Введение Синергетика - “палочка выручалочка” человечества

Введение
Синергетика - “палочка выручалочка” человечества
Выход из жизненной ситуации, когда после длительного пути понимаешь, что
оказываешься в тупике и проделанный путь завел тебя совсем не туда, куда
хотелось, а привел к вредным незапланированным и опасным последствиям,
всегда очень болезненный. Потому что сопровождается крахом привычных
представлений, оказавшихся иллюзиями. Иллюзии проходят, остаются
непредвиденные последствия и неопределенность, требующая принятия новой
программы действий. В зависимости от уровня нравственного развития,
темперамента, характера последствий и условий в создавшемся “тупике”, человек
может реагировать по разному: продолжать “биться головой о стену”, предаться
“пиру во время чумы” или после горьких раздумий приступить к движению в
новом направлении. Для целого общества, оказавшегося в такой ситуации
болезненность последствий и инерционность принятия новых программ
существования усиливается во много раз, последствия могут носить глобальный,
планетарный и, увы, необратимый характер. Развитие общества в ХХ веке
привело население планеты к такому тупику – глобальному планетарному
кризису развития. К счастью, кроме “битья о стену” и “пира” научная
общественность после горьких раздумий и нескольких попыток (первой была
экология) предложила для выхода из кризиса человечества – синергетику –
программу междисциплинарного объединения знаний.
В последние десятилетия широкое применение в научном познании получили
весьма общие междисциплинарные концепции и методы исследования, которые
дают возможность отобразить закономерности, свойственные широкому классу
взаимосвязанных явлений и процессов. К ним относятся в первую очередь
системный метод и многочисленные его приложения.
Возникновение синергетики, как новой концепции самоорганизации,
коренным образом изменило это положение.
Почему целое может обладать свойствами, которыми не обладает ни одна из
его частей? В чем человек видит сложность окружающего его мира? Почему, зная
фундаментальные физические законы, мы не можем предсказывать поведение
простейших биологических объектов? Как согласовать следующую из
классической термодинамики тенденцию к установлению равновесия с переходом
от простого к сложному, от низшего к высшему, который мы видим в ходе
биологической эволюции?
Еще полтора десятилетия назад эти вопросы относили к компетенции
философии. Сейчас они встают в конкретном контексте физических, химических,
биологических задач. В их решении все больше помогает теория
самоорганизации, или синергетика.
Синергетика и биология
В рамках синергетического подхода в биологии удается построить базовые
модели редких катастрофических процессов (в частности, гигантских вымираний
огромного количества семейств, десятки раз происходившие в ходе эволюции). А
также на основе энергетических и синергетических представлений о живых
организмах как о сложных открытых неравновесных самоорганизующихся
системах складывается современное физическое понимание явлений жизни и ее
эволюции (единство энергетического и организационного факторов). Изучается
самоорганизация живых систем, в частности клетки- как элементарной частицы
всего живого. Все живые системы сопротивляются уничтожению, т.е. они
антиэнтропийны, и приспосабливаются к внешним условиям, насколько это
возможно (Л.Н.Гумилев). Внедрение идей и методов синергетики в медицину,
физиологию и нейронауки только начинается. Однако именно методология
синергетики позволяет обнаружить новые особенности проблемы, новые
структуры логических связей, предложить новые концептуальные подходы для
решения многих сложных проблем. Преобладающей точкой зрения в медицине до
недавнего времени была та, согласно которой регулярность изменений и
предсказуемость физиологических показателей считались важными признаками
здоровья. Однако во многих исследованиях удалось выявить, что снижение
изменчивости и возникновение ярко выраженной периодичности, достоверно
связаны со многими заболеваниями или являются их предвестниками.
Предприняли попытку сформулировать требования симметрии, которым
должна удовлетворять биологическая система. Существо дела здесь состоит в
эволюционном приспособлении биологических систем организмов к физическим
и геометрическим характеристикам внешнего мира, в котором они себя
проявляют. Биомеханика движений скелета, константности психологии
восприятия, биохимические универсалии жизненных процессов, движения и
потоки, связанные с морфогенезом,- все это реакции отдельных видов организмов
на соответствующие инвариантности, свойственные геометрико-физикохимическим характеристикам внешней среды, которые организмы сумели
идентифицировать и включить в свою филогению в процессе эволюции. Чем
больше инвариантных, регулярных свойств своего внешнего мира смог
распознать и учесть организм, тем больше хаоса удается ему устранить из
внешней среды, что в конце концов обеспечивает его преимущества с точки
зрения принятия решений, уменьшения фрустрации, доминирования и, по
существу, выживания. Классифицировать структуры можно и по степени их
сложности. Однако и в этом направлении предприняты лишь первые шаги.
В среде биологов господствует редукционизм, в основе которого лежат
унаследованные от Лапласа представления об однозначной
2
детерминированности причинно-следственных связей. Такой подход назван
Л.В. Белоусовым (2001) микроредукционизмом, поскольку при этом предмет
исследования прогрессивно расчленяется на все более мелкие пространственновременные звенья. Однако торжество молекулярной биологии и генетики
развития неожиданно блестяще подтвердило отжившие, казалось бы, концепции
градиентов и морфогенетических полей и привело к возрождению
холистического подхода в биологии развития (Gilbert et al., 1996).
В биологии редукционизм проявляется как убежденность в жесткой
детерминации морфофункциональной организации биологических объектов их
геномом. Представления о жестком тотальном генетическом контроле
морфологии, функций и поведения организма не оставляют места для
проявлений самоорганизации. Вопреки этим представлениям, накапливается все
больше свидетельств самоорганизации (самосборки, эмерджентности) в
разнообразных биологических системах всех уровней, от молекулярного и
клеточного до популяционного.
Классическим, одним из первых, примером биологической
самоорганизации стала агрегация амеб акразиомицета Dictyostelium. Как
известно, агрегирующие клетки движутся в направлении возрастания
концентрации аттрактанта, цАМФ; клеточный источник аттрактанта становится
центром агрегации. Агрегация амеб происходит неравномерно, с
формированием концентрических или спиральных волн клеток, т.е.
пространственно-временной упорядоченности вокруг центров агрегации (рис.
1). В системе агрегирующих амеб Dictyostelium с несколькими центрами
притяжения возникает конкуренция между этими центрами; вся область
оказывается разделенной на участки, связанные с центрами притяжения (Том,
1970). Таким образом в ходе дальнейшей агрегации исходно беспорядочное,
случайное расположение агрегирующих амебоидных клеток приобретает черты
радиального или спирального паттерна (рис.2). Позже образуется компактный
агрегат, клетки которого дифференцируются.
3
Рис. 1. Картина агрегации амеб Dictyostelium discoideum
(Баблоянц, 1990)
Рис. 2. Последовательность структурирования популяции амеб
Dictyostelium (Lackie, 1986)
Еще один пример пространственной самоорганизации в популяциях
насекомых, приводимый Пригожиным и Стенгерс (1986) - агрегация личинок
жука Dendroctonus micans, происходящая под влиянием аттрактанта – феромона,
синтезируемого личинками. Личинки перемещаются в направлении возрастания
концентрации феромона; чем больше личинок скапливается вместе, тем выше
концентрация продуцируемого ими аттрактанта. Поэтому агрегация личинок
представляет собой автокаталитическую реакцию с самоусилением. Подобный
очень простой механизм «коллективного разума» функционирует также при
построении термитника: сначала термиты приносят и беспорядочно
4
раскладывают кусочки земли, содержащие аттрактант; случайное расположение
нескольких таких комочков вблизи друг друга определяет центр привлечения
большего числа термитов, после чего вступает в действие механизм обратной
связи, самоусиления.
Один из наиболее эффектных примеров самоорганизации - cинхронизация
вспышек светлячков Юго-Восточной Азии: ночью тысячи самцов на деревьях
вспыхивают синхронно (рис.3). Сначала согласованность отдельных
биологических осцилляторов-светлячков слаба, и система организуется
медленно. Затем синхронизация ускоряется, что и ожидается в системе с
обратной связью, и быстро распространяется, захватывая все большее
скопление светлячков на дереве. Наконец, все светлячки начинают вспыхивать
синхронно (примерно раз в секунду), образуя своеобразный маяк для
привлечения самок. Взаимная синхронизация – кооперативное явление,
временной аналог фазового перехода. Дано математическое описание процесса
синхронизации вспышек светлячков, хотя достаточно трудно анализировать
динамику даже одного нелинейного осциллятора, и тем более целой популяции
таких осцилляторов (Mirollo, Strogatz,1990).
Рис. 3. Синхронная вспышка светлячков на дереве
(Peterson, 1991)
Популяции животных самоорганизуются, генерируя коллективные
паттерны, и функционируют как интегрированное целое, обладающее новыми
свойствами. Синхронизированное коллективное поведение насекомых, птиц,
рыб уже рассматривается как пример самоорганизации, самосборки (Parrish,
Edelstein-Keshet, 1999; Whitesides, Grzybovsky, 2002). Коллективное поведение
5
скоплений животных не всегда адаптивно, оно может возникать и без действия
Дарвиновского отбора. Однако свойства ансамблей организмов или клеток
могут стать объектом селекции – вероятным примером служит происхождение
многоклеточных животных.
В высокой степени способность к формированию разнообразных
пространственно-временных паттернов проявляется нервными клетками. Дж.
Эдельмен (G. Edelman) отмечает поразительное разнообразие и сложность
организации мозга; даже у близнецов найдены очень большие различия
нейронной организации. Полиморфизм и вариабельность нейронной
организации позволяет мозгу реагировать на разнообразие среды (Tononi,
Edelman, 1998). Самоорганизация нейронов - синхронизация активности в
группах нейронов и сигнала двух взаимосвязанных нейронов - обнаружена в
клеточной культуре.
Отдельные теоретики приходят даже к отрицанию теории естественного
отбора Дарвина, не объясняющей, по их мнению, возникновения и
многообразия жизни. С. Кауфман (S. Kauffman, 1993) полагает, что
самоорганизация – фундаментальная тенденция эволюции, и фактором
биологической эволюции служит антихаос (стихийное возникновение порядка).
Лима-де Фариа (Lima-de-Faria) изложил концепцию эволюции без отбора
(автоэволюции с возникновением биологических форм и функций без участия
хромосом и генома), основанную на выявлении рядов сходных форм в неживой
и живой природе. По мнению автора, гены выполняют свою роль лишь на
вторичном уровне: в закреплении выбора варианта формы, создании шаблона
для повторения порядка, ускорении и контроле формообразования (Лима-де
Фариа, 1991).
Итак, в ходе биологической самоорганизации нелинейные взаимодействия
элементов могут вести к сложному и неожиданному поведению их системы с
формированием упорядоченного в пространстве или времени паттерна на базе
хаотической динамики отдельных элементов системы.
Фракталы в биологии.
Живая природа наполнена разнообразными фракталами, красота или
невзрачность которых поддается простому и компактному описанию.
Применительно к биологическому морфогенезу еще Д’ Арси Томпсон
заметил, что раковина морского ушка Haliotis, головоногого моллюска Nautilus
pompilius, закрученные рога копытных – повторение одной и той же структуры
с симметрией подобия, в основе которой лежит логарифмическая спираль, или
спираль Архимеда (D’Arcy Thompson, 1917).
Исследования фракталов и хаоса в биологии постепенно охватывают все
6
уровни организации живого, от молекул до экосистем.
На основе программ с использованием алгоритмов построения
фрактальных структур созданы компьютерные имитационные модели ряда
биологических объектов.
Рис. 4. Изображение листа папоротника, построенное с помощью
детерминированной системы итерированных функций (Кроновер, 2000).
Рис. 5. Фрактальные растения (Mandelbrot, 1983)
7
Рис. 6. Асимметричное фрактальное дерево (Mandelbrot, 1983)
При этом осуществляется значительное сжатие информации: так, для
построения листа папоротника использованы 24 параметра вместо сотен тысяч
точек, необходимых для передачи того же изображения без использования
фрактальной программы (Юргенс и др., 1990). Еще более реалистические
изображения можно получить с использованием датчика случайных чисел –
при этом деревья перестают быть симметричными, приобретая большее
сходство с живым объектом (простейший пример –рис. 7).
Рис. 7. Фрактальные деревья, построенные без введения
случайных чисел и с различной степенью рандомизации.
Итак, для морфологических описаний наряду с обычно используемой
классической геометрией Эвклида в биологии и биомедицине все шире
применяется язык фрактальной геометрии.
8
Морфология клетки, как известно, определяется организацией ее
цитоскелета (цитоматрикса) – связного фрактального кластера.
Хаос в организме
Организм многоклеточных животных заполнен фрактальными
структурами, возникающими на базе эпителиальных и мезенхимных
морфогенезов. В большей мере исследовалась и моделировалась фрактальная
организация ветвящихся эпителиальных структур, прежде всего
бронхиального дерева и сосудистой системы млекопитающих. Б. Мандельброт
(Mandelbrot, 1983) предложил планарную компьютерную модель
бронхиального дерева (рис. 8), неоднократно воспроизведенную другими
авторами, в частности, в недавней замечательной обзорной статье о
генетическом контроле морфогенеза легких млекопитающих и трахейной
системы дрозофилы (Metzger, Krasnow, 1999).
Рис. 8. Модель бронхиального дерева млекопитающих (Mandelbrot, 1983)
Для биологических структур на разных уровнях организации характерна
неоднородность, нерегулярность и наличие элементов хаоса (рис. 9).
9
Рис. 9. Препарат кровеносных сосудов желудка мыши (Morris, 1986)
Для более ясного понимания биологических явлений необходим выход за
рамки, очерченные подходом узкого специалиста, в практически безграничную
область исследования природных структур и процессов.
10
Синергетика и кибернетика
Фронт современной науки простирается от сравнительно частных, конкретных
концепций относительно различных областей физического и химического мира,
до глубочайших теорий, охватывающих различные сферы природы, общества
и технической деятельности человека. К последним следует
отнести
кибернетику и синергетику. Первая посягнула на познание механизмов
управления в разных системах. Вторая - на
проблему самоорганизации
самой материи, творения нового. Рассмотрим различного рода системы,
представляющие на первый взгляд смесь различных и далеко отстоящих друг от
друга предметов и явлений. В мире есть "самодействующие" физические системы
(от атома до планетарных систем и звездных ассоциаций), химические
системы (например, органические соединения, биополимеры), биологические
системы (растения, животное, человек), социальные системы (коллективы,
отрасли производства, народное хозяйство, общество в целом). На самом деле,
во всех этих системах есть общие свойства: способность к самодействию,
подчиненность
законам управления, процессы переработки информации,
способность к самонастройке и самоорганизации и др.
Кибернетика - наука об общих закономерностях процессов управления и
передачи информации в технических, биологических и социальных системах. Она
сравнительно молода. Её основателем является американский математик Н. Винер
(1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу "Кибернетика, или управление их
связь в животном и машине". Своё название новая наука получила от
древнегреческого слова "кибернетес", что в переводе означает "управляющий",
"рулевой", "кормчий". Она возникла на стыке математики, теории информации,
техники и нейрофизиологии, ее интересовал широкий класс как живых, так и
неживых систем.
Техническая кибернетика - отрасль науки, изучающая технические системы
управления. Важнейшие направления исследований разработка и создание
автоматических и автоматизированных систем управления, а также
автоматических устройств и комплексов для передачи, переработки и хранения
информации.
К основным задачам кибернетики относятся:
1) установление фактов, общих для управляемых систем или для некоторых их
совокупностей;
2) выявление ограничений, свойственных управляемым системам. и
установление их происхождения;
3) нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;
4) определение путей практического использования установленных фактов и
найденных закономерностей.
11
Важную роль в понимании многих существенных особенностей процессов
самоорганизации и образования структур сыграл, например, кибернетический
подход, противопоставляемый иногда как абстрагирующийся от конкретных
материальных форм и поэтому противопоставляемый синергетическому подходу,
учитывающего физические основы спонтанного формирования структур. Винер и
Розенблют рассмотрели задачу о радиально-несимметричном распределении
концентрации в сфере. А. Тьюринг в известной работе предложил одну из
основных базовых моделей структурообразования и морфогенеза, породившую
огромную литературу: систему двух уравнений диффузии, дополненных членами,
которые описывают реакции между морфогенами. Тьюринг показал, что в такой
реакционно-диффузионной системе может существовать неоднородное
(периодическое в пространстве и стационарное во времени) распределение
концентраций. В русле тех же идей - изучения реакционно-диффузионных систем
- мыслил найти решение проблемы самоорганизации и Дж. фон Нейман. По
свидетельству А. Беркса, восстановившего по сохранившимся в архиве фон
Неймана отрывочным записям структуру самовоспроизводящегося автомата, фон
Нейман предполагал построить непрерывную модель самовоспроизведения,
основанную на нелинейных дифференциальных уравнениях в частных
производных, описывающих диффузионные процессы в жидкости. В этой связи
интересно отметить, что фон Нейман получил не только математическое
образование, но и подготовку инженера-химика.
12
Синергетика и техника
Феномен современной техники очень сложен. Выработать новые подходы и
затем создать работающую модель прогнозирования можно только совместными
усилиями широкого круга специалистов. Первым шагом на этом долгом пути
должна быть выработка общего языка. Одним из основных элементов этого языка
должны быть понятия синергетики. Создание новых методов прогноза развития
техники возможно только с помощью синергетики (создание нового технического
оборудования).
Использование принципов самоорганизации (синергетики) в технике
позволит существенно расширить её возможности, разрабатывать новые
технологии и создавать технические устройства "в формах самой жизни".
Представляется очевидным, что создание искусственных технических устройств,
функционирующих на тех же эффективных принципах самоорганизации, что и
живые организмы, приведет к преодолению сегодняшних принципиальных
различий между миром техники и миром живой природы.
13
Заключение
Согласно данным ЮНЕСКО, в настоящее время насчитывается более 1000
научных дисциплин. Многие из них появились в результате "научной
гибридизации". Примерно половина из них относится к инженерным и
прикладным, около трети к точным, остальное — гуманитарные науки. Однако,
истинно творческое, плодотворное взаимопроникновение идей разных наук
только начинается. Один из самых продуктивных симбиозов следует ожидать от
синергетики с медициной, биологией и нейронауками. Во многом идеи
синергетики сформировались ещё в рамках древней философии в виде
холлистических воззрений на природу.
На рубеже веков синергетика всё больше становится интеллектуальной
основой творческого процесса у нового поколения учёных. В современной
биологической науке применение идей синергетики позволило увидеть в
диалектическом единстве многие явления, ранее казавшиеся несовместимыми.
Возможно, в недалеком будущем, используя синергетические концепции,
медицина сможет приблизиться к решению многих проблем, в особенности
связанных с патологией нервной и сосудистой систем.
В заключение отметим, что, с точки зрения синергетики, в основе процесса
творчества, вероятно, скрыт механизм динамического хаоса, способный
усиливать микроскопические флуктуации идей и превращать их в
макроскопически связанные состояния научных теорий.
14
Литература
1. В. В. Исаева, Синергетика для биологов (учебное пособие), Владивосток ,
2003.
2. Хакен Г. Синергетика. М., 1994.
3. Флоренский П.А. Философия, наука, техника. Л., 1989.
15