ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА (ЕНКМ) ЛЕКЦИЯ № 6 САМООРГАНИЗАЦИЯ

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА (ЕНКМ) ЛЕКЦИЯ № 6 САМООРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ КАК ПАРАДИГМЫ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. ЛЕКТОР: ДОЦЕНТ КАФЕДРЫ МОБЖ СИЛАКОВА О. В.

Синергетическая парадигма: основные принципы • В конце XX в. можно говорить о становлении синергетической парадигмы (pradeigma – греч. пример, образец) в виде распространенной междисциплинарной исследовательской установки, определяющей новую модель системного исследования и формального описания природных явлений, которая наряду с информационным и системным подходом открывает перспективу построения единой науки, дающей целостное знание о закономерностях эволюции сложных систем неорганической и органической природы. • Междисциплинарный синергетический подход формируется как новый системный подход, выделяющий фундаментальность и всеобщность процессов самоорганизации в природе. Его основанием выступают представления, развитые в теории нелинейных динамических систем.

• Самоорганизация отождествляется со способностью к разнообразному, сложному, но адекватному внешним воздействиям поведению, которое интерпретируется как скачкообразный переход системы из одного состояния в другое упорядоченное состояние. • Особое значение придается информационным взаимодействиям в процессах самоорганизации. • Одна из главных особенностей нового системного, подхода в естествознании - признание самоорганизации в качестве всеобщего свойства материи и распространение принципа эволюции на все рассматриваемые явления. Эта установка сама по себе задает определенную исследовательскую программу в широком спектре наук о природе, а также о человеке и обществе.

В качестве основных мировоззренческих и методологических принципов синергетической парадигмы выступают: 1. Принцип вероятного детерминизма; 2. Признание универсальности согласованных процессов в природе; 3. Признание универсального характера эволюции и адаптации как закономерного поведения сложной самоорганизующейся системы любой природы. Ключевыми понятиями синергетической парадигмы выступают: • Хаос и порядок • Неустойчивость и нелинейность • открытость, • флуктуация, • бифуркация.

Элементарным объектом в синергетике выступает колеблющийся элемент (или циклический процесс) – осциллятор. • Пример: маятник. Для линейного гармонического осциллятора, имеющего одну степень свободы (маятник на нити), размерность фазового пространства равна 2 (координата – х, скорость – v). Фазовое пространство такого маятника представляет собой плоскость. Картина эволюции системы представляется графически - как непрерывное изменение координаты и скорости. Точка изображающая состояние системы, движется осциллятора (пример, маятник в виде шарика на нити) представляет собой эллипс. • В случае затухания колебаний фазовые траектории при любых начальных условиях заканчиваются в точке, которая соответствует состоянию покоя в положении равновесия. Эта особая точка в фазовом пространстве как бы притягивает к себе со временем все фазовые траектории, поэтому получила название аттрактора (to attract - англ. притягивать). Другой вид аттракторов (помимо особой точки) представлен предельными циклами, которые указывают на некоторый установившийся ритмический режим, например, биение сердца.

• В синергетическом подходе формулируется новое представление о системе. Она понимается как открытая сложная, содержащая очень большое, иногда бесконечное (неисчислимое) множество элементов, находящихся в сложном взаимодействии друг с другом. • Главным свойством такой системы выступает способность к самоорганизации. • В то же время в синергетике утверждается относительность простоты и сложности системы, поскольку всякую систему одновременно можно рассмотреть на макроуровне – как целостность, описываемую достаточно просто немногими параметрами порядка, и на микроуровне – как сложное взаимодействие множества элементов. • Эволюция системы анализируется в терминах порядка и хаоса.

Принцип гомеостатичности • объединяет идеи кибернетики, системного анализа и синергетики. • Существование системы в гомеостатическом режиме (гомеостаз) связано с поддержанием ее внутренних характеристик в некоторых рамках, позволяющих ей следовать к своей цели, несмотря на внешние условия. • В осуществлении такого режима относительной стабильности в жизни системы главную роль играют отрицательные обратные связи, подавляющие любое отклонение в программе поведения, возникшее под действием внешних воздействий среды.

Принцип иерархического подчинения • сформулированный Г. Хакеном, подчеркивает вертикальную взаимосвязь систем в природы. • Иерархическая связь систем в мироустройстве напоминает матрешку - каждая относительно простая система предстает элементом более сложной системы. Элементы, входящие в более сложную структуру, передают целому часть своих функций и степеней свободы, которые теперь выражаются от лица всей системы через новые переменные. Их принято называть параметрами порядка, поскольку именно они описывают в сжатой форме целесообразное поведение и целиаттракторы всей системы. • Параметры порядка - это долгоживущие коллективные переменные, задающие язык описания среднего мезоуровня, которые управляют короткоживущими переменными, задающими язык описания нижележащего микроуровня. Изменение параметра порядка как бы синхронно дирижирует поведением множества элементов низшего уровня, составляющих систему.

Принцип нелинейности • подчеркивает закономерность кризисных состояний в жизни сложной самоорганизующейся системы. • Этот принцип формулируется в противоположность линейному описанию – идеалу простоты картины явлений в классической математике и физике. В этом случае наблюдаемые реальные процессы сводятся к пропорциональной зависимости между параметрами состояния (типа y = kx + b). • Математический аппарат описания закономерности ограничивается уравнениями первой степени. Например, формальное описание падения тела через изменение его скорости: v = v 0 + gt.

• Принцип нелинейности разграничивает две фазы (два алгоритма развития) в жизни сложной самоорганизующейся системы: • 1. линейная фаза представляет собой однонаправленное изменение, которое обнаруживает четкую закономерность, ее можно точно рассчитать и на этой основе дать прогноз будущих состояний системы; • 2. нелинейная фаза представляет собой кризисное состояние, которое характеризуется возможностью только вероятного прогноза некоторого множества будущих возможных состояний.

Принцип незамкнутости (открытости) • подчеркивает, что более сложный иерархический уровень организации системы может возникать только при обмене веществом, энергией, информацией с другими уровнями. • В синергетике рассматриваются открытые системы, обменивающиеся веществом, энергией, информацией с окружающим миром. Пример: живые организмы, создающие порядок в себе и вокруг себя за счет увеличения общего беспорядка, энтропии планеты. • Открытость позволяет эволюционировать системам от простого к сложному, разворачивать программу роста организма из клеткизародыша. • В неживой природе диссипация (преобразование системой поступающей энергии в тепловую) тоже может приводить к упорядоченным структурам. С описания таких систем в химии и теории лазера и начиналась синергетика.

Принцип неустойчивости • любая система становится открытой в точках неустойчивости. Наглядный пример неустойчивости дает перевернутый маятник, который готов упасть вправо или влево в зависимости от малейших воздействий извне или случайных тепловых колебаний материала маятника, ранее абсолютно несущественных. • В синергетическом подходе выделяется конструктивная, а не деструктивная роль неустойчивости. В точке неустойчивости замкнутая система становится открытой, очень чувствительной к случайным воздействиям и возмущениям. • При переходе от одного положения гомеостаза к другому система оказывается в области сильной нелинейности. Такие действия абстрактной или технической системы предполагают программу правдоподобных рассуждений и напоминают интеллектуальный выбор, свойственный человеку.

• Состояние выбора в синергетической парадигме понимается очень широко и характеризуется неустойчивостью состояний. Всякий раз, когда система подходит к точке выбора (точки бифуркации), она характеризуется крайней критической неустойчивостью. • В таких состояниях неустойчивость становится залогом перехода системы в новое качество, которое характеризуется новым порядком. Конструктивный характер неустойчивости с формальной стороны раскрывается через выделение точек бифуркаций, разделяющих старый порядок и новый. • Выявление точек бифуркаций важно в связи с проблемой управления сложными системами. Принцип синергетического управления получил название метода малых воздействий ( «метода уколов» ). Не силовые, сколь угодно слабые воздействия (например, информационные) могут повлиять на выбор поведения системы и ее эволюцию.

Принцип динамической иерархичности • подчеркивает относительность беспорядка и порядка, содержательно раскрывает прохождение системой критического состояния неустойчивости в точке бифуркации, возникновение нового качества системы. Этот принцип выделяет горизонтаьную связь уровней системной организации, выводит на первый план динамику взаимодействия мега-, макро- и микроуровней системы. • С позиции макроуровня беспорядок воспринимается как увеличение его сложности и непредсказуемости. На макроуровне точка бифуркации - мгновение между прошлым и будущим. На микроуровне она означает целый ряд перемен и трансформаций (в примере с водой – непредсказуемое броуновское движение частиц при кипении). • Именно здесь происходит эволюционный отбор альтернатив развития макроуровня, всегда возникающего внезапно, скачком. Этот принцип называют принципом эмерджентности потому, что возникновение новой структуры вроде бы не имеет видимых оснований и напоминает перетряхивание калейдоскопа, в котором невозможно предсказать картинку.

Принцип наблюдаемости (или локальности) • подчеркивает ограниченность и относительность наших представлений о системе в конечном эксперименте. Этот принцип требует соотнесения интерпретаций (описаний) с масштабом наблюдаемого явления и с ожидаемым результатом. • В синергетической парадигме подчеркивается ограниченность самой схемы разбиения реальности на бытие и становление в чистом виде. • Согласно принципу наблюдаемости, следует различать хаос бытия и хаос становления. • Примеры хаоса бытия: разнообразие форм жизни биосферы, гарантирующее ее устойчивость. • наличие легкой хаотичности ритмов сердца, являющееся признаком хорошей адаптивности сердечно сосудистой системы, необходимый для устойчивости элемент стихийности рынка - для таких систем вполне применим образ – бытие в становлении.

Эволюционная картина мира. Глобальный эволюционизм. Идея развития мира является важнейшей идеей мировой цивилизации. В своих далеких от совершенства формах она начала проникать в естествознание еще в 18 в. Но уже 19 век можно смело назвать веком эволюции. В это время идеи развития стали проникать в геологию, биологию, социологию и гуманитарные науки. В первой половине 20 века идеи эволюционизма были развиты в отдельных областях (природы, общества, человека), но философский общий принцип развития еще отсутствовал. И только к концу 20 столетия естествознание приобрело теоретическую и методологическую основу для создания единой модели универсальной эволюции, выявления универсальных законов направленности и движущих сил эволюции природы.

Такой основой является теория самоорганизации материи, представляющая синергетику. Эта модель на основе самоорганизации связала в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез), человека и человеческого общества (антропосоциогенез). Этой моделью является концепция универсального эволюционизма, которая вышла на глобальный уровень. Поэтому такую модель развития природы называют также глобальным эволюционизмом, поскольку именно она охватывает все существующие и мысленно представляемые проявления материи в едином процессе самоорганизации природы.

Под глобальным эволюционизмом следует понимать концепцию развития Вселенной как развивающееся во времени природное целое. При этом вся история Вселенной, начиная от Большого Взрыва и заканчивая возникновением человечества, рассматривается как один единый процесс, где космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически тесно взаимосвязаны. В концепции универсального эволюционизма важную роль играет идея естественного отбора. Здесь новое всегда возникает как результат отбора наиболее эффективных формообразований. Неэффективные новообразования отбраковываются историческим процессом. Качественно новый уровень организации материи «утверждается» историей лишь тогда, когда он оказывается способным вобрать в себя предшествующий опыт исторического развития материи. Эта закономерность особенно ярко проявляется для биологической формы движения, но она свойственна вообще всей эволюции материи.

Принцип глобального эволюционизма основан на понимании внутренней логики развития космического порядка вещей, логики развития Вселенной как единого целого. Для такого понимания важную роль играет антропный принцип. Сущность его в том, что рассмотрение законов Вселенной и ее строения на основе того, что познание ведется Человеком разумным. Природа такова , как она есть, только потому, что в ней есть человек. Иначе говоря, законы построения Вселенной должны быть таковы, чтобы она непременно когда-нибудь должна породить наблюдателя; если бы они были иными, Вселенную просто некому было бы познавать. Антропный принцип указывает на внутреннее единство закономерностей исторической эволюции Вселенной и предпосылок возникновения и эволюции живой материи вплоть до антропосоциогенеза.

• Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). • Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

• В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т. е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков. Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

• В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации» . • Наука же считает, что только шесть элементов - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов. Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97, 4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.

• Особая роль отведена углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими другу, и удерживать их внутри себя. • Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени. 96% из них приходится на органические соединения. • Химики стремятся открыть секреты природы. Поиски различного рода природных катализаторов позволяют химикам сделать ряд выводов:

• Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.

• В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А. П. Руденко. • В основе этой теории лежит утверждение о том, что процесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шел постоянный отбор все новых катализаторов с большей реактивной активностью. • Открытый А. П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность.

• Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: - выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; - использовать принципиально новый метод изучения катализа; - дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

• Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. • Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

• Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. • Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. • Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.

• Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. • Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. • Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.

Эон (эонотема) Эра (эратема Период (система) Эпоха (отдел) Заверше ние, лет назад[1] Основные события Голоцен Палеогеновый Конец Ледникового Периода. Возникновение цивилизаций Плейстоцен 11 700 Вымирание многих крупных млекопитающих. Появление современного человека Плиоцен 2, 588 млн Миоцен 5, 33 млн 23, 0 млн Появление первых человекообразных обезьян. Эоцен 33, 9 млн Появление первых «современных» млекопитающих. Палеоцен Кайнозой Неогеновый наши дни Олигоцен Четвертичный (антропогеновый) 55, 8 млн Меловой Фанерозой Юрский 146 млн Появление сумчатых млекопитающих и первых птиц. Расцвет динозавров. 200 млн Первые динозавры и яйцекладущие млекопитающие. Пермский 251 млн Вымерло около 95 % всех существовавших видов ( Массовое пермское вымирание). Каменноугольный 299 млн Появление деревьев и пресмыкающихся. Девонский Палеозой Первые плацентарные млекопитающие. Вымирание динозавров. Триасовый Мезозой 65, 5 млн 359 млн Появление земноводных и споровых растений. Силурийский 416 млн Выход жизни на сушу: скорпионы ; появление челюстноротых Ордовикский 444 млн Богатая морская фауна: ракоскорпионы, кальмары, первые сосудистые растения. Кембрийский 488 млн Появление большого количества новых групп организмов ( «Кембрийский взрыв» ).

Эдиакарий Криогений ~635 млн Одно из самых масштабных оледенений Земли 850 млн Начало распада суперконтинента Родиния Стений 1, 0 млрд Суперконтинент Родиния, суперокеан Мировия Эктазий 1, 2 млрд Первые многоклеточные растения (красные водоросли) Калимий 1, 4 млрд Статерий 1, 6 млрд Орозирий 1, 8 млрд Риасий 2, 05 млрд Сидерий Мезопротерозой Первые многоклеточные животные. Тоний Неопротерозой 542 млн 2, 3 млрд Протерозой Палеопротерозой Докембрий Кислородная катастрофа Неоархей Мезоархей 2, 8 млрд Палеоархей 3, 2 млрд Эоархей Архей 2, 5 млрд 3, 6 млрд Появление примитивных одноклеточных организмов 4 млрд 4, 57 млрд лет назад — формирование Земли. Катархей (Гадей)