Типы процессов самоорганизации. Самоорганизация - это процесс упорядочения
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.
Самоорганизация в самом общем понимании означает самодвижение, самоструктурирование, самодетерминацию (самовозникно- вение) природных, естественных систем и процессов. Обычно в качестве примера, иллюстрирующего предложенную схему самоорганизации, приводят процесс кристаллизации. «На входе» - хаотично распределенные в жидкости атомы, «на выходе» - кристалл, т.е. система объединенных связями атомов, образующих однозначную стабильную структуру. Процесс формирования системы-кристалла происходит с абсолютным выполнением условия без рулевого (без управления) - его структура определяется исключительно свойствами элементов-атомов, а процесс кристаллизации начинается спонтанно и проходит без какого-либо внешнего формообразующего вмешательства при определенных благоприятных условиях. Самоорганизацию кристаллов можно рассматривать как частный случай самопроизвольного образования систем из атомов химических элементов, т.е. все химические реакции, в результате которых образуются молекулы (структурированные системы атомов), можно рассматривать как примеры чистой самоорганизации.
Самоорганизация материальных систем в XXI в. становится одной из центральных проблем науки, решение которой берет на себя научная дисциплина - синергетика. Закономерности явлений самоорганизации, открываемые синергетикой, распространяются на все материальные системы.
Г. Хакен и И. Пригожин делают акцент прежде всего на процессуальное™ материальных систем. Все процессы, протекающие в различных материальных системах, как уже говорилось, могут быть разделены на циклические и хаотические. Основными характеристиками циклических процессов являются равновесность и линейность; главными характеристиками хаотических процессов, в которых проявляется способность к самоорганизации и возникновению диссипативных, т.е. спонтанно возникающих, структур, - неравновес- ность и нелинейность. Природные процессы принципиально неравновесны и нелинейны; именно такие процессы синергетика рассматривает в качестве предмета своего изучения.
Постулирование универсальности неравновесных и нелинейных процессов позволяет ей претендовать на статус общеметодологической дисциплины, сопоставимой с теорией систем и кибернетикой .
Возникновение синергетики знаменует начало новой научной революции, поскольку она не просто вводит новую систему понятий, но меняет стратегию научного познания, способствует выработке принципиально новой научной картины мира и ведет к новой интерпретации многих фундаментальных принципов познания. Суть предлагаемых изменений в стратегии научного познания, по мнению основателей новой науки, заключается в следующем. Традиционная наука в изучении мира делала акцент на замкнутых системах, обращая особое внимание на устойчивость, порядок, однородность. Синергетический подход акцентирует внимание ученых на открытых системах, неупорядоченности, неустойчивости, неравновесности, нелинейных отношениях.
По мнению И. Пригожина, синергетический взгляд на мир ведет к революционным изменениям в нашем понимании случайности и необходимости, необратимости природных процессов, позволяет дать принципиально новое истолкование энтропии (меры беспорядка) и радикально меняет наше представление о времени.
Если предполагается, что именно неравновесность является естественным состоянием всех процессов действительности, то естественным оказывается и стремление к самоорганизации как свойству, характерному для неравновесных процессов .
Можно утверждать, что именно синергетика в настоящее время является наиболее общей теорией самоорганизации. Она формулирует общие принципы самоорганизации, действительные для всех структурных уровней.
Проблемность позиции прошлых лет состоит в том, что мы хотели, чтобы ПС вела себя так, как живая система, но продолжали обращаться с ней, как с машиной. Настало время менять организационные представления. Организация отныне - это живая, действующая система. Все живые системы имеют такое свойство, как самоорганизация, т.е. свойство поддержания себя и совершенствования в необходимом порядке, они могут осмысленно измениться, они строят и перестраивают себя в адаптивные модели и структуры без дополнительно вводимых планов и какого-либо вмешательства. Самоорганизующиеся системы обладают способностью к непрерывному реагированию на перемены, что желал бы для себя каждый руководитель. В таких системах перемены являются движущей силой, а не угрозой. Экспериментирование выступает как норма.
Изучением систем, состоящих из большого числа частей, взаимодействующих между собой тем или иным способом, занимались и продолжают заниматься многие науки. Одни из них предпочитают делить систему на подсистемы, чтобы, изучая отдельные части, пытаться строить более или менее правдоподобные гипотезы о структуре или функционировании системы как целого. Другие изучают систему как единое целое, предавая забвению тонко настроенное взаимодействие частей. И тот, и другой подходы обладают своими преимуществами и недостатками.
Синергетика наводит мост через пропасть, отделяющую первый редукционистский подход от второго холистического. К тому же в синергетике, своего рода соединительном звене между этими двумя экстремистскими подходами, рассмотрение происходит на промежуточном уровне, и макроскопические проявления процессов, происходящих на микроскопическом уровне, возникают «сами собой», вследствие самоорганизации, без руководящей и направляющей «руки», действующей извне системы. Это обстоятельство имеет настолько существенное значение, что синергетику не зря определяют как науку о самоорганизации.
Редукционистский подход - это упрощение, сведение сложного к более простому, обозримому, понимаемому, более доступному для анализа, с основным акцентом на деталях (частях системы), сопряженное с необходимостью обработки, зачастую непосильной для наблюдателя, даже вооруженного сверхсовременной вычислительной техникой, объема информации о подсистемах, их структуре, функционировании и взаимодействии. Поэтому при этом подходе осуществляется сжатие информации до разумных пределов различными способами. Вместо большого числа факторов, от которых зависит состояние системы (так называемых компонент вектора состояния), синергетика рассматривает немногочисленные параметры порядка, от которых зависят компоненты вектора состояния системы и которые, в свою очередь, влияют на параметры порядка.
В переходе от компонент вектора состояния к немногочисленным параметрам порядка заключен смысл одного из основополагающих принципов синергетики - так называемого принципа подчинения (компонент вектора состояния параметрам порядка). Обратная зависимость параметров порядка от компонент вектора состояния приводит к возникновению того, что принято называть круговой причинностью.
Существование циклической и хаотической форм динамического развития социально-экономических систем представляет собой тот механизм, при помощи которого происходит его самоорганизация и организация.
Синергетика занимается исследованием процессов самоорганизации в системах разной природы, динамикой взаимопереходов через границу «порядок-хаос».
В соответствии с базовыми положениями синергетики ее отличительной особенностью является стихийная самоорганизация, а истинный смысл возникающих при этом кооперативных процессов заключен во внутренних причинах во многом непредсказуемой самоорганизации систем. Это причинный способ самоорганизации , открытие которого позволило Г. Хакену, И. Пригожину и представителям их школ добиться выдающихся результатов в исследовании кооперативных явлений в системах различной природы.
Однако помимо причинного в нелинейных системах следует различать и целевой (направленный) способ самоорганизации.
Самоорганизация - способность тех или иных систем к саморазвитию, самозарождению, с использованием при этом не только и не столько притока энергии, информации, вещества извне, сколько возможностей, заложенных внутри системы, т.е. своего внутреннего потенциала.
Система называется самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-либо пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизации система испытывает неспецифическое воздействие .
Сказанное можно дополнить следующим определением: «Самоорганизация - целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы».
Рассмотрим содержание развернутого определения самоорганизации:
- объектами исследования являются открытые системы, характеризуемые интенсивным обменом веществом и энергией между подсистемами и между системой с ее окружением;
- внешняя среда - совокупность составляющих ее (среду) объектов, находящихся в динамике. Взаимодействие исследуемых объектов в среде характеризуется как контактное взаимодействие;
- различаются процессы организации и самоорганизации. Общим признаком для них является возрастание порядка вследствие протекания процессов. Организация в отличие от самоорганизации может характеризоваться, например, образованием однородных стабильных статических структур;
- результатом самоорганизации становится возникновение, взаимодействие, а также взаимоСОдействие (например, кооперация) и, возможно, регенерация (восстановление, возрождение) динамических объектов (подсистем), более сложных в информационном смысле, чем элементы (объекты) среды, из которых они возникают;
- направленность процессов самоорганизации обусловлена внутренними свойствами объектов (подсистем) в их индивидуальном и коллективном проявлении, а также воздействиями со стороны среды, в которой находится система;
- поведение элементов (подсистем) и системы в целом существенным образом характеризуется спонтанностью - акты поведения не являются строго детерминированными;
- процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду. Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникший ранее в результате процесса организации. Например, при переходе к командной форме организации труда старые структуры распадаются. Приведенное развернутое определение является необходимым шагом на пути к конкретизации содержания, которое относится к синергетике, и выработке критериев для создания самоорганизующейся среды.
Мы живем в мире, по сути, самоорганизованном, что очень четко просматривается во время катастроф, когда люди и ресурсы организуются для скоординированной и целевой работы без предварительного планирования. Такое произвольное поведение позволяет быстро и эффективно оказывать помощь на месте происшествия задолго до появления официальных служб по оказанию помощи.
Вхождение сложной системы в режим порядка - это уникальная способность живой системы строить, перестраивать и совершенствоваться. Чтобы этот процесс был постоянным и эффективным, отдельные индивиды должны обладать информацией о состоянии объекта, которая позволяет им согласовать свою работу с этой информацией. Так члены группы налаживают взаимодействие между собой. Каждый определяет свое поведение на основании полученной информации от наблюдения за ближними и на основании знания конечной цели. Из подобных элементарных условий возникает работающее общество. В этом случае самоорганизация образуется по принципу от частного взаимодействия к глобальному.
Ничто не является запланированным, непредсказуемые формы поведения возникают из взаимонаблюдения. Стаи птиц, косяки рыб, рой насекомых, пробки на дорогах - все это выглядит хорошо синхронизированным и высокоупорядоченным. Эти потоки не управляются никем, но здесь действуют несколько определенных правил, которые управляют согласованной реакцией. В этих примерах самоорганизации в природе многое нас поражает.
Могут ли социально-экономические системы быть более самоор- ганизованными? Каковы условия для самоорганизации?
Сложные системы возникают из элементарных условий. Элементарная часть (человек, предметы и средства труда) входит в состав более крупной подсистемы. Поэтому сложные организации могут основываться на изначальной простоте.
В дальнейшем организации принимают различные формы, но все они берут начало от примитивных условий. Объединение элементарных частей приводит к усложнению систем, к их развитию. Совокупность взаимосвязанных элементарных частей со временем приобретает форму, структуру. Информация фиксируется, перерабатывается, передается. Из этой бесхитростной динамики появляются разнообразные по своей структуре организации.
Способность системы к организационным изменениям определяется как освоение фирмой новых идей и моделей поведения. В этом случае организационные изменения вносят в систему беспорядок, хаос. Не внеся в организацию беспорядок, нельзя заставить живую систему меняться.
Основу явлений самоорганизации составляют процессы формирования порядка и хаоса. И порядок, и хаос формируются как результат проявления законов самоорганизации.
Самоорганизация является ключевым понятием для понимания сущности синергетики. Синергетику и определяют как науку о самоорганизации или, более развернуто, о самопроизвольном возникновении и самоподдержании упорядоченных временных и пространственных структур в открытых нелинейных системах различной природы. Таким образом, синергетика - теория самоорганизующихся динамических, открытых, нелинейных систем.
На основе многочисленных исследований были сформулированы условия самоорганизации систем (табл. 3.2):
Таблица 3.2
Самоорганизация систем в природе и обществе
|
Признаки |
||
|
Самоорганизация |
Способность систем к саморазвитию, самозарождению с использованием при этом не только и не столько притока энергии, информации, вещества извне, сколько возможностей, заложенных внутри системы, т.е. своего внутреннего потенциала |
|
|
Механизм самоорганизации |
Существование циклической и хаотической форм динамического развития социально-экономических систем представляет собой тот механизм, при помощи которого происходит его самоорганизация и организация |
|
|
Условия самоорганизации |
|
|
|
Основа самоорганизации |
Процессы формирования порядка и хаоса |
открытость систем. Открытой называют систему, которая постоянно осуществляет ввод и вывод вещества, энергии и информации в среду. При этом надо учитывать, что открытость - понятие относительное и что «абсолютную открытость», как и «абсолютную закрытость», трудно себе представить. Поэтому всегда, когда речь идет об открытости или закрытости любой системы, подразумевается определенная преобладающая тенденция, а если бы появилась возможность существования абсолютно открытой системы, то она утеряла бы свою целостность.
Условие открытости для самоорганизации системы является необходимым, но недостаточным;
нелинейность систем. Синергетика изучает нелинейные процессы. Это означает, что возможен переход системы из одного устойчивого состояния в другое.
Итак, самоорганизующаяся система способна сама регулировать, поддерживать, изменять свое состояние благодаря открытости и нелинейности;
- неравновесность и необратимость процесса эволюции и развития систем, который протекает с изменениями энтропии. Объясняется это тем, что равновесный процесс протекает медленно через весьма близкие друг другу равновесные состояния, что не способствует эволюции системы, так как энтропия остается неизменной. В неравновесных процессах система проходит через неравновесные состояния, характеризующиеся неоднородностью свойств и характеристик в частях системы. Неравновесные процессы необратимы;
- продолжительность процесса эволюции системы. Это условие самоорганизации обусловлено тем, что результаты деятельности системы, например коллектива предприятия, проявляются через такие критерии, как производство, рынок, деньги, только в течение длительного времени.
- целенаправленная организация, согласованное действие элементов системы, адаптированное на воздействие внешней среды.
Случайные отклонения параметров развития от их среднего значения (флуктуации) накапливаются и постепенно приводят систему в неустойчивое состояние. Открытость, неравновесность, необратимость и нелинейность систем может привести к разрушению прежней структуры (дезорганизации) и созданию нового спонтанного пространственно-временного порядка (самоорганизации).
Самоорганизующиеся системы обладают способностью оптимальным образом изменять свои параметрические характеристики, структуру функциональных отношений в целом в соответствии с изменяющимися внешними условиями и так, чтобы энтропия системы или уменьшалась, или оставалась неизменной, либо, в худшем случае, росла медленно. Они совершенствуют функциональные отношения между составляющими их частями, другими системами и внешней средой.
В самоорганизующихся социально-экономических системах процесс развития спонтанно направлен на повышение производительности труда и качества продукции, на повышение результативности производства при одновременном снижении уровня расходования энергии и вещества.
Динамика самоорганизующихся систем на длительную перспективу труднопредсказуема. Однако в их развитии, как бы ни менялись условия, функциональные процессы всегда направлены на самосохранение, самовоспроизведение, улучшение режима развития, уменьшение энтропии.
Для самоорганизующихся систем на любой наперед заданный момент времени уровень их организованности, упорядоченности повышается при заданных условиях развития.
Самоорганизующиеся системы развиваются за счет действия двух типов потоков вещества, энергии и информации противоположной созидательной направленности: поток вещества и энергии, формирующий систему, всегда порождает поток обратного действия. Более того, системы не могут нормально развиваться в отсутствие дезорганизующего потока. Их диалектическое противоречивое единство и обусловливает формирование и развитие саморегулирующихся целостностей. Этим же единством определяется формирование новых путей развития системы как результата взаимодействия этих разнонаправленных потоков.
Предпринимательские структуры, осуществляющие деятельность путем самоорганизации, саморегулирования проявляют большую стойкость, выживаемость и рентабельность, чем организации, регулируемые извне.
Частная фирма по своей природе является саморегулируемой системой. Наличие автоматически действующего механизма саморегулирования на уровне каждой фирмы составляет основу механизма саморегулирования экономики в целом. Государственное же регулирование лишь дополняет его. При этом если к системам, способным к саморегуляции, постоянно применять административно-командные методы - это приведет к потере потенциала и невозможности эффективного развития.
Если в организации царит однородность, равновесие, покой, то там нет подлинного развития. Длительное пребывание организации в таком состоянии ведет к дезорганизации и разрушению.
Чем больше у системы степеней свободы, тем более она способна к самоорганизации, самоусложнению и саморазвитию, повышению уровня упорядоченности и эффективности ее функционирования. В этом выражается значение формулы «порядок через хаос».
В любой ПС существует определенная доля непредсказуемости, доля энтропии. В процессе самоорганизации происходит непрерывное разрушение существующих структур (станочного парка, кадрового состава, применяемых материалов, выпускаемой продукции и т.п.), что приводит к возникновению новых. Темпы процесса разрушения старых структур имеют тенденцию к ускорению. Первичным в этом процессе является ускорение темпов обновления номенклатуры выпускаемой продукции. Многие предприятия за несколько лет полностью обновляют свой портфель заказов. Высокие темпы обновления номенклатуры выпускаемой продукции требуют адаптации других структурных образований в еще более ускоренном, опережающем темпе. Это требование относится, например, к структуре станочного парка, применяемым материалам, квалификации кадров и др.
Процесс эволюции состоит как в совершенствовании новых структур, так и (в большей степени) в замене стабильных структур более стабильными, т.е. более приспособленными к изменившимся условиям.
Появление новых структур - следствие стохастического начала. Закрепление новых структур происходит вследствие их конкуренции, т.е. отбора. Таким образом, поддержание стабильности экономической системы происходит не столько из-за стабильности элементов системы, сколько из-за выбывания менее совершенных элементов и их замещения новыми, возникшими в процессе самоорганизации. Замена одних элементов системы другими, более приспособленными к изменяющейся обстановке, происходит непрерывно.
Среди этих новых форм организации появляются более сложные, которые требуют для своего описания больших объемов информации: рост разнообразия сопровождается и ростом сложности.
Процесс самоорганизации, несмотря на его стихийность, обладает направленностью: растут разнообразие форм организации, сложность структур, объем информации, с помощью которой они могут быть описаны. Рынок выступает в качестве сложнейшей иерархически организованной системы непрерывных отбраковок старых и замещений новыми, непрерывно рождающимися структурами.
Таким образом, в последние годы наряду с организацией и управлением все большую роль и значение приобретает самоорганизация, точнее, взаимодействие ее механизма с механизмами организации и управления.
Введение
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.
Таким образом, диссипативные структуры - это высокоупорядоченные самоорганизующиеся образования в системах, далеких от равновесия, обладающие определенной формой и характерными пространственно-временными размерами, они устойчивы относительно малых возмущений. Важнейшие характеристики диссипативных структур - время жизни, область локализации и фрактальная размерность. Диссипативные структуры отличаются от равновесных тем, что для своего существования они требуют постоянного притока энергии извне, так как по определению, их самоорганизация связана с обменом энергией и веществом с окружающей средой.
Под диссипативной системой понимают систему, полная механическая энергия которой при движении убывает, переходя в другие формы, например в тепло. Соответственно диссипация энергии есть переход части энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, а в конечном итоге - в теплоту.
Процесс перехода "устойчивость-неустойчивость-устойчивость" следующий. Первоначально устойчивая диссипативная структура, достигая в процессе эволюции системы порога неустойчивости, начинает осциллировать, а возникающие в ней флуктуации приводят к самоорганизации новой, более устойчивой на данном иерархическом уровне диссипативной структуры.
Одним из типичных примеров самоорганизации диссипативных структур является переход ламинарного течения жидкости в турбулентное. До недавнего времени он отождествлялся с переходом к хаосу.
Таким образом, гидродинамическая неустойчивость при переходе ламинарного течения в турбулентное связана с образованием динамических диссипативных структур в виде вихрей .
Разработкой теории самоорганизации занимаются несколько научных дисциплин:
1. Термодинамика неравновесных (открытых) систем.
2. Синергетика.
Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.
В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.
Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду.
Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникшей ранее в результате процесса организации.
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2004.
2. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2006.
3. Моисеев Н. Экология М.: Молодая гвардия, 1988.
4. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1984.
5. Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории. М.: Наука, 1966.
Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2006. С. 122.
Моисеев Н. Экология М.: Молодая гвардия, 1988. С. 141.
Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории. М.: Наука, 1966. С. 104-105.
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2004
Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1984. С. 180.
При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет взаимодействия с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость предшествующего неупорядо-ченного состояния, возникают крупномасштабные флуктуации, которые могут возрасти до макроскопического уровня. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы. Такое явление получило название самоорганизации. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами .
Рассмотрим свойства систем, в которых возможны подобные процессы.
Для развития процессов самоорганизации система должна быть открытой , т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой. Изолированная система, согласно второму началу термодинамики, эволюционирует к состоянию с максимальной энтропией, т.е. максимальной дезорганизацией. В открытых системах ключевую роль могут играть случайные факторы.
Открытая система должна находиться достаточно далеко от состояния термодинамического равновесия, т.е. быть неравновесной . В этом случае система может приспосабливаться к своему окружению различными способами, поэтому при одних и тех же значениях параметров возможно несколько различных решений. Отклонение от равновесия должно превышать некоторое пороговое значение.
Неравновесная система способна избирательно воспринимать различия во внешней среде. На ее эволюцию могут оказать значительное влияние более слабые взаимодействия, нежели более сильные, если первые окажутся адекватными собственным тенденциям системы (например, явление резонанса). Такие системы называются нелинейными, их поведение описывается нелинейными уравнениями. На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции, совместное воздействие двух причин может привести к последствиям, которые не имеют ничего общего с результатами этих воздействий в отдельности. Процессы в нелинейных системах часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком, если внешний параметр достиг критического значения. Это приводит к тому, что в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских, способных разрушить существующую структуру и привести ее в качественно новое состояние. Этот процесс называется образованием порядка через флуктуации или порядком из хаоса.
Микроскопические процессы должны происходить согласованно (кооперативно или когерентно). Это означает, что система ведет себя как единое целое. Отметим различие в поведении саморазвивающихся и саморегулирующихся систем. Саморегулирующаяся система гасит возникающие отклонения (флуктуации) при функционировании отрицательных обратных связей. В этом случае обеспечивается сохранение прежнего качества. Для самоорганизации и появления нового качества необходимы положительные обратные связи , которые накапливают и усиливают отклонения в системе.
Самоорганизация может начаться лишь в системе, обладающей достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов.
Таким образом, существуют условия, при выполнении которых система способна к самоорганизации:
· открытость;
· неравновесность;
· нелинейность;
· наличие положительных обратных связей.
В цикле развития открытых неравновесных систем можно выделить две фазы.
1 Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными последствиями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию (точке бифуркации ).
2 Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое состояние с бóльшей степенью сложности и упорядоченности.
Еще раз подчеркнем пороговый характер процессов самоорганизации. Математически это отражено в понятии катастрофы – скачкообразном изменении, вызванном плавными внешними воздействиями. Катастрофа означает потерю системой устойчивости.
Переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы “сваливается ” в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В точке бифуркации эволюционный путь системы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана – решает случай. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но нельзя однозначно спрогнозировать, какой именно путь развития будет выбран. Случайность – это не досадное недоразумение, случайность встроена в механизм эволюции. Нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем те, которые были отвергнуты случайным выбором.
Сама природа ограничивает наши возможности прогнозирования событий. Однако у нас всегда остается возможность важных качественных заключений.
Представляет интерес возможность управления сложными системами.
В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым регулировать образование диссипативных структур. При неравновесных процессах, начиная с какого-то критического для данной системы значения внешнего потока, из неупорядоченных хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникать упорядоченные состояния.
Сказанное поясняет рисунок 8. Пусть параметр Х – характеристика или свойство сложной системы, а λ − управляющий (или возмущающий) параметр. При малых значениях λ существует одно решение, характеризующее термодинамически устойчивое состояние системы. При некотором критическом значении λ кр. (точка бифуркации B) происходит переход к новому состоянию, система характеризуется двумя решениями.
Рисунок 8 – Влияние возмущающего параметра на устойчивость системы
В заключение сформулируем позиции, характеризующие новизну синергетического подхода:
1 хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность);
2 линейный характер эволюции сложных систем, к которым привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение: развитие большинства сложных систем носит нелинейный характер. Для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.
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
Из примеров, уже рассмотренных нами, видно, что не только «жизнь создает порядок», законы самоорганизации оказываются общими как для живой, так и для неживой природы. Однако каким же образом из бесструктурной субстанции самообразуются временные и пространственные упорядоченные структуры? Чтобы это понять, необходимо выяснить, что общего во всех системах, способных к самоорганизации.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.
Нарушения симметрии в ходе развития зародыша возникают спонтанно в результате неустойчивости симметричного состояния. При этом появление новой формы и дифференцирование сопровождают друг друга. Экспериментальные наблюдения показали, что развитие организма происходит как бы скачками. Этапы быстрых превращений, зарождения новой фазы сменяются плавными стадиями. Таким образом, в ходе морфогенеза реализуется определенная последовательность бифуркаций, развитие происходит через фазы неустойчивостей. Именно в это время изменение управляющих (определяющих эволюцию) параметров, т. е. химических свойств окружающей среды, может эффективно воздействовать на формирование зародыша, искажая его нормальное развитие. Здесь существенную опасность представляют вещества, активно влияющие на биохимические процессы при морфогенезе.- 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?
Загрузка...
