Какое свойств присуще самоорганизующейся системе

Самоорганизующиеся системы

Общей чертой, объединяющей классическое и неклассическое естествознание, является их предмет познания, в качестве которого выступают простые системы. Однако, такое понимание предмета познания является абстрагированным. Вселенная – это множество систем. Но лишь небольшая часть таких систем являются замкнутыми, то есть могут рассматриваться в качестве механизмов. Таких простых закрытых систем во Вселенной меньшинство. Большинство реальных систем являются открытыми и сложными. Это означает, что такие системы обмениваются с окружающей средой веществом и энергией.

Среди сложных систем особенно интересны самоорганизующиеся системы. К таким системам относятся наиболее значимые для человека биологические и социальные системы.

Теория сложных самоорганизующихся систем начала активно развиваться в 1970-е годы. В результате таких исследований возникло новое направление современного естествознания – синергетика.

Замечание 1

Синергетика, как и кибернетика, является междисциплинарным подходом. В кибернетике основной акцент ставится на процессы управления и обмена информацией, а в синергетике – на исследование принципов построения организации, ее становления, развития, самоусложнения.

Мир самоорганизующихся систем гораздо обширнее мира линейных, закрытых систем. Вместе с этим моделировать его гораздо сложнее. Для решения возникающих в таких системах нелинейных уравнений необходимо использование современных аналитических методов в сочетании с вычислительными экспериментами. Такие стороны мира, как многообразие путей развития, нестабильность благодаря синергетике открываются для точного математического моделирования. Синергетика раскрывает условия устойчивого развития и существования сложных структур, а также обеспечивает возможность моделирования катастрофических ситуаций и т.д.

Моделирование многих сложных самоорганизующихся систем осуществляется методами синергетики: начиная от морфогенеза в биологии до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики до эволюции космических процессов и т.д. Основным вопросом синергетики является существование общих закономерностей, которые управляют формированием самоорганизующихся систем, их функций и структур.

Свойства самоорганизующихся систем

Поведение систем, которые рассматриваются синергетикой, описывается при помощи нелинейных уравнений, так как самоорганизующиеся системы являются нелинейными.

Нелинейные уравнения – это уравнения второго или большего порядка. Соответственно, такие системы характеризуются как неустойчивые и неравновесные. Вследствие неравновесности возникает избирательность системы. Причем, некоторые незначительные внешние воздействия способны оказывать на эволюцию системы большее влияние, чем более сильные, но неадекватные собственным тенденциям системы, воздействия.

Замечание 2

Другими словами, в нелинейных системах могут возникать ситуации, когда действия двух причин вызывают эффекты, не имеющие ничего общего с результатами действия этих причин по – отдельности.

Пороговый характер большинства процессов в самоорганизующихся систем является важнейшим следствием нелинейности поведения этих систем. Это означает, что при постепенном изменении внешних условий поведение системы меняется скачкообразно. То сеть в состояниях, когда система далека от равновесия, слабые флуктуации оказывают сильное влияние на систему. Они разрушают уже сложившуюся структуру и способствуют ее существенному изменению в качественном плане. Этим объясняется то, что являясь открытыми и неравновесными, нелинейные системы создают неоднородности в среде и поддерживают их. В этих условиях между средой и системой формируются отношения, имеющие обратную положительную связь. То есть система оказывает влияние на среду так, что в ней образуются определенные условия. Эти условия, в свою очередь, определяют изменения в самой этой системе.

Ярким примером этого является ситуация, в которой в процессе химической реакции либо какого-либо другого процесса образуется фермент, присутствие которого стимулирует производство этого самого фермента.

Диссипация энергии

В процессе взаимодействия открытых систем с внешней средой наблюдается диссипация энергии.

Определение 1

Диссипация энергии – это процесс перехода энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, а в результате – в тепловую энергию.

Диссипативными системами в общем случае называют такие системы, где энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного, а в результате в энергию теплового движения.

В открытых системах с нелинейным течением процессом возможны термодинамически устойчивые неравновесные состояния, которые далеки от состояния термодинамического равновесия и характеризуются определенной временной и пространственной упорядоченностью, которая называется диссипативной ввиду того, что для ее существования требуется непрерывный обмен энергией и веществом с окружающей средой. При этом большое количество микропроцессов получает результирующую на макроуровне, существенно отличающуюся от происходящего с каждым отдельным элементом системы. Благодаря этому возникают новые структуры, которые характеризуются переходом от беспорядка к упорядоченности.

Свойство диссипативности связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы характеризуются большим количеством параметром, которые улавливают воздействие окружающей среды неодинаково. В процессе течения времени в системе появляется несколько ведущих параметром, к которым подстраиваются остальные. Эти параметры системы называются параметрами порядка. Соотношения, которые связывают параметры порядка, являются гораздо проще математических моделей, которые описывают в целом систему детально, так как параметры порядка показывают содержание оснований неравновесной системы. Выявление параметров порядка является одной из главнейших задач, которые решаются в процессе изучения самоорганизующихся систем.

Источник

Для процесса самоорганизации характерны следующие структурные компоненты и свойства.

Структурные компоненты процесса самоорганизации

Структурными компонентами, посредством которых осваивается информация, являются:

1. механизм управления, представленный в том или ином виде и отвечающий за получение, оценку, переработку информации и формулирование информационной программы ответного действия.
2. канал обратной связи.

Свойства самоорганизующейся системы

К свойствам процесса самоорганизации относятся следующие:

1. самоорганизующаяся система охраняет состояние термодинамического равновесия.
2. негаэнропийный характер самоорганизующейся системы обеспечивается использованием информации.
3. самоорганизующаяся система обладает функциональной активностью, выражающейся в противодействии внешним силам.
4. самоорганизующаяся система обладает выбором линии поведения.
5. целенаправленность действий.
6. гомеостаз и связанная с ним адаптивность системы.

Рассмотрим основные признаки самоорганизующихся систем:

1. Самоорганизующаяся система — это система динамическая, ее движение носит нелинейный характер. Особенности феномена нелинейности состоят в следующем.

Во-первых, благодаря нелинейности имеет силу важнейший принцип «развертывания малого», или «усиления флуктуаций». Под флуктуацией в широком смысле слова понимается внешнее воздействие, в строгом смысле слова (как физическая категория) — случайные отклонения мгновенных значений величин от их средних значений (от состояния равновесия). При определенных условиях нелинейность может усилить флуктуации — делать малое отличие большим, макроскопическим по последствиям.

Во-вторых, определенные классы нелинейных открытых систем демонстрируют другое важное свойство — пороговость чувствительности. Ниже порога все уменьшается, стирается, забывается, не оставляет никаких следов в природе, науке, культуре, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает.

В-третьих, нелинейность порождает своего рода квантовый эффект — дискретность путей эволюции нелинейных систем (сред). То есть в данной нелинейной среде возможен не любой путь эволюции, а лишь определенный набор этих путей, определяемый спектром устойчивых состояний, структур- аттракторов.

В-четвертых, нелинейность означает возможность неожиданных, называемых в философии эмерджентными, изменений направления течения процессов. Нелинейность процессов делает принципиально ненадежными и недостаточными весьма распространенные до сих пор прогнозы — экстраполяции от наличного, ибо развитие совершается через случайность выбора пути в момент качественных преобразований системы, а сама случайность обычно не повторяется вновь

.Самоорганизующаяся система — это система открытая, что обеспечивает вещественно-энергетический и информационный обмен со средой. Открытая система обладает как «источниками» — зонами подпитки ее энергией окружающей среды, действие которых способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, так и «стоками» — зонами рассеяния энергии, в результате действия которых происходит сглаживание структурных неоднородностей в системе. Открытая система способна усваивать внешние воздействия и находится в постоянном изменении. Самоорганизующаяся система — это система неравновесная, так как процессы самоорганизации возможны только в открытых неравновесных системах, находящихся достаточно далеко от точки термодинамического равновесия.

Равновесие, устойчивость — свойства, которые в классической парадигме мышления, как правило, отождествлялись и характеризовали стационарное состояние системы. В синергетической концепции эти понятия конкретизируются в зависимости от типа системы. В идеальных, закрытых системах устойчивость, действительно, обозначает высокую степень упорядоченности и организованности системы. Но в закрытой системе неизбежно наступает момент, когда внутренние резервы системы оказываются исчерпаны, далее — по законам термодинамической необратимости — происходит нарастание энтропии (беспорядка, дезорганизации), и в конечном результате абсолютное равновесие может обозначать фактическую «смерть» системы (словами Г. Спенсера), ее распад, возвращение к состоянию термодинамического хаоса.

Описанное состояние характерно и для открытых систем с высоким уровнем энтропии, когда система как бы флуктуирует около конечного (наиболее вероятного) состояния, отклоняясь от него лишь на небольшие расстояния и на короткие промежутки времени. Эти отклонения связаны с теми незначительными изменениями условий, которые возникают благодаря ее открытому состоянию. В конечном счете, она неизбежно перейдет в одно из микроскопических состояний, соответствующих макроскопическому состоянию хаоса. И. Пригожин называет такое состояние (за его «неизбежность») глобальным, асимптотически устойчивым состоянием, или глобальным аттрактором — исключительно сильной формой устойчивости, связанной с неуклонным ростом энтропии. Таким образом, в модели данного типа устойчивости мы встречаемся с первым парадоксом (а точнее — взаимодополняющим описанием) хаоса и порядка: максимально устойчивое, равновесное и симметричное состояние системы, соответствующее интуитивному образу порядка, есть описание молекулярного, термодинамического хаоса.

Другой тип устойчивости открытых динамических систем И. Пригожин называет «стационарное состояние». Как образуется такое состояние? Чтобы понять это, необходимо учесть те изменения, которые разворачиваются в открытой системе за счет «переработки» ею внешнего вклада энергии и ресурсов. Изменения энтропии во времени в данном случае связаны с двумя противоположными процессами: «потоком энтропии», зависящим от обмена системы с окружающей средой (негэнтропии), и «производством энтропии», обусловленным необратимыми процессами внутри системы. В стационарном состоянии положительное производство энтропии компенсируется отрицательным потоком энтропии за счет обмена с окружающей средой. Так возникает особого рода устойчивое состояние в системе, находящейся вдали от равновесия (сильно неравновесной), то есть устойчивое состояние сильно неравновесной системы. Вместе с тем такое «устойчивое стационарное состояние» является крайне неустойчивым в своем хрупком балансе энтропийно-негэнтропийных потоков. Эта неустойчивость проявляется в том, что такое состояние чрезвычайно чувствительно к флуктуациям. Если рассмотренная ранее равновесная система с высокой энтропией с легкостью гасила такие флуктуации, то сильно неравновесная система может реагировать на них самым решительным образом. Возможность потери устойчивости состояний в системах, далеких от равновесия, при определенных условиях открывает путь процессам самоорганизации. Именно самоорганизация в данной ситуации выступает механизмом упорядочения системы. Синергетика изучает два типа структур: диссипативные (возникающие в результате самоорганизации, для осуществления которой необходим рассеивающий — диссипативный — фактор) и нестационарные (возникающие за счет активности нелинейных источников энергии). Исследование диссипативных структур отражено, в частности, в работах И. Пригожина, нестационарных — в работах С.П. Курдюмова и Е.Н. Князевой.

Структура изменяющейся системы характеризуется единством устойчивости и неустойчивости. Каждая такая система имеет (как минимум) два различных стационарных состояния, из которых в данный момент устойчиво лишь одно. Более того, одно и то же стационарное состояние такой системы при одних условиях может определяться как устойчивое, а при других — как неустойчивое, то есть возможен переход в другое стационарное состояние. Свойство системы иметь в своей структуре различные стационарные состояния, соответствующие различным допустимым законам поведения этой системы обусловлено нелинейным характером ее развития. Внешние воздействия могут вызвать отклонения такой системы от ее стационарного состояния в любом направлении, поэтому эволюция поведения данного типа систем сложна и неоднозначна, прогноз в области неустойчивости может опираться только на предшествующий опыт.Таким образом, мы в очередной раз убедились, насколько важно, применяя термины «устойчивость», «стационарность», «равновесие», учитывать методологический контекст их интерпретации.

Важной отличительной чертой процесса возникновения структур является появление синергетического эффекта — коллективного движения микроэлементов системы.

Самоорганизующаяся система — это система, в образовании которой решающую роль играют кооперативные процессы, основывающиеся на когерентном, или согласованном, взаимодействии элементов системы. Изменяется сам тип молекулярного поведения. И. Пригожин характеризует эти изменения, используя следующий образ: «В равновесном состоянии молекулы ведут себя независимо: каждая из них игнорирует остальные. Такие независимые частицы можно было бы назвать гипнонами (“сомнамбулами”). Каждая из них может быть сколь угодно сложной, но при этом “не замечать” присутствия остальных молекул. Переход в неравновесное состояние пробуждает гипноны и устанавливает когерентность, совершенно чуждую их поведению в равновесных условиях»

Условием появления согласованности, когерентности, «коллективного поведения» молекулярных частиц является синхронизация пространственно разделенных процессов.

Источник

К свойствам процесса самоорганизации относятся следующие:

1. Самоорганизующаяся система сохраняет состояние термодинамического равновесия.

2. Негаэнтропийный характер самоорганизующейся системы обеспечивается использованием информации.

3. Самоорганизующаяся система обладает функциональной активностью, выражающейся в противодействии внешним силам.

4. Самоорганизующаяся система обладает выбором линии поведения.

5. Целенаправленность действий.

6. Гомеостаз и связанная с ним адаптивность системы.

Механизм, обеспечивающий организационный процесс

Рассмотрим механизм, обеспечивающий организационный процесс. Пусть имеется некоторая система с направленным на нее внешним воздействием — вход системы. Вместе с вещественно-энергетическим потоком в нее попадает информация, представляющая собой собственную упорядоченность этого потока.

Эта информация оценивается в особом блоке — механизме управления. Здесь же вырабатывается программа ответного действия. В результате система реагирует на воздействие извне. В выходном вещественно-энергетическом потоке также имеется информационная составляющая. Часть ее по каналу обратной связи поступает на вход системы и снова попадает в механизм оценки и переработки информации. В результате система получает сведения об эффективности ее ответной реакции и изменяет направление и интенсивность действия, если это нужно для самостабилизации.

Таким путем многократного самоконтроля системы, получившие название «самоорганизующиеся», настраиваются на внешние факторы, достигают равновесия с условиями среды существования и тем самым сохраняют себя.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА САМООРГАНИЗАЦИИ

Можно выделить три основные характеристики процесса самоорганизации:

? гомеостаз;

? обратная связь;

? информация.

Гомеостаз

Слово «гомеостаз» произошло от двух греческих слов: homois — подобный, одинаковый, сходный (например, всем известна гомеопатия — лечение подобным) и stasis — неподвижность, состояние. Это относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. Понятие «гомеостаз» применяют к биоценозам (сохранение постоянства видового состава и числа особей), в генетике, кибернетике. Таким образом, гомеостаз — это стремление живой системы сохранить стабильность своей организации, рода, популяции.

Гомеостаз присущ любому существу, любой живой системе. Стремление к гомеостазу — мощнейший фактор эволюции, открывает прямое влияние на интенсивность естественного отбора.

Разрушение организации живой системы означает ее гибель. Живое всегда стремится сохранить свою стабильность — это факт эмпирический. Для неживой материи стремление сохранить свой гомеостаз выражен в принципе Ле Шателье, который является следствием закона сохранения (см. ТЕМУ 11.7)

Однако диалектика развития неоднократно демонстрирует нам неоднозначность результатов и противоречивый характер любых утверждений типа «только так и не иначе». Устойчивость, доведенная до предела, прекращает свое развитие. Чересчур стабильные формы — тоже тупиковые формы, развитие которых прекращается. Чрезмерная адаптация или специализация столь же опасна для совершенствования, как и его неспособность к адаптации. То есть стремление к гомеостазу должно компенсироваться другими тенденциями, определяющими рост разнообразия.

Обратная связь

Важнейшей характеристикой процесса самоорганизации является обратная связь. Механизм обратной связи — это реакция системы на внешнее воздействие. Более точно можно сказать, что механизм обратной связи — это механизм, определяющий изменение состояния, являющийся реакцией на внешнее воздействие и определяющийся этой реакцией.

Существуют отрицательные обратные связи, которые поддерживают гомеостаз, т.е. компенсируют внешнее воздействие, и положительные обратные связи, которые ухудшают стабильность системы.

Стремление к гомеостазу формирует механизмы не только отрицательных, но и положительных обратных связей, так как оно компенсируется тенденцией разнообразия. Одна из таких тенденций порождается принципом минимума диссипации энергии (рассеяния энергии), уже рассмотренном ранее (см. ТЕМУ 10.5). Это является таким же эмпирическим обобщением, как и принцип сохранения гомеостаза.

Уже неоднократно говорилось о том, что живые системы — это всегда открытые системы (закупоренное в консервную банку со временем протухает). Живым системам свойствен метаболизм, т.е. обмен энергией и веществом с внешним миром (обмен веществ), без которого они существовать не могут. Одной из ведущих тенденций развития живых систем является стремление в наибольшей степени использовать энергию внешней среды, уменьшая тем самым свою локальную энтропию — меру хаоса.

Это тоже является эмпирическим фактом: так же, как и стремление сохранить гомеостаз, живому свойственно стремление так изменить систему, направить эволюционный процесс в такую сторону, чтобы увеличить способность системы усваивать внешнюю энергию и вещество.

Таким образом, одной из особенностей любого из важнейших эволюционных процессов, протекающих в живом мире, является противоречие между тенденциями к стабильности, т.е. сохранению гомеостаза, и укреплению отрицательных обратных связей, и тенденциями к поиску новых, более рациональных способов использования внешней энергии и вещества, т.е. укреплению положительных обратных связей. Способы решения этих противоречий могут быть различными, и это обстоятельство ответственно за самые разнообразные организационные формы материального мира.

Здесь хочется также отметить, что распространена теория двойственной обратной связи, согласно которой обратная связь в природных системах представлена в двух формах: информационной и неинформационной. Считается, что неинформационный тип распространен в неживой природе, а информационный появляется, начиная с органического уровня материи. Организация систем в живом мире порождает совершенно иной, новый тип механизмов развития, неизвестный в неживой природе, содержащий механизмы обратной связи. Это и есть та главная особенность, которая отличает живое от неживого. Однако некоторые прокариоты и вирусоподобные существа, традиционно относимые к живому миру, по-видимому, все-таки лишены способности формировать петли обратной связи. Поэтому уместнее здесь перейти к третьей характеристике — информации.

Информация

Содержание понятия информации тесно связано с понятием отражения, которое уже было рассмотрено (см. ТЕМУ 14.). В общем случай информация означает отражение взаимодействующих тел. В результате воздействия одного объекта на другой запечатлеваются форма тела, структура, черты поведения.

Таким образом, информация — это отраженная структура, воспроизводящая структуру оригинала. Растительный мир, животный мир, мыслящий человек и человеческое общество — это гигантская иерархия систем с информационной самоорганизацией.