Проблема самоорганизации в процессе возникновения жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОБЛЕМА САМООРГАНИЗАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

жизнь развитие саморегуляция диссипативный

Рассматривая закономерности и механизмы саморегуляции живых систем, нужно затронуть и проблему самоорганизации. Несмотря на созвучность терминов и их кажущуюся однозначность, на самом деле они выражают альтернативные понятия. Саморегуляция означает поддержание стабильного состояния системы, ее гомеостаз на основе обратных отрицательных связей, тогда как самоорганизация - это необратимое изменение, развитие системы на основе обратных положительных связей. В соответствии с законами диалектики эти две противоположности взаимодействуют, дополняют друг друга, так что вместе обеспечивают процесс устойчивого развития биосистем.

В этой теме мы должны более основательно рассмотреть вопросы происхождения и исторического развития жизни на Земле, эволюцию живых форм, причины и движущие силы этих глобальных процессов. Ключевым понятием в проблеме эволюции сегодня выступает понятие самоорганизации как основы любого процесса развития. В кругу этих проблем на стыке интересов физики, химии, биологии, а также социологии и философии во второй половине XX века возникла новая наука синергетика (от греческого synergos - совместно действующий) - наука о самоорганизации физических, биологических и социальных систем.

До недавнего времени проблема эволюции жизни оставалась чисто биологической, так как еще в XIX веке эволюция в неживых системах понималась физиками иначе, чем в биологии. Обращаясь с системами закрытого типа, теплофизика считала, что их самопроизвольное изменение, то есть эволюция, протекает путем дезорганизации и разрушения систем. При этом доля свободной энергии, способной к совершению работы, в системе убывает, а энтропия системы - деградированная, отработанная энергия - растет и стремится к максимальному значению. Этот закон был сформулирован как второе начало термодинамики. Однако оказалось, что реальные системы в природе являются открытыми. Это означает, что они обмениваются с внешней средой веществом, энергией и информацией. При поглощении внешней энергии в них возникают процессы самоорганизации, усложнения материи, но при этом происходит диссипация (рассеяние) использованной энергии, которая становится непригодной к производству работы. Можно сказать, что открытая развивающаяся система производит энтропию, но не накапливает ее, а рассеивает во внешнюю среду. Таким образом, интерес ученых сместился к изучению открытых диссипативных систем и принципов их взаимодействия с внешней средой, так как в этом взаимодействии и виделся ключ к пониманию универсальных законов эволюции.

Диссипативные системы - способные к поглощению и диссипации энергии и поддерживающие за этот счет свою собственную структуру и самоорганизацию - существуют на разный уровнях организации материи. За счет солнечной энергии или энергии экзотермических химических реакций клетка строит из простых неорганических веществ сложные органические вещества, поддерживает свою целостность и развитие, тем самым противодействуя росту энтропии.

Оказалось, что диссипативные процессы самоорганизации происходят и в неживой природе. В 60-70-е годы XX века физиками открыты кооперативные резонансные процессы элементарных частиц в лазере, происходящие под действием внешнего света, а в химии открыты колебательные реакции, идущие по принципу «химических часов». Причем движущей силой самоорганизующихся реакций, пружиной химических часов может выступать такая незаметная на первый взгляд сила, как гравитационное поле Земли. Колебательная химическая система, названная брюсселятором, изучена отечественными учеными радиохимиком Б. П. Белоусовым и биофизиком А. М. Жаботинским. При свободном поступлении в такую систему химических субстратов и при наличии в ней катализаторов происходит реакция, продукты которой удаляются, освобождая место для поступления новой порции субстрата. Реакция идет по замкнутому циклу и в результате изменения концентрации реагирующих веществ сопровождается образованием характерных пространственных структур - в виде расходящихся колец на реакционной поверхности. Создается впечатление пульсирующей, «живущей» химической системы.

Теоретическое объяснение и математическую модель процессов самоорганизации диссипативных структур предложил бельгийский физико-химик И. Р. Пригожин, получивший в 1977 г. за эту работу Нобелевскую премию. Назовем основные положения синергетики, объясняющие механизм самоорганизующихся процессов.

1. Самоорганизующаяся система должна быть открытой - доступной для обмена веществом, энергией и информацией с внешней средой.

2. Система должна быть неравновесной, то есть находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия (точка дезорганизации с максимальной энтропией), так как вблизи этой точки наступает необратимое скатывание к равновесному состоянию.

3. Образование нового порядка через флуктуации. В системе всегда возникают флуктуации - случайные отклонения от среднего положения. По законам саморегуляции они устраняются, но при достаточной неравновесности системы за счет свободной энергии отклонения усиливаются, наступает момент бифуркации - переломная точка в развитии системы, за которой возможно устойчивое отклонение от прежнего состояния. Прежний порядок исчезает, возникает и закрепляется новый порядок элементов в системе.

4. Самоорганизация ведет к новому порядку согласно принципу обратной положительной связи, по которому отклонения в системе не устраняются, а напротив, закрепляются и усиливаются.

5. Самоорганизация ведет к нарушению симметрии - структура и свойства системы до и после точки бифуркации не симметричны, то есть различаются в следствие необратимости процессов развития.

6. Самоорганизация возможна при некотором критическом количестве элементов в системе, достаточном для возникновения их кооперативного поведения. Путь к новому качеству возможен через изменение количества.

Разумеется, здесь приведены лишь самые необходимые условия самоорганизации. В зависимости от уровня сложности развивающихся систем, могут появляться и другие, частные факторы, необходимые и достаточные для полноценной эволюции. Наша дальнейшая задача - найти эти факторы в процессах исторического развития жизни на Земле. И первый вопрос - о происхождении жизни как таковой.

В заключение этого раздела подведем некоторые итоги рассмотрения концепции единства процессов самоорганизации и управления в разных областях знания: физике, биологии, математике и социологии.

Начнем с физики. Нас окружает мир разнообразных структур естественного и искусственного происхождения, взаимодействие между отдельными элементами которых наполнено глубоким смыслом, во многом еще непознанным человеком. Как говорил Поль Валери, « наш мир беспорядочно усеян упорядоченными структурами». Каковы закономерности, упорядочивающие эти структуры, - именно в этом и состоит ключевой вопрос современной науки, ответ на который и является основной задачей синергетики - науки о самоорганизации сложных систем. Еще совсем недавно идея самоорганизации, т.е. саморождения структур из окружающего хаоса, представлялась противоречащей известным физическим принципам. Но оказалось, что даже в мире неживой природы в результате притока внешней энергии могут возникать новые упорядоченные структуры, причем, процессы образования этих структур подчиняются общим закономерностям. Такого рода утверждения, внешне противоречащие известным канонам физики, разумеется, вызывают протест адептов классического естествознания. Но такова суть вещей - в мире протекают интенсивные процессы самоорганизации систем разной природы. В отличие от классической физики, которая в основном занималась изучением поведения отдельных элементов в составе общей системы, синергетика - наука о взаимодействии основное внимание уделяет общим законам, на основе которых формируются структуры систем. Классическая же наука, как пишет Г. Хакен, «долгое время была занята лишь вопросами строения - но не возникновения! - структур, существующих вокруг нас. …Наука должна объяснить природу самозарождения и развития структур - иными словами, суть процессов самоорганизации». Классическая наука при изучении структур систем и протекающих в них процессов применяла в основном способ редукции - «разложения» изучаемой системы на элементарные составляющие. Более того, сама наука подверглась подобному разложению - на физику, химию, математику, социологию, психологию и т.д. Синергетика же, в первую очередь, занимается проблемой взаимодействия друг с другом отдельных элементов, формирующих соответствующую структуру системы. Ключевая задача синергетики состоит в выявлении единых законов самоорганизации, позволяющих понять механизмы возникновения структур в царящем вокруг нас мире разнообразия. Это - сверхсложная задача современной науки.

Далее очень кратко о биологии. В биологической науке издавна ставился ключевой вопрос: противоречат ли биологические структуры базовым законам физики, являющейся основой естествознания? В настоящее время наука показала, что биологические процессы в принципе могут быть описаны физическими законами. Однако это вовсе не означает, что биология сводится лишь к физике и это, в первую очередь, относится к фундаментальной проблеме самозарождения жизни. Дело в том, что основополагающие законы физики, в частности термодинамики, утверждают, что наш мир неизбежно скатывается к хаосу, т.е. все упорядоченные структуры в конечном итоге должны распасться. Жизнь с точки зрения термодинамики является, как иронично говорил И. Пригожин, «своего рода иллюзией», иначе говоря, в этом кардинальном вопросе физика зашла в тупик! Указанная сложнейшая проблема о возникновении жизни всегда волновала и волнует не только биологов, но и науку, в целом. Недавно академик РАН Э. Галимов попытался дать свой ответ на сложнейший вопрос о происхождении жизни. В его докладе «Современные концепции происхождения жизни» на семинаре в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева он выдвинул свою концепцию, представленную в газете «Поиск» как новое выдающееся достижение науки (см. Д. Мустафин «Прародитель - углерод? Жизнь на Земле появилась не случайно, газета «Поиск», №45-46 от 14 ноября 2008 г.). Концепция Э. Галимова, как утверждает автор указанной статьи, «основана на нетрадиционном рассмотрении процесса производства упорядочения в рамках линейной неравновесной термодинамики. По его мнению, любое устойчивое развитие требует аттрактора - такого состояния, когда система самостоятельно возвращается в то положение, из которого она была выведена… Равновесное состояние (максимум энтропии, минимум энергии) является аттрактором (?). Существование аттрактора делает упорядочение в стационарной системе сопряженных реакций таким же устойчивым процессом, каким является разупорядочение в изолированной системе, следующее из второго начала термодинамики. Сформулированная академиком Галимовым модель позволяет по-новому взглянуть на химические формы начальной эволюции… Химическое упорядочение возникает, когда ограничивается свобода взаимодействий. В природе, как утверждает Э. Галимов, нет органических соединений, более эффективно осуществляющих упорядочение посредством селективного катализа, чем аминокислотные цепочки - пептиды. В рамках этой концепции становится понятной логика возникновения генетического кода. В таком случае генетический код - это не некий источник информации, а всего лишь обходной маневр, позволяющий неспособным к размножению аминокислотным последовательностям последовательно развиваться по пути упорядочения, используя уникальную способность нуклеиновых кислот к самокопированию. Таким образом, именно генетический код, способность к самокопированию, устойчивое упорядочение и АТФ-зависимый механизм лежат, по утверждению Галимова, в основе появления живых организмов… Появление жизни на Земле предопределено самой природой, тем, как она устроена». Далее в указанной статье утверждается, что «концепция устойчивого упорядочения и АТФ-зависимый механизм происхождения жизни, которые предлагает академик Галимов, возвышаются над всеми материалистическими теориями происхождения жизни (!), потому, что в их основе лежит не случай, не случайно происходящие «большие взрывы», а закономерные процессы, согласующиеся с термодинамическими законами».

Не вдаваясь в конкретную биолого-термодинамическую суть изложенной выше концепции происхождения жизни, выдвинутой Э. Галимовым, заметим следующее: во-первых, вызывает сомнение, чтобы равновесное состояние биологической системы с максимумом энтропии являлось аттрактором - притягивающим множеством; по меньшей мере это основополагающее положение концепции Э. Галимова звучит парадоксально с точки зрения синергетики - теории самоорганизации; и, во-вторых, указанное положение о роли аттрактора в формировании соответствующей системы, в том числе и биологической, - это, вообще говоря, довольно общее место из синергетики. Синергетика утверждает, что в мире как живой, так и косной природы, возникают структуры, которые могут существовать лишь в результате постоянного притока энергии извне. Это т.н. «открытые системы», на которые, вообще говоря, не распространяется принцип Больцмана, т.е. максимального роста энтропии, и, следовательно, неизбежного распада систем. Именно в результате достижения определенных критических величин поступающей энергии и возникают новые структуры - аттракторы. Этим общеизвестным соображениям, вообще говоря, противоречит концепция Э. Галимова. Возможно, конечно, что автор статьи в газете «Поиск» был неточен в изложении указанной концепции самозарождения жизни. Справедливости ради отметим, что некоторые современные авторы (например, С.Д. Хайтун и др.) даже утверждают о том, что рост энтропии вовсе не разрушает систему, а упорядочивает ее структуру. По поводу подобного рода толкований о росте энтропии, как основном законе термодинамики и статистической физики, Г. Хакен пишет: «Единственный выход из этого тупика многим виделся в том, чтобы рассматривать возникновение в природе упорядоченных структур и состояний как некую грандиозную флюктуацию… Идея была поистине абсурдной…». Очевидно, что проблема возникновения жизни - это суперпроблема всех времен, а ее решение, возможно, находится за пределами нашего разума.

Теперь кратко коснемся важного вопроса о том, каким образом математика - «царица наук» справляется с современной проблемой самоорганизации сложных систем. В начале 60-х годов XX в. в мировой науке произошла сенсация: неожиданно были открыты т.н. «странные аттракторы» и «фрактальная размерность» в моделях нелинейных динамических систем, описываемых обыкновенными нелинейными дифференциальными уравнениями 3-го порядка. Особая роль в этой сенсации принадлежит знаменитой модели Лоренца, которая более 40 лет царствует и правит в мире нелинейной динамики, ей посвящены многие монографии и сотни статей. Флагманская роль модели Лоренца в современной нелинейной науке объясняется чрезвычайной сложностью ее динамики и необычностью поведения при малейшем изменении т.н. «управляющего параметра». Известный американский математик С. Смейл даже отнес проблему изучения структуры модели Лоренца к одной из главных проблем математики XXI века. Указанная проблема трудно разрешима и требует привлечения новых математических подходов. Из-за «странности» поведения модели Лоренца в зависимости от значений ее параметров в литературе рассматриваются разные типы размерности этой модели - фрактальная, хаусдорфова, ляпуновская и топологическая. В многочисленной литературе «доказывается», что фрактальная и хаусдорфова размерности модели Лоренца примерно равны 2,05 (?!), иначе говоря, размерность модели Лоренца оказывается, как утверждают многие авторы, нецелочисленной и зависящей от ее параметров. Такое утверждение вызывает удивление. Дело в том, что обычная топологическая размерность, как известно, от постоянных параметров системы не зависит, а определяется только размерностью дифференциальных уравнений, описывающих поведение соответствующей системы. Кроме того, как показано в наших работах, при введении определенной зависимости между параметрами модели Лоренца, ее размерность всегда будет совпадать с топологической. Иначе говоря, возникает своего рода математическое противоречие. В этой связи процитируем авторов известной монографии (Магницкий Н.А., Сидоров С.В. Новые методы хаотической динамики. -М.: Эдиториал УРСС, 2004), в которой наиболее тщательно аналитически и численно исследована модель Лоренца. Они пишут: «Обнаруженное в непрерывных динамических системах нерегулярное, хаотическое поведение траекторий стали связывать с наличием в системе «странного аттрактора». Однако доказательство этого факта непосредственно для знаменитой системы Лоренца, в которой впервые было обнаружено нерегулярное поведение траекторий, столкнулось со значительными трудностями… Многочисленные попытки в течение длительного времени обосновать методами геометрической теории динамических систем наличие странного аттрактора в окрестностях петель сепаратрис «седло - узла» и «седло - фокуса» в системе Лоренца закончились неудачей. Более того, задача показать, совпадает ли поведение решении системы Лоренца с динамикой геометрического аттрактора Лоренца была сформулирована С. Смейлом как одна из 18 наиболее значительных математических проблем XXI века… В системе Лоренца на самом деле нет ни перемежаемости, ни перехода к хаосу через перемежаемость, а всего лишь вследствие погрешностей в вычислениях имеет место перескок траектории с одного фрагмента устойчивого цикла на другой его фрагмент, близко расположенный к нему в фазовом пространстве… За прошедшие сорок лет исследование системы Лоренца было выполнено многими авторами, результаты опубликованы в много численных статьях и монографиях, вошли в учебные пособия и университетские курсы, однако полной ясности в том, что из себя представляет аттрактор Лоренца, так и не наступило. Весь этот многолетний научный шум в отношении «странности» аттрактора Лоренца, его фрактальной размерности и т.п. может, похоже, оказаться лишь плодом вычислительной погрешности продуктом информатики! Неужели математика и в самом деле стала очередной жертвой компьютерной сенсации? Возможно, что здесь наука натолкнулась на аналог «квантового предела», который она пока не в состоянии понять… Другим широко известным парадоксом, перед которым математика пасует еще с IXX века, является задача исследования динамики трех тел, гравитационно взаимодействующих друг с другом.

Таким образом, можно сказать, что математика - «царица наук» не может пока «справиться» с простыми, на первый взгляд, моделями Лоренца, динамики трех тел и др. Фактически это означает конец «эры анализа» классической науки. Очевидно, что нужна новая математика.

В заключение, краткий итог рассмотрения концепции единства процессов самоорганизации и управления. Идея о взаимодополняемости категорий самоорганизации и управления издавна присутствовала в мировоззренческих парадигмах не только науки, но и общества, но только в последнее время в результате бурного развития синергетики эта идея стала играть первоочередную роль. Однако между самоорганизацией и управлением имеется и определенное противоречие. Покажем это на примере краткого рассмотрения проблемы самоорганизации общества. Еще со времен Адама Смита получило распространение положение о примате процессов спонтанного установления порядка в социально-экономических системах. Это положение получило развитие в последние десятилетия в результате гипертрофированного представления о роли рынка как механизма саморегулирования экономики. Другая крайность, связанная с марксистским учением и получившая практическую реализацию в СССР, - это преимущественная ориентация в социальной науке на сознательное упорядочение происходящих в обществе процессов, т.е. посредством жесткого управления. Являются ли в действительности самоорганизация, с одной стороны, и управление - с другой, такими противоположностями или они могут сопрягаться в едином гармоничном процессе - это фундаментальная проблема современной науки о сложных системах. Подчеркнем, что проблема соотношения процессов самоорганизации и государственного управления с особой остротой проявилась в последнее время в связи с мировым финансовым кризисом. Именно эту проблему и пытались решить лидеры 20 стран на Вашингтонском саммите в октябре 2008 г. При этом Россия и Европа (в первую очередь, Франция и Германия) настаивали на увеличении доли государственного управления финансовыми потоками, а США были более сдержаны в этом важном вопросе, все еще уповая на всесильную роль самоорганизующегося рынка.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арнольд А. И. Теория катастроф. М., 1990.

2. Бородкин Л.И. «Порядок из хаоса»: концепции синергетики в методологии исторических исследований // Новая и новейшая история, 2003.

3. Хакен Г. Синергетика. М., 1985.

4. Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. -- М., 1999.

5. Василькова В.В. Порядок и хаос в развитии социальных систем: Синергетика и теория социальной самоорганизации. СПб.: Изд-во «Лань», 1999.

6. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1996.

7. Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

Размещено на Allbest.ru