Синергетика и проблема "случайности" в точке бифуркации - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Определение момента бифуркации по уровню шумов 1 29.44kb.
Книга третья управление и синергетика О. Я. Гелих, Е. Н. Князева 10 1626.2kb.
Синергетика. В ХХ веке создается синергетика 1 19.63kb.
Синергетика метод познания окружающего мира, требующий развития 1 261.5kb.
Статьи. Ключевая проблема XXI столетия: последствия распада империй, А. 30 5272.33kb.
Синергетика и философcкое прогнозирование 1 154.7kb.
Синергетика творчества 1 31.52kb.
Синергетика от греч. συν — 1 33.53kb.
Электронная цифровая подпись (эцп)— реквизит электронного документа... 1 41.48kb.
Задача С2 Конструкция состоит из жесткого угольника и стержня, которые... 1 82.73kb.
Анализ напряженного состояния деформируемого тела в точке 1 152.89kb.
Определение момента бифуркации по уровню шумов 1 29.44kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Синергетика и проблема "случайности" в точке бифуркации - страница №1/1

SYNERGETIC AND THE PROBLEM OF “RANDOM” IN THE BIFURCATION POINT

Milovanov V.N., Kama State Academy of Engineering and Economics, Nab. Chelny, Russia

СИНЕРГЕТИКА И ПРОБЛЕМА “СЛУЧАЙНОСТИ” В ТОЧКЕ БИФУРКАЦИИ

В.Н. Милованов, Камская государственная инженерно-экономическая академия, г. Набережные Челны, Россия
The base of modern evolutionary science is synergistic paradigm. In the open systems make the self-organization processes, which is very important in the bifurcation point. The author discuss about entropy increases in this points.

В основе современного естествознания лежит эволюционно-синергетическая парадигма. Синергетика – это наука о самоорганизации в неравновесных, открытых, нелинейных, диссипативных системах реального мира; в сложноорганизованных системах, состоящих из большого количества подсистем, находящихся в сложных взаимодействиях друг с другом. Этот термин используется как обобщённое название научных направлений, в рамках которых исследуются процессы самоорганизации и эволюции, упорядоченного поведения сложных нелинейных систем. Синергетическая модель Г.Хакена для объяснения становления когерентного поведения элементов (самоорганизации) включает три важнейших представления: параметры порядка, принцип подчинения, циклическую причинность.

В неравновесной открытой системе, в которую накачивается энергия, в результате флуктуаций и конкуренции параметров порядка устанавливаются коллективные образцы поведения. Хотя система может состоять из огромного количества элементов, обладающих большим числом степеней свободы, её макроскопическое поведение может быть описано небольшим количеством существенных параметров, которые определяют поведение всех элементов системы (принцип подчинения). Принцип подчинения означает чудовищное сжатие информации: вместо того, чтобы характеризовать систему посредством большого количества её индивидуальных компонентов и их поведения, достаточно описать её посредством параметров порядка. Здесь мы наблюдаем феномен циклической причинности: параметры порядка детерминируют поведение остальных элементов системы, которые, в свою очередь, обратно воздействуют на параметры порядка и определяют их [1].

В открытых системах, находящихся далеко от состояний термодинамического равновесия, могут возникать упорядоченные пространственно-временные структуры, т.е. протекают процессы самоорганизации. Структуры-аттракторы показывают, куда эволюционируют процессы в открытых и нелинейных системах. Для всякой сложной системы, как правило, существует определённый набор возможных форм организации, дискретный спектр структур-аттракторов эволюции. Критический момент неустойчивости, когда сложная система осуществляет выбор дальнейшего пути эволюции, называют точкой бифуркации. Вблизи этой точки резко возрастает роль незначительных случайных возмущений, или флуктуаций, которые могут приводить к возникновению новой макроскопической структуры (порядок через флуктуации).

В новой синергетической картине мира акцент падает на становление, коэволюцию, когерентность, кооперативность элементов мира, на нелинейность и открытость, на возрастающую сложность формообразований и их объединений. По Пригожину И.Р., сущность происходящей в наши дни научной революции состоит в том, что современная наука о сложном опровергает детерминизм; что природа содержит нестабильность как существенный элемент; что, как правило, имеет место не единичная бифуркация, а целые каскады бифуркаций, в результате которых возникают новые макроструктуры. О смене линейного мышления нелинейным в рамках синергетики говорит и Кузнецов Б.Л. [2].

Таким образом, синергетика рассматривает эволюцию вероятностной картины Мира в сильно неравновесных системах через каскад бифуркационных переходов с учётом особой роли флуктуаций. И.Р.Пригожин через механизм самоорганизации приходит к важному философскому обобщению о том, что активность материи связана с неравновесными условиями, порождаемыми самой материей.

Синергетическая концепция самоорганизации служит естественно -научной конкретизацией философского принципа самодвижения материи. Синергетический подход даёт возможность создать новые принципы организации эволюционирующей сложной системы. Признание единства в мире, универсальности единых законов во всех сферах Бытия, вот что характерно для синергетики.

В соответствии с синергетикой, развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путём нарастающей сложности. При этом можно выделить период плавного эволюционного развития синергетической системы предсказуемыми линейными изменениями и подводящими систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию (точка бифуркации); и скачкообразный выход системы из критического состояния, её переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности. Достижение точки бифуркации – это “длительный” процесс, но длится бифуркация “малый” промежуток времени. При этом происходит качественная перестройка системы с определяющим значением малых флуктуаций.

Таким образом, между точками бифуркации развитие системы почти линейно, детерминировано, более или менее предсказуемо и идёт в соответствии с законами диалектики [3]. Но в какой-то момент либо за счёт достижения критического значения внешнего воздействия, либо за счёт внутренних сил, либо за счёт их интеграции, параметры системы начинают быстро изменяться, стабильность снижается, энтропия возрастает. В точке бифуркации появляется возможность направить эволюционный процесс по другой линии. Точка бифуркации выступает в качестве точки максимальной чувствительности системы к внешним и к внутренним импульсам, к их незначительным флуктуациям. Особенно велика в этих процессах роль нелинейности и диссипативности. Множество решений нелинейных систем соответствует множеству путей их эволюции. И в данном случае фундаментальным механизмом, обеспечивающим реализацию нелинейности развития, выступает в синергетике бифуркационный механизм, бифуркационный переход – выбор системой одного из возможных вариантов развития. Система как бы “колеблется” перед выбором одного из возможных путей развития, - в этом случае “небольшая флуктуация может послужить началом эволюции в совершенно новом направлении, которое резко изменит всё поведение макроскопической системы” [4]. Отвечая на вопрос, каков механизм “выбора” системой того или иного пути развития из веера возможных, синергетика постулирует фундаментальный статус в этом процессе феномена случайности. Однако при изучении процессов самоорганизации было зафиксировано то обстоятельство, что среди возможных ветвей эволюции системы далеко не все являются вероятными, в связи с чем и были введены понятия аттрактора и дискретного спектра структур – аттракторов эволюции. Аттрактор определяется как состояние, к которому тяготеет система; как “устойчивый фокус, к которому сходятся все траектории динамики системы”; как “стабильное состояние порядка” [5].

Наличие дискретного спектра структур-аттракторов эволюции и новых форм организации материи является, скорее всего, следствием существования фундаментальных законов. Они и “диктуют” “правила отбора”, которые определяют возможные пути эволюции после точки бифуркации. Эти законы должны объяснить и процесс возникновения новых структур в открытых неравновесных системах, и роль-назначение точек бифуркаций с учётом вероятностного характера бифуркационного процесса. Нельзя не согласиться с Ушаковской Е.Д. [5] в том, что главной заслугой синергетики является открытие ею процессов самоорганизации, что синергетический подход даёт возможность создать новые принципы организации эволюционирующих сложных систем … но … отводить случайности главенствующую роль в эволюционном процессе; считать детерминистские законы физики карикатурой на эволюцию; принимать случайность за творческое конструктивное начало … вряд ли возможно и серьёзно.

Скорее всего, синергетика придаёт новый импульс обсуждению традиционных философских проблем случайности и детерминизма, хаоса и порядка, потенциального и актуального, части и целого [1]. И самоорганизация – это не кооперация под воздействием случайных факторов в состоянии неустойчивости, а процессы, причины которых заложены в природе [5]. Тем более, что в ситуации бифуркационного ветвления “выбор” системой новой траектории в некоторой степени зависит от того, каким именно путём она попадает в точку бифуркации: “поведение … систем зависит от их предысторий”[4,5].

И сами авторы синергетики, и их последователи, заявив о главенствующей роли случайности, в дальнейшем на основании исследуемых ими же процессов, делали совсем противоположные заключения. Так И. Пригожин признаёт, что “в промежутке от бифуркации до очередной бифуркации главенствует детерминистское описание”, а путь аттрактора предопределён [5,6]. И, действительно, даже на основе примеров процессов самоорганизации, рассмотренных авторами синергетики, можно говорить о неслучайной природе тех воздействий, под влиянием которых эти процессы происходят. Просто случайность и стохастичность процессов не могут обеспечить глобальный эволюционизм, черты которого особенно ярко проявляются в развитии живой природы. Скорее случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга в процессе возникновения нового. Ведь случайный процесс (стохастический) – это процесс изменения во времени состояния или характеристик некоторой системы под влиянием различных случайных факторов, для которого определена вероятность того или иного его течения. Гносеология рассматривает вероятность как количественную меру превращения возможности в действительность в ситуациях неопределённости.

В рамках философских категорий “возможность и действительность” эти категории связаны тем, что возможность уже существует в действительности – именно как возможность, т.е. в самой действительности сейчас существуют условия и действуют закономерности, которые в будущем приведут к актуализации ныне лишь потенциального состояния. Возможность есть аспект действительности, настоящее содержит в себе зародыш будущего. Однако в действительности существуют предпосылки реализации не одной, а многих возможностей. Если бы в действительности существовала лишь одна возможность, развитие мира было бы фатально предопределено. Действительность одна, но возможностей её последующего изменения – много [1]. Именно поэтому синергетика, отвергая однозначную причинно-следственную связь между этапами развития неравновесных систем, тем не менее, утверждает, что в точке бифуркации “выбор” системой новой траектории в некоторой степени зависит от того, каким именно путём она попадает в точку бифуркации. В плане детерминизма можно выделить два основных типа определённости последующих событий предшествующими: каузальную детерминацию и вызревание предпосылок для последующего наступления конкретного события. Как говорил П.Рикёр, прошлое воздействует на настоящее и будущее не только каузально: оно открывает определённые возможности, что, собственно, и заставляет постоянно обращаться к нему. Формирование предпосылок вряд ли можно отождествить с каузальной детерминацией: причина с необходимостью влечёт наступление следствия, в то время как предпосылки не связаны со следующим за ними событием отношением необходимости [1].

В этом плане можно выделить две версии детерминизма. Согласно принципу строгого детерминизма, всякое событие, когда бы оно не происходило, каузально детерминировано в каждый момент времени. При таком подходе каждую случайность можно рассматривать как проявление закономерности, природа которой нам пока не известна. Более слабой версией принципа детерминизма является положение: существуют такие события, что независимо от того, в какое время они происходят, их наличие в это время каузально детерминировано во всякое время. Частными случаями этого принципа являются утверждения: “существуют события, причины которых простираются бесконечно в прошлое ” и “следствия некоторых событий могут быть обнаружены в сколь угодно отдалённом будущем”[1].

В рамках этих рассуждений, если перефразировать слова А.Эйнштейна: “Вы верите в Бога, играющего в кости, я – в полный закон и порядок в мире, который существует объективно”, – следующим образом: “Вы верите в случайность, я – в полный закон и порядок в мире, который существует объективно”, то никакого противоречия здесь нет. И первое, и второе в синергетике уживаются великолепным образом, поскольку они связаны между собой. Любая открытая, неравновесная, диссипативная система, состоящая из большого числа подсистем, взаимодействующих между собой и с окружающей средой сложным образом, по-разному реагирует и откликается на всякого рода случайности в точке бифуркации. Некоторые случайности вызывают появление в ней кооперативных согласованных процессов, уменьшающих энтропию, и переводящих систему на более высокий уровень организации. Но что здесь является определяющим – случайность или состояние системы, готовой для перехода на более высокий уровень организации? И случайна ли природа случайности?

В рамках вышесказанного, рассмотрим модель когерентного лазерного излучения и развитие биологических объектов, которые рассматриваются в качестве парадигмальных примеров структур самоорганизации.

Лазер – устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе. Когерентность и направленность – основные характеристики излучения лазера, вынужденное излучение и обратная связь – главные процессы, приводящие к генерации. Действие лазера основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля. При термодинамическом равновесии в ансамбле, состоящем из большого количества частиц, каждая из которых может находиться только, например, в двух энергетических состояниях ε1 и ε22> ε1), числа частиц N1 и N2, находящихся в этих состояниях, определяются распределением Больцмана, причём N2< N1. Поэтому в обычных (равновесных) условиях вещество поглощает электромагнитные волны. Поглощение может уступить место усилению электромагнитной волны при её распространении сквозь вещество, если N2>N1. Такое состояние вещества называется инверсным, состоянием с инверсией населенностей, и не является равновесным. Если через среду с инверсией населённости проходит электромагнитная волна с частотой ω=( ε2 - ε1)/ħ, то по мере её распространения в среде интенсивность волны будет возрастать за счёт актов вынужденного испускания, число которых превосходит число актов поглощения. Увеличение интенсивности волны (усиление) обусловлено тем, что фотоны, испускаемые в актах вынужденного излучения, неотличимы от фотонов, образующих эту волну.

Усиление электромагнитной волны за счёт вынужденного излучения приводит к экспоненциальному закону роста её интенсивности по мере увеличения длины пути z, пройденного волной в веществе:

I= I0exp(αz) , где α ~ (N2 - N1) – коэффициент квантового усиления.

В реальном веществе неизбежны и потери. Если ввести коэффициент потерь β, то: I= I0exp[(α-β)z] .

Вещество, приведённое каким-либо образом в инверсное состояние, неизбежно возвратится в равновесное состояние – релаксирует. При этом избыточная энергия либо выделяется в виде фотонов (спонтанное излучение), либо переходит в тепловую энергию (безизлучательные переходы).

Спонтанное испускание фотонов в процессе релаксации является сущностью люминесценции. Свет люминесценции, распространяясь в инвертированной среде (при β< α), усиливается за счёт актов вынужденного испускания (сверхлюминесценция). Её мощность зависит от размеров среды вдоль направления наблюдения. Сверхлюминесценция отличается большей яркостью, более узким спектром и частичной когерентностью. Для превращения сверхлюминесценции в генерацию когерентных волн необходимо наличие обратной связи, в результате которой электромагнитная волна, испущенная частицами инвертированной среды, многократно вызывает в этой среде новые акты вынужденного испускания точно таких же волн. В оптическом диапазоне обратная связь реализуется комбинацией отражателей (зеркал).

В силу сказанного, лазер содержит три основных компонента: активную среду (рабочее тело), в которой создают инверсию населённостей; устройство для создания инверсии в активной среде (система накачки); устройство для обеспечения положительной обратной связи (оптический резонатор). В оптическом резонаторе может существовать множество собственных стоячих волн, отличающихся тем, что для каждой из них между зеркалами укладывается целое число полуволн . После того, как в активном элементе, расположенном внутри резонатора, достигнуто состояние инверсии, в нём возникают многочисленные акты люминесценции. Фотоны вызывают в активной среде сверхлюминесценцию. Фотоны, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора, многократно отражаются от его зеркал, вновь и вновь проходя через активный элемент и вызывая в нём акты вынужденного излучения. Генерация начинается в том случае, когда увеличение энергии волны превосходит потери энергии за каждый проход резонатора.

В начале возникновения генерации лазера в нем одновременно и независимо усиливается множество волн, порождённых отдельными фотонами, испущенными спонтанно вдоль оси резонатора. Фазы этих волн независимы между собой, но когерентность каждой из них и их интенсивность постоянно увеличиваются за счёт процессов вынужденного испускания. В ходе взаимной конкуренции этих волн решающую роль приобретает соотношение между длиной волны λ и размерами резонатора L. Во время первого пролёта усиливаются все фотоны, испущенные в результате спонтанных процессов. Однако после отражения от зеркал в преимущественном положении оказываются лишь те фотоны, для которых выполняются условия возникновения стоячих волн (условие резонанса L= Q λ/2). Их длины волн соответствуют нормальным колебаниям резонатора – модам, интенсивность которых быстро увеличивается. В наиболее благоприятных условиях оказываются те из мод резонатора, для которых λ совпадает с вершиной спектральной линии активной среды или расположена вблизи её вершины. Интенсивность таких волн возрастает (вероятность вынужденного испускания пропорциональна интенсивности вынуждающей волны) лавинообразно, подавляя усиление волн, удалённых от вершины спектральной линии. В результате возникает когерентное излучение, направленное вдоль оси резонатора и содержащее лишь небольшое количество мод резонатора.



Для достижения наивысшей когерентности излучения стремятся к одномодовому режиму генерации, при котором в пределах спектральной линии активной среды оказывается лишь одна из мод резонатора. Это достигается введением в резонатор дополнительного селектирующего элемента, который выделяет одну из мод резонатора и подавляет остальные. В процессе накачки часто используется метастабильный уровень, время жизни которого (среднее время до спонтанного испускания фотона частицей, попавшей на этот уровень) велико. Это обеспечивает возможность накопления большого числа частиц на этом уровне. Для достижения порога генерации необходимо, чтобы плотность частиц на метастабильном уровне превышала их плотность на основном (нижнем) уровне.

Так при определённом (критическом) значении мощности накачки происходит скачкообразный переход работы лазера от хаотического излучения к самосогласованному. Коллективное излучение атомов становится когерентным (упорядоченным). И здесь важны и эффект конкуренции, и эффект синхронизации. Это пример вынужденной организации, когда возникновение организованного поведения обусловлено внешними периодическими воздействиями [7,8].

Эволюцию и развитие биологических систем можно отнести к чистой самоорганизации, когда процесс упорядочения связан с собственными (внутренними) неустойчивостями. Напомним, что мутации – это внезапные изменения в наследственной системе организма. Они происходят за счёт случайных событий. Все виды живых организмов способны мутировать, что и приводит к их изменчивости. А популяция – это совокупность особей одного вида, длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Новая синтетическая теория эволюции, которая возникла в результате синтеза генетики и дарвинизма, показала, что в основном изменчивость возникает не в результате случайных мутаций, а вследствие рекомбинации уже накопленных мутаций; она подтвердила универсальное значение принципов естественного отбора и дала ясное понимание того, что эволюционные изменения происходят на популяционном уровне (разные направления отбора, которым подвергаются популяции, могут привести к возникновению нового вида). Успехи в области молекулярной биологии позволили лучше понять, откуда берётся генетическая изменчивость, как она поддерживается в популяциях и каков её вклад в эволюционное изменение.

Теперь известно, что ген – это участок одной из молекул ДНК, которые содержатся в клетке, и в структуре которых заключена генетическая информация, определяющая строение и функции данного организма. Последовательность четырёх азотистых оснований нуклеотидов в каждой цепи двойной спирали ДНК образует линейный код. Информация, содержащаяся в этом коде, обеспечивает синтез определённых белков; развитие каждого организма зависит от того, какие именно белки он синтезирует. Белки представляют собой длинные цепи, состоящие из аминокислотных остатков, причём последовательность этих остатков в цепи определяет специфические свойства каждого белка, а эта последовательность в свою очередь определяется последовательностью оснований, входящих в состав нуклеотидов, из которых построена цепь ДНК, являющаяся совокупностью генов.

Характерные признаки организмов и их поведение зависят в конечном счёте от последовательности аминокислотных остатков в их белках, и эволюция в значительной мере состоит в постепенной замене одних аминокислотных остатков другими.

Отдельную мутацию можно представить как ошибку в репликации ДНК, происшедшую до её трансляции в белок. Если подобные мутации возникают в ДНК половых клеток, то они передаются следующему поколению. Силы, вызывающие генные мутации, действуют случайным образом в том смысле, что эти мутации возникают безотносительно к их будущему адаптивному значению в данной среде. Следует ожидать, что в популяции, состоящей из нескольких миллионов особей, в каждом поколении будет возникать по нескольку мутаций на каждый ген. И вряд ли они будут благоприятными, так как всякая популяция, как правило, хорошо адаптирована к своей среде. Эволюционные изменения в большинстве случаев происходят путём постепенного накопления малых мутаций, сопровождающегося постепенными изменениями признаков особей в данной популяции.

В ядрах клеток молекулы ДНК связаны с белком и образуют хромосомы. В результате всевозможных хромосомных аберраций возможно изменение организации генов, возможна значительная реорганизация наследственного материала. Они и поставляют материал для эволюционных изменений. Гены обычно бывают парными: один содержится в материнской хромосоме, а другой – в отцовской. Два гена, входящие в каждую пару, занимают определённый локус, или положение. Каждая хромосома содержит многие тысячи генных локусов. Ген, занимающий данный локус, может встречаться в различных формах, известных под названием аллелей. В обширной популяции обычно содержится по несколько аллелей данного локуса, однако каждая отдельная особь может иметь только два аллеля. Любой аллель возникает путём мутации предшествовавшего гена и отличается от него по одному или нескольким участкам последовательности оснований в нуклеотидах. Наследственная изменчивость, находящая отражение в существовании в данной популяции множественных аллелей, представляет собой необходимую предпосылку для эволюционного изменения. Разумеется, ни один аллель не обладает фиксированной селективной ценностью.

Популяция, имеющая бльшие запасы генетической изменчивости, окажется в более благоприятном положении в случае возникновения в будущем изменений во внешней среде. Чем выше уровень генетической изменчивости в данной популяции, тем быстрее она эволюционирует. Она определяет эволюционную пластичность данного вида. Исследования говорят о наличии в природных популяциях больших запасов генетической изменчивости.

При половом размножении происходит слияние двух половых клеток, каждая из которых содержит только один набор хромосом. И в процессе мейоза, или редукционного деления, хромосомы могут разорваться в нескольких местах и обменяться участками – процесс, называемый рекомбинацией. В результате получаются хромосомы, представляющие собой мозаику, и несущие новое сочетание аллелей. Причём распределяются хромосомы случайным образом, так что каждая половая клетка содержит и материнские и отцовские хромосомы.

Действие рекомбинации и случайного распределения сводится лишь к перетасовке имеющихся в данной популяции генов, в результате чего в каждом поколении отбору подвергаются новые сочетания аллелей. Следовательно, половое размножение создаёт значительное генетическое разнообразие, сильно повышая возможности для эволюции и обеспечивая популяции широкие приспособительные возможности.

Таким образом, бόльшая часть имеющейся в популяциях генетической изменчивости возникает не в результате появляющихся в каждом поколении новых мутаций, а вследствие перетасовки уже накопленных мутаций, происходящей при рекомбинации. Хотя, в конечном счёте, источником всей генетической изменчивости служат мутации, они возникают крайне редко, так что новые аллели втекают тонкой струйкой в обширный резервуар уже запасённой генетической изменчивости. Очевидно, что в популяциях имеются большие запасы таких аллелей, которые не обладают максимальной приспособленностью в данном месте или в данное время; они сохраняются в популяции, встречаясь с низкой частотой, пока в результате изменения условий среды они вдруг не окажутся адаптивными, после чего под действием отбора их частота начинает возрастать и в конечном счёте они становятся доминирующим генетическим типом.

Каким образом природные популяции сохраняют в себе большие запасы генетической изменчивости, необходимые для того, чтобы реагировать на изменяющуюся среду?! Как сохраняются в популяции аллели, неблагоприятные в данных условиях; каковы механизмы, которые активно поддерживают разнообразие, несмотря на силы отбора, стремящиеся элиминировать такие аллели?! Возможно, что сохранение множественных аллелей в популяции обусловлено прямым действием отбора. Если в ареале какого-либо вида среда характеризуется неоднородностно, то естественный отбор благоприятствует разнообразию генофонда с тем, чтобы в нём содержалось по нескольку аллелей, оптимально адаптированных к тем или иным конкретным условиям.

Во всяком случае, не вызывает сомнений, что огромная генетическая изменчивость в природных популяциях создаёт все возможности для протекания процесса эволюции. Неудивительно поэтому, что при всяком появлении в среде нового фактора популяции обычно адаптируются к нему[9].

Т.о., эволюция путём естественного отбора происходит в два этапа. Первый этап - это создание (в результате рекомбинации, мутационного процесса и случайных событий) генетической изменчивости. Второй этап – это упорядочивание этой изменчивости путём отбора. Именно этот этап естественного отбора определяет направление эволюции, повышая частоту тех генов и генных сочетаний, которые адаптированы к условиям данного времени и места.

Поскольку виды представляют собой группы популяций, то видообразование – это самый основной, но всего лишь один шаг в возникновении разнообразия в живом мире. Последовательно применяя принцип расхождения признаков, можно построить эволюционное филогенетическое древо живой материи. Тем самым мы приходим к идее дивергентной (расходящейся) эволюции [10].

Палеонтологическая летопись позволяет говорить от том, что жизнь на Земле имела начало во времени; что развитие живого идёт от простого к сложному; что эволюционная история животных и растений предстаёт в виде ряда биологических реакций на возможности, представляемые средой; что отбор получает возможность развивать новые типы организмов [11]. Это наиболее яркий пример самоорганизации в живой природе, когда процессы в мире живого ведут к усложнению структур и форм. Это пример открытой системы, когда с поступлением энергии и вещества её неравновесность возрастает, разрушаются прежние связи между её элементами и возникают новые, приводящие к новым структурам, к новым кооперативным процессам [10].



В обоих рассмотренных примерах состояние системы, состояние среды оказываются определяющими; они осуществляют конкуренцию и отбор; они “объявляют тендер” и выбирают наилучший вариант среди имеющихся в арсенале. Это подтверждает философское обобщение И.Пригожина о том, что активность материи связана с неравновесными условиями, порождаемыми самой материей. “Выбор” направления развития в точке бифуркации конечно не случайный, но и не единственный, поэтому поведение системы приобретает вероятностный характер. Но это и не “игра в кости”. Среда, материя, природа накладывают довольно жёсткие требования на выбор дискретного спектра структур-аттракторов эволюции. И “случайность” в данном случае не противоречит фундаментальным законам природы.

В плане существования фундаментальных законов развития открытых, неравновесных систем хочется затронуть проблему “симметрия-асимметрия” и её роли в эволюции. Известно, что при изучении равновесных систем широко используются законы сохранения. Они играют важную методологическую роль как фундаментальные принципы научного познания. Значение законов сохранения для науки трудно переоценить. Анализ многих явлений на основе законов сохранения, их нарушений, как правило, приводило к фундаментальным открытиям.

Одной из важнейших особенностей действия законов сохранения оказалась их связь с симметрией. Эта связь выражается теоремой Эмми Нетер, которая гласит: если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Если под симметрией рассматривать неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к определённым преобразованиям над ним, то из теоремы Э.Нетер следовало, что каждому виду симметрии соответствует свой закон сохранения, и каждый закон сохранения рассматривается как проявление определённой симметрии. Так симметрия относительно переносов в пространстве, симметрия относительно поворотов, симметрия относительно переноса во времени приводят к законам сохранения импульса, момента импульса и энергии. А они являются следствием однородности пространства, изотропности пространства и однородности времени. Поэтому физическая система в своих существенных свойствах определяется набором его симметричных преобразований.

Всё это говорит о том, что законы сохранения связаны с симметрией, что они являются фундаментальными и описывают поведение равновесных систем. Отметим, что одна из фундаментальных идей физики второй половины XX века – это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. А главными направлениями физики XX века А.Мигдал считал поиски симметрии и единства картины мира. Велика роль в физике калибровочных симметрий. Так, силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. И электромагнитное поле – не просто определённый тип силового поля, которое существует в природе, а проявление калибровочной симметрии.

Со спонтанным нарушением симметрии связана и теория Вайнберга-Салама, которая объединила электромагнитное и слабое взаимодействия. А с нарушением СРТ симметрии связывают и эволюцию всей Вселенной с момента её расширения, и преимущество кварков над антикварками, вещества над антивеществом в нашей Вселенной.

С нарушением симметрии связано и появление живой материи, которая представляет собой более высокий уровень организации. Известно, что “неживые молекулы” могут быть как зеркально симметричны, так и зеркально асимметричны, т.е. они кирально нечистые. ”Живые молекулы” могут быть только одной ориентации – “левой” или “правой ”, т.е. они кирально чистые. Например, молекула ДНК имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. Следовательно, важнейшая способность живых организмов состоит в том, чтобы из симметричных и кирально нечистых молекул окружающей среды создавать кирально чистые молекулы. Именно киральность молекул определяет границу между живой и неживой природой. Поэтому и возникновение жизни на Земле могло быть обусловлено спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии. Это мог быть акт самоорганизации материи в виде скачка [10]. А в ходе развития жизни асимметрия всё больше и больше вытесняла симметрию из биологических и химических процессов. Разделение полов – явно асимметричный признак, причём каждый пол вносит в процесс самовоспроизведения свою генетическую информацию. В устойчивости видов (наследственность) проявляется симметрия, в их изменчивости – асимметрия.



Всё это говорит о том, что вопросы симметрии-асимметрии, вопросы нарушения симметрии являются фундаментальными; что они связаны с законами природы; что существуют правила отбора по симметрии; что между точками бифуркации развитие идёт по динамическим законам, с учётом законов сохранения, отражающих их симметрию и инвариантность в равновесных системах; что нарушение симметрии приводит к переходу системы на более высокий уровень организации; что важны не только внешние, но и внутренние симметрии; и что в точках бифуркации в выборе аттрактора “симметрия-асимметрия”, возможно, играют не последнюю роль.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Философия, Энциклопедический словарь, М., Гардарики, 2006.

  2. Кузнецов Б.Л., Экономическая синергетика, Сб. научных трудов, ЭОУП N9, ИНЭКА, г.Наб. Челны, 2005г

  3. Милованов В.Н., Соотношение диалектики и синергетики, Сб. научных трудов, ЭОУП N11, ИНЭКА, г.Наб. Челны, 2009.

  4. Пригожин И., Стенгерс И., Порядок из хаоса, М., Прогресс, 1986.

  5. Ушаковская Е.Д., Синергетика и причины эволюции Вселенной, СПБ

  6. Пригожин И., От существующего к возникающему, М., УРСС, 2002.

  7. Физический энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1984.

  8. Савельев И.В., Курс общей физики, т.3, М., Наука, 1982.

  9. Майр Э., Айала Ф., Дикерсон Р., …, Эволюция, М., Мир, 1981.

  10. Дягилев Ф.М., Концепции современного естествознания, М., ИМПЭ, 1998.

  11. Милованов В.Н., К вопросу об эволюции материи во Вселенной, Сб. Образование в техническом ВУЗе в XXI веке, вып.5, ИНЭКА, 2009.








Опыт учит нас, что умирают всегда другие. Станислав Слонимский
ещё >>