри ядра они ведут себя как совершенно одинаковые частицы. Это и дает основание рассматривать их как два разных зарядовых состояния одной и той же частицы.

2 Для обозначения античастиц используют обычно ту же букву, что и для частиц, но со знаком тильды.

3 Существует три различных вида нейтрино.

4 Лептон означает легкий. Это название класса связано с тем, что первоначально в него входили только легкие частицы, но после открытия -лептона название потеряло свой первоначальный смысл.

5 Напомним, что с уменьшением расстояния электромагнитные и гравитационные взаимодействия нарастают.

6 Вакуум порождает частицы только парами — частица-античастица, потому что и здесь работают законы сохранения зарядов: электрического, лептонного и других. Только фотон, будучи абсолютно нейтральной частицей, тождественен своей античастице и, поэтому может появиться один, не нарушив законов сохранения заряда.

7 Фундаментальный закон сохранения импульса при этом, конечно, не нарушается. При таком рассеянии импульс электрона передается кристаллу как целому.

8 Если приложить очень сильное электрическое поле, то оно сможет сообщить электрону необходимую энергию и он будет участвовать в проводимости, но этот процесс приводит к разрушению самого диэлектрика и известен как диэлектрический пробой.

9 И. Пригожин, лауреат Нобелевской премии по химии за 1977 год, внес огромный вклад в становление и развитие теории самоорганизации материи.

10 Из-за наличия динамической неустойчивости движения воздушных масс в атмосфере, становится практически невозможным долгосрочное прогнозирование погоды, поскольку начальные условия задаются с весьма небольшой точностью. Увеличение точности требует создания как можно более плотной сети наблюдательных метеорологических станций.