Жанр: Электронное издание
Глава 13.
Концепция самоорганизации в науке
В настоящее время концепция самоорганизации
получает все большее распространение не только
в естествознании, но и в социально-гуманитарном
познании. Поскольку большинство наук изучают процессы эволюции
систем, постольку они вынуждены анализировать и мех
анизмы их самоорганизации. Вот почему концепция самоорг
анизации становится теперь парадигмой исследования обширного
класса систем и совершающихся в них процессов и
явлений. Обычно под парадигмой в науке подразумевают фунд
аментальную теорию, которая применяется для объяснения
широкого круга явлений, относящихся к соответствующей обл
асти исследования. Примерами таких теорий могут служить
классическая механика Ньютона или эволюционное учение
Дарвина. Сейчас значение понятия парадигмы еще больше
расширилось, поскольку оно применяется не только к отдельным
наукам, но и к междисциплинарным направлениям исследов
аний. Типичными примерами таких междисциплинарных
парадигм являются возникшая полвека назад кибернетика и
появившаяся четверть века спустя синергетика. По ходу изложения
в некоторых главах мы уже освещали некоторые понятия
и принципы синергетики, чтобы получить более общее и
глубокое представление о конкретных механизмах самоорганиз
ации. В этой главе рассмотрим их подробнее в историческом
и теоретическом плане.
13.1. Формирование идей самоорганизации
Ранние подходы к изучению самоорганизации в отдельных
науках ясно обозначились еще в XVIII в. Они
связаны прежде всего с деятельностью основопоположник
а классической политической экономии Адама Смит
а (1723-1790), который в своем главном труде
"Исследование о природе и причинах богатства народов"
ясно выразил идею о том, что спонтанный порядок
на рынке является результатом взаимодействия различных,
часто противоположных стремлений, целей и интересов
многочисленных его участников. Именно такое
взаимодействие приводит к установлению того никем не
предусмотренного и незапланированного порядка на
рынке, который выражается в равновесии спроса и
предложения. Эту главную свою мысль А. Смит выразил
в форме метафоры "невидимой руки", которая регулирует
цены на рынке.
Каждый отдельный человек старается употреблять
свой капитал так, чтобы продукт его обладал наибольшей
стоимостью. Обычно он и не имеет в виду содействов
ать общественной пользе и не сознает, насколько
содействует ей. Он имеет в виду лишь собственную
выгоду, причем в этом случае он невидимой рукой
направляется к цели, которая не входила в его намерения.
Преследуя свои собственные интересы, он
часто более действенным образом служит интересам
общества, чем тогда, когда сознательно стремится
служить им.
Аналогичные идеи относительно самоорганизации
норм нравственности в обществе высказывали в том же
веке шотландские моралисты, которые подчеркивали,
что принципы нравственного поведения людей не созд
аются правителями, политиками и иными общественными
деятелями, а формируются медленно и постепенно
в ходе самоорганизации людей под влиянием изменяющихся
условий их жизни.
Важно при этом обратить внимание на то, что идеи
самоорганизации, самосовершенствования и улучшения
деятельности социальных систем и общественных учреждений
упомянутые ученые связывают с эволюционными
процессами, которые происходят в жизнедеятельности
людей. Конечно, чаще всего идеи самоорганизации
и эволюции не были четко и ясно выражены, они скорее
были результатом интуитивного прозрения, чем
строгого научного исследования. Тем не менее, от этого
их ценность не уменьшается, ибо они подготовили почву
для будущих исследований процессов самоорганизации
и эволюции.
Эволюционная теория Дарвина послужила мощным
толчком для развертывания исследований о механизмах
развития различных природных и социальных систем.
Если физические и химические методы исследования
многое дали для анализа структуры и функционирования
живых систем, то эволюционная концепция биологии
заставила физиков и химиков по-новому взглянуть
на объекты своих исследований и природу в целом.
Они вынуждены были считаться с тем глубоким противоречием,
которое существовало между их взглядами и
достоверными фактами и теоретически обоснованными
утверждениями дарвиновской эволюционной теории.
Формирование идей самоорганизации в физике было
продиктовано как раз стремлением преодолеть указанное
противоречие, которое свидетельствовало о том, что
некоторые ее основополагающие понятия и принципы
имеют слишком идеализированный характер и неадекв
атно отображают исследуемую реальность.
Прежде всего понятие об обратимых процессах,
прочно утвердившееся в механике, не учитывало реального
характера процесса изменений в природе. Действительно,
для механического описания процессов достаточно
задать лишь начальные координаты и скорость
движущегося тела. Тогда с помощью системы дифференци
альных уравнений, описывающих движение, можно
однозначно определить положение тела в любой момент
как в прошлом, так и в настоящем. Поэтому фактор
времени по сути дела не играет никакой роли в мех
анике.
IJ/
Такое представление крайне упрощает свойства ре-
альных процессов, и в середине прошлого века физики
в связи с изучением тепловых процессов вынуждены
были ввести фактор времени, который отражал бы ре-
альные изменения, происходящие в ходе эволюции системы.
Но представление об эволюции в классической
термодинамике, изучающей изолированные системы,
было совершенно чуждо механике. В то же время эволюция
в термодинамике понималась совсем иначе, чем
в биологии. В самом деле, если в теории Дарвина эволюция
приводила к совершенствованию и усложнению
живых систем в результате их адаптации к изменяющимся
условиям окружающей среды, то в классической
физике она связывалась с дезорганизацией и разрушением
системы. Такое представление вытекало из второго
начала термодинамики, согласно которому закрыт
ая система постепенно эволюционирует в сторону беспорядк
а и дезорганизации
Резкое противоречие между биологической и физической
эволюцией удалось разрешить только после того,
когда физика обратилась к понятию открытой системы,
т. е. системы, которая обменивается с окружающей средой
веществом, энергией и информацией. При определенных
условиях в открытых системах могут возникнуть
процессы самоорганизации в результате получения новой
энергии и вещества извне и диссипации, или рассеяния,
использованной в системе энергии. Таким образом,
было установлено, что ключ к пониманию процессов
самоорганизации содержится в исследовании процессов
взаимодействия системы с окружающей средой.
К установлению общего взгляда на процессы самоорг
анизации разные ученые шли разными путями. Автор
самого термина "синергетика" немецкий физик Герм
ан Хакен, работавший в лабораториях фирмы Белла
над новыми источниками света, исследовал механизмы
кооперативных процессов, которые происходят в твердотельном
лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие
активную среду резонатора, под воздействием
внешнего светового поля начинают колебаться в одной
фазе. В результате этого между ними устанавливается
когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое
приводит в конечном итоге к их кооперативному,
или коллективному, поведению.
Однако в первое время, по его собственному призн
анию, он ясно не понимал, что подобные процессы
могут происходить и в других системах, а лазер - лишь
один из типичных их представителей.
Видный теоретик самоорганизации И.Р. Пригожин
пришел к своим идеям из анализа специфических химических
реакций, которые приводят к образованию
определенных пространственных структур с течением
времени при изменении концентрации реагирующих
веществ. Вместе со своими сотрудниками он построил
математическую модель таких реакций, которые впервые
экспериментально были изучены нашими отечественными
учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским
Теоретической основой модели стала нелинейная
термодинамика, изучающая процессы, происходящие в
нелинейных неравновесных системах под воздействием
флуктуаций. Если такая система удалена от точки термодин
амического равновесия, то возникающие в ней
флуктуации в результате взаимодействия со средой будут
усиливаться и в конце концов приведут к разрушению
прежнего порядка или структуры, а тем самым и к
возникновению новой системы. Структуры и системы,
возникающие при этом, И.Р. Пригожин назвал диссип
ативными, поскольку они образуются за счет диссипации,
или рассеяния, энергии, использованной системой,
и получения из окружающей среды новой, свежей
энергии. За исследования по термодинамике диссипативных
структур И.Р. Пригожину была присуждена Нобелевск
ая премия по химии.
Другой видный теоретик самоорганизации немецкий
ученый М. Эйген убедительно доказал, что открытый Ч.
Дарвином принцип отбора' продолжает сохранять свое
значение и на микроуровне. Поэтому он имел все основ
ания утверждать, что генезис жизни есть результат процесс
а отбора, происходящего на молекулярном уровне.
Он показал, что сложные органические структуры с адапт
ационными характеристиками возникают благодаря
эволюционному процессу отбора, в котором адаптация
оптимизируется самими структурами. Предпосылками
для осуществления такой самоорганизации макромолекул
являются взаимодействие системы со средой или
открытость для обмена веществом и энергией, автокатализ,
мутации и естественный отбор.
В начале 1960-х гг. Е. Лоренц, изучая компьютерные
модели предсказания погоды, пришел к важному открытию,
что уравнения, описывающие метеопроцессы, при
почти тех же самых начальных условиях приводят к совершенно
разным результатам. А это свидетельствовало
о том, что детерминистская система уравнений обнаружив
ает хаотическое поведение. Отсюда был сделан вывод,
что хаос также характеризуется определенным порядком,
который, однако, имеет более сложный характер.
Его можно рассматривать как вид регулярной нерегулярности.
Мы видим отсюда, что исследования процессов самоорг
анизации в начале 1960-х гг. ограничивались отдельными
естественнонаучными и инженерными дисциплин
ами. Сами исследователи не придавали им
обобщающего характера и потому никто тогда не предвидел,
что из них в 70-х гг. сформируется единая парадигм
а междисциплинарного исследования. Однако постепенно
ученые в своих исследованиях стали выходить
за рамки своих дисциплин, начали замечать аналогию
между понятиями и уравнениями, которые применялись
для анализа разных по конкретному содержанию процессов.
Таким образом, медленно, но неуклонно формиров
алось убеждение, что во всех этих исследованиях
существует единое концептуальное ядро, которое служит
общей их основой. В сущности именно это ядро и
составляет парадигму исследования процессов самоорг
анизации.
Однако оно превратилось в такую парадигму только
в условиях определенного научного и социального клим
ата, возникшего в 1970-е годы, когда и в науке и в соци
альной жизни шел поиск новых форм организации
исследовательской и общественной деятельности. В
науке такие поиски сопровождались отказом от тради234
ционных методов редукционизма, когда сложные процессы
пытались свести к простым и элементарным, а
тем самым игнорировали их специфические особенности.
В системе образования студенты требовали отказа
от устаревших методов обучения, предоставления им
большей свободы и самостоятельности.
Для научного познания этого времени наиболее хар
актерным был переход от исследования отдельных
предметов и процессов к изучению их целостных систем,
от рассмотрения их бытия и существования - к
анализу их возникновения и развития. Такой переход
отчетливо выражен в новом системном методе исследов
ания, который получил широкое распространение после
Второй мировой войны в форме комплексных и
междисциплинарных исследований. И кибернетика и
позднее возникшая синергетика развиваются в русле
общего системного движения науки, исследуя такие
важнейшие аспекты систем, как их динамическая устойчивость,
самоорганизация и организация и особенно
механизм возникновения новых системных качеств.
С интересующей нас точки зрения отличие кибернетики
от синергетики заключается прежде всего в том,
что первая акцентирует внимание на анализе динамического
равновесия в самоорганизующихся системах. Поэтому
она опирается на принцип отрицательной обратной
связи, согласно которому всякое отклонение системы
корректируется управляющим устройством после
получения информации об этом. В этом смысле допустимо,
пожалуй, также говорить о самоорганизации, но
здесь эта самоорганизация заложена в систему самой
природой, как это видно на примере гомеостаза в
функционировании живых систем, либо она заранее
планируется и конструируется человеком, например, в
автоматах и других подобных устройствах.
В синергетике в противоположность кибернетике
исследуются механизмы возникновения новых состояний,
структур и форм в процессе самоорганизации, а не
сохранения или поддержания старых форм. Именно поэтому
она опирается на принцип положительной обратной
связи, когда изменения, возникшие в системе, не
подавляются или корректируются, а, наоборот, постепенно
накапливаются и в конце концов приводят к разрушению
старой и возникновению новой системы.
Для характеристики самоорганизующихся процессов
в литературе употребляются разные термины, начиная
от синергетических и кончая нелинейными неравновесными
системами или даже системами автопоэтическими
или самообновляющимися. Но в целом все они выраж
ают одну и ту же идею, так как речь в них идет о
сложноорганизованных системах, являющихся системами
открытыми, находящимися вдали от точки термодин
амического равновесия.
Хотя для всех них пока не существует единой фунд
аментальной теории, в общую парадигму их объединяет
принадлежность к сложноорганизованным системам.
13.2. Самоорганизация как основа эволюции
Несмотря на то, что идеи эволюции, начиная от
космогонической гипотезы Канта - Далласа и кончая
эволюционной теорией Дарвина, получили широкое
признание в науке, тем не менее они формулировались
скорее в интуитивных, чем теоретических терминах.
Поэтому в них трудно было выявить тот общий механизм,
посредством которого осуществляется эволюция.
Как отмечалось выше, главным препятствием здесь
служило резкое противопоставление живых систем неживым,
общественных - природным. В основе такого
противопоставления лежали слишком абстрактные, а
потому неадекватные понятия и принципы классической
термодинамики об изолированных и равновесных
системах. Именно поэтому эволюция физических систем
связывалась с их дезорганизацией, что противоречило
общепринятым в биологических и социальных
науках представлениям об эволюции.
Чтобы разрешить возникшее глубокое противоречие
между классической термодинамической эволюцией, с
одной стороны, и эволюцией биологической и социальной,
с другой, - физики вынуждены были отказаться от
упрощенных понятий и схем и вместо них ввести понятия
об открытых системах и необратимых процессах.
Благодаря этому оказалось возможным развить новую
нелинейную и неравновесную термодинамику необратимых
процессов, которая стала основой современной
концепции самоорганизации.
13.3. Самоорганизация в диссипативных структурах
Многочисленные примеры самоорганизации в гидродин
амических, тепловых и других физических систем
ах, не говоря уже о системах живой природы, ученые
замечали давно. Но в силу доминировавших в науке
своего времени взглядов они попросту не замечали их
либо старались объяснить с помощью существовавших
тогда понятий и принципов.
Поскольку в науке XVII - первой половины XIX вв.
доминировала механистическая парадигма, постольку в
ней все процессы пытались объяснить путем сведения
их к законам механического движения материальных
частиц. Предполагалось, что эти частицы могут двигаться,
не взаимодействуя друг с другом, а самое главное -
их положение и скорость движения будут точно и однозн
ачно определенными в любой момент в прошлом, настоящем
и будущем, если заданы их начальное положение
и скорость. Следовательно, в таком механическом
описании время не играет никакой роли и поэтому его
знак можно менять на обратный. Вследствие этого подобные
процессы стали называть обратимыми. В некоторых
случаях, когда речь идет о немногих и относительно
изолированных друг от друга телах и системах,
такой абстрактный подход может оказаться целесообр
азным и полезным. Однако в большинстве реальных
случаев приходится учитывать изменение систем во
времени, т. е. иметь дело с необратимыми процессами.
Как уже отмечалось выше, впервые такие процессы
стали изучаться в термодинамике, которая начала исследов
ать принципиально отличные от механических
тепловые явления. Тепло передается от нагретого тела к
холодному, а не наоборот. С течением времени оно
равномерно распределяется в теле или окружающем
пространстве. Все эти простейшие явления нельзя было
описывать без учета фактора времени. На такой феноменологической
основе были сформулированы исходные
начала или законы классической термодинамики,
среди которых важнейшую роль играет закон энтропии.
Понятие энтропии характеризует ту часть полной
энергии системы, которая не может быть использована
для производства работы. Поэтому в отличие от свободной
энергии она представляет собой деградированную,
отработанную энергию. Если обозначить свободную
энергию через F, энтропию - S, то полная энергия системы
Е будет равна
E=F+ST,
где Т - абсолютная температура по Кельвину.
Согласно второму закону термодинамики, энтропия
в замкнутой системе постоянно возрастает и в конечном
счете стремится к своему максимальному значению.
Следовательно, по степени возрастания энтропии можно
судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым
и о времени ее изменения. Так впервые в физическую
науку были введены понятия времени и эволюции, связ
анные с изменением систем. Но понятие эволюции в
классической термодинамике, как мы уже отмечали
выше, рассматривается совсем иначе, чем в общепринятом
смысле. Это стало вполне очевидным после того,
когда немецкий ученый Л. Больцман (1844-1906) стал
интерпретировать энтропию как меру беспорядка в системе.
Таким образом, второй закон можно было теперь
сформулировать так: замкнутая система, предоставленн
ая самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного
состояния, заключающегося в ее максимальной
дезорганизации. Хотя чисто формально дезорганиз
ацию можно рассматривать как самоорганизацию с отриц
ательным знаком или самодезорганизацию, тем не
менее такой взгляд ничего общего не имеет с содержательной
интерпретацией самоорганизации как процесса
становления качественно нового, более высокого уровня
развития системы. Но для этого необходимо было отказ
аться от таких далеко идущих абстракций, как изолиров
анная система и равновесное состояние.
Между тем классическая термодинамика именно на
них как раз и опиралась и поэтому рассматривала, например,
частично открытые системы или находящиеся
вблизи от точки термодинамического равновесия как
вырожденные случаи изолированных равновесных систем.
Очевидно, что для объяснения процессов самоорг
анизации необходимо было ввести новые понятия и
принципы, которые бы адекватно описывали реальные
процессы самоорганизации, происходящие в природе и
обществе.
Наиболее фундаментальным из них, как мы уже знаем,
является понятие открытой системы, которая способн
а обмениваться с окружающей средой веществом,
энергией или информацией. Поскольку между веществом
и энергией существует взаимосвязь, постольку
можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит
энтропию, которая, однако, не накапливается в
ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде.
Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно
вследствие такого непрерывного обмена энтропия
системы может не возрастать, а оставаться неизменной
или даже уменьшаться. Отсюда становится ясным, что
открытая система не может быть равновесной, потому
ее функционирование требует непрерывного поступления
энергии и вещества из внешней среды, вследствие
чего неравновесие в системе усиливается. В конечном
итоге прежняя взаимосвязь между элементами системы,
т. е. ее прежняя структура, разрушается. Между элемент
ами системы возникают новые когерентные, или согласов
анные, отношения, которые приводят к кооперативным
процессам и к коллективному поведению ее элементов.
Так схематически могут быть описаны процессы
самоорганизации в открытых системах, которые связаны
с диссипацией, или рассеянием, энтропии в окружающую
среду.
Существуют также случаи самоорганизации иного тип
а, в которых переход к новым структурам не связан с
диссипацией. Например, увеличивая напор воды путем
открытия водопроводного крана, мы можем наблюдать
переход от плавного ламинарного течения жидкости к
бурному турбулентному. Иногда наблюдаются даже случ
аи, когда возникновение новых структур происходит за
счет увеличения энтропии самой системы. Так происходит,
например, процесс образования кристаллов из жидкости,
снежных хлопьев и биологических мембран.
Однако в настоящее время наибольший интерес и основное
значение приобретают, конечно, диссипативные
структуры. В качестве образца для построения теоретической
модели таких структур, названного брюсселятором,
послужили, как мы уже отмечали, специфические химические
реакции, изученные нашими учеными Б. Белоусовым
и А. Жаботинским. Такие реакции сопровождаются образов
анием особых пространственных структур и происходят
за счет поступления новых химических реагентов и удаления
продуктов реакции. Важной их особенностью является
также присутствие катализаторов, которые способствуют
ускорению хода реакции.
Для объяснения процессов самоорганизации в диссип
ативных структурах И.Р. Пригожиным и его сотрудник
ами были сформулированы важнейшие условия, которые
подробно перечислены в гл. 6.
13.4. Самоорганизация - источник и основа эволюции систем
В существующих теориях эволюции основное вним
ание обращалось на воздействие окружающей среды
на систему. Именно в изменении или же возникновении
новых факторов среды видели в прошлом главную
движущую силу эволюции. Даже в дарвиновской теории
происхождения новых видов растений и животных путем
естественного отбора главный акцент делался на
среду, которая выступала в качестве определяющего
фактора адаптации живых систем к изменяющимся условиям
их существования. Не подлежит сомнению, что
внешние условия, среда обитания оказывают огромное
влияние на эволюцию, но это влияние в неменьшей
степени зависит также от самой системы, ее состояния
и внутренней предрасположенности.
С точки зрения парадигмы самоорганизации становится
ясным, что условием развития не только живых,
но и динамических систем вообще является взаимодей-
ствие системы и окружающей ее среды. Только в результ
ате такого взаимодействия происходит обмен веществом,
энергией и информацией между системой и ее
окружением. Благодаря этому возникает и поддерживается
неравновесность, а это в конечном итоге приводит
к спонтанному возникновению новых структур. Таким
образом,
самоорганизация выступает как источник эволюции
систем, так как она служит началом процесса возникновения
качественно новых и более сложных
структур в развитии системы.
Конечно, на разных уровнях эволюционной лестницы
самоорганизация приобретает свой специфический
характер. Так, уже на предбиологической стадии возник
ают автопоэтические системы, которые не просто
взаимодействуют со средой, но постоянно обновляют
себя и тем самым поддерживают свое существование и
относительную автономность. Самой элементарной автопоэтической
живой системой является клетка, котор
ая непрерывно обновляет состав своих молекул в результ
ате взаимодействия двух противоположных процессов.
Именно в подобном процессе самообновления элементов
автопоэтических систем некоторые ученые видят
не только прообраз метаболизма, но и обмена веществ в
целом. Противоположны им аллопоэтические системы,
функционирование которых жестко задано извне. Типичными
системами такого рода являются машины, которые
конструируются с целью производства определенной
продукции.
В последние десятилетия предпринималось немало
попыток описания эволюции в терминах современных
научных теорий. Наиболее интересным из них пред16
Рузавик Г. И. 441
ставляется, во-первых, кибернетический подход, развитый
английским биологом-кибернетиком Россом Эшби,
который связывает эволюцию с достижением ультраустойчивого
состояния, при котором система постепенно
адаптируется к своему окружению, пока не достигнет
равновесия. В отличие от парадигмы самоорганизации
здесь не обращается внимания на то, что в ходе эволюции
происходит усиление, интенсификация взаимодей-
ствия системы с окружающей средой. Вместо этого постулируется,
что когда система достигает стабилизации,
то ее взаимодействие со средой завершается равновесием.
Но равновесие не исключает взаимодействия и к
тому же является относительным. Во-вторых, для изучения
эволюции нередко обращаются к математической
теории катастроф, разработанной французским математиком
Рене Томом (р. 1927). Однако она, пожалуй, в еще
большей степени не подходит для представления эволюционных
процессов, так как рассматривает развитие
от заданного равновесного состояния системы к другому
как "катастрофу". Такой подход представляется вполне
убедительным, когда речь идет о переходе от устойчивого
состояния системы (например, корабля, самолета,
сооружения) к неустойчивому и в конце концов к катастрофе.
Но эволюционные процессы имеют совершенно
противоположный характер - они приводят к возникновению
более устойчивых динамических систем.
Чтобы понять, почему самоорганизация составляет
основу эволюции систем, необходимо напомнить, что в
диссипативных структурах спонтанный порядок и новая
устойчивая динамическая структура возникают благодаря
усилению фл
...Закладка в соц.сетях
