Самоорганизация Самоорганизация и возникновение структур Самоорганизация

Самоорганизация

Самоорганизация и возникновение структур Самоорганизация – процесс самопроизвольного упорядочивания в системе, без наличия специального внешнего воздействия; эффект корреляции состояний. 2

Типы систем энергия Изолированная система Закрытая система Открытая система вещество 3

• • • Основные условия возникновения самоорганизующихся систем Открытые системы: обмен с окружающей средой энергией, веществом и информацией Состояние системы далекое от равновесия Наличие флуктуаций - источника разнообразия и развития – и их рост (накопление) Спонтанное нарушение симметрии Возникновение кооперативных процессов Обратная положительная связь Большое число элементов системы Диссипация энергии в окружающую среду - сохранение упорядоченного состояния за счет поддержания неравновесного состояния. Возникают не только новые типы структур, но и новые режимы поведения. 4

Упорядоченность • Пространственная – структура, порядок расположения. • Временная – периодичность, упорядоченность поведения системы во времени. • Функциональная – упорядоченность функционирования, движения элементов системы. 5

6

Опыт Бенара 1900 г. Подогревается слой вязкого силиконового масла. При определенной разнице температур между верхним и нижним слоем масла по всей толщине слоя внезапно возникают трубчатые упорядоченные структуры – ячейки Бенара. Возрастание упорядоченности – это уменьшение энтропии. Система функционирует как бы «вопреки» второму началу термодинамики. 7

Столбчатая отдельность возникает из-за неравномерного остывания породы. Вероятно, в процессе остывания в жидкой породе образуются ячейки Бенара. При остывании и последующем химическом выветривании базальта эти ячейки превращаются в отдельные столбы (по 3 - 7 граней). Характерная столбчатая отдельность базальта 8

Реакция Белоусова-Жаботинского «Химические часы» (1951 г. ) - класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура) изменяются периодически 9

Лазер - оптический квантовый генератор -преобразует энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую) в энергию монохроматического, когерентного (согласованного), поляризованного и узконаправленного потока излучения. 10

Самоорганизация в природе • Пространственное распределение особей в животном мире • Структура колоний микроорганизмов • Спонтанное возникновение структуры при развитии организма (при морфогенезе) • Узорчатая раска животных 11

Живые системы – открытые. Живые системы являются открытыми системами, находящимися постоянно в неравновесном физическом и химическом состоянии. Получают энергию с низкой энтропией (солнечное излучение, органические вещества) и отдают энергию с высокой энтропией, повышают энтропию окружающей среды. 12

Эдвард Лоренц «Взмах крыльев бабочки в Бразилии вызовет торнадо в штате Техас» (1972) Теория хаоса Роль начальных условий для дальнейшего развития системы. Расхождение траекторий. Невозможность предсказания погоды больше, чем на неделю. 13

Бенуа Мандельброт. «Фрактальная геометрия природы» (1975) Фракталы – самоподобные объекты 14

15

16

Автоколебания • незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия. 17

• • • Автоволны самоподдерживающиеся волны в активных (содержащих источники энергии) средах: • движения фронта горения травы, • колебательные химические реакции в активных средах, распространение импульса возбуждения по нервному волокну, волны химической сигнализации в колониях некоторых микроорганизмов, автоволны в сегнетоэлектрических и полупроводниковых пленках, популяционные автоволны, распространение эпидемий и генов, автоволна последовательного падения фишек домино 18

Аплодисменты 19

Волны химической сигнализации в колониях некоторых микроорганизмов Свечение светлячков Многие виды хорошо регулируют процессы свечения: способны уменьшать и увеличивать силу света или испускать прерывистый свет. Некоторые тропические светляки замечательны тем, что все их особи, слетевшиеся вместе, вспыхивают и гаснут одновременно. Видео: http: //www. youtube. com/watch? v=g. TUY Ox. Vno. Cw http: //www. youtube. com/watch? v=a. Vy 7 NZTGos&feature=related 20

Колебания численности популяции (модель Лотка-Вольтерра) Изменение численности популяций хищников и жертв происходят взаимосвязано – корреляция на макроуровне. 21

Узорчатая раска животных Варианты раски пятнистых животных воспроизводятся в лаборатории при моделировании химических реакций самоорганизации (модель Марри). 22

23

Точки бифуркации (от лат. bifurcus — «раздвоенный» ). Диссипативная система на пути к самоорганизации проходит через «ключевые» точки, в которых параметры состояния системы принимают критические значения. Вблизи этих точек наблюдаются значительные флуктуации и резко возрастает роль случайных факторов. Система находится в сильно неустойчивом, очень чувствительном к внешнему воздействию состоянии, из которого может перейти в несколько более устойчивых 24 в процессе самоорганизации.

В точках бифуркации система «делает выбор» одного из нескольких альтернативных вариантов функционирования и переходит в качественно новое состояние. В точках бифуркации происходит спонтанное нарушение симметрии. Чувствительность к случайному внешнему воздействию, в том числе к регулярному воздействию, даже очень слабому (например, гравитационному для ячеек Бенара) приводит к отбору структур. 25

Нелинейные открытые диссипативные самоорганизующиеся системы с трением со временем приходят в новое устойчивое упорядоченное состояние или режим поведения – аттрактор Процессы самоорганизации протекают таким образом, что система как бы стремится к одному из таких аттракторов. 26