Самоорганизующиеся системы в природе

№36-1,

физико-математические науки

В статье рассматриваются примеры некоторых открытых нелинейных самоорганизующихся систем в природе. Синергетика рассматривается как инструмент исследования нестабильности и многообразия путей эволюции окружающего мира, позволяющий раскрывать условия существования и устойчивого развития сложных структур.

Похожие материалы

Как было отмечено в работе [1], появлению такого нового научного направления в естествознании, как синергетика, способствовали исследования в области математического моделирования сложных самоорганизующихся открытых систем. Ориентирована синергетика на изучение строения, возникновения, развития и самоусложнения таких систем.

Моделирование самоорганизующихся систем гораздо сложнее моделирования закрытых линейных систем, что связано в основном с решением нелинейных уравнений. Однако именно синергетика позволяет раскрыть условия возникновения и существования сложных структур, ответить на вопросы, связанные с их эволюционным развитием, позволяет строить модели различных катастрофических и других сложных развивающихся процессов. Она дает качественно новый толчок для обсуждения таких традиционных философских проблем, как случайность и детерминизм, хаос и порядок, открытость и эволюционность, часть и целое. Синергетика способствует развитию нового стиля научного мышления – эволюционного, нелинейного, интегративного [2 – 4].

Для всех изученных явлений самоорганизации определён набор существенных признаков:

  • самоорганизующаяся система состоит из совокупности достаточно большого количества элементов (является сложной);
  • системе свойственна открытость, нелинейность и неравновесность;
  • существует некоторый предел, при достижении которого за счет все увеличивающейся неравновесности системы, она переходит в неустойчивое состояние;
  • переход из неустойчивого состояния в новое происходит скачком за счёт быстрой перестройки элементов системы;
  • выход из неустойчивого состояния сопровождается согласованным поведением системы, и проявляется как переход в качественно новое состояние с упорядоченной структурой;
  • переход к одному из возможных состояний системы случаен.

Поэтому мы можем наблюдать огромное многообразие мира самоорганизующихся нелинейных систем, в отличие от ограниченного мира закрытых линейных систем. Однако, как уже было отмечено, такие самоорганизующиеся системы сложнее моделировать: для приближенного решения большинства нелинейных уравнений, описывающих поведение таких систем, требуется целый комплекс современных аналитических методов и вычислительных экспериментов, и, конечно же, применение мощной компьютерной техники (вплоть до кластерных систем).

Синергетика открывает для изучения такие аспекты окружающего мира, как нестабильность и многообразие путей эволюции, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать явления природного и техногенного характеров, и т.д. Исследования синергетики показывают, что даже в неорганической природе существуют системы, способные к самоорганизации. Таким образом, историю развития природы следует рассматривать в контексте усложнения, – образования более сложных нелинейных систем, приводящих, в свою очередь, к образованию еще более сложных, и т.д. Это и обеспечивает эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших систем к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

Методы синергетики уже позволили создать и исследовать модели многих сложных самоорганизующихся систем в биологии, физике, химии, астрономии. При этом основной вопрос, которому синергетика уделяет особое внимание – это вопрос о поиске общих закономерностей, отвечающих за возникновение самоорганизующихся систем, их структуру и функции. Самоорганизующуюся систему Г. Хакен определяет следующим образом [3, 6]: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие».

К основным свойствам самоорганизующихся систем относятся свойства открытости, нелинейности и диссипативности. Таким образом, теория самоорганизации занимается изучением открытых, нелинейных диссипативных систем, далеких от равновесия. Здесь сразу полезно напомнить, что закрытые системы (системы, не обменивающиеся со средой веществом, энергией и информацией) представляют собой объект изучения классической термодинамики, в которой центральным понятием выступает понятие энтропии (свойственно закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии и характеризуемым некоторой температурой T).

Открытые системы поддерживаются в определенном (в частности, устойчивом) состоянии за счет постоянных притоков извне и (или) стоков во внешнюю среду вещества, энергии или информации. При этом притоку и стоку обычно свойственен объемный характер, т.е. происходящий в каждой точке конкретной системы. Такой постоянный обмен веществом, энергией и информацией есть необходимое условие существования неравновесных, неустойчивых состояний, которое отличает их от замкнутых систем со свойственным им стремлением к однородному равновесному состоянию [5]. Открытые системы являются необратимыми, в них важен фактор времени.

Практически все системы, наблюдаемые во Вселенной, носят открытый характер, именно поэтому ей свойственны развитие, эволюция и самоорганизация. Это в свою очередь означает, что Вселенная характеризуется не стабильностью и равновесием, а, напротив, неустойчивостью и неравновесностью. Стабильность и равновесность систем делает их не способными к самоорганизации.

Приведем некоторые примеры самоорганизации. Хорошо известны явления образования своеобразного рельефа песка (рис. 1) или снега под действием ветра (рельеф, похожий на волны), образования периодических ступенек в горных реках и водосливах плотин (рис. 2). Цунами (упорядоченная волна при хаотических процессах, сопровождающих землетрясение) и шаровая молния (устойчивое образование, возникающее при некоторых грозах), также являются примерами самоорганизации (рис. 3, 4). Согласованное поведение большого числа элементов среды демонстрируют смерчи в воздухе (рис. 5), косяки рыб (рис. 6), стаи птиц, конвективные ячейки (гранулы) на Солнце (рис. 7), течения в океане и циклоны в атмосфере. Спиральные рукава галактик – еще один яркий пример самоорганизации (рис. 8).

Волнообразные структуры на песке  проявление самоорганизации

Рис. 1. Волнообразные структуры на песке – проявление самоорганизации

Периодические ступеньки в горных реках

Рис. 2. Периодические ступеньки в горных реках

Цунами

Рис. 3. Цунами. Высота уединенной волны у берега может достигать 50 м., а скорость 200 м/с

Шаровая молния

Рис. 4. Шаровая молния

Ураган Изабель

Рис. 5. Ураган Изабель (фото из космоса). Источник: http://www.borrowedculture.com/wp-content/uploads/2011/08/

Пример самоорганизации: косяки рыб

Пример самоорганизации: косяки рыб

Рис. 6. Пример самоорганизации: косяки рыб

Солнечная грануляция

Рис. 7. Солнечная грануляция

Спиральная галактика М 31 (Туманность Андромеды)

Рис. 8. Спиральная галактика М 31 (Туманность Андромеды)

Знакомый всем процесс конденсации водяного пара при его охлаждении также является процессом самоорганизации (рис. 9). Молекулы водяного пара при высоких температурах движутся свободно, и не оказывают существенного воздействия друг на друга (другими словами, их движение слабо коррелированно). Понижение температуры ведет к образованию капли жидкости, в ней характерные расстояния между молекулами уже вполне определены и с высокой степенью неизменны, а значит, их движение сильно скоррелированно. При дальнейшем понижении температуры и достижении точки замерзания вода превращается в кристаллы льда, в которых молекулы опять-таки расположены в определенном порядке.

Конденсация водяного пара на стенку сосуда

Рис. 9. Конденсация водяного пара на стенку сосуда

Согласованное поведение, возникающее самопроизвольно, можно наблюдать и среди клеток организмов в процессе морфогенеза (отвечает за организацию пространственного распределения клеток), среди элементов биоценозов (например, существование рангов в стаях, стадах, колониях), и т.д.

Избирательность неравновесных систем к внешним воздействиям среды позволяет им улавливать различия во внешней среде и учитывать их в своем функционировании. При этом некоторые слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы [5]. Это означает, что к нелинейным системам нельзя применять принцип суперпозиции: эффект от совместного действия двух причин может не иметь ничего общего с результатами воздействия каждой из причин по отдельности.

Выше было отмечено, что наблюдающиеся в нелинейных системах процессы таковы, что очень часто при плавном изменении внешних условий поведение системы может изменяться скачком, – фактически, процессы носят пороговый характер. При этом разрушение сложившейся структуры системы происходит в состояниях, далеких от равновесия, – здесь очень слабые возмущения в процессе эволюции системы настолько усиливаются, что это приводит ее к кардинальному качественному изменению. Для каждой системы существует так называемый оптимальный «коридор нелинейности», способствующий ее структурообразованию: очень слабая нелинейность, как и очень сильная, несовместима с образованием локальных структур. Именно в интервалах этого «коридора нелинейности» рост нелинейности способствует увеличению количества вариантов образования и форм новых локальных структур, что означает множественность вариантов эволюции системы.

Открытые нелинейные неравновесные системы сами создают и поддерживают неоднородности в среде. При этом между средой и системой может наблюдаться положительная обратная связь, посредством которой система оказывает некоторое влияние на среду таким образом, что в последней возникают условия для начала изменений и перестроений в самой системе.

Открытым неравновесным системам, активно взаимодействующим с внешней средой, также свойственна диссипативность – особое динамическое состояние, связанное со своеобразным макроскопическим проявлением процессов, протекающих на микроуровне.

Диссипация как процесс рассеяния энергии и информации, играет конструктивную роль в образовании новых структур в открытых системах. Спонтанное формирование новых типов структур, переходы от хаотических (беспорядочных) режимов функционирования к порядку и организованной структуре в неравновесных системах, возникновение новых динамических состояний материи – все это возможно именно благодаря диссипативности.

Список литературы

  1. Дмитриев В.Л. Нелинейность как универсальное и фундаментальное свойство Вселенной // NovaInfo. 2015. №35. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://novainfo.ru/archive/35/nelineynost-kak-universalnoe-i-fundamentalnoe-svoystvo-vselennoy (дата обращения: 06.07.2015).
  2. Дмитриев В.Л., Корягин А.Н., Тарасов О.В., Чаус Б.Ю. Концепции современного естествознания. Часть 2. – Стерлитамак: РИО СГПА им. Зайнаб Биишевой, 2011. – 156 с.
  3. Князева Е.Н., Курдюков С.П. Основания синергетики. – СПб.: Алетейя, 2002. – 414 с.
  4. Маджуга А.Г., Маджуга А.Р., Дмитриев В.Л. Синергетика в образовании. – СПб: Санкт-Петербургский государственный университет, 2012. – 288 с.
  5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. – 622 с.
  6. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир, 1991. – 240 с.