16.4. Глобальный эволюционизм
Одна из важнейших идей европейской цивилизации — идея развития мира. В своих простейших и неразвитых формах (преформизм, эпигенез, кантовская космогония) она начала проникать в естествознание еще в XVIII в. (см. 7.2 и 7.4). Но только XIX в. по праву может быть назван веком эволюции. Сначала в геологии, затем биологии и социологии теоретическому моделированию развивающихся объектов стали уделять все большее и большее внимание.
Однако в науках физико-химического цикла идея развития пробивала себе дорогу очень сложно. Вплоть до второй половины XX в. здесь господствовала исходная абстракция закрытой обратимой системы, в которой фактор времени не играет роли. Даже переход от классической ньютоновской физики к неклассической (релятивистской и квантовой) ничего не изменил в этом отношении. Правда, в классической термодинамике был сделан некоторый робкий прорыв — введены понятие энтропии и представление о необратимых процессах, зависящих от времени («стрела времени»). Но в конечном счете классическая термодинамика изучала лишь закрытые равновесные системы, а неравновесные процессы рассматривались как возмущения, второстепенные отклонения, которыми можно пренебречь в окончательном описании познаваемого объекта.
Проникновение идеи развития в геологию, биологию, социологию, гуманитарные науки в XIX — первой половине XX в. происходило независимо в каждой из этих отраслей познания. Философский принцип развития мира (природы, общества, человека) не имел общего, стержневого для всего естествознания (а также для всей науки) выражения. В каждой отрасли естествознания у него были свои (независимые от другой отрасли) формы теоретико-методологической конкретизации.
Только к концу XX в. естествознание нашло теоретические и методологические средства для создания единой модели универсальной эволюции, выявления общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и нашей планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез) и, наконец, возникновение человека и общества (антропосоциогенез). Такой моделью является концепция глобального эволюционизма. В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от фазы инфляции физического вакуума и Большого Взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Космохимия, геохимия, биохимия отражают здесь фундаментальные переходы в эволюции молекулярных систем и неизбежности их превращения в органическую материю.
В концепции глобального эволюционизма подчеркивается важнейшая закономерность — направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации. Вся история Вселенной — от момента сингулярности до возникновения человека — предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи. Принцип глобального эволюционизма требует не просто знания временного порядка образования уровней материи, а глубокого понимания внутренней логики развития космического порядка вещей, логики развития Вселенной как целого.
Важную роль в концепции универсального эволюционизма играет идея отбора: новое возникает как результат отбора наиболее эффективных формообразований, неэффективные же инновации отбраковываются историческим процессом; качественно новый уровень организации материи окончательно самоутверждается тогда, когда он оказывается способным впитать в себя предшествующий опыт исторического развития материи. Эта закономерность характерна не только для биологической формы движения, но и для всей эволюции материи.
Ключевую роль в концепции глобального эволюционизма играет сформулированный релятивистской космологией антропный принцип (см. 11.8.6), который выявляет фундаментальные условия, при которых наша Вселенная может обладать способностью к саморазвитию, развиваться от Хаоса элементарных частиц к Человеку, Разуму. Как оказалось, спектр таких условий очень узкий. Более того, и переход на каждый новый, более высокий уровень организации является все менее и менее вероятным. Однако возможность такого перехода рано или поздно реализуется. Причем существует закономерность глобального ускорения развития: для перехода на очередной уровень качественной организации материи требуется все меньше времени. Это значит, что каждый более высокий уровень организации материи более разнообразен, поле возможных путей эволюции у него намного шире, кроме того, он более динамичный, чем предыдущий, протекающие в нем процессы более интенсивны, их скорость более высокая. Это позволяет быстрее «перебрать» все возможные пути эволюции и (селекционно) выбрать тот, который ведет на следующую ступень организации материи.
В настоящее время идея глобального эволюционизма — не только констатирующее положение, но и регулятивный принцип. С одной стороны, он дает представление о мире как о целостности, позволяет мыслить общие законы бытия в их единстве, а с другой — ориентирует современное естествознание на выявление конкретных закономерностей глобальной эволюции материи на всех ее структурных уровнях, на всех этапах ее самоорганизации.
|
Яндекс.Директ
Понятие самоорганизации систем Степень зависимости той или иной системы от прошлого. Условия возникновения и типы процессов самоорганизации. Основные свойства самоорганизующих систем. Представление о разрушительной тенденции материи. Характерные особенности развивающихся систем.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже. Начало формы
Конец формы
Подобные работы 1. Структурные уровни организации материи. Структура и её роль в организации материиРазвитие неживой и живой природы. Структура и ее роль в организации живых систем. Современный взгляд на структурную организацию материи. Проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, законы построения организации и возникновения упорядоченности. контрольная работа [38,2 K], добавлена 31.01.2010 2.Процессы самоорганизацииИсследование теории самоорганизации. Основной критерий рaзвития сaмооргaнизующихся систем. Неравновесные процессы и открытые системы. Самоорганизация диссипативных структур. Химическая реакция Белоусова-Жаботинского. Самоорганизация в физических явлениях. реферат [636,7 K], добавлена 30.09.2010 3.Синергетика как универсальная научная парадигмаХарактеристики самоорганизующихся систем. Открытость. Нелинейность. Диссипативность. Системная модель мира. Самоорганизация и эволюция сложных систем, далеких от равновесия. Основы теории самоорганизации систем. Синергетическая картина мира. реферат [53,9 K], добавлена 18.11.2007 4.Сущность отличия живых открытых систем от неживыхОбмен веществ как главное отличие живых объектов и процессов от неживых. Два основных типа биополимеров в составе живых систем: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Необходимые для жизни физические и химические условия. Свойства живых систем. контрольная работа [20,2 K], добавлена 22.05.2009 5.Зависимость пространственно-временной структуры открытой системы и её статистических свойств от времениСовременное понятие "открытая система". Проблема анализа целостных свойств открытых систем в зависимости от времени. Общность процессов типа 1/f (процессов типа фликкер-шума) для всех систем. Старое и новое математическое описание процессов типа 1/f. курсовая работа [344,8 K], добавлена 23.11.2011 6.Антропогенез и самоорганизацияДриопитеки как животные предки человека. Представители человеческой линии эволюции - австралопитеки. Эволюция рода человек. Самоорганизация как основа эволюции. Основные условия и положения самоорганизации систем. Две теории о происхождении материков. контрольная работа [29,6 K], добавлена 10.08.2009 7.Синергетика и ее основные принципыСинергетика – наука о процессах развития и самоорганизации сложных систем произвольной природы. Характеристика структурных принципов бытия и становления (гомеостатичности, иерархичности, незамкнутости, неустойчивости, эмерджентности, наблюдаемости). реферат [18,8 K], добавлена 14.03.2011 8.Общие свойства живых системОсновные особенности и внутрисистемные связи живых систем. Наличие собственной программы их развития и способность к активному оперированию информацией. Периодический закон развития живых систем. Иерархическая функционально-структурная организация. курсовая работа [122,1 K], добавлена 22.07.2009 9.Самоорганизация в природе и в обществеКибернетика и ее принципы. Самоорганизующиеся системы. Связь кибернетики с процессом самоорганизации. Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований. Отличие синергетики от кибернетики. Структурные компоненты процесса самоорганизации. реферат [58,1 K], добавлена 09.09.2008 10.Самоорганизация материиТеория самоорганизации в современном естествознании. Энгельс о гипотезе тепловой смерти Вселенной и превращении форм движения. Второй закон термодинамики - закон деградации энергии. Принцип существования энтропии. Необратимость природных процессов. реферат [47,7 K], добавлена 02.04.2011Другие работы, подобные Понятие самоорганизации систем
Размещено на http://www.allbest.ru/ Размещено на http://www.allbest.ru/ Кафедра «Общепрофессиональные и специальные дисциплины по юриспруденции» Контрольная работа По курсу: «Концепция современного естествознания» 2011 г. Содержание самоорганизация система материя Введение 1. Понятие самоорганизации 2. Самоорганизация систем 3. Типы процессов самоорганизации 4. Самоорганизация сложных систем 5. Условия возникновения самоорганизации 6. Самоорганизация в живой природе Заключение Список использованной литературы 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, 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. 1. Понятие самоорганизации Самоорганизация -- это процесс, в ходе которого создается, 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 жесткий, а вероятностный характер. Основные свойства самоорганизующих систем -- открытость, нелинейность, диссипативность. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты самой различной природы: живая клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив и т.д. Процессы самоорганизации осуществляются за счет 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 протекают при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны и относительно независимы от нее. 2. Самоорганизация систем В последние десятилетия развивается представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию все более сложных и упорядоченных систем разного уровня. Представление о разрушительной тенденции материи сформировалось в результате развития двух отраслей классической физики - статистической механики и термодинамики, - которые описывают поведение изолированных (замкнутых) систем, т. е. систем не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию - термодинамическому равновесию, которое эквивалентно хаосу, когда отсутствует какая-либо упорядоченность и все виды энергии переходят в тепловую, в среднем равномерно распределенную между всеми элементами системы. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной, которая полагалась замкнутой системой. Из этого следовал вывод о деградации Вселенной - ее тепловой смерти. Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми, т. е. они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах возможно образование нарастающей упорядоченности. На данной основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем В последние десятилетия исследования процессов самоорганизации производятся в трех направлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и математическая теория катастроф. Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности, т. е. уменьшается энтропия. Основа синергетики - термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн. Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять трем условиям: открытость, существенная неравновесность и скачкообразный выход из критического состояния. Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности. Примером самоорганизующейся системы может служить оптический квантовый генератор - лазер. При его работе соблюдаются три перечисленные условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение. «Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости. Интересно отметить что такая картина наблюдается на всех уровнях - в области элементарных частиц, в биологии, в астрофизике», - так считает один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г. бельгийский физик и физикохимик И.Л. Пригожий (р. 1917). Самоорганизация включает случайное и закономерное в развитии любых систем, в котором можно выделить две фазы: плавную эволюцию, ход которой достаточно закономерен и детерминирован, и скачок в точке бифуркации, протекающий случайно и поэтому случайно определяющий последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в точке бифуркации. Прямое отношение к концепции самоорганизации имеет математическая теория катастроф, описывающая различные скачкообразные переходы, спонтанные качественные изменения и т. п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат - топологическая теория динамических систем. 3. Типы процессов самоорганизации Различают три типа процессов самоорганизации: процессы самозарождения организации, т.е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями (например, генезис многоклеточных организмов из одноклеточных); процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования (здесь исследуются главным образом гомеостатические механизмы, в частности, механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи); процессы, связанные с совершенствованием и саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт. Специальное исследование проблем самоорганизации впервые было начато в кибернетике. Термин «самоорганизующая система» ввел английский кибернетик У. Р. Эшби в 1947 г. Широкое изучение самоорганизации началось в конце 50-х гг. XX в. в целях отыскания новых принципов построения технических устройств, способных моделировать различные стороны интеллектуальной деятельности человека. Исследование проблем самоорганизации стало одним из основных путей проникновения идей и методов кибернетики, теории информации, теории систем, биологического и системного познания. Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем мир закрытых, линейных систем. Вместе с тем «нелинейный мир» сложнее моделировать. Как правило, для приближенного решения большинства возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.д. Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики -- существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Такие закономерности существуют. Это открытость, нелинейность, диссипативность. 4. Самоорганизация сложных систем Характерной особенностью развивающихся систем является их способность к самоорганизации, которая проявляется в самосогласованном функционировании системы за счет внутренних связей с внешней средой. Рассматривая развитие как процесс самоорганизации системы, выделим в нем две основные фазы: адаптацию, или эволюционное развитие и отбор. Самоорганизующиеся системы обладают механизмом непрерывной приспособляемости (адаптации) к меняющимся внутренним и внешним условиям, непрерывного совершенствования поведения с учетом прошлого опыта. При исследовании процессов самоорганизации будем исходить из предположения, что в развивающихся системах структура и функция тесно взаимосвязаны. Система преобразует свою структуру для того, чтобы выполнить заданные функции в условиях меняющейся внешней среды. Адаптация системы к меняющимся условиям происходит благодаря появлению элементов, обладающих необходимыми для функционирования системы свойствами, причем благодаря не просто появлению таких элементов (имеется в виду не только появление новых элементов, но и возникновение у "старых" элементов новых признаков), а избыточности таких элементов-признаков. Увеличение числа сходных элементов лежит в основе прогрессивного развития систем, так как является предпосылкой для дальнейшего отбора элементов, дифференциации и интеграции структур. Вместе с тем увеличение числа сходных элементов - простейшее средство для увеличения надежности воспроизведения, для интенсификации функций и расширения связей с внешней средой. Периоду адаптации (устойчивости системы) соответствует постоянное накопление приспособительных признаков широкого значения, нарастание универсализма системы. В результате флуктуаций в системе возникают регулирующие сигналы, которые изменяют, приспосабливают структуру системы так, чтобы система продолжала функционировать необходимым образом. Период адаптации - это период эволюционных преобразований, которые связаны лишь с количественными изменениями в системе. Структурная устойчивость при этом не нарушается. Понятие структурной устойчивости играет важную роль в теории самоорганизации. Процесс эволюции - это результат взаимодействия системы с внешней средой, поэтому при исследовании этого процесса необходимо рассматривать процесс система-внешняя среда. Значение внешних и внутренних факторов в органической эволюции Шмальгаузен выявляет, объясняя эволюционный процесс как процесс направленный: "Биогеоценоз выступает по отношению ко всем составляющим его популяциям видов как управляющее устройство. Контроль и регуляция взаимозависимостей популяций разных видов друг с другом и с неживыми компонентами биогеоценоза совершаются через отбор или дифференциальное участие особей в воспроизведении следующего поколения. Гибель, полное или частичное устранение от размножения всех, кто не может выполнять биогеохимическую функцию, поддерживает устойчивость процессов циркуляции вещества и энергии в биогеоценозе и вместе с тем обеспечивает эволюцию отдельных видов. Эволюция является побочным, но неизбежным результатом поддержания устойчивости системы высшего по отношению к организму ранга. Отбор, осуществляя контроль и регуляцию, т.е. поддерживая стационарное состояние биогеоценоза, тем самым становится движущим фактором эволюции вида и обеспечивает не просто изменение вида как системы, которое могло бы привести ее к разрушению, а переход системы из одного гармонического (устойчивого по принципу регулирования) состояния в другое гармоническое состояние". Множественное регулирование по принципу обратной связи, или самонастройка развивающего организма, лежит в основе поддержания устойчивого состояния, обеспечивает сохранение устойчивости процесса развития при нерегулярно меняющихся внешних условиях, обеспечивает надежность достижения результата развития в регулярно меняющихся условиях среды. Самонастройка составляет основу приспособленности организма к среде и взаимного приспособления органов друг к другу. Но она же составляет и основу приспособляемости, правда, на другом - надорганизменном уровне организации жизни. Действие регуляторного механизма развития системы проявляется на различных уровнях ее организации и зависит от реакции на изменение внешних факторов, от форм взаимодействия системы с факторами внешней среды. В зависимости от уровня структуризации системы взаимозависимость с внешними факторами проявляется в различных формах, так как относится к разным уровням организации системы и различным процессам. В роли регулятора выступает внешняя среда, включающая рассматриваемую систему. Внешняя среда должна быть связана с развивающейся системой двумя линиями связи - прямой линией передачи управляющих сигналов от внешней среды к системе и линией обратной связи, передающей во внешнюю среду информацию о действительном состоянии системы. В процессе своего функционировании система передает во внешнюю среду информацию о количественном составе соответствующих элементов-признаков, об их распределении. Во внешней среде происходит преобразование этой информации (контроль и отбор наиболее ценной информации). Отобранная информация накапливается во внешней среде и передается в систему путем появления соответствующих свойств (признаков) у элементов системы. В биологических системах в роли регулятора выступает биогеоценоз. Популяция, входящая в состав данного биогеоценоза, связана с ним двумя каналами. Первый канал связи лежит на молекулярном уровне организации и служит для передачи наследственной информации от зиготы до первичных половых клеток зрелой особи. Второй канал связи лежит на уровне организации особи и служит для передачи обратной информации от фенотипов к биогеоценозу. Между этими двумя каналами "вставлены" механизмы преобразования, обеспечивающие связь между ними и замыкающие таким образом элементарный цикл эволюционных изменений. Таким образом, осуществляется двусторонняя связь между внешней средой и включенной в ее состав системой. Однако между обеими линиями передачи нет непосредственной связи, так как они находятся на разных уровнях. Накопленная информация передается по прямому каналу на уровне признаков отдельных элементов, а обратная информация - только на уровне элементов и компонентов системы. Так как регулирующие механизмы развития системы связаны с внешней средой, то следует считаться с возможностью различных случайных внешних влияний, которые искажают передачу информации и нарушают нормальное течение преобразований. Если биогеоценоз в целом играет роль регулятора эволюционного процесса, то он обязательно должен быть обеспечен "информацией" о состоянии популяции (по линии "обратной" связи), должен включать в себя специфический механизм преобразования этой информации в управляющие сигналы и средства передачи последних на популяцию. Таким образом, кроме механизма преобразования, необходимы каналы связи для передачи информации в двух направлениях - от популяции к биогеоценозу и от биогеоценоза к популяции. Так как изменение популяции, будучи элементарным эволюционным процессом, всегда сопровождается наследственным изменением ее особей, то управляющие сигналы от биогеоценоза к популяции должны каким-то образом включить возможность изменения ее наследственной структуры. Последнее может произойти только в процессе преобразования информации в самом биогеоценозе (т.е. в "регуляторе"). Так как первичные эволюционные изменения возможны только в популяции (или в поколениях особей, но не в отдельных особях), то наиболее простым изменением является хотя бы небольшое изменение в генетическом составе популяции, т.е. в соотношении числа особей с разной наследственной характеристикой (генотипов). Информация о таких изменениях популяции может быть сообщена через наследственный аппарат ее особей и передана особям следующего поколения при посредстве, например, половых клеток. Такой аппарат действительно имеется, и, несомненно, он полностью обеспечивает надежную связь популяции с регулирующим механизмом биогеоценоза и дальнейшую передачу информации от одного поколения особей к следующему. Имеются и средства передачи обратной информации от популяции к биогеоценозу. Популяция, несомненно, активно воздействует на биогеоценоз, хотя бы через потребление пищевых материалов и накопление продуктов своей жизнедеятельности. В известных условиях популяция может внести значительные изменения в строении биогеоценоза. Таким образом, имеются и каналы обратной связи. Однако нет прямой связи между наследственной информацией по первому каналу (от биогеоценоза) и обратной информацией по второму каналу (от популяции к биогеоценозу). Здесь непосредственная связь как будто прерывается, так как обе линии связи находятся на разных уровнях. Наследственная информация передается на внутриклеточном (молекулярном) уровне организации, а обратная информация - только на уровне организации целой особи. Переход от одной линии связи к другой совершается посредством довольно сложного механизма преобразования. Наследственная информация преобразуется в процессах индивидуального развития в средства передачи обратной информации, именно в фенотип особи, являющейся реальным носителем жизни и активным участником наступления на жизненные ресурсы биогеоценоза ("борьбы за существование"). В биогеоценозе через естественный отбор и процессы размножения происходит новое преобразование этой информации в наследственную с переходом от уровня организации особи (в фенотипах) на уровень организации клетки (половые клетки, зиготы). Так замыкается полный круг преобразований в элементарном цикле эволюционного процесса. Таким образом, можно еще раз сказать, что адаптация системы происходит за счет избыточности элементов-признаков, за счет накопления информации в системе о состоянии окружения. Избыточность обеспечивает селекцию, отбор наиболее оптимальных вариантов. Причиной многообразия форм в популяции является, конечно, процесс мутирования. Стабилизирующая форма естественного отбора препятствует накоплению одинаковых мутаций, переводит наследственное многообразие особей в скрытое состояние и всегда поддерживает количество наследственной информации в популяции на довольно высоком уровне. На еще более высоком уровне поддерживается и количество обратной информации в фенотипах популяции. Следовательно, энтропия популяции остается высокой. Популяция - мало организованная биологическая система, и этот низкий уровень организации, т.е. некоторый беспорядок и неопределенность, поддерживается действием стабилизирующего отбора. Этим самым поддерживается высокая эволюционная пластичность популяции и вида в целом. В случае изменения соотношений между популяцией (видом) и внешней средой (биогеоценозом) нормальные особи теряют свою приспособленность. Стабилизирующий отбор в известных отношениях (по признакам, утратившим свое значение) прекращается, и это ведет к увеличению числа разнообразных мутаций. Резко увеличивается количество информации в отдельных особях, организация расшатывается. Однако некоторые мутации и их комбинации могут получить в новых условиях среды положительную оценку. Это ведет к свободному их накоплению под руководящим влиянием движущей формы естественного отбора. Стабилизирующая форма отбора ведет, собственно, к двум разным, но одинаково важным результатам: к максимальной устойчивости особи и возможной мобильности, т.е. эволюционной пластичности популяции. Стабилизирующая форма естественного отбора выступает в роли фактора, формирующего и поддерживающего надежное функционирование первого канала связи от зиготы к первичной половой клетке (путем клеточных делений) и безошибочное преобразование полученной таким образом информации в процессах индивидуального развития. Она ведет к созданию и максимальной стабилизации аппарата индивидуального развития и к нормализации популяции, ее особей и признаков. Движущая (преобразующая) форма отбора выступает в роли фактора, формирующего и поддерживающего функцию второго канала связи от популяции к биогеоценозу. Она ведет к тем перестройкам в организации наследственного аппарата (в первом канале связи) и механизма индивидуального развития (в формах преобразования информации), которые способствуют возникновению новых адаптаций; к специализации, общему усложнению организации и увеличению активности отдельных особей, т.е. к изменению форм жизнедеятельности как средств связи по второму каналу. Преобразующий отбор использует в своей деятельности то, что достигнуто стабилизирующим отбором, - высокую наследственность тех уклонений от нормы, которые вызваны изменением генотипа. Эмбриологические работы Шмальгаузена показали, что наиболее быстро эволюционируют те структуры, которые в процессе развития зародыша наиболее независимы от остальных частей организма. Идея ускорения эволюции наиболее стабильных структур явилась высшей точкой синтеза идеи устойчивости и идеи эволюции. Исследования Шмальгаузена показывают, что для развития системы нужны закрепленные признаки, появившиеся в результате адаптации к внешней среде, т.е. необходимо наличие в системе определенной формы памяти. Но одной наследственности для развития мало, нужен активный обмен с внешней средой, система должна быть открытой. Организационные формы не могут возникнуть без специально организованной памяти. Но наряду с "накопленным опытом" система должна обладать способностью к обучению. Таким образом, Шмальгаузен связал один из факторов эволюции - изменчивость с процессами передачи, преобразования, накопления информации. При этом понятие "информация" связывается с числом элементов-признаков. На этапе адаптации важную роль играет избыточность информации. 5.Условия возникновения самоорганизации Развитие системы происходит за счет внутренних механизмов, в результате процессов самоорганизации и за счет внешних управляющих воздействий. М. Эйгеном на основе неравновесной термодинамики и теории информации разработана концепция самоорганизации материи. Эйген ограничивается моделированием добиологической эволюции макромолекул, но развитые им идеи и методы имеют более общее принципиальное значение. Так же как и работы школы Пригожина, работы Эйгена вышли за рамки частных наук и имеют общенаучное методологическое значение. Согласно теории Эйгена, самоорганизация не является очевидным свойством материи, которое обязательно проявляется при любых обстоятельствах. Должны быть выполнены определенные внутренние и внешние условия, прежде чем такой процесс станет неизбежным. Самоорганизация начинается с флуктуации. Для возникновения процесса самоорганизации необходимы инструктивные свойства системы на микроуровне. Инструкция требует информации, которая кодирует определенные функции. Для самоорганизованных систем интерес представляет функция воспроизведения или сохранения ее собственного информационного содержания. Для возникновения эволюции существенно не количество информации, а инструктирующие свойства информации; важно не количество, а ценность информации, которая непосредственно связана с ее используемостью. Достаточно сложно дать продуктивное универсальное определение ценности информации, так как оно дано для количества информации. Ценность информации различна для одной и той же системы при различных целях, различных условиях внешней среды. Ценность зависит от того запаса накопленной информации, которую имеет система. Ценность - это степень ее неизбыточности, незаменимости. Информация, накопленная в процессе эволюции, - это "оцененная" информация, и число битов мало что говорит о ее функциональном значении. Накопление информации - это увеличение числа элементов, обладающих заданным признаком. Ценность информации оказывается тем большей, чем меньше разнообразных способов выполнить заданную функцию. Если сравниваются системы, выполняющие различные функции, то ценностный критерий уже оказывается малопригодным, здесь по-прежнему можно использовать количественный информационный критерий. Количественный и прагматический информационные критерии необходимо применять не порознь, а совместно, только в этом случае можно достигнуть наиболее адекватного определения степени организации, как в функциональном, так и во многих других отношениях. Для появления согласованных направленных процессов в системе необходимо использование информации в процессе функционирования системы. Если использования нет, то новые признаки у элементов появляются независимо от того, какие признаки есть у других элементов. Если нет использования информации, то нет ее накопления во внешней среде, а следовательно, нет передачи накопленной информации из внешней среды в систему. Организация в системе связана с локализацией элементов, обладающих определенными признаками, с концентрацией этих элементов, то есть образованием диссипативной структуры. Локализованные диссипативные структуры имеют способность накапливать информацию за счет своего рода "примитивной памяти". Такая локализация происходит благодаря самоинструктирующему процессу использования информации. В процессе использования информации происходит отбор тех элементов-признаков, которые дают преимущества в ходе развития. Использование информации не является ее атрибутом, а лишь свойством, проявляющимся в определенных условиях. Во всех случаях, когда проводится сравнение и отбор информации, это происходит на основе их оценки по качеству. На линиях обратной связи всегда идет сопоставление реального результата некоторого действия с тем, который закодирован в программе. Это всегда означает прежде всего оценку по качеству информации. Если информация из внешней среды дает указания на существование пищевых материалов, то прежде всего происходит их апробирование - сопоставление с требуемым материалом по его качеству. Если биоценоз получает информацию о новом варианте организмов (через его деятельность), то всегда идет сопоставление нового варианта с прежней нормой. В борьбе за существование отбор нового варианта происходит не на основе количества, а только по качественным показателям (в сравнении с нормой). Самоинструктирующий характер процесса отбора приводит к тому, что уменьшается диссипация, так как уменьшается разнообразие элементов-признаков. А это, в свою очередь, уменьшает устойчивость системы. Система не просто удаляется от равновесного состояния, а удаляется с возрастающей скоростью, так как в отборе побеждают более совершенные структуры, возникающие раньше других. Одним из условий возникновения самоорганизации является реализация отбора информации, имеющей определенную меру качества (ценность). Информация обретает ценность в конкретном процессе ее использования. Для того чтобы начался процесс самоорганизации, необходимо, чтобы отбор происходил при определенных условиях, а именно: система должна быть далекой от равновесного состояния; интенсивность роста числа элементов должна быть достаточной для того, чтобы вывести систему из устойчивого состояния. Если скорость роста числа новых элементов невелика, то независимо от начальных данных через определенное время установится стационарное состояние. Скорость роста числа новых элементов должна превышать скорость отмирания "старых" элементов. Процесс роста должен иметь "автокаталитический" характер, т.е. появление нового признака у одного элемента должно вызывать появление того же признака у других элементов. Если скорость роста будет меньше скорости отмирания, то система не будет обладать внутренней способностью к росту, которая необходима для отбора против менее эффективных признаков. Подобная система несла бы в себе всю бесполезную информацию предшествующих элементов-признаков, которая в конце концов блокировала бы дальнейшую эволюцию. Для реализации отбора необходима избыточность информации. В самоорганизующейся системе возможный максимальный беспорядок увеличивается за счет присоединения новых элементов к системе. Но простое добавление элементов в систему еще не превращает ее в самоорганизующуюся. Во время добавления элементов к системе энтропия системы должна сохраняться постоянной. Для выполнения этого условия необходимо выделение отрицательной энтропии из окружающей среды, т.е. дополнительный ввод энергии, информации в систему, который выражается в передаче накопленной информации из внешней среды в систему. С возрастанием ценности связано и возрастание способности биологической системы к отбору ценной информации. Эта способность велика у высших животных, органы чувств которых предназначены для такого отбора. Отбор ценной информации лежит в основе творческой деятельности человека. Такой отбор не требует дополнительных энергетических затрат - энергетическая стоимость одного бита информации не зависит от ее ценности. Естественный отбор означает сравнительную оценку фенотипов применительно к данной экологической нише, т.е. поиск оптимальной ценности. Источником одной интересной аналогии служат шахматы. Согласно теории Стейница, следует играть позиционно, накапливая малые преимущества. Когда они достаточны, шахматист должен искать комбинационный решительный путь к выигрышу. Нетривиальность этой теории, подробно аргументированной Э.Ласкером, заключается в следующем: если позиционные преимущества не используются в надлежащий момент - они рассеиваются. Ласкер писал: "У мастеров комбинационная и позиционная игра дополняют друг друга. При помощи комбинации шахматист стремится опровергнуть ложные ценности, а путем позиционной игры он старается закрепить и использовать истинные ценности". Ласкер рассматривал шахматы как модель "жизненной борьбы", но ему не приходило в голову, что шахматы могут служить моделью естественного отбора, борьбы за существование: накопление малых преимуществ подобно микроэволюции, переход к комбинации подобен макроэволюции, своего рода фазовому переходу. Теория функциональных систем, сформулированная выдающимся физиологом академиком П.К. Анохиным, утверждает, что движущий стимул поведения человека и животного - полезный приспособительный результат. Им могут быть оптимальное давление крови, достаточное содержание в ней кислорода и питательных веществ, внешние факторы, скажем, пища, вода, итоги социальной деятельности. Во имя достижения поставленных целей в организме создаются временные, "рабочие" объединения структур мозга, различных органов, систем, которые мобилизованы для выполнения отдельной функции. Эта концепция описывает общие принципы, по которым складывается физиологическая архитектура таких объединений. Поисковая активность организма - один из важнейших факторов выживания. Она повышает интенсивность обмена информацией с внешней средой, тем самым способствует повышению используемости новых организационных структур, возникших во время стресса. Современная теория стресса, разработанная великим ученым Гансом Селье, утверждает, что под влиянием сильного внешнего стимула после кратковременного периода перестройки, так называемой адаптации, организм вступает в состояние повышенной устойчивости. Но через более или менее длительное время при продолжении внешнего воздействия этот период внезапно и без всяких дополнительных условий сменяется фазой истощения, когда сопротивляемость резко падает. Существуют факты, противоречащие этой теории. Некоторые ученые отводят решающую роль в устойчивости организма поисковой активности. Если поиск прекращается, а потребность в нем сохранена, то невозможность ее удовлетворения приводит к отрицательным переживаниям и понижает устойчивость организма. Если же таковая потребность ослаблена или отсутствует, то низкий уровень активности может и не сопровождаться отрицательными эмоциями, но и в этом случае субъект остается повышенно уязвимым для внешних вредных воздействий. Поисковая активность повышает интенсивность процесса возникновения новых функциональных структур, необходимых "для достижения цели", для отражения влияния вредных факторов. Обращаясь к вышеизложенной концептуальной модели развития, отметим, что этапу преобразующего отбора соответствует состояние неустойчивости, т.е. этап зарождения и формирования новой системы. Переход от этапа формирования к эволюции отобранного состояния можно рассматривать как скачок в развитии. Исследования процесса самоорганизации показали, что на организованность системы, т.е. на ее энтропию, влияют в основном два параметра: интенсивность роста числа элементов в системе и интенсивность использования элементов в процессе функционирования системы. Рост числа элементов в системе может привести систему в неустойчивое состояние и создаст предпосылки дня отбора наиболее ценных для развития системы элементов. Ценность же элементов определяется в процессе их использования. Чем выше интенсивность роста числа элементов в системе, тем быстрее система стремится к неустойчивому состоянию, приближая момент скачкообразных изменений. Но переход на новый качественный уровень структурной организации произойдет лишь тогда, когда интенсивность использования, которая играет роль организатора в системе, будет достаточно велика для того, чтобы уменьшить энтропию в системе и перевести систему в новое устойчивое состояние. Таким образом, изменяя параметры системы, а именно интенсивность роста числа элементов и интенсивность их использования, мы можем инициировать процесс самоорганизации в системе, замедлять или ускорять его. При этом мы можем перевести систему на новый, более совершенный уровень развития или разрушить ее. Гибель системы может произойти в двух случаях. Во-первых, когда случайные флуктуации во внешней среде приводят к гибели отдельных элементов системы, к разрушению взаимосвязи между ними, в результате чего система уже не способна выполнять заданные функции. Во-вторых, когда нет использования информации о тех или иных свойствах элементов системы в процессе функционирования во внешней среде. Нет использования, а следовательно, и накопления информации во внешней среде, в результате чего нарушается прямая связь системы с внешней средой. Нарушается работа регулирующих механизмов, что приводит к дезорганизации системы и, как следствие, к ее гибели. Рассмотренная модель процесса самоорганизации системы позволяет сформулировать основные требования к математической модели. Прежде чем приступить к анализу процесса развития системы, нужно определить те признаки элементов, которые являются инвариантами для исследуемой группы элементов. И уже для этих выбранных элементов-признаков рассматривать степень упорядоченности, рассматривать рост и отмирание именно этих признаков. Модель должна связывать динамические характеристики системы (интенсивность роста и использования элементов-признаков) с функцией состояния системы, которая характеризует изменение ее упорядоченности, т.е. с энтропией. Модель должна быть нелинейной, так как она должна отражать и количественные и качественные изменения в системе. В модели должен быть отражен механизм обратной связи системы со средой. 6. Самоорганизация в живой природе Рассмотрим процесс саморегуляции в живых сообществах на достаточно простом примере. Предположим, что в некой экологической нише совместно обитают кролики и лисы. Если в некое пространство с травой, произрастающей в достатке, поместить кроликов, то, поедая траву, они начнут усиленно размножаться, т.е. произойдет реакция: Кролик + Трава => Больше Кроликов, или К + Т => 2К (как эту реакцию записали химики). Данный процесс вполне аналогичен непрерывному подводу тепла (трава) в задаче с ячейками Бенара. Но вот в данную экологическую нишу поместили хищных лисиц, которые питаются кроликами и размножаются: Лисица + Кролик => Больше лисиц, или химически: Л + К => 2Л. Однако в свою очередь лисицы, как и кролики, являются жертвами. Лисицы -- жертвы человека, который отстреливает их на мех: Лисицы => Мех, или химически: Л => М. Конечный продукт этой сложной реакции -- мех -- выводится вовне из реакционной зоны. Его можно рассматривать как носитель энергии, выводимый из системы, к которой энергия была вначале подведена, например, в виде травы. Таким образом, в экологической системе также существует поток энергии, аналогичный потоку, имеющему место в химическом реакторе. Анализируя этот сложный процесс, можно заметить, что в нем существуют две автокаталические стадии (положительная обратная связь), играющие определенную роль в его самоорганизации. Одна из них -- «производство» (рождение) кроликов от кроликов, поедающих траву, вторая -- рождение лисиц от лисиц, поедающих кроликов. Чем больше кроликов имеется, тем больше их рождается при наличии запасов травы. И если бы не было хищных лисиц, неконтролируемое размножение кроликов привело бы к неконтролируемому увеличению их численности. Так произошло в Австралии в середине XIX в. Однако возможно такое же автокаталитическое размножение лисиц при большом количестве кроликов. Но если оно произойдет, то приведет к резкому снижению численности популяции кроликов. А это, в свою очередь, приведет к уменьшению численности популяции лисиц, так как им для размножения надо поедать кроликов. Когда численность лисиц упадет, популяция кроликов получит время для восстановления своей численности. После восстановления численности кроликов начнет восстанавливаться численность популяции лисиц и т.д. Данный анализ показывает, что система самоорганизуется во времени. В действительности будут происходить периодические колебания численности кроликов и лисиц, сдвинутые во времени, т.е. возникнет экологически устойчивая структура. Анализ показывает, что в биосфере существует огромное количество сильно неравновесных систем, поэтому можно утверждать, что возникновение условий для их самоорганизации -- явление довольно частое. А так как условия для самоорганизации выполнены, то жизнь становится столь же предсказуемой, как неустойчивость Бенара или любое другое вероятное событие. Тот факт, что жизнь возникла на молодой Земле через ~4-10 лет после ее образования (т.е. 4-109 лет тому назад) является аргументом спонтанной самоорганизации, произошедшей при благоприятных обстоятельствах. Исследованием поведения неравновесных систем в точках, потери устойчивости или переходов из одной формы самоорганизации в другую занимается теория бифуркаций или, как ее еще называют, теория катастроф. Слово «бифуркация» означает раздвоение и употребляется в широком смысле для обозначения всевозможных качественных перестроек или метаморфоз различных объектов при плавном изменении параметров, от которых они зависят. Катастрофами называют скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. В результате катастрофы-взрыва система может не только скачкообразно изменить свое состояние, но и разрушиться. Заключение Можно сказать, что процесс самоорганизации природных систем заключается в обретении ими все более и более совершенного динамического равновесия с окружающей средой. Идеи универсального эволюционизма и свойства общественного человеческого сознания имеют между собой много общего. Стержнем универсального эволюционизма является схема, отражающая сквозную линию развития от низших форм движения к высшим. Эта сквозная линия допускает развитие, усложнение и усовершенствование, вследствие чего процессы и явления природы могут рассматриваться с некоторых единых позиций. Идеи универсального эволюционизма обладают значительной гибкостью и могут принимать самые разные очертания. Как следствие этого, эволюционизм существует в виде огромного количества вариантов и версий. Идеи эволюционизма -- это каркас для целого спектра различных по существу представлений о мире. В настоящее время все настоятельнее проявляется естественное желание использовать физические принципы становления и развития неживой и живой природы и идеи синергетического подхода для описания поведения сложных неравновесных самоорганизующихся систем и решения обществоведческих проблем гуманитарных наук. Новая мировоззренческая парадигма, основанная на представлениях синергетики, устраняет различия между естествознанием и обществоведением и дает возможность создать универсальную эволюционно-синергетическую картину мира. Понятия синергетики и аппарат нелинейного мышления превращают изначально гуманитарно-интуитивные методы описания социальных, экономических, психологических, исторических и других объектов и систем гуманитарной природы из описательных в научно обоснованные (прогнозируемые; Футурологические перспективы развития человечества при этом основываются на возможности эволюции перехода материи от более вероятных хаотических состояний к менее вероятным, но реально возможным и более организованным, упорядоченным состояниям. В рамках физических представлений синергетических моделей цивилизация в целом и конкретное общество в частности являются сложными неравновесными системами, устойчивость которых обеспечивается взаимодействием внешних и внутренних причин развития. Совокупность механизмов, включающих орудия и другие материальные объекты, языки, мифологию, мораль и т.д., т.е. то, что представляет собой понятие культуры, также может быть выражена в таких параметрах целостного эволюционного развития самоорганизующихся систем, как нелинейность процессов, бифуркация отдельных фаз развития и эволюционные катастрофы. Современное естествознание становится по существу постнеклассической интегративной наукой, в которой в первую очередь должны использоваться достижения и тенденции новой синергетической физики. При этом наблюдается тенденция перехода от собственно познавательной сущности науки к научному методу решения проблем экономического, социального, политического и культурного характера и получению обоснованных прогнозов будущего развития. Н.Н. Моисеев писал: Мы на пороге новой культуры - синтеза глобального духовного сознания и глобального научного знания. Можно привести большое количество примеров, подтверждающих, что синергетические модели современной постнеклассической физики применяются к сложным гуманитарным системам в динамической истории цивилизаций, возникновении этносов, самоорганизации социально-экономических процессов, кризисов развития человеческого общества, принципов устойчивого развития глобализма. В связи с этим в анализе сложных систем значительно возрастает роль физических и математических моделей и в целом моделирования процессов различной природы, рассмотрения конфликтных ситуаций и принятия решений. | |||||||||||||||||||||||||||
Требуются
работники на домуРаботайте
2-3 часа в день и зарабатывайте
30000 руб/мес!workmir.ru
Нужна
юридическая помощь?Профессиональная
помощь
адвоката.Адрес и телефонadvokatshmakova.ruСанкт-Петербург
9. Лекция: Информация и самоорганизация систем:
Рассматриваются основные понятия информационной синергетики -
самоорганизация, самоорганизующаяся система, аксиомы самоорганизации
информационных систем, примеры.
Цель лекции: введение в информационную синергетику и ознакомление с
самоорганизующимися системами.
Любая открытая система эволюционирует, начиная с состояния наибольшей
энтропии (неопределенности), спиралеобразно, актуализируя все новые связи и
отношения, стремясь к организованности и порядку в системе в процессе
взаимоотношений со средой, перестраивая свою структуру с целью уменьшения энтропии.
Пример. На телевизионной игре "Что? Где? Когда?" обсуждение вопроса часто
начинается хаотично, спонтанно, независимо и в конце обсуждения может организоваться
в единодушное принятие правильного решения.
Самоорганизация
- это образование пространственной, временной,
информационной или функциональной организации, структуры (точнее, стремление к
организованности, к образованию новой структуры) за счет внутренних ресурсов системы
в результате целеполагающих взаимодействий с окружением системы.
Система
является
самоорганизующейся
, если она без целенаправленного
воздействия извне (с целью создания или изменения структуры системы) обретает
пространственную, временную, информационную или функциональную структуру.
Пример. Одна макроструктура (лед) при нагревании переходит в другую
макроструктуру (жидкость) с совершенно другими свойствами (например,
механическими), а при дальнейшем нагревании переходит в другую макроструктуру (пар),
снова с иными микроскопическими свойствами.
Самоорганизация
(явная или неявная) наблюдается в сложных открытых системах.
Самоорганизации
присущ атрибут - управление. Автоматической
самоорганизации
системы не происходит, для этого необходимо управляющее воздействие.
Самоорганизация
- лишь возможный путь развития, эволюции системы. Это путь
движения системы к упорядоченности, пусть и относительной. Четких мер, критериев
упорядоченности нет, даже для физических, химических, биологических систем, где
проблема порядка, равновесия давно изучаются.
Самоорганизация
может наблюдаться как в живых, так и в неживых системах.
Пример. История развития ЭВМ - пример
самоорганизации
: от 1-го поколения
ЭВМ (40-50-е годы XX века) с электронными лампами и быстродействием порядка 10
4
операций в секунду, до 1-го поколения оптических ВМ (конец 90-х годов) с
голографической памятью, с логикой на потоках фотонов, нейроподобных архитектурах и
быстродействием порядка 10
12
операций в секунду.
Пример. Человеческое общество развивается спиралевидно, циклически:
циклически повторяются
катастрофы
, засухи, неурожаи, эпидемии и т.п. Например,
происходит переход от малого ледникового периода к общему постепенному потеплению,
а число экстремальных природных явлений не только не уменьшается, но и
увеличивается, в частности, в XVIII м веке было лишь 66 лет, в которых отмечались
землетрясения в России.
Пример. Известный ученый А.Л. Чижевский, наблюдая в 20-х годах XX века за
пятнами на Солнце и изучая их образование, обнаружил, что некоторые периоды
усиления солнечной активности и периоды усиления военных действий Первой мировой
войны совпадают. Интересную закономерность открыл Р. Вульф во второй половине 19-го
века:
w=k(n+10m)
, где
k
- коэффициент пропорциональности, определяемый
разрешающей способностью телескопа,
n
- общее число замеченных солнечных пятен,
m
-
число групп пятен,
w
- число Вульфа, по которым можно определять солнечную
активность. Существует, таким образом, 11-летний цикл солнечной активности.
Любая деятельность вопреки эволюционным процессам в системе, вопреки
принципам
самоорганизации
, - противосистемна.
Пример. Любые экономические решения, противоречащие основному регулятору
рынка, основному механизму ее организации - соотношению "спрос-предложение"
приводят к вредным последствиям для системы и для ее
самоорганизации
. Например,
выпуск товаров в объеме, превышающем спрос на рынке, может привести к снижению
спроса.
В рамках идеи ноосферы, гармоничных взаимоотношений человека и природы,
человек выступает как органическая часть природы.
Окружение человека (включая природу и общество) - нестабильное, неустойчивое,
неравновесное, развивающееся. При рассмотрении проблем такого мира надо учитывать
два его противоположных и взаимосвязанных, взаимно обусловливающих друг друга
качества, - стабильность и нестабильность, порядок и хаос, определенность и
неопределенность.
Нестабильность и неустойчивость не всегда есть зло, отрицательное качество,
подлежащее устранению. Неустойчивость может, в соответствии с законами синергетики,
выступать условием стабильного и динамического саморазвития, которое происходит за
счет уничтожения, изъятия нежизнеспособных форм. Устойчивость и неустойчивость в
системе, образование новых структур и разрушение старых, сменяя друг друга, развивают,
эволюционируют систему. Порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно:
один включает в себя другой - это два аспекта одного целого, они дают нам различное
видение мира. Из-за этого мы не можем полностью держать под контролем окружающий
мир нестабильных процессов, например, полностью контролировать социально-
экономические процессы.
Современная наука и технология имеют дело со сложными системами, связь между
которыми осуществляется не только через порядок, через структуры порядка, но и через
хаос. Только в единстве порядка и хаоса может быть исследована эволюция сложной
системы. Сложная система - целое, состоящее из устойчивых и неустойчивых частей.
Здесь целое - уже простая сумма частей. Эволюция такой системы ведет к новому
качеству, включая и отношения с человеком. Человек находится не вне изучаемого
объекта, а внутри его, познавая это целое по его составным частям, объединяя
естественные науки, усиливая междисциплинарные связи, сближая естественные и
гуманитарные проблемы наук, науку и искусство. Идеи, принципы, методы и технологии
современного естествознания (синергетики, информатики, системного анализа, физики
открытых систем и др.), все шире внедряются в гуманитарную и социально-
экономическую сферы. Есть и обратные процессы.
Пример. Естествознание и гуманитарные науки все чаще исследуют процессы и
системы в совокупности с человеком: медико-биологические проблемы, экологические,
включая биосферу в целом (глобальная экология), биотехнологии (генная инженерия),
системы "человек-машина" и т.д. Специфику современной науки все более определяют
комплексные исследовательские программы (в которых принимают участие специалисты
различных областей знания), междисциплинарные исследования. Например, красота - это
не только категория гуманитарная, отражение гармонии материального мира, но и
категория научная, красота теоретических построений. Поиски красоты, т.е. единства и
симметрии законов природы, - примечательная черта современной физики, математики,
биологии, синергетики и других естественных наук. Исторический метод прилагается к
большему кругу систем, например, вводится даже в квантово-механическую
интерпретацию, где он ранее не применялся.
Компьютеризация и информационные технологии позволяют передавать машине
все более усложняющиеся логические операции. Человеческий мозг освобождается от
формализуемой, стандартизированной, рутинной логической деятельности.
Пример. Эвристические процедуры, интуиция, опыт человека, эксперта находят
применение в программировании, например, при разработке антивирусных программ.
Эволюцию системы можно, как сказано выше, понимать как целенаправленное (на
основе выбора) движение, изменение этой системы (как неравновесной) по некоторой
траектории развития, состоящей из точек состояний.
Пример. Чтобы жить достойно, люди и правительство должны ориентироваться на
социально-экономическую перспективу, т.е. траектория развития любой страны должна
быть эволюционной.
Устойчивость системы - ее способность сохранять свое движение по траектории на
таком уровне потребления ресурсов, который может самоподдерживаться,
саморегулироваться достаточно долго.
Традиционная макроэкономика ориентируется на непрерывный и, чаще всего,
количественный рост, а не на устойчивость. Для развития, эволюции требуется все больше
материальных, энергетических, информационных ресурсов, а их рост сужает
пространство устойчивого развития общества, снижает жизнеспособность.
Пример. При достаточно высоком уровне образования и развитой системе
образования, научно-техническая и технологическая области последние два десятилетия
слабо развивались в России. Например, в США в 1996 г. на науку расходы государства
составляют 2,8-2,9% ВВП страны, в Японии - 3,3%, в России - 0,59%. По показателю
достаточности и уровню квалификации трудовых ресурсов Россия занимает 46-е место.
По оценкам специалистов, если Россия в ближайшие годы не поднимется хотя бы на 20-е,
то ее экономический крах гарантирован.
Эффективность
системы - способность системы оптимизировать (глобально-
потенциально или локально-реально) некоторый критерий
эффективности
типа
соотношений "затраты на обеспечение ресурсом - объем поступлений новых ресурсов".
Пример. Для социально-экономической системы - это способность производить
социально-экономический эффект и не ухудшать движение по пути к достижению
поставленной цели. Например, критерием
эффективности
банковской системы может
быть не только прибыль, но и кредитование, возврат кредитов.
Эффективными можно считать действия в системе, которые поддерживают
самоорганизацию
системы при низком уровне энтропии за счет неравновесных процессов
взаимного обмена энергией, веществом и информацией с окружающей средой.
Актуальна разработка механизмов, которые обеспечивали бы устойчивое развитие
общества (в частности, социально-экономических систем) и каждого его члена в
отдельности без количественного увеличения ресурсов, с помощью произведенного труда,
стоимости и капитала.
Пример. Показателями развития общества могут служить ВНД - валовой
национальный доход и ВНП - валовой национальный продукт, но и они не позволяют
полно оценивать устойчивость развития общества, его систем, не позволяют оценивать,
живет ли общество по средствам, заботясь о будущих поколениях, т.е. адекватны ли
"кредитные социо-экономико-экологические отношения природы и общества", развитие
культуры, науки и др.
Эволюция системы определяется борьбой организации и дезорганизации в системе,
накоплением и усложнением информации, ее организацией и самоорганизацией,
сложностью и разнообразием внутрисистемных процессов. Важным критерием
эффективности
системы (политики) является ее динамическая, структурная и
организационная предсказуемость, отсутствие аномалий и обеспечение динамического
роста, наличие и динамическая актуализация критериев оценки принимаемых решений.
Современному обществу и природе, с их множеством возможных путей развития,
нельзя навязывать эти пути, они избираются на принципах самоуправления и
саморегулирования, а именно, за счет целенаправленных воздействий на процессы с
целью возврата траектории эволюции на желаемую траекторию (если в результате,
например, стохастических воздействий система отклонилась от траектории).
При этом, в соответствии с
принципами синергетики
, необходимо учесть, что в
неустойчивой социально-экономической среде действия каждого отдельного человека
(микропроцессы) могут повлиять на всю систему в целом (макропроцессы).
Пример. В условиях неустойчивой экономической политики действия отдельных
структур могут повлиять на социально-экономические процессы общества, что
наблюдалось, например, в Ираке и других странах.
Стратегическое планирование в социально-экономических системах -
ресурсообеспеченные и целенаправленные действия руководства, ведущие к разработке
наилучших в каком-то смысле (например, локально-оптимальных) стратегий
динамического поведения всей системы, которые приводят в окрестность поставленных
целей.
Стратегическое планирование - инструмент, помогающий принимать
управленческие решения по осуществлению основных задач:
1.
распределения ресурсов;
2.
адаптации к изменениям внешних факторов;
3.
внутренней координации и мобилизации;
4.
осознания организационных стратегий и целей (краткосрочных,
среднесрочных, долгосрочных), динамической переоценки достижимости
целей.
Пример. Планирование в социально-гуманитарной системе необходимо для
достижения следующих целей:
1.
повышение контрольных функций;
2.
предвидение требований социальной и гуманитарной политики;
3.
обеспечение своевременной реакции на изменения в системе;
4.
улучшение социально-гуманитарного и экономического состояния;
5.
уменьшение неопределенности, риска, увеличение
эффективности
и др.
Коэволюция
- сопряженное, взаимообусловленное изменение систем или частей
внутри целого. Это принцип глобальной эволюции. Само это понятие пришло из
эволюционной популяционной теории.
Понятие
коэволюции
тесно связано с понятием "
самоорганизации
'".
Самоорганизация
имеет дело со структурами, состояниями развивающихся систем, а
коэволюция
- с отношениями между такими системами, с взаимосвязями эволюционных
изменений.
Пример. В последние годы активно формируется новое направление исследований
- эволюционная экономика. Волнообразный, циклический характер действия основных
законов наблюдается в устойчивой системе. Особенно заметен волнообразный характер
социально-экономических процессов переходного периода. Государственное
регулирование, его масштабы и значение претерпевают существенные изменения по мере
эволюции экономики. Уменьшение роли государства будет чередоваться с периодами ее
волнообразного возрастания. Снижение роли и значения системы государственного
регулирования при эволюции социально-экономической системы будет чередоваться с ее
усилением на определенных этапах переходного периода, будут наблюдаться периоды
либерализации и контроля над ценами и заработной платой, волнообразный характер
процесса приватизации и т.п. Волнообразный характер социально-экономических
процессов можно объяснить следующим образом. Несмотря на различие рыночных и не
рыночных государственных методов хозяйствования, их действие во многом
взаимодополняющее. Более того, в развитой экономике рыночные (часто - стихийные) и
государственные (часто - плановые) методы сочетаются и диффундируют, обеспечивая
возврат на устойчивую траекторию развития при отклонениях от нее. В этом и
заключается первопричина волнообразности.
Волнообразный и циклический характер имеют многие процессы социально-
экономической и гуманитарной сфер, например, в сфере политики, права, информации и
печати, религии, национальных отношений, миграционных процессов, распространения
технологий, активности военных действий и др. Многие из этих циклических процессов
связаны с циклами солнечной активности.
Катастрофами
называются скачкообразные дестабилизирующие изменения,
возникающие в виде отклика системы на плавное изменение условий окружающей среды.
Эти изменения - внезапны, непрогнозируемы с уверенной точностью, резки по
отношению к темпу изменения условий среды. Если представить себе траекторию
эволюции системы как множество точек, каждая из которых есть точка в пространстве
факторов окружающей среды, то у траектории системы могут быть точки
бифуркации
-
раздвоения, качественного изменения траектории.
1.2 Основные этапы развития теории моделирования
Исторически первыми моделями как заместителями некоторых объектов были символические условные модели. Ими являлись языковые знаки, естественно возникшие в ходе развития человечества и постепенно составившие разговорный язык. Первое применение символических условных моделей другого типа, по-видимому, связано с возникновением обмена в первобытном обществе.
Первоначально обмениваемые предметы просто раскладывались в два ряда и этим достигалось непосредственное однозначное соответствие материальных объектов одного рода объектам другого рода. Затем было установлено, что соответствия между объектами можно достигнуть с помощью объектов третьего рода как посредников (заместителей). Этими заместителями являлись сначала такие естественные объекты, как пальцы рук и ног, затем такие искусственные объекты, как специально изготовленные палочки. Это были первые логические условные модели, представленные в реальной форме. Их применение привело постепенно к понятию числа.
Следующим этапом развития логического моделирования можно считать возникновение знаковых числовых обозначений. Сведения о результатах счета первоначально сохранялись в виде зарубок. Постепенное совершенствование этого метода привело к изображению чисел в виде цифр как системы знаков (например, зарубки как прототипы римских цифр).
В глубокой древности возник и затем стал широко использоваться метод распространения свойств одних объектов на другие, который теперь называется умозаключением по аналогии. уже первобытный человек многократно наблюдал постоянство некоторых связей между признаками в предметах и явлениях (например, если есть корни и ствол – то, как правило, есть и ветви). С течением времени эти связи признаков вещей привели к формированию уверенности в том, что если у двух предметов имеются одинаковые существенные признаки, то, несмотря на различие этих предметов, вполне возможно, что они обладают и другими одинаковыми признаками.
Дальнейшее развитие логических знаковых моделей связано с возникновением письменности и математической символики. Наиболее древние письменные тексты, известные в настоящее время, относят примерно к 2000 г. до н. э. Это время расцвета двух великих цивилизаций Египта и Вавилона. Имеются некоторые основания полагать, что вавилоняне уже пользовались исключительно важным для моделирования понятием подобия в форме такого элементарного геометрического подобия, как подобие прямоугольных треугольников [ист матем].
Значительное развитие моделирование получает в древней Греции в V – III вв. до н.э. В Греции была создана геометрическая модель Солнечной системы. Греческий врач Гиппократ для изучения человеческого глаза воспользовался его физической аналогичной моделью – глазом быка. Греческим математиком Евклидом было построено учение о геометрическом подобии.
По мере развития и укрупнения механистического производства, металлургии, кораблестроения, градостроительства, строительства гидротехнических сооружений в XVI – XVIII вв. до н.э. се чаще обнаруживается недостаточность геометрического подобия физически однородных объектов для прогнозирования свойств объектов больших размеров на основании свойств объектов меньших размеров. Например, при постройке в Венеции (XVII в.) галеры увеличенного размера подпорки с сечениями, выбранными на основании геометрического подобия, оказались недостаточно прочными. «Прочность подобных тел не сохраняет того отношения, которое существует между величиной тел» (Галилей, 1564-1642 гг.).
Это требовало развития вопросов подобия при физическом моделировании. Первый шаг в этом направлении был сделан И. Ньютоном (1643-1727 гг.), сформулировавшим условия подобия механических явлений. Затем развитие учения о подобии длительное время шло путем определения частных условий подобия для явлений только определенной физической природы. Здесь нужно отметить работы И.П. Кулибина (1735-1818 гг.) и Л. Эйлера (1707-1783 гг.) в области строительной механики, В. Фруда (1810-1879 гг.) и О. Рейнольдса (1842-1912 гг.) в области гидродинамики, В.Л. Кирпичева (1845-1913 гг.) в области упругости. Наконец, в 1909-1914 гг. в результате работ Н.Е. Жуковского, Д. Рэлея, Ф. Букингема была сформулирована в первой редакции пи-теорема [леб], позволившая установить условия подобия явлений любой физической природы. Начиная с этого времени метод подобия становится основным методом экстраполяции характеристик модели в характеристики оригинала при физическом моделировании.
Параллельно с развитием материального (физического) моделирования шло развитие логического моделирования в знаковой форме. История развития знакового моделирования – это прежде всего история развития математики. В конце XVI века Д. Непер (1550-1617 гг.) изобрел логарифмы. В XVII веке И. Ньютон и Г. Лейбниц (1646-1716 гг.) создают дифференциальное исчисление. Наряду с аналитическими получают развитие численные методы решения различных задач.
Стремление упростить, ускорить и облегчить вычисления приводят к появлению различных вычислительных устройств. По существу это материальные формальные подобные модели таких логических объектов, как различные математические операции. Первыми вычислительными устройствами были многочисленные предшественники счетов. Русские счеты появляются в XVI веке и принимают почти современный вид в XVII веке. Это первое простейшее цифровое устройство для полуавтоматического выполнения арифметических операций. В начале XVII века появляется логарифмическая линейка – простейшее аналоговое устройство для полуавтоматического выполнения операций умножения и деления.
Значительное развитие вычислительные устройства получают в середине XIX века и, особенно, на рубеже XIX – XX веков. Появляются математические инструменты, счетно-решающие механизмы, арифмометр. В 1904 г. А.Н. Крылов создает первую аналоговую машину для решения обыкновенных дифференциальных уравнений.
Длительное время вычислительные устройства были исключительно механическими. В 30-х годах XX века начинается развитие электромеханических, а затем электрических и цифровых вычислительных устройств. Оно привело к появлению в средине столетия современных ЭВМ. Обобщения для физического и вычислительного моделирования были сделаны В.А. Вениковым (1949 г.) и Л.И. Гутенмахером (1949 г.), затем они получили развитие в работах И.М. Тетельбаума (1959 г.), А.М. Сучилина (1964 г.), П.М. Алабужева (1968 г.) и др. авторов.