Самоорганізація. Причини та умови

Якими характерними властивостями володіють системи, здатні до самоорганізації? Який механізм самоорганізації?

Урок-лекція

З прикладів, уже розглянутих нами, видно, що не тільки «життя створює порядок», закони самоорганізації виявляються загальними як для живої, так і для неживої природи. Проте яким же чином з безструктурної субстанції самообразу часові та просторові впорядковані структури? Щоб це зрозуміти, необхідно з’ясувати, що спільного у всіх системах, здатних до самоорганізації.

Перш за все слід відповісти на питання, чи не суперечить виникнення порядку з хаосу закону зростання ентропії, відповідно до якого ентропія – міра безладу – безперервно зростає. Зверніть увагу на те, що цей закон сформульований для замкнутих систем, т. Е. Для систем, які не взаємодіють яким-небудь чином з оточенням. Всі наведені раніше приклади відносяться до відкритих систем, т. Е. До систем, обменивающимся з оточенням енергією і речовиною. Зрозуміло, що можна виділити замкнуту систему, в якій відбувається самоорганізація. Наприклад, уявімо собі ізольований від випромінювання зірок космічний корабель, в якому ростуть рослини. Очевидно, що в будь-який такий замкнутій системі можна виділити підсистему, в якій саме і відбувається самоорганізація і ентропія якої убуває, в той час як ентропія замкненої системи в цілому зростає в повній відповідності з другим початком термодинаміки. 2. Другою відмітною особливістю систем, здатних до самоорганізації, є неравновесное, нестійкий стан, в якому вони знаходяться. Процеси самоорганізації відбуваються в системах. Якщо самоорганізація відбувається в замкнутій системі, то завжди можна виділити відкриту підсистему, в якій відбувається самоорганізація, в той же час в замкнутій системі в цілому безлад зростає. Так, зовнішній вплив – нагрівання посудини призводить до різниці температур в окремих макроскопічних областях рідини, виникають так звані осередки Бенара (див. Рис. 79). Самоорганізація відбувається в системах, стан яких в даний момент істотно відрізняється від статистичної рівноваги. Стан системи, далекою від рівноваги, є нестійким на відміну від стану системи, близької до рівноваги, і саме в силу цієї нестійкості і виникають процеси, що призводять до виникнення структур. 3. Ще одна особливість здатних до самоорганізації систем – велике число часток, що складають систему. Справа в тому, що тільки в системах з великим числом частинок можливе виникнення флуктуацій – малих випадкових збурень, неоднорідностей. Саме флуктуації сприяють переходу системи з нестійкого стану в більш впорядкована стійкий стан. Самоорганізація можлива лише в системах з великим числом часток, що складають систему. Спостерігати флуктуації досить складно; як правило, вони не проявляють себе в макроскопічному світі, де працюють наші органи чуття. Можна навести приклад виникнення шумів у гучномовці при відсутності передачі. Ці шуми з’являються внаслідок хаотичного руху електронів в елементах радіотехнічного пристрою. Хаотичний рух електронів призводить до флуктуацій електричного струму, які після посилення і перетворення в звук ми чуємо. 4. Процеси самоорганізації описуються досить складними математичними рівняннями. Особливістю таких рівнянь і відповідно систем, які вони описують, є нелінійність. Ця властивість, зокрема, призводить до того, що малі зміни в системі в якийсь момент часу можуть зробити істотний вплив на подальший розвиток системи в часі. Саме в силу цієї властивості процеси самоорганізації в чому визначаються випадковими факторами і не можуть бути однозначно передбачені. Еволюція систем, здатних до самоорганізації, описується нелінійними рівняннями. ЯК ВІДБУВАЄТЬСЯ САМООРГАНІЗАЦІЯ. Яким же чином відбуваються процеси самоорганізації? Суворе опис, як уже говорилося, вимагає застосування складного математичного апарату. Однак на якісному рівні ці процеси можна досить просто пояснити. Найпростіший експеримент можна здійснити, маючи підсилювач (наприклад, магнітофон) і підносячи мікрофон до гучномовцю. При цьому може виникнути гудіння або свист, обумовлені Автогенерація електричного сигналу, т. Е. Спонтанним виникненням електромагнітних коливань. Даний приклад ілюструє процес самоорганізації з утворенням тимчасових структур. Однак аналогічно пояснюється й утворення просторових структур. Розглянемо найпростіший приклад з утворенням осередків Бенара. При нагріванні рідини виникає перепад температур між нижніми і верхніми шарами рідини. Нагрівальна рідина розширюється, її щільність зменшується, і нагріті молекули спрямовуються вгору. Виникають хаотичні потоки – флуктуації руху рідини. Поки різниця температур нижнього і верхнього рівнів рідини невелика, рідина знаходиться в стійкому стані, і ці флуктуації не призводять до макроскопічного зміни структури рідини. При досягненні певного порогу (певної різниці температур між верхніми і нижніми шарами) безструктурне стан рідини стає нестійким, флуктуації розростаються і в рідині утворюються циліндричні осередки. У центральній області циліндра рідина піднімається, а поблизу вертикальних граней – опускається (рис. 81). У поверхневому шарі рідина розтікається від центру до країв, в придонному – від кордонів циліндрів до центру. У результаті в рідині утворюються впорядковані конвекційні потоки.

Структури в системі виникають, коли нелінійні ефекти, що визначають еволюцію і зумовлені зовнішнім впливом на систему, стають достатніми для розростання флуктуацій, властивих таким системам. У результаті розростання флуктуацій система переходить з нестійкого безструктурної стану в стійке структурований стан. Пояснення механізму самоорганізації, звичайно ж, не може передбачити будь-які кількісні характеристики утворюються структур, наприклад частоту генерації або форму і розміри осередків Бенара. Математичний опис подібних процесів є непростим завданням. Однак якісні особливості механізмів самоорганізації можна сформулювати досить просто. Освіта структур завжди пов’язане з випадковими процесами, тому при самоорганізації, як правило, відбувається спонтанне зниження симетрії, а також мають місце біфуркації, т. Е. Неоднозначний розвиток різних процесів. У точках біфуркації під впливом незначних факторів система вибирає один з декількох можливих шляхів розвитку. Розглянемо біологічний процес – морфогенез. Як приклад порушення симетрії в живій природі, виникнення тканин і органів, створення всієї складної структури організму в процесі його індивідуального розвитку. Так само як і в еволюції фізичних систем, у розвитку зародка виникають послідовні порушення симетрії. Вихідна яйцеклітина в першому наближенні має форму кулі. Ця симетрія зберігається на стадії бластули, коли клітини, що виникають в результаті поділу, ще не спеціалізовані. Далі сферична симетрія порушується і зберігається лише аксіальна (циліндрична) симетрія. На стадії гаструли порушується і ця симетрія – утворюється сагиттальная площину, що відокремлює черевну сторону від спинної. Клітини диференціюються, і з’являється три типи тканин: ендодерма, ектодерма і мезодерма. Потім процес росту і диференціювання триває. Порушення симетрії в ході розвитку зародка виникають спонтанно в результаті нестійкості симетричного стану. При цьому поява нової форми та диференціювання супроводжують один одного. Експериментальні спостереження показали, що розвиток організму відбувається як би скачками. Етапи швидких перетворень, зародження нової фази змінюються плавними стадіями. Таким чином, в ході морфогенезу реалізується певна послідовність біфуркацій, розвиток відбувається через фази неустойчивостей. Саме в цей час зміна керуючих (визначальних еволюцію) параметрів, т. Е. Хімічних властивостей навколишнього середовища, може ефективно впливати на формування зародка, спотворюючи його нормальний розвиток. Тут істотну небезпеку представляють речовини, активно впливають на біохімічні процеси при морфогенезе.

У § 68 наведені приклади виникнення різних структур у процесах самоорганізації. Спробуйте пояснити, які флуктуації призводять при своєму розростанні до утворення тих чи інших структур.
Основний природничо-наукової гіпотезою, що пояснює виникнення життя на Землі, є гіпотеза самоорганізації. Земля розташована далеко від Сонця та інших планет. Чому її не можна вважати замкнутою системою?

Посилання на основну публікацію