Самоорганизация в живой и неживой природе

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учереждение

Высшего профессионального  образования 
 
 

Владимирский  государственный университет

Реферат на тему: Самоорганизация  в живой и неживой  природе 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Черников  А. О.

Гр. УК-109

Принял:

Бутковский О. Я. 
 

Владимир 2010 

План

1. Введение. Синергетика.
2. Самоорганизация. Основные свойства систем.
3. Самоорганизация в неживой природе.
4. Самоорганизация в живой природе.
5. Заключение. Отличительные черты.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. Синергетика.

Синергетика (от греч. συν — «совместно» и греч. εργος — «действующий») — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «…наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…».

Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем) и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

С мировоззренческой  точки зрения синергетику иногда позиционируют, как «глобальный  эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения  любых новаций подобно тому, как  некогда кибернетика определялась, как «универсальная теория управления», одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и  оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. п. и т. д.

Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся  на него надежды[источник не указан 146 дней]. Аналогично — и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике.

Основное понятие  синергетики — определение структуры  как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных  структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются  вследствие открытости, притока энергии  извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением  и наличия более одного устойчивого  состояния. В означенных системах не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что  может привести к образованию  новых структур и систем, в том  числе и более сложных, чем  исходные.

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе  направления эволюции: от элементарного  и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.

В отдельных случаях  образование новых структур имеет  регулярный, волновой характер и тогда  они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Самоорганизация. Основные свойства систем.

Самоорганизация, процесс, в ходе которого создаётся, воспроизводится  или совершенствуется организация  сложной динамической системы. Процессы самоорганизации могут иметь место только в системах, обладающих высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жёсткий, а вероятностный характер. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты самой различной природы: живая клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив и т. д. Процессы самоорганизации происходят за счёт перестройки существующих и образования новых связей между элементами системы. Отличительная особенность процессов самоорганизации - их целенаправленный, но вместе с тем и естественный, спонтанный характер: эти процессы, протекающие при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны, относительно независимы от неё.

Различают 3 типа процессов Самоорганизация

Первый - это самозарождение организации, т. е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями (например, генезис многоклеточных организмов из одноклеточных).

Второй  тип - процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий её функционирования [здесь исследуются главным образом гомеостатические механизмы , в частности механизмы, действующие по принципу отрицательной обратной связи].

Третий  тип процессов Самоорганизация связан с совершенствованием и с саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт.

  Специальное исследование проблем самоорганизации впервые было начато в кибернетике. Термин «самоорганизующаяся система» ввёл английский кибернетик У. Р. Эшби (1947). Широкое изучение самоорганизации началось в конце 50-х гг. в целях отыскания новых принципов построения технических устройств, обладающих высокой надёжностью, и создания вычислительных машин, способных моделировать различные стороны интеллектуальной деятельности человека. Исследование проблем самоорганизации стало одним из основных путей проникновения идей и методов кибернетики, теории информации и теории систем в биологическое и социальное познание.

Общие свойства систем, способных к самоорганизации.

1. Самоорганизация - процесс эволюции от беспорядка к порядку. Естественно энтропия системы, в которой происходит самоорганизация, должна убывать. Однако это ни в коей мере не противоречит закону возрастания энтропии в замкнутой системе т.е. второму началу термодинамики

   Таким образом, можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

2. Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отлично от состояния статистического равновесия. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием. В приведенном выше примере с ячейками Бенара внешнее воздействие - нагревание сосуда приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости. В электрических генераторах внешнее воздействие - напряжение, создаваемое источником, приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника. Состояние системы, далекой от равновесия, является неустойчивым в отличие от состояния вблизи равновесия, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.
3. Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. В ряде случаев это достаточно очевидно, поскольку, например, макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако, если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций - макроскопических неоднородностей. Роль флуктуаций в процессах самоорганизации, как мы далее покажем, оказывается весьма важной, поэтому рассмотрим это понятие подробнее. Если мы возьмем макроскопический сосуд, в котором находятся порядка десяти молекул, то понятия плотности или давления в такой системе теряют смысл. Эти понятия применимы лишь к сосуду, содержащему большое число частиц, именно в этом случае мы можем измерить давление нашими приборами. При статистическом равновесии, как следует из определения, в различных областях пространства сосуда прибор должен показывать одинаковое давление. Однако оказывается, что в достаточно малых (но макроскопических) областях в какие-то моменты времени это давление, а следовательно, и плотность, отличаются от среднего давления и средней плотности в сосуде. Самопроизвольное (спонтанное) отклонение от состояния статистического равновесия и называется флуктуацией. В случае с газом или жидкостью в сосуде флуктуации давления невозможно наблюдать обычными манометрами. Тем не менее, именно такими флуктуациями объясняется броуновское движение. Его можно наблюдать, если в сосуд с жидкостью поместить легкую, но в то же время видимую в микроскоп частицу (напомним, что молекулы жидкости наблюдать в микроскоп невозможно). Опыт показывает, что частица совершает сложные хаотические, но вполне регистрируемые движения (рис. 16.2). Такое движение было названо броуновским. Объяснение этого опыта было дано А. Эйнштейном, который показал, что оно является результатом возникновения по разные стороны частицы областей с разным числом молекул жидкости. Наличие флуктуаций характерно для любой системы, содержащей большое число частиц.
4. Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. В задачу данного курса не входит исследование уравнений, поэтому мы не будем давать строгого определения нелинейности, а лишь проиллюстрируем некоторые важные свойства, следующие из нелинейности уравнений. Именно: в системах, эволюция которых описывается линейными уравнениями, малые изменения начального состояния приводят к малым изменениям конечного состояния через ограниченный промежуток времени, а для систем, описываемых нелинейными уравнениями, такое свойство, вообще говоря, не имеет места.

Для иллюстрации  рассмотрим движение материальной точки  в однородном поле тяжести, которое, как известно из школьного курса  физики, описывается уравнением:

     r(t) = r0 + vo (t - t0) + g (t-t0)2 / 2

     В этом уравнении начальное состояние в момент t0 определяется       начальной координатой r0 и начальной скоростью vo, от которых уравнение зависит линейно. При малом изменении этих параметров координата и скорость в любой последующий момент времени изменятся незначительно.

Противоположный пример, когда малые изменения начальной  координаты и начальной скорости приводят к радикальному изменению  эволюции, реализуется в игре "детский  биллиард". Скатываясь по наклонной  плоскости шарик ударяется и отскакивает от нескольких штырьков. Достаточно очевидно, что конечное состояние (положение) шарика полностью определяется начальными условиями и, в то же время, повторить траекторию шарика практически невозможно (в чем собственно и заключается смысл игры). Если описать движение шарика при помощи уравнений, которые в этом случае имеют, естественно, более сложный вид, то оказывается, что эти уравнения нелинейно зависят от начальных условий.

Строго говоря, фундаментальные  законы естествознания в современных  теориях всегда являются нелинейными, линейность является некоторым приближением, которое иногда оправдано. Говоря о  том, что системы, способные к  самоорганизации описываются нелинейными  уравнениями, мы подразумеваем, что  эффекты, обусловленные нелинейностью, являются достаточно значительными  по сравнению с флуктуациями.

Заметим, что при  планировании своих действий человек  на уровне обыденного сознания всегда мыслит в линейном приближении, которое  часто не оправдано, если речь идет о достаточно сложных системах, например при планировании социальных и экономических процессов в обществе. А в результате - "хотели, как лучше, а получилось, как всегда".

5. Самоорганизация всегда связана с самопроизвольным понижением симметрии. Красивая симметричная снежинка имеет, тем не менее, более низкую симметрию, чем бесструктурный водяной пар. Идеи такого понижения симметрии получили большое развитие в современной теории микромира, а также при описании фазовых переходов в физике (например, переход из жидкого состояния в кристаллическое). Вообще процессы самоорганизации во многом похожи на фазовые переходы, поэтому часто их называют кинетическими фазовыми переходами. Отличие заключается в том, что при фазовых переходах происходит возникновение микроструктур (например, кристаллической решетки), в то время как в макроскопическом объеме система остается однородной. Как уже отмечалось в предыдущих разделах, идеи, связанные с симметрией, играют в современном естествознании существенную, а в современной физике микромира даже доминирующую роль. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Самоорганизация в неживой природе.