Реферат
по концепции естествознания
на тему «Природные системы».
МСХА им Тимирязева 2002г.
Содержание
1.
Введение.
2.
Типы систем.
Характеристики.
3.
Принципы
самоорганизации систем.
4.
Особенности
открытых диссипативных систем.
5.
Самоорганизация в
открытых системах.
6.
Порядок и
беспорядок в природе. Хаос.
7.
Заключение
8.
Список литературы
Введение
Системный подход к анализу объектов является
характерной тенденцией современного научного познания. Зададимся вопросом: что
он даёт изучению природы как объекту системного анализа?
Прежде всего остановимся на
определении понятия природа. Можно дать, по крайней мере, три основных
смысловых представлений данного понятия.
1. Природа –
это всё сущее, весь мир в многообразии его форм. В этом значении понятие
природы можно сравнить с такими понятиями, как материя, Вселенная.
2. В более
узком смысле природа – это объект науки, другими словами– комплексный
(системный) объект естествознания (наук о природе). Современное естествознание
продолжает развивать научное представления о развитии природы, её общих,
особенных и частных законах, различных формах движения материи, о
пространственно-временной организации её объектов, структурных уровнях в рамках
единой системы.
3. Наиболее
часто употребляемое смысловое представление о природе – это совокупность
естественных условий существования человеческого общества. Отсюда
представляется важным нахождение места и выявление роли природы в процессе
формирования отношения к ней человека и человеческого общества в целом.
Классическое естествознание ориентировалось
преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такой подход был
наиболее характерен для атомистической концепции классической физики.
Атомистический
взгляд опирался на представление, что свойства и законы движения различных
природных систем могут быть описаны свойствами тех мельчайших элементов
материи, из которых они состоят. В начале такими простейшими структурными
элементами считались молекулы и атомы, а затем элементарные частицы, а в
настоящее время – виртуальные струны.
Атомистический
подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, однако главным в
нём является строение и структура различных систем, но не их возникновение и
развитие.
Системный и
эволюционный подходы, получившие распространение с 60-х гг. XX
столетия, основное внимание уделяют изучению характера взаимодействия элементов
разных систем, в том числе и биологических. Так, рождение различных гипотез и
моделей возникновения и эволюции Вселенной стало возможным лишь после широкого
распространения системных идей и представления о самоорганизации открытых
систем.
Типы систем. Характеристики.
Система (греч. systema
– целое, составленное из частей) – множество элементов, находящихся в связях и
отношениях друг с другом, образующих определённую целостность, единство.
Главное, что определяет систему,
– это взаимосвязь и взаимодействие частей в рамках целого. Если такое
взаимодействие существует, то допустимо говорить о системе, хотя степень
взаимодействия её частей может быть различной. Следует также обратить внимание
на то, что каждый отдельный объект, предмет или явление можно рассматривать как
определённую целостность, состоящую из частей, и исследовать как систему.
Всё многообразие материальных
систем сводится к трём основным типам:
—
Системы неживой природы;
—
Системы живой природы;
—
Общественные системы.
Кроме этого выделяют систему биокосную
– это природная система, создаваемая динамическим взаимоотношением организмов и
окружающей их абиотической среды (например, биогеоценоз, экосистема) и системы биологические.
Биологические системы – это динамически
саморегулирующиеся и, как правило, саморазвивающиеся и самовоспроизводящиеся
биологические образования различной сложности (от макромолекулы до совокупности
живых организмов одновременно), обладающие, с одной стороны, свойством
целостности, с другой соподчинённостью в составе структурно–функциональных
иерархических уровней организации. Это всегда открытые системы, условием
существования которых служит внутренне контролируемый обмен веществом с
окружающей средой и прохождение внешнего по отношению к ним потока энергии.
По объёму и числу составных
частей системы делятся на простые и сложные.
Системы считаются простыми
если в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношение между
элементами системы поддаётся математической обработке и выведению универсальных
законов.
Сложные системы состоят из
большого числа переменных, а следовательно, и большого количества связей между
ними. Чем оно больше, тем труднее описать закономерности функционирования
данного объекта (системы). Трудности изучения таких систем обусловлены и тем
обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у неё так называемых
эмерджентных свойств, то есть свойств, которых нет у её частей и которые
являются следствием их взаимодействия и целостности системы. Такие сложные
системы изучает например метеорология – наука о климатических процессах. В
связи со сложностью систем, которые изучает эта наука. Процессы образования
погоды остаются малоизученными и, отсюда, проблематичность не только
долгосрочных, но и краткосрочных прогнозов метеообстановки. К сложным системам
относятся все биологические системы, включая все структурные уровни их
организации от клетки до популяции.
Принципы самоорганизации систем.
Кроме деления систем на простые и сложные, все
системы можно разделить на закрытые и открытые. В отличие от закрытых, или
изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией,
веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В
неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит
из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и
гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный
обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче
генетической информации.
Как показал австрийский физик
Людвиг Больцман, из второго закона термодинамики следует, что все реальные
процессы во Вселенной должны протекать с увеличением энтропии. В состоянии
равновесия она максимальна. Энтропия, как показал Больцман, характеризует степень
беспорядка в системе, чем она больше, тем больше беспорядок. Теперь ясно, что
тепловая энергия равновесного состояния бесполезна для совершения работы,
потому что она наиболее беспорядочна. Становится ясным, почему все естественные
процессы в природе идут с рассеянием энергии. Потому что это увеличивает
беспорядок. Следует, однако, заметить, что второй закон носит статистический
характер и применим только к системам, содержащим большое количество частиц.
Когда энтропия системы
возрастает, то, соответственно, усиливается беспорядок в системе. В таком
случае второй закон термодинамики постулирует: энтропия замкнутой системы, то
есть системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом,
постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в
сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут
точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы
становится невозможным.
Согласно второму закону
термодинамики все естественные процессы необратимы и могут протекать только в
одну сторону: в строну увеличения беспорядка, то есть в сторону теплового
равновесного состояния., из-за чего и возникает так называемая «стрела
времени».
В открытых системах также
производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но она
в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую
среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку
можно сказать, что открытые системы живут за счёт заимствования порядка из
внешней среды.
Живые системы для своего
существования поглощают вещество с заключённой в нём энергией высокого качества
(в виде питания), перерабатывая которое, они высвобождают вещество
(экскременты) с энергией «низкого качества». В результате эта разность энергий
идёт на поддержание жизни и увеличение структурируемости. И хотя в результате
энтропия в живой системе уменьшается, общая энтропия живой системы и окружающей
среды (за счёт выхода «беспорядочной» энергии) увеличивается, как и следует из
второго закона. Таким образом, если в какой-то части системы происходят
процессы, уменьшающие энтропию (увеличивающие организованность), то в другой
части системы обязательно протекают процессы, её увеличивающие, так что
суммарное изменение энтропии всегда положительно. Оказывается, что самоорганизация
систем может происходить и часто происходит самопроизвольно. В результате
таких процессов с большей вероятностью и произошла жизнь.
Однако самоорганизация может
происходить лишь в сильно неравновесных диссипативных системах в результате
случайных флуктуаций (флуктуация, лат. fluctuatio, –
колебание, отклонение от некоторого среднего положения) или внешних
воздействий. Наука, занимающаяся эволюцией и возникновением таких систем,
называется синергетикой или термодинамикой открытых неравновесных систем.
Особенности открытых диссипативных систем.
Открытые неравновесные системы, активно
взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое
состояние – – диссипативность (диссипация,
лат. dissipatio, – рассеяние), которую можно определить
как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих
на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает
некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно
отличается от того, что происходит с каждым отдельным её микроэлементом.
Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать
новые типы структур, совершатся переходы от хаоса и беспорядка к порядку и
организации, возникать новые динамические состояния материи.
Диссипативность проявляется в различных формах: в
способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном
отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей
тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов,
устанавливающий их некий общий темп развития, и др.
Понятие диссипативности тесно связано с понятием
параметров порядка. Самоорганизующиеся системы – это обычно очень сложные
открытые системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы.
Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для её
функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество
ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные.
Такие основные степени свободы системы получили название параметров порядка.
В процессе самоорганизации возникает множество
новых свойств и состояний. Очень важно, что обычно соотношения, связывающие
параметры порядка, намного проще, чем математические модели, детально
описывающие всю новую систему. Это связано с тем, что параметры порядка
отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения
параметров порядка – одна из важнейших при конкретном моделировании
самоорганизующихся систем.
Самоорганизация в открытых системах.
После открытия самоорганизации в простейших
системах неорганической природы стало ясным, что весь окружающий нас мир и
Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся
процессов, которые служат основой любой эволюции.
Современная наука процесс
самоорганизации систем определяет следующим образом:
1.
Система должна быть открытой, потому что закрытая изолированная система
в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в
состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.
2.
Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки
термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то
она обладает максимальной энтропией и потому не способна к какой-либо
организации: в этом положении достигается максимум её самодезорганизации. Если
же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем
она приблизится к ней и в конце концов придёт в состояние полной
дезорганизации.
3.
Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является
эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип
Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив,
возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или
случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале
подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря
усилению неравновесия эти отклонения со временем возрастают и в конце концов
приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс
обычно характеризуют как принцип организования порядка через флуктуации.
Поскольку флуктуации носят случайный характер ( а именно с них начинается
возникновение нового порядка и структуры) то становится ясным, что появление
нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.
4.
В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором
основывается управление и сохранение динамического равновесия систем,
возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип
– положительную обратную связь, согласно которому изменения, появляющиеся в
системе, не устраняются, а напротив накапливаются и усиливаются, что и приводит
в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.
5.
Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим,
сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании
необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для
обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с
необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых
структур.
6.
Самоорганизация может начаться лишь в системах обладающих достаточным
количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих
некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического
взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного)
поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.
Перечисленные выше условия безусловно являются
необходимыми для возникновения самоорганизации в различных природных системах.
Но конечно же недостаточными. Так, в химических и биологических
самоорганизующихся системах важная роль отводится факторам ускорения химических
реакций (процессы катализа).
Порядок и беспорядок в природе. Хаос.
Главная идея синергетики (предметом
коей являются самоорганизующиеся системы) – это идея о принципиальной
возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и
хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации
является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При
этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции её
разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В
неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как
показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии,
петли положительной обратной связи (вместе с другими связями – взаимный
катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.
Становление самоорганизации во
многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов
системы и её среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно.
Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации. Вблизи точек
бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных
факторов резко возрастает.
В переломный момент
самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить
дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдёт
на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы
и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер,
химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как
бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В
таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить
началом эволюции (организации) системы в некотором определённом (и часто
неожиданном или просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при
этом возможности развития в других направлениях.
Как выясняется, переход от Хаоса
к Порядку вполне поддаётся математическому моделированию. И более того, в
природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода.
Качественные переходы в самых различных сферах действительности ( в природе и
обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре
и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.
Синергетика убедительно
показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем,
способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования
всё более и сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию
природы на всех уровнях её организации – от низших и простейших к высшим и
сложнейшим (человек, общество, культура).
Заключение
Многообразие материальных систем, охватывающих
неживую и живую природу, пространство и время, человеческое общество,
предполагает их функционирование в рамках единых законов природы. В разработку
последних внесли свой вклад фундаментальные естественно-научные дисциплины –
физика, химия, биология, а также математика.
Особую роль в описании структуры
и принципов функционирования природных систем играют системный и эволюционный
подходы. Прогресс науки в развитии этого направления определился лишь после
широкого распространения идей и представлений о динамике открытых диссипативных
систем, о самоорганизации открытых систем, о динамических открытых системах в
биологии. Одним из ключевых положений, развиваемых в рамках системного подхода
к описанию природных явлений, заключается в том, что поведение систем в
зависимости от внешнего воздействия определяется обратными связями.
Одна из отраслей физики –
термодинамика, выделяет три типа термодинамических систем: замкнутые, закрытые
и открытые. Индивидуальные свойства этих систем нашли своё обобщение и
теоретическое объяснение в законах и классической термодинамики. Согласно
второму закону все естественные процессы необратимы и могут протекать только в
одну сторону (в сторону увеличения беспорядка системы), из-за чего и возникает
«стрела времени».
Новая термодинамика открытых
систем дала исчерпывающее объяснение процессу самоорганизации и назвала те
условия, которые являются необходимыми для его реализации. Например
возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной
связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются а
напротив, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению новой
структуры системы.
Система, в которую поступает
энергия, превращающаяся в тепло, получила название диссипативной открытой
системы, основные свойства которой определяются составом структурных элементов,
притоком энергии и факторами внешней среды.
На базе управления сложными
системами с обратной связью, которая повышает степень внутренней
организованности системы, возникла наука кибернетика.
Список литературы
1. Кондратьев
М. Н. «Концепции современного естествознания», курс лекций, часть 2. Изд-во
МСХА, 1999 г.
2. Найдыш
В.М. «Концепции современного естествознания», уч. пособие, М: Гардарики 2001 г.
3. Горелов А.
А. «Концепции современного естествознания», уч. пособие для студентов ВУЗ-ов.
М: Гуманитарный издательский центр «Владос» 2000 г.