- pedportal.net

Что такое самоорганизация?
или
Почему из хаоса возникают сложные, упорядоченные системы.
«Что мы знаем о лисе?
Ничего! И то не все».
Б. Заходер
Самоорганиза́ция — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт
внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия (изменение внешних
условий может также быть стимулирующим воздействием). Результат — появление
единицы следующего качественного уровня.
В зависимости от подхода к описанию самоорганизации в определение включают
характеристики системы, тип внутреннего фактора, особенности процесса.
Гипотеза о упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики высказывалась
философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе». Позже он подробно
разработал эту идею в так и не опубликованной книге «Le Monde».
И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, согласно которой планеты образовались из
туманности за счёт притяжения и отталкивания, внутренне присущих материи [1].
Необходимо заметить, что представления о спонтанном возникновении порядка и
самоорганизации нетождественны. Атомизм Демокрита или статистика Больцмана
рассматривают возникновение порядка как случайность, причём категория порядка
является субъективной, наличие порядка кажущееся.
В 1947 году термин появился в научной публикации Уильяма Эшби (англ. W. R. Ashby)
«Principles of the Self-Organizing Dynamic System»[2]. В 1960-е годы термин использовался
в теории систем, а в 1970-е — 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.
Г. Хакен — основатель синергетики определил её как науку о самоорганизации. До XXI
века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с
сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий
выяснилось, что термин самоорганизация, в области супрамолекулярной химии и
эволюционной биологии определен иным образом для других феноменов, нежели в
синергетике. Кроме того, определение данное в рамках синергетики, благодаря
междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечётким.
Диссипативная самоорганизация (синергетический
подход)
Определение, данное Г. Хакеном в 1980-е гг. в рамках синергетики:
«Самоорганизация — процесс упорядочения (пространственного, временного или
пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия
множества элементов её составляющих».
Характеристики системы:

открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой):
1. под открытостью систем понимается, прежде всего, их способность к
взаимодействию и обмену веществом и энергией. Например, важнейшим
признаком живых систем является осуществляемый ими обмен веществ.
Обмен веществом и энергией осуществляют так же геологические и
космические объекты. Геологические объекты-системы переживают
постоянные процессы обмена между поверхностными и глубинными слоями
земной коры, эти процессы есть результат непрерывных геохимических
процессов и скачкообразных извержений. Роль геологического круговорота
вещества, геологического обмена веществ в геологической эволюции
отмечается многими исследователями. Например, А. А. Ивакин утверждает,
что "литосфера, в мысленном эксперименте или реально (спутники планет,
астероиды, метеориты и т.д.) изъятая из системы геохимического
круговорота, подобно органу, отделенному от организма, фактически
перестает быть геологически развивающейся системой" , т.е. без обменных
процессов невозможна геологическая эволюция. Космические тела также
ведут обмен веществом и энергией, они излучают в космическое
пространство и поглощают потоки частиц и волн.
2.
проявлением открытости может служить "размытость" границ
эволюционирующих систем, существующая, несмотря на их пространственную
локализацию, относительную изоляцию. Так, биологи замечают, что
сложноорганизованные системы (организм, например) трудно выделить из
окружающей среды, как и разложить такие системы на составляющие. "Для
системы, в которой компоненты - подсистемы эволюционируют совместно, не
очевидно, что последние отделены друг от друга..." . Такая же характеристика размытость границ - присуща сложным системам, изучаемым астрономией. По
мнению Б. А. Воронцова-Вельяминова, "граница между скоплением и общим
полем галактик стерта. Общее поле галактик состоит из сходящих на нет по своей
четкости скоплений галактик и групп. Многие из скоплений можно объединять или
расчленять с еще большим произволом, чем в случае комплексов диффузных
туманностей".
Итак, обмен веществом и энергией осуществляют не только биологические, но и
геологические, и астрономические системы. Для живых организмов обмен веществ
- это способ существования, благодаря открытости биологических систем, в них
происходит увеличение упорядоченности. Как писал Э. Шредингер, живые
организмы "концентрируют на себе поток порядка", "пьют упорядоченность".
Какую же роль играет открытость как общее, универсальное свойство неживых
систем, насколько оно необходимо? Ответа на этот вопрос не было до 70-х годов
нашего столетия. Еще в конце ХIХ в. сам подход к поиску общего между живым и
неживым казался странным.


содержит неограниченно большое число элементов (подсистем);
имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы
взаимодействуют хаотически (некогерентно).
Характеристики процесса:





интенсивный обмен энергией/веществом с окружающей средой, причём
совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);
макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами —
параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная
перегруженность системы);
имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с
поступлением энергии/вещества), при котором система спонтанно переходит в
новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию);
новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов
системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом
уровне;
новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии/вещества
в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд
следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до
возникновения турбулентного хаоса.
Для однозначности определения термина, его связи с характеристиками системы и
процесса, как правило, делается ссылка на один из трёх стандартных примеров
самоорганизации:



лазер — пространственное упорядочение;
ячейки Рэлея — Бенара — пространственное упорядочение;
реакция Белоусова — Жаботинского — пространственно-временное упорядочение;
Нобелевский лауреат Илья Пригожин создал нелинейную модель реакции Белоусова —
Жаботинского, так называемый брюсселятор. Так как для возникновения упорядочения в
таких системах необходим приток энергии или отток энтропии, её диссипация, Пригожин
назвал эти системы диссипативными. Вследствие нелинейности, наличия более одного
устойчивого состояния в этих системах, в них не выполняется ни второе начало
термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии.
По аналогии описания самоорганизующихся систем с фазовыми переходами
диссипативная самоорганизация получила название фазового перехода в неравновесной
системе.
Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от
физики и химии до социологии и филологии. Градообразование и нейронные сети
описаны как диссипативные структуры. В последнее время практически исчезло
использование первоначально необходимого математического аппарата нелинейных
уравнений. Это привело к тому, что любая система естественного происхождения, не
принадлежащая компетенции равновесной термодинамики, стала рассматриваться как
самоорганизованная.
Под самоорганизацией в синергетике понимаются процессы возникновения
макроскопически упорядоченных пространственно-временных структур в сложных
нелинейных динамических системах, находящихся в состояниях, далеких от равновесных,
вблизи особых критических точек (их называют точками бифуркации, или точками
ветвления(Наконец, следует ввести самое характерное понятие синергетики - бифуркация.
Дословно "bifurcus" - двузубый, раздвоенный (лат.), это точка ветвления, точка
разветвления. Точке бифуркации соответствует критическое значение процесса
самоорганизации, когда траектория развития системы начинает отклоняться от того пути,
по которому система шла до сих пор. Вблизи точки бифуркации система "ищет", куда она
пойдет), у которых поведение системы становится неустойчивой. В этих точках система
под воздействием малейших толчков (малых действий), или флуктуаций(, может
качественно изменить свое состояние. Этот переход часто характеризуют как
возникновение порядка из хаоса. «Синергетика рассматривает иерархии нестабильности
различных порядков и их последовательности. В этом контексте синергетика с помощью
таких понятий, как неустойчивость, параметры порядка и принцип подчиненности,
охватывает широкий класс систем вместе со сценариями их эволюции от хаоса к порядку
и наоборот ».
Континуальная самоорганизация (концепция
эволюционного катализа)
Концепция эволюционного катализа, разработанная А. П. Руденко, является
альтернативной концепцией самоорганизации для биологических систем. В отличие от
когерентной самоорганизации в диссипативных системах с большим числом элементов
(макросистем), рассматривается континуальная самоорганизация для индивидуальных
(микро-) систем. В рамках данного подхода определяется, что самоорганизация как
саморазвитие системы происходит за счёт внутренней полезной работы против
равновесия. Прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как
саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.
Организа́ция (от греч. ὄργανον — инструмент) — это целевое объединение ресурсов.
Организации, созданные человеком (людьми), характеризуются наличием человека как
активного ресурса. Для организаций, созданных человеком, характерно наличие функций
управления и планирования. Необходимо отметить, что организация, входящая в более
крупную организацию, является для последней ресурсом.
Появление и развитие организаций исторически неразрывно связано созданием и
развитием государства и изменением социальности людей. Человек, как часть социума,
всю свою жизнь является составляющей частью организаций. Современный человек
рождается, учится, работает и умирает при прямом участии организаций.
1)Организация — это группа людей, работающих совместно, во главе с руководителем и
выполняющих определенные планы.
2)Организация — это комплекс мероприятий или действий, направленных на получение
оптимальных условий для достижения какого-либо результата, с привлечением
наибольшей эффективности, производительности, качественности оказываемых услуг и,
как правило, сопровождающихся уменьшением расходов на средства по достижению этой
цели.
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.
Под открытостью систем понимается, прежде всего, их способность к взаимодействию и
обмену веществом и энергией. Например, важнейшим признаком живых систем является
осуществляемый ими обмен веществ. Обмен веществом и энергией осуществляют так же
геологические и космические объекты. Геологические объекты-системы переживают
постоянные процессы обмена между поверхностными и глубинными слоями земной коры,
эти процессы есть результат непрерывных геохимических процессов и скачкообразных
извержений. Роль геологического круговорота вещества, геологического обмена веществ в
геологической эволюции отмечается многими исследователями. Например, А. А. Ивакин
утверждает, что "литосфера, в мысленном эксперименте или реально (спутники планет,
астероиды, метеориты и т.д.) изъятая из системы геохимического круговорота, подобно
органу, отделенному от организма, фактически перестает быть геологически
развивающейся системой" [2], т.е. без обменных процессов невозможна геологическая
эволюция. Космические тела также ведут обмен веществом и энергией, они излучают в
космическое пространство и поглощают потоки частиц и волн.
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 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. Но стремление к гомеостазу
должно компенсироваться другими тенденциями, так как устойчивость, доведенная до
предела, прекращает свое развитие.
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.
Существую 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 она компенсируется тенденцией разнообразия.
Одна из таких тенденций порождается принципом минимума диссипации энергии
(рассеяния энергии). Это является таким же эмпирическим обобщением, как и принцип
сохранения гомеостаза.
Также живым системам свойственен метаболизм, т.е. обмен энергией и веществом с
внешним миром (обмен веществ), без которого они существовать не могут. Одной из
ведущей тенденций развития живых систем является стремление в наибольшей степени
использовать энергию внешней среды. 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.
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.
Информация
Информация – это отраженная структура, воспроизводящая структуру оригинала.
Растительный мир, животный мир, мыслящий человек и человеческое общество – это
гигантская иерархия систем с информационной самоорганизацией.
3.4.1. Этимология понятия информация
Употребляя понятие «информация», важно помнить об этимологии этого понятия. В
обычном, т.е. житейском, смысле оно означает сумму сведений, которые получает субъект
– человек или группа людей, животных, - об окружающем мире, о самом себе, другом
субъекте или изучаемом явлении, т.е. сведений, с помощью которых он может точнее
прогнозировать результат своих действий и отбирать способы использования своих
возможностей для обеспечения собственных интересов, достижения поставленной цели. В
этой трактовке информации центральной фигурой оказывается человек, который
использует полученные сведения по своему усмотрению.
Информация нужна субъекту для обеспечения возможности успеха некоторых
целенаправленных действий. Качество же информации зависит также от субъекта, его
способности воспринимать и обрабатывать информацию. Качество оценивается прежде
всего тем, насколько знания, получаемые о предмете или окружающей обстановке,
помогают в принятии решения. Ценность и смысл информации полностью
раскрываются только тогда, когда существует цель.
На развитие утвердившегося в широких кругах понимания смысла информации и на
развитие соответствующей теории информации оказали огромное влияние работы
Н.Винера и К.Шеннона.
Теория информации – это раздел кибернетики, занимающийся методами описания,
оценки, хранения, передачи и использования информации. Основное понятие теории
информации – количество информации. В докибернетический период информацию
связывали исключительно с человеческим сознанием. Две концепции информации
существуют и в настоящее время:
· Информация свойственна обществу, живым системам, кибернетическим устройствам и
не присуща живой природе.
· Информация присутствует во всех материальных системах.
Изменения, происходящие в системе в результате отражения или спонтанно, реализуются
в форме вещественных или энергетических сигналов. Информация - это содержание
сигнала, а значит, содержание отражения и изменения вообще.
Таким образом, можно говорить о двух видах информации:
· Информация как мера неоднородности распределения материи и энергии в
пространстве и времени, мера разнообразий, мера изменений, которыми сопровождаются
все протекающие в мире процессы.
· Информация как форма мышления, которое является высшим продуктом мозга.
Информация как степень упорядоченности системы внутренне присуща самой системе
независимо от ее познания.
Самоорганизация систем
На примерах
Неравновесные процессы и открытые системы.
Кристаллы - упорядоченные равновесные структуры. Но мы будем изучать совершенно
другие
системы
и
структуры.
Рассмотрим несколько примеров, чтобы понять, о чем идет речь.
1.
Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс в
масштабах полушария или всего земного шара, приводящие к широтному и
меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере. Главной причиной
возникновения воздушных течений в атмосфере служит неравномерное
распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому
нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Таким образом,
солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке
Земли.
Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли: это пример
самоорганизация на Земле.
2.
Ячейки
Бенара
самоорганизация
в
физических
явлениях.
Ячейки Бенара или Рэлея-Бенара — возникновение упорядоченности в виде
конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных
шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом
температуры, т.е. равномерно подогреваемой снизу. В качестве жидкости
используется, как правило, силиконовое масло.
3.
Химическая реакция Белоусова-Жаботинского - самоорганизация в химии.
Реакция Белоусова — Жаботинского — химическая реакция, в которой возникают
хаотические автоколебательные процессы. В настоящее время найдены многие
реакции с таким свойством. В 1951 Б. П. Белоусов обнаружил автоколебания в
реакции окисления бромата калия КBrO3 малоновой кислотой HOOC-CH2-COOH в
кислотной среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce+3. Течение реакции
меняется со временем и раствор периодически меняет цвет от бесцветного (Ce+3) к
жёлтому (Ce+4) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора pH
ферроина. Наиболее эффектно выглядит колба, если вместо лимонной кислоты
использовать малоновую, а вместо ионов церия ионы железа Fе2+. Тогда раствор в
колбе может часами со строгой как часы периодичностью изменять цвет во всем
видимом диапазоне от рубиново-красного до небесно-голубого. Сообщение
Белоусова было встречено в научных кругах скептически, поскольку считалось,
что автоколебания в химических системах невозможны.
Некоторые конфигурации, возникающие
Жаботинского в тонком слое в чашке Петри.
при
реакции
Белоусова
—
В 1961 механизм реакции Белоусова был объяснён аспирантом Анатолием
Жаботинским, но эта работа оставалась малоизвестной до 1968 года. В 1969
Жаботинский с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь "разлить"
тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые
видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов. Таким образом, имеется
автоколебательный процесс изменения концентрации четырехвалентного церия
с одновременным варьированием цвета
На поверхности раствора
спиральные волны)
появляются
поверхностные
волны (химические
4. Динамика популяций хищников и их жертв - самоорганизация в биологии.
Перенесемся теперь из мира атомов в макромир и попробуем предсказать
соотношение числа волков и зайцев в некотором гипотетическом заповеднике, где
на огражденной территории живут только эти представители фауны, а флоры пусть
будет много. Поскольку волки хищники, то могут в данном заповеднике питаться
только зайцами, а жертвы - зайцы питаются только травкой. В конечном счете, нас
интересует - будет ли такое экологическое сообщество устойчиво сосуществовать в
заповеднике.
Экспериментальные
данные
полученные
в
реальной
многокомпонентной и открытой среде с множеством неучтенных взаимодействий,
указывают на факт наличия устойчивых колебаний популяций свидетельствует о
том, что модель работоспособна и оправдывает надежды по предсказанию.
Такие хорошо организованные устойчивые структуры, существующие при постоянной
диссипации энергии за счет энергии, поступающей извне, И. Пригожин назвал
диссипативными.
5 Наглядным образом бифуркационной модели в культуре является один из древнейших
архетипических образов человека - образ мирового древа. В биологической
эволюционной модели ему соответствует генеалогическое древо, иллюстрирующее
дивергентный путь развития.
6 Весьма убедительно проводится параллель между синергетическим и восточным типом
мышления. Это идея единства и согласованности мира, связи всего со всем. И синергетика
обнаруживает внутреннюю связь элементов мира, осуществляемую "через малые
воздействия, флуктуации. Принцип "у-вэй" и идея когерентности. Символ "инь - ян",
закон кармы и идея цикличности, ритма, "автопоэтической реальности" (Варела,
Матурана), в которую вплетено личное бытие.