7.4. Самоорганизующиеся системы и синергетика
Для выяснения особенностей строения и функционирования живых систем весьма полезным и конструктивным оказалось разделение всех систем на изолированные, закрытые и открытые (п. 2.3). Этот подход позволил понять, что классическая термодинамика пригодна в принципе только для описания систем в состоянии термодинамического равновесия с высоким значением энтропии. Такое состояние со статистически равномерным распределением энергии между всеми частями системы принято называть хаотичным. Классическая термодинамика, утверждая, что все системы стремятся к равновесию, хаосу, не позволяла объяснить, каким образом из примитивных хаотичных систем могут возникать сложные упорядоченные системы, способные понижать свою энтропию.
В ходе решения этой проблемы бельгийским учёным русского происхождения Ильёй Романовичем Пригожиным (р. 1917) была разработана термодинамика необратимых процессов [24, 25], за которую автор был удостоен Нобелевской премии 1977 г. Эта теория позволила показать, что в открытых системах в результате возникающих флуктуаций (случайных концентраций энергии) могут возникать устойчивые, термодинамически неравновесные состояния с низкой энтропией. Такие системы при наличии потока энергии способны в дальнейшем понижать свою энтропию и увеличивать упорядоченность. Постоянное потребление энергии для поддержания антиэнтропийного состояния приводит к последующему её рассеиванию (диссипации) в тепло и к возрастанию энтропии окружающей среды. В связи с этим такие системы получили название антиэнтропийных и диссипативных структур.
Дальнейшее развитие идей И. Пригожина привело к разработке немецким физиком и математиком Германом Хакеном (р. 1927 г.) науки, названной автором синергетикой [35, 36]. Слово синергетика означает совместное кооперативное действие разнородных сил и элементов.
Основные идеи синергетики сводятся к тому, что сложные самоорганизующиеся системы состоят из разнородных, тесно взаимодействующих частей. В результате возникают эмерджентные свойства системы, не выводимые из свойств составных элементов и зависящие только от их определённого сочетания. Такие системы могут находиться далеко от состояния термодинамического равновесия и являются подвижными (изменчивыми). Математическое описание изменения параметров таких систем обычно требует применения нелинейных дифференциальных уравнений. Нелинейность означает, что параметры входят в эти уравнения со степенями, отличающимися от единицы, в отличие от более простых линейных физических систем.
Математический анализ нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих диссипативные самоорганизующиеся системы, показывает, что их поведение может быть изображено графически в виде траекторий в многомерном пространстве. Такие траектории имеют тенденцию двигаться в сторону определённых областей этого многомерного пространства, в которых начинают циркулировать неопределённо долго. Такие области получили название аттракторы. При переходе от математической абстракции к конкретным реальным явлениям аттракторы означают устойчивое, но неравновесное состояние системы. Такое состояние часто проявляется в виде колебательного изменения параметров (аттрактор выглядит как замкнутый цикл) (рис.7.1).
Система с аттрактором относительно устойчива к внешним воздействиям, но только в определённых пределах. Сильные воздействия могут вывести систему из одного устойчивого состояния и перевести её в другое устойчивое состояние, которое будет свидетельствовать о наличии второго аттрактора и т.д. Могут быть и такие внешние воздействия, при которых траектория не приведёт к образованию аттрактора и система разрушится, перейдёт в состояние термодинамического равновесия (хаоса).
Математический анализ самоорганизующихся диссипативных систем показывает и то, что их поведение (траектория) за пределами аттракторов является принципиально не предсказуемым. Это проявляется в том, что в некоторых областях многомерного пространства существуют особые точки, в которых в соответствии с законами математики допустимо наличие более одного решения. При попадании в такие точки, которые получили название точек бифуркации, траектория раздваивается. Наличие точек бифуркации приводит к тому, что предсказать можно лишь определённое число возможных вариантов развития (эволюции) системы. Но какой конкретно вариант будет реализован, предсказать невозможно.
Реальным примером аттрактора можно считать нормальное состояние живого организма, когда его параметры не выходят за границы определённой области, называемой жизнью. Болезнь в таком случае можно рассматривать как выход из устойчивой области (аттрактора) в точке бифуркации, а процесс лечения как возвращение в область аттрактора.