Из журнала «Естествознание в школе» - 2004. - №3

Ляпцев А. В,

Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание»

В государственном образовательном стандарте среднего (полного) общего образования по учебному предмету "Естествознание" дидактическая единица «Процессы самоорганизации» выделена курсивом, что предполагает ознакомительный характер ее изучения. В педагогической практике это приводит к тому, что учебный материал порой не изучается, поскольку необязателен для запоминания.

На наш взгляд, указанная тема является не менее важной, чем многие другие, включенные в перечень требований к уровню подготовки выпускников. О значении процессов самоорганизации и о том, как, несмотря на безусловную сложность рассматриваемых в ней вопросов, тема может быть просто и понятно изложена в учебном процессе и пойдет речь в данной статье.

Мировоззренческий потенциал

Осмысление феномена самоорганизации является важным для формирования естественнонаучного мировоззрения современного учащихся. В частности на уроках биологии при изучении темы «Возникновение жизни» говорится о том, что согласно общепринятой гипотезе жизнь возникла в результате самоорганизации неживой материи. Между тем, суть гипотезы в большинстве случаев остается непонятной не только для учеников, но даже и для учителей в виду сложной интерпретации такого понятия как "самоорганизация".

На одной из лекций для учителей по курсу «Концепции современного естествознания» мне был задан следующий вопрос: «Можно вполне представить, как здание, в котором мы находимся, самопроизвольно разрушится, но как можно представить себе процесс, при котором это здание само по себе построилось?» Вопрос в конечном итоге сводился к гипотезе о возникновении жизни, и, с учетом того, что строение живого организма (даже простейшего) не менее сложно, чем построенное человеком здание, звучал вполне правомерно. Подобного рода вопросы можно найти в многочисленной литературе религиозного характера. Часто, их смысл изначально связан с отрицанием возникновения и эволюцией живой материи. Как сказала одна из учителей в ходе дискуссии на данную тему: «Ученику было бы гораздо проще объяснить возникновение жизни в результате божественного творения, чем в результате какой-то непонятной самоорганизации».

Здесь следует отметить, что, на наш взгляд, борьба между наукой и религией в настоящее время лишь отголосок недавнего исторического прошлого, в котором в силу идеологических, а не естественнонаучных причин бытовал тезис «Наука доказала, что бога нет». На самом деле уже в период становления современной естественнонаучной методологии, естественные науки самоограничились изучением того, что объективно наблюдается. Все, что могут сказать естественные науки о боге – это то, что объективных данных о его существовании у науки нет. Отрицать же существование того, что мы в настоящее время объективно не наблюдаем попросту абсурдно . Настолько же абсурдно спорить по поводу того, какие положения – естественнонаучные или религиозные являются более истинными. Связано это с тем, что критерии истины в естественных науках и в религии различны. С точки зрения науки истинно то, что объективно наблюдается или соответствует логическим выводам из этих наблюдений. С точки зрения религии истинно то, что соответствует определенным религиозным канонам, священным писаниям и т. д. В этом смысле не следует противопоставлять естественнонаучное и религиозное мировоззрения. Естественные науки, отвечают на вопросы: какова структура нашего мира, какие законы управляют природой, как эволюционирует природа.

Естественные науки не отвечают и не должны отвечать на вопросы: кто и с какой целью создал наш мир таким, какой он есть, кто создал такие законы, управляющие природой. В частности вопрос о божественном происхождении нашего мира для естественных наук остается в стороне, а вот вопросы возникновения жизни и эволюции природы вообще – являются предметом естественнонаучных исследований. Именно поэтому мы говорим о естественнонаучных гипотезах возникновения жизни и, в частности, о самоорганизации, а не о том, что жизнь была создана богом.

Так как же «можно представить самовыстраивание здания»? Вот здесь выступает вторая точка зрения на важность формирования у школьников понятия «процессы самоорганизации». Несмотря на то, что наблюдаемая нами жизнь уникальное явление – все живое в нашем мире является тесно взаимосвязанным и единым по происхождению, а другой, отличной от нашей, жизни во Вселенной мы не наблюдаем, законы, описывающие процессы самоорганизации являются более общими, чем биологические законы и связывают эволюцию живой и неживой материи. Таким образом, в теме «процессы самоорганизации», как ни в какой другой прослеживается интегративный характер современных естественнонаучных представлений. В определенном смысле данное понятие «строит мостик» между живой и неживой природой, показывая, что, несмотря на уникальность жизни, и законов, которым она подчинена, в неживой природе существуют примитивные аналоги тех процессов, которые характерны, казалось бы, только для живой природы.

Синергетика – наука о процессах самоорганизации.

Синергетика, или теория самоорганизации, сегодня представляется одним из наиболее популярных и перспективных научных междисциплинарных подходов. Введя в научный оборот термин "синергетика" (дословно – теория совместного действия) Герман Хакен вкладывал в него два смысла. Первый – теория возникновения новых качеств у сложных систем, которыми не обладает ни одна из их частей. Второй – это междисциплинарный подход, разработка которого требует сотрудничества специалистов из разных областей.

Синергетика очень быстро вышла из стен научных лабораторий и начала оказывать большое влияние на разные сферы деятельности современного человека, вызывая у него все больший интерес. В настоящее время этим подходом интересуются многие – от старших школьников и студентов до государственных политиков, от педагогов в образовании и менеджеров по продажам до активно работающих исследователей.

Теория самоорганизации прошла большой путь. Тридцать лет назад на нее смотрели как на очередную забаву физиков-теоретиков, увидевших сходство в описании нелинейных явлений, Двадцать лет назад, благодаря ее концепциям, методам, представлениям были экспериментально обнаружены многие замечательные явления в области физики, химии, биологии, климатологии и других естественных наук. Сейчас этот междисциплинарный подход все шире используется в стратегическим планировании в различных областях человеческой деятельности, а также при анализе исторических альтернатив и поиске путей решения глобальных проблем, вставших перед человечеством.

ПОРЯДОК – определенное расположение элементов в пространстве или их

последовательность во времени.

САМООРГАНИЗАЦИЯ - появление определенного порядка в однородной массе и

последующего совершенствования и усложнения возникающей структуры.

СИНЕРГЕТИКА - наука, изучающая системы, состоящие из многих подсистем

самой различ­ной природы; наука о самоорганизации простых систем и

превращении хаоса в порядок.

СИНЕРГИЗМ- взаимное влияние, содействие, поддержка.

СИНЕРГИЯ - совместное взаимодействие различных потенций или видов энергий в

целостном действии.

СИСТЕМА – множество элементов связанных между собой

и образующих целостное единство.

СЛОЖНАЯ СИСТЕМА- собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных элементов (строгое математическое определение этого понятия отсутствует).

СТРУКТУРА – относительно устойчивая система связей элементов, образующих целое (вещь).

ЦЕЛОСТНОСТЬ – внутреннее единство объекта, его относительная самостоятельность.

ФРАКТАЛЫ - самоподобные объекты, в которых по мере

увеличения обнаруживается все большее число деталей. Имеют размерность,

промежуточную между точкой и линией, линией и поверхностью, поверхностью и

объемом. Фракталы не являются ни точками, ни кривыми, ни поверхностями, ни

топологическими многообразиями.

ХАОС – беспредельное пространство, беспорядочная смесь материальных

элементов мира, из которой, согласно древнегреческой мифологии,

произошло все существующее.

ЭНЕРГИЯ – физическая величина, изменяемая в джоулях, выделяемая или тратящаяся при выполнении той или мной работы. Выделяют потенциальную, кинетическую, тепловую, энергию химических связей, энергию солнечного излучения и ядерную. При проведении той или иной работы энергия не расходуется, а переходит из одного состояния в другое.

ЭНТРОПИЯ – термодинамическая функция, характеризующая часть внутренней энергии замкнутой системы, которая не может быть преобразована в механическую работу.

Илья Пригожин

Пригожин родился 25 января 1917 в Москве. После революции был вывезен родителями в эмиграцию. Окончив брюссельский университет, он быстро продвигался в науке, сделав ряд крупных открытий в области физической химии и термодинамики.

Основные труды в области термодинамики и статистической механики неравновесных процессов. Он сформулировал одну из основных теорем теории неравновесных процессов, названную его именем. Бельгийский ученый был инициатором применения методов теории неравновесных процессов в биологии.

Нобелевская премия по химии была присуждена ученому в 1977 году "за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур".

Награжден золотой медалью Сванте Аррениуса Шведской королевской академии наук (1969), медалью Баурка Британского химического общества (1972), медалью Котениуса Германской академии естествоиспытателей "Леопольдина" (1975) и медалью Румфорда Лондонского королевского общества (1976). Помимо перечисленных Илья Пригожин получил около 40 научных наград и премий, был почетным членом академий многих стран мира, включая Академию наук СССР, и президентом Королевской академии Бельгии.

ХИМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

В 1951 году российский ученый открыл удивительную химическую реакцию, в которой раствор реакционной смеси веществ поначалу красно-лилового цвета вдруг становится ярко-синим. Потом снова красно-лиловым. И снова синим и т. д. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьируется от 2 до 100 с.

Химическую реакцию такого рода можно рассматривать как своеобразные химические часы (ведь часы суть не что иное, как инструмент, непрерывно отмеряющий периоды определенной длительности). Следует отметить, что смена цвета жидкости продолжается не бесконечно – спустя некоторое время система приходит в однородное состояние.

Условия эксперимента можно изменить, проведя по жидкости налитой тонким слоем, скажем, ногтем, результатом станет возникновение сложных узоров, кругов, спиралей, вихрей, причем все происходит само по себе, без какого-либо дополнительного воздействия извне (рис.6).

Научные журналы того времени отказывались публиковать об этой реакции даже короткое сообщение. Это замалчивание длилось до тех пор, пока биофизик А. Жаботинский не дал объяснение этой реакции на основе автоколебательных, автоволновых явлений, подобных тем, которые управляют работой сердечной мышцы.

(по тексту учебника Естествознание: Для учащихся 10-х классов школ и средних учебных заведений с гуманитарным профилем/ , . – М.: АСТ-ПРЕСС, 1999 – 336 с.)

Жизнь создает порядок.
Порядок же бессилен создать жизнь
А. де Сент-Экзюпери

Какими характерными свойствами обладают системы, способные к самоорганизации? Каков механизм самоорганизации?

Урок-лекция

Мориц Эшер. Предел - круг СВОЙСТВА СИСТЕМ, СПОСОБНЫХ К САМООРГАНИЗАЦИИ. 1. Прежде всего следует ответить на вопрос, не противоречит ли возникновение порядка из хаоса закону возрастания энтропии, в соответствии с которым энтропия - мера беспорядка - непрерывно возрастает. Обратите внимание на то, что этот закон сформулирован для замкнутых систем, т. е. для систем, не взаимодействующих каким-либо образом с окружением. Все приведенные ранее примеры относятся к открытым системам , т. е. к системам, обменивающимся с окружением энергией и веществом. Понятно, что можно выделить замкнутую систему, в которой происходит самоорганизация. Например, представим себе изолированный от излучения звезд космический корабль, в котором произрастают растения. Очевидно, что в любой такой замкнутой системе можно выделить подсистему, в которой именно и происходит самоорганизация и энтропия которой убывает, в то время как энтропия замкнутой системы в целом возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики. 2. Второй отличительной особенностью систем, способных к самоорганизации, является неравновесное, неустойчивое состояние, в котором они находятся. Процессы самоорганизации происходят в 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. Так, внешнее воздействие - нагревание сосуда приводит к разнице температур в отдельных макроскопических областях жидкости, возникают так называемые ячейки Бенара (см. рис. 79). Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отличается от статистического равновесия. Состояние системы, далекой от равновесия, является неустойчивым в отличие от состояния системы, близкой к равновесию, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур. 3. Еще одна особенность способных к самоорганизации систем - большое число частиц, составляющих систему. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций - малых случайных возмущений, неоднородностей. Именно флуктуации способствуют переходу системы из неустойчивого состояния в более упорядоченное устойчивое состояние. Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. Наблюдать флуктуации достаточно сложно; как правило, они не проявляют себя в макроскопическом мире, где работают наши органы чувств. Можно привести пример возникновения шумов в громкоговорителе при отсутствии передачи. Эти шумы появляются вследствие хаотического движения электронов в элементах радиотехнического устройства. Хаотическое движение электронов приводит к флуктуациям электрического тока, которые после усиления и преобразования в звук мы слышим. 4. Процессы самоорганизации описываются достаточно сложными математическими уравнениями. Особенностью таких уравнений и соответственно систем, которые они описывают, является нелинейность . Это свойство, в частности, приводит к тому, что малые изменения в системе в какой-то момент времени могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие системы во времени. Именно в силу этого свойства процессы самоорганизации во многом определяются случайными факторами и не могут быть однозначно предсказаны. Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. КАК ПРОИСХОДИТ САМООРГАНИЗАЦИЯ. Каким же образом происходят процессы самоорганизации? Строгое описание, как уже говорилось, требует применения сложного математического аппарата. Однако на качественном уровне эти процессы можно достаточно просто объяснить. Простейший эксперимент можно осуществить, имея усилитель (например, магнитофон) и поднося микрофон к громкоговорителю. При этом может возникнуть гудение или свист, обусловленные автогенерацией электрического сигнала, т. е. спонтанным возникновением электромагнитных колебаний. Данный пример иллюстрирует процесс самоорганизации с образованием временных структур. Однако аналогично объясняется и образование пространственных структур. Рассмотрим простейший пример с образованием ячеек Бенара. При нагревании жидкости возникает перепад температур между нижними и верхними слоями жидкости. Нагреваемая жидкость расширяется, ее плотность уменьшается, и нагретые молекулы устремляются вверх. Возникают хаотические потоки - флуктуации движения жидкости. Пока разность температур нижнего и верхнего уровней жидкости невелика, жидкость находится в устойчивом состоянии, и эти флуктуации не приводят к макроскопическому изменению структуры жидкости. При достижении определенного порога (определенной разности температур между верхними и нижними слоями) бесструктурное состояние жидкости становится неустойчивым, флуктуации разрастаются и в жидкости образуются цилиндрические ячейки. В центральной области цилиндра жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается (рис. 81). В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, в придонном - от границ цилиндров к центру. В результате в жидкости образуются упорядоченные конвекционные потоки.

Рис. 81. Конвекционные потоки в ячейках Бенара (пунктиром обозначены ячейки, сплошной линией - конвекционные потоки) Структуры в системе возникают, когда нелинейные эффекты, определяющие эволюцию и обусловленные внешним воздействием на систему, становятся достаточными для разрастания флуктуаций, присущих таким системам. В результате разрастания флуктуаций система переходит из неустойчивого бесструктурного состояния в устойчивое структурированное состояние. Объяснение механизма самоорганизации, конечно же, не может предсказать какие-либо количественные характеристики образующихся структур, например частоту генерации или форму и размеры ячеек Бенара. Математическое описание подобных процессов является непростой задачей. Однако качественные особенности механизмов самоорганизации можно сформулировать достаточно просто. Образование структур всегда связано со случайными процессами, поэтому при самоорганизации, как правило, происходит спонтанное понижение симметрии, а также имеют место бифуркации , т. е. неоднозначное развитие различных процессов. В точках бифуркации под воздействием незначительных факторов система выбирает один из нескольких возможных путей развития. Рассмотрим биологический процесс - морфогенез. В качестве примера нарушения симметрии в живой природе, возникновение тканей и органов, создание всей сложной структуры организма в процессе его индивидуального развития. Так же как и в эволюции физических систем, в развитии зародыша возникают последовательные нарушения симметрии. Исходная яйцеклетка в первом приближении имеет форму шара. Эта симметрия сохраняется на стадии бластулы, когда клетки, возникающие в результате деления, еще не специализированы. Далее сферическая симметрия нарушается и сохраняется лишь аксиальная (цилиндрическая) симметрия. На стадии гаструлы нарушается и эта симметрия - образуется сагиттальная плоскость, отделяющая брюшную сторону от спинной. Клетки дифференцируются, и появляется три типа тканей: эндодерма, эктодерма и мезодерма. Затем процесс роста и дифференцирования продолжается.

• В § 68 приведены примеры возникновения различных структур в процессах самоорганизации. Попробуйте объяснить, какие флуктуации приводят при своем разрастании к образованию тех или иных структур.
• Основной естественно-научной гипотезой, объясняющей возникновение жизни на Земле, является гипотеза самоорганизации. Земля находится далеко от Солнца и других планет. Почему ее нельзя считать замкнутой системой?

1. Теория самоорганизации

Заключение

Список литературы

Введение

Самоорганизация - целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты различной природы: клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив .

Основной критерий рaзвития сaмооргaнизующихся систем - увеличение зaпaсa свободной энергии, которaя может быть высвобожденa для совершения полезной рaботы. При этом aбсолютно не вaжнa природa сaмой системы - будь то примитивнaя тепловaя мaшинa или экономикa огромной стрaны - если системa нерaвновеснa и обменивaется веществом и энергией с окружaющей средой, для нее спрaведливы все нaиболее общие зaкономерности рaзвития. К примеру в привычных терминaх мaрксистской политэкономии укaзaнный критерий рaзвития формулируется кaк зaкон прибaвочной стоимости или добaвочного продуктa - дело лишь в обознaчениях, a по смыслу эти понятия изоморфны. И если в дaльнейшем кaкие-либо сугубо экономические кaтегории, трaктуемые с энерговещественной точки зрения, покaжутся неоднознaчными или дaже спорными, стоит зaдумaться - a столь ли всеобщей является нaукa экономикa, может в ней покудa не открыты ряд фундaментaльных зaконов?

Цель работы – рассмотреть процессы самоорганизации.

Задачи работы – определить теорию самоорганизации; охарактеризовать неравновесные процессы и открытые системы; изучить самоорганизацию диссипативных структур.

Небезызвестный Г.Беккер недaвно получил Нобелевскую премию зa теорию экономической мотивaции социaльных явлений, однaко те же сaмые мотивaции элементaрно следуют из принципa нaименьшего действия, известного в физике кaк минимум сотню лет.

Возврaщaясь ко всеобщим энерговещественным зaкономерностям прогрессирующего рaзвития, отметим, что в сопряженной системе рост свободной энергии возможен кaк зa счет внешних фaкторов - экстенсивный путь рaзвития, тaк и зa счет внутренних - интенсивный. В реaльных условиях, когдa мощность сопрягaющего потокa конечнa, экстенсивное рaзвитие всегдa имеет предел, после которого для продолжения рaзвития системе необходимо переходить нa интенсивный путь, связaнный с ростом эффективности использовaния получaемой энергии, увеличением собственого к.п.д., что будет ознaчaть концентрировaние энергии в единице объемa. Если для экстенсивного пути рaзвития хорошим aнтропогенным aнaлогом является нaрaщивaние мощности мускулaтуры, то для интенсивного весьмa покaзaтельным будет следующий бытовой пример. Мы приклaдывaем примерно рaвные мышечные усилия при рaсчесывaнии волос и при бритье, однaко в последнем случaе тa же энергия концентрируется нa микронной поверхности и создaет дaвление порядкa сотен aтмосфер, что сопостaвимо с лучшими промышленными прессaми и во много крaт превышaет физические возможности человекa. Концентрировaннaя энергия выполняет большую рaботу, нежели неконцентрировaннaя - в этом суть интенсивного этaпa рaзвития, нa котором сегодня нaходится человечество.

Однaко, и интенсивный путь рaзвития не может быть бесконечным - при к.п.д., близком к единице, он зaвершaется - системе рaзвивaться дaльше просто некудa. В этом состоянии выбор невелик - либо дегрaдировaть, исчерпaв весь зaпaс ресурсa , либо зaмкнуть энерговещественные циклы и функционировaть рaвновесно. В результaте подобного естественного отборa сохрaняются лишь те системы, которые функционируют нa принципaх зaмкнутых циклов - этот тип рaзвития получил нaзвaние экологического. Следует отметить, что исследовaние всех в принципе возможных способов обменa веществом и энергией в aбстрaктной сaмооргaнизующейся системе привело к структуре, с точностью до мелких детaлей совпaдaющей со структурой экосистем, определенной в экологии эмпирически. Это является дополнительным подтверждением необходимости переориентaции техносферы нa биологические принципы функционировaния, свойственные именно экологическому типу рaзвития.

Выводы очевидны. Первый зaключaется в неизбежности переходa любой рaзвивaющейся мaтериaльной системы от экстенсивного пути рaзвития к интенсивному, a зaтем и экологическому. Сегодня по всем признaкaм мы нaходимся нa этaпе переходa к интенсивной модели, и несмотря нa все рaзговоры о постиндустриaльной эпохе, пройдет еще немaло времени до того моментa, когдa человечество зaмкнет циклы. Второй вывод отдaет нaлетом фaтaльности - с энерговещественной точки зрения любое рaзвитие огрaничено. Дaже если удaстся решить проблему термоядерного синтезa, то aссимиляционнaя способность среды все-рaвно не позволит человечеству рaзвивaться беспредельно и венцом его рaзвития по-прежнему будут зaмкнутые энерговещественные циклы.

Ознaчaет ли это конец истории? Безусловно нет, и здесь будет уместнa следующaя эволюционнaя aнaлогия. При формировaнии биосферы вся солнечнaя энергия внaчaле шлa нa увеличение биомaссы. Когдa же циклы зaмкнулись и биомaссa плaнеты стaбилизировaлaсь, стaло можно вести речь о том, что вся поступaющaя энергия прaктически целиком преврaщaлaсь в информaцию - рaзнообрaзие биоты, способов ее существовaния, первичных нaвыков, позже - непосредственно в человеческие знaния. То есть суть экологического пути рaзвития - опосредовaнaя трaнсформaция энергии в информaцию, знaния. Прогресс и дaльнейшее рaзвитие безусловно будут, но в принципиaльно иной – интеллектуальной сфере. Переход к этому этaпу рaзвития ознaменуется мaсштaбным мировым кризисом, ниспровергaющим сложившуюся систему мaтериaльных ценностей и утверждaющим в кaчестве основной ценности внутренний мир человекa, его индивидуaльный и коллективный рaзум. Все мaтериaльное, о чем тaк печется современный человек, будет игрaть вспомогaтельную роль, кaкую выполняет, нaпример, электричество для компьютерa, нa первый плaн выйдет информaция, знaния, смысл .

2. Неравновесные процессы и открытые системы

Кристаллы - упорядоченные равновесные структуры. В природе существуют и иные упорядоченные структуры, которые возникают в диссипативных системах. Диссипативная система является подсистемой больших неравновесных термодинамических систем.

Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли - под действием солнечного излучения - самоорганизация на Земле.

2. Ячейки Бенара - самоорганизация в физических явлениях

3. Химическая реакция Белоусова-Жаботинского - самоорганизация в химии

Под воздействием BrO3-, H+ в растворе происходят реакции:

Ce3+-> Сe4+ - окисление, цвет раствора голубой.

Сe4+ -> Сe3+ - восстановление, цвет раствора красный. Таким образом, имеется автоколебательный процесс изменения концентрации четырехвалентного церия с одновременным варьированием цвета

На поверхности раствора появляются поверхностные волны (химические спиральные волны)

4. Динамика популяций хищников и их жертв - самоорганизация в биологии.

Неравновесные процессы с возникновением в системах упорядоченных структур - диссипативных структур. Самоорганизация не связана с особым классом веществ, но она существует лишь в специальных системах, удовлетворяющих условиям:

а) открытые системы, т.е. открытые для притока энергии (вещества) извне;

б) макроскопические системы, т.е. системы описываются нелинейными уравнениями.

Следует также отметить, что диссипативные структуры являются устойчивыми образованиями, и их устойчивость определяется устойчивостью внешнего источника энергии .

3. Самоорганизация диссипативных структур

Самоорганизующимися процессами называют процессы, при которых возникают более сложные и более совершенные структуры. Это определение позволяет выделить самоорганизацию как один из возможных путей эволюции и отнести этот процесс к условиям, далеким от термодинамического равновесия. Эволюция может приводить и к деградации. Так, в закрытых системах, когда движущая сила процесса - стремление системы к минимуму свободной энергии, достигаемое равновесное состояние является наиболее хаотическим состоянием среды. Если же эволюция системы контролируется минимумом производства энтропии (неравновесные условия), происходит самоорганизация динамических структур, названных диссипативными. К диссипативным структурам относятся пространственные, временные или пространственно-временные структуры, которые могут возникать вдали от равновесия в нелинейной области, если параметры системы превышают критические значения. Диссипативные структуры могут перейти в состояние термодинамического равновесия только путем скачка (в результате неравновесного фазового перехода). Основные их свойства следующие:

они образуются в открытых системах, далеких от термодинамического равновесия, в результате флуктуации до макроскопического уровня;

их самоорганизация происходит в результате экспорта энтропии;

возникновение пространственного или временного порядка аналогично фазовому переходу;

переход в упорядоченное состояние диссипативной системы происходит в результате неустойчивости предыдущего неупорядоченного состояния при критическом значении некоторого параметра, отвечающем точке бифуркации;

в точке бифуркации невозможно предсказать, в каком направлении будет развиваться система, станет ли состояние хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности.

Рассмотренные выше организационные процессы, ведущие к преобразованию систем, могут осуществляться в двух фор­мах: целенаправленной сознательной деятельности человека (организации) и самоорганизации.

Выделяются три типа процессов самоорганизации:

1) процессы, благодаря которым происходит самозарожде­ние организационной формы, т. е. возникновение каче­ственно нового целостного формирования из некоторой совокупности объектов определенного уровня;

2) процессы, поддерживающие определенный уровень организационной формы при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования.

3) процессы совершенствования и саморазвития организа­ционной формы, которые способны накапливать и ис­пользовать прошлый опыт.

Проблема самоорганизации стала интенсивно разраба­тываться в кибернетике, в частности, в работах Н. Винера, Дж. фон Неймана, У. Эшби и др. Эти авторы связывали само­организацию со свойством управления и делали акцент на про­блеме организации. Нетрудно убедиться, что самоорганизация здесь явно или неявно предполагает наличие либо внешнего агента (человека-организатора), либо цели, которая задается самоорганизующейся системе человеком.

Только в синергетике разработка проблемы самоорганиза­ции вносит новый вклад в развитие теории организации, рас­сматривая вопрос об организации вне связи с управлением и акцентируя внимание на проблеме связи понятий организации и самоорганизации, порядка и беспорядка, энтропии и инфор­мации.

Эта точка зрения, на наш взгляд, более продуктивна, так как, раскрывая содержание понятия «самоорганизация», мы обогащаем понятие «организация». Организацию можно по­нять и определить через самоорганизацию, но не наоборот. Вполне возможно, что многочисленные попытки построения общей теории организации до сих пор не имеют успеха, в том числе из-за недостаточного внимания к феномену самоорга­низации. Синергетика ставит перед собой задачу не только изучения данного феномена и максимизации (минимизации) синергетических эффектов, но и управления процессами са­моорганизации. Термин «управляемое развитие» должен быть ■ заменен термином «направляемое развитие».

Существует точка зрения, согласно которой в формирова­нии организационных форм роль внешней среды доминиру­ет, т. е. само возникновение материальных структур почти пол­ностью определяется внешними факторами, поэтому рассмат­ривать самоорганизацию лишь как внутреннее свойство системы в принципе неверно: самоорганизация невозможна без внешней среды.

Самоорганизация не является локальным процессом, про­текающим независимо от внешней среды. Но хотя самоорга­низация и зависит от типа внешней среды, от истории разви­тия и возможных форм ее реализации, хотя внешние условия играют важную роль в выборе поведения материальных си­стем, последнее невозможно объяснить, исходя только из внеш­них факторов как определяющих.

Самоорганизацию целесообразно подразделять на самоор­ганизацию естественных и самоорганизацию искусственных систем. Очевидно, что до появления человека существовала естественная самоорганизация в «чистом» виде. И сейчас та­кие процессы самоорганизации происходят в природе естест­венным путем. К самоорганизации искусственных систем от­носятся процессы, которые совершаются в самоорганизу­ющихся системах, созданных руками человека. Однако вполне очевидно, что природа процессов самоорганизации не зависит от типа систем, и естественные предпосылки ее возникнове­ния, а также формализованный аппарат описания самого про­цесса идентичны.

Следует отметить, что не только в искусственных, но и во многих естественных системах человек способен оказывать влияние на управляющие параметры и «стохастические» силы и этим в известной мере предопределять момент изменения состояния системы (точка бифуркации) и соответственно сце­нарий развития самоорганизующейся системы. В этом случае можно говорить о размывании границы между процессами организации и самоорганизации. По этой же причине, на наш взгляд, нельзя говорить и о противопоставлении понятий «организация» и «самоорганизация», как нельзя ни сводить соотношение между этими понятиями к формально-логиче­скому пониманию «шире - уже» (оно носит сложный харак­тер), ни противопоставлять их. Это два взаимодополняющих процесса. Примером тому может служить демографическая си­стема, в которой наиболее ярко проявляется диалектическое единство организации и самоорганизации.

Раскрытие принципов самоорганизации зависит от пони­мания и адекватного определения понятия самоорганизации. Как следует из литературных источников, самоорганизация - это понятие для обозначения процесса структурообразования в результате действия внутренних детерминантов при специ­фических внешних условиях. При этом причиной возникно­вения структур являются внутренние детерминанты, внутрен­ние свойства системы, внешние же условия (факторы) - всего лишь поводом.

Таким образом, многие авторы при определении понятия самоорганизации совершенно верно указывают в качестве определяющих внутренние причины, однако при этом игнорируют (или опускают как нечто несущественное) факт откры­тости системы для внешних инициирующих воздействий. Вместе с тем некоторые философы отдают предпочтение вне­шним детерминантам, т. е. считают, что роль внешней среды доминирует. В предложенном определении понятия самоорга­низации наблюдается сближение двух точек зрения, но имен­но такой подход к пониманию самоорганизации представля­ется наиболее перспективным.

Самоорганизация в синергетическом понимании - это процесс спонтанного образования высокоупорядоченных по времени и (или) в пространстве устойчивых структур в гетеро­генных открытых неравновесных динамических системах лю­бой природы вследствие внутрисистемных закономерностей при индуцировании внешними воздействиями.

Понятие самоорганизации тесно связано с более фундамен­тальными понятиями порядка и беспорядка. Проблема «поря­док - беспорядок» привлекает внимание исследователей раз­личных областей современной науки. Эти понятия, впервые возникшие в физике, используются для изучения широкого круга явлений не только в естественных, технических, но и в общественных науках, что говорит о необходимости последо­вательно развивать и уточнять представление о порядке и бес­порядке в структуре материи.

Понятия «порядок» и «беспорядок» наряду с понятием «са­моорганизация» являются ключевыми в синергетике, исследу­ющей не только процессы образования устойчивых макроско­пических структур в сложных неравновесных открытых дина­мических системах любой природы, как во времени, так и в пространстве, но и обратное явление - переход от упорядо­ченного состояния к хаосу. Самоорганизация и хаос, или, в более общем смысле, порядок и беспорядок, - это основ­ные структурные характеристики материи.

II. Системные свойства организации. (22.02.13)

Представление организации как системы позволяет выделить ряд присущих ей общих свойств .

К этим свойствам относятся: целостность, эмерджентность, гомеомтазис.

Любую организацию можно рассматривать как интегрированное целое, в котором каждый структурный элемент занимает строго определенное место.

Понятие целостности (связности, единства целого) неразрывно связано с понятием эмерджентности.

Эмерджентностью называется наличие качественно новых свойств целого, отсутствующего у его составных частей.

Организация, будучи целостным системным образованием, обладает свойством устойчивости , т.е. всегда стремится восстановить нарушенное равновесие, компенсируя возникающее под влиянием внешних факторов изменения. Указанное явление носит называние гомеомтазис.

III. Организация и управление

В организациях различного уровня можно выделить управляющую (субъект) и управляемую (объект) части, а также систему связей между ними, которые в целом нередко называют «система управления».

Управляющая и управляемая системы организации

Связь в системе управления – это то, что объединяет объект и субъект управления в единое целое.

Ее следует рассматривать как источник информации для выработки управляющего воздействия.

Через каналы связи движутся потоки информации, запитывающие все подсистемы организации и обеспечивающие достижение ее целей.

Понятие организация и управление соотносятся между собой , во-первых , управление, а именно управляющая система уже сама по себе организация, некое единое упорядоченное целое, состоящее из различных элементов, складывающихся определенным образом в сформировавшуюся структуру. Эта структура полностью обладает системными свойствами организации. Во-вторых , управление можно рассматривать как часть организации, выполняющую особую функцию по поддержанию в допустимых пределах отклонений системы от заданных целей. В-третьих , организация как процесс по упорядочению в организованных системах выступает в виде функций управления и с этой точки зрения является составной частью управления.

Подходы к изучению проблем организации

Организация как целостное явление может быть раскрыта лишь тогда, когда будет исследоваться нами в междисциплинарном аспекте, важнейшей особенностью которого является комплексный подход к изучаемому объекту.

Системный подход при исследовании свойств организации позволяет установить ее целостность, системность и организованность. Структура как внутренняя организация системы отражение ее внутреннего содержания выявляется как упорядоченность взаимосвязей ее частей, что в конечном итоге позволяет выразить ряд существенных сторон организации как системы.

Но для познания сущности организации надо знать не только, как она внутренне устроена, но и то, как она функционирует, т.е. раскрыть ее поведение, это можно сделать с помощью функционального подхода.

Функциональный подход дает возможность изучить проявление целенаправленности и активность деятельности организации, ее функции по отношению к системе более высокого уровня, взаимодействие рассматриваемой системы с другими объектами системного и несистемного порядка, зависимость между отдельными компонентами данной системы.

Системно-исторический подход предполагает рассмотрение любой организации во времени. Применение принципа историзма в исследовании организации позволяет проследить историю зарождения этих систем, выявить источники и предпосылки их возникновения, этапы развития, причины усложнения и расширения функций, структуры, перехода из одного качественного состояния в другое, выявить закономерности развития в будущем.

Самоорганизация. Общая характеристика процесса самоорганизация.

Процессы организации могут быть условно разделены на самоорганизуемое и смешанное. Самоорганизуемые процессы – это те процессы, которые совершаются сами по себе, благодаря взаимодействию тех или иных факторов в то время как организуемые кто-то или что-то осуществляет, направляет как бы волевым порядком.

Процессы самоорганизации - это процессы, в ходе которых что-то образуется, самовоспроизводится и самосовершенствуется. Отличительной их особенности является целенаправленный, но вместе с тем естественный спонтанный характер. Эти процессы протекают при взаимодействии с окружающей средой, в той или иной мере автономны, относительно независимы от нее.

Для описания самоорганизации используется Дарвиновская триада: изменчивость, наследственность, отбор.

В основе изменчивости лежат факторы стохастики и неопределенности. Изменчивость проявляется по-разному на всех этапах развития, одним из ее проявлений являются механизмы кооперативности, т.е. объединения элементов в новые системы или подсистемы.

Наследственность выражает то, что настоящее и будущее любого элемента не определяется, а зависит от прошлого. Степень зависимости от прошлого может быть разной и называется памятью системы.

Изменчивость создает поле возможностей развития той или иной системы, наследственность ограничивает это поле, а отбор выбранного реализуемого варианта развития определяется, прежде всего, правилами или принципами среди которых и законы сохранения.

Основной характеристикой самоорганизации любой системы, ее эволюции является необратимость , выражающаяся в саморазвитии систем и их определенной направленности. Кооперативные процессы как результат самоорганизации, как и формирование, и развитие новых структур является результатом действия случайных факторов. Началом любого развития служат случайные изменения , которые постепенно приводят к неустойчивости системы. Рынок в экономическом смысле это частный случай того рынка, который является естественным средством сопоставления качества различных форм организации, их отбраковки и основным фактором, определяющим развитие. Рынок – результат процесса самоорганизации, главное свойство которого поддерживать состояние условного равновесия и определенного порядка систем.