Диссипативные структуры и явления самоорганизации

Единый процесс развития охватывает явления живой и неживой природы и общества, поэтому естественно описать весь процесс развития на одном языке, в рамка :: единой схемы, с использованием общей терминологии.

В эволюционной теории для описания процессов развития используют триаду: изменчивость, наследственность, отбор. Эти же факторы рассматривает Н.Н. Моисеев в своей монографии "Алгоритмы развития". Изменчивостью он называет любые проявления стохастичности и неопределенности. Наследственностью-способность материи сохранять свои особенности, способность изменяться от прошлого к будущему, способность будущего зависеть от прошлого. Принципами отбора он называет те принципы, которые вызывают к существованию более или менее устойчивые образования, ими являются законы сохранения, законы физики и химии, в частности, второй закон термодинамики, вариационные принципы и т. Д.

Задача состоит в том, чтобы выявить общий смысл, присущий любым процессам развития. Моисеев строит классификацию принципов отбора и рассматривает с единой точки зрения его механизмы. Он выделяет два разных класса отбора. Это адаптационные механизмы (определение множества состояний системы, которые будут обеспечивать

ее устойчивость при данных условиях внешней среды) и бифуркационные механизмы (качественный скачок, изменение организации системы). Определяющую роль эволюционного периода развития систем играют такие понятия, как адаптация, устойчивость, стабилизирующий отбор.

Необходимым условием существования живых организмов является постоянство внутренней среды. Гомеостазис (от греческого "гомео" - тот же, "стазис" - состояние) рассматривается биологами как способность биологических систем противостоять изменениям внешней среды и сохранять состояние равновесия.

Например, только благодаря механизмам поддержки гомеостазиса некоторые растения могут жить на ядовитых отвалах рудников. Есть растения - концентраторы металлов: алюминия, молибдена, никеля, свинца, стронция. При этом для предотвращения отравления тканей в растениях синтезируются специфические белки (они определяют устойчивость к высоким концентрациям металлов), изменяются количество и качество корневых выделений, тяжелые металлы связываются в клетках дубильными веществами и органическими кислотами.

Механизмы поддержки гомеостазиса исторически закреплены и направлены на повышение устойчивости организма в онтогенезе, что обеспечивает успех в воспроизведении потомства. Развитие - это борьба двух противоположных тенденций - сохранение гомеостазиса и поиск новых организационных форм, уменьшающих локальную энтропию.

Этапность развития органического мира, на которой в значительной степени базируется периодизация геологической истории, - твердо установленный факт. Однако общая теория этапности разработана еще очень слабо, особенно это касается наиболее принципиального ее раздела "О закономерностях перехода от одного этапа к другому". До сих пор обычно недооцениваются изменения биоценотических связей в экосистемах прошлого, вызывались появлением новых групп организмов. Вместе с тем чрезвычайно большое внимание уделяется возможной роли глобальных катастроф.

Согласно концепции прерывистого равновесия, разработанной американскими исследователями С. Гоулд, Н. Элдридж и С. Стэнли, эволюция, во всяком случае на видовом уровне, по крайней мере в 95% случаев идет не непрерывно, а своего рода скачками. Есть мнение, что виды остаются практически неизменными в течение буквально миллионов лет, а потом за несколько десятков или сотен лет происходит формирование новых видов. В свете такой концепции переход от пророчества к пророчества происходит не с помощью прыжка в одном поколении, а путем накопления мутации и отбора.

Всякая значительное изменение экологических условий влечет перестройку всей организации общества животных. Например, у животных, ведущих одинокий образ жизни, в случае необходимости возникает строгая иерархическая структура. В период нехватки корма такая организация общества определяет очередность доступа к пище. Доминирование может не только разделять, но и объединять животных, оно способствует процессу локализации, образованию структуры в обществе вместо агрессивных взаимодействий особей.

Биологические системы обладают способностью сохранять и передавать информацию в виде структур и функций, возникших в прошлом в результате длительной эволюции. Открыто подвижные генетические элементы, которые оказались впутанными в таких общебиологических явлениях, как азотфиксация, злокачественный рост клеток, работа иммунной системы и приспособления бактерий к антибиотикам, нестабильные мутации, материнская наследственность.

Неустойчивый, нестабильное состояние гена, когда он начинает мутировать в десятки, сотни раз чаще обычного, связано не с изменениями внутри самого гена, а с введением в район его расположения определенного "контролирующего" элемента, способного блуждать по хромосомам. Эти элементы влияют на "включение" и "выключение" генов, то есть на темп наследственной изменчивости. Одно из наqдивовижниших открытий для генетиков в последние 15-20 лет состояла в осознании вездесущности подвижных элементов, общности их строения и причастности к разным генетических явлений.

Подвижные гены имеют повторы на концах. Такие генетические тексты, обрамленные повторами, начинают вести свое, отдельное от общей наследственной системы жизни. Именно такого рода структуры получают возможность увеличивать число своих копий в хромосомах. Они подчиняют своему звучанию близлежащие гены, которые или замолкают, или усиливают активность, или начинают работать в другом режиме. Включив в свой состав участок ДНК, ответственный за самоудвоения, подвижный элемент превращается в плазмиду, самостоятельно размножается вне дочерней хромосомой в бактериях и вне ядра в клетках высших организмов. В классической генетике: мутации возникают случайно; им подвержены единичные особи; их частота очень мала. В "подвижной генетике" изменения не случайны, зависят от типа подвижного элемента; им подвержены много особей; их частота велика, может достигать десяти процентов. Именно с мобильностью активных элементов связывают обнаруженные в природных популяциях дрозофил регулярные вспышки мутации определенных генов. Темп мутационного процесса непостоянный, так, время от времени популяции или виды вступают в "мутационный" период.

Самое поразительное открытие в генетике за последнее время - это возможность с помощью мобильных элементов переносить гены или группы генов от одних видов в другие (иногда до самых дальних), то есть благодаря элементам, которые перемещаются, генофонды всех организмов объединены в общий генофонд всего живого мира. Это особенно ярко продемонстрировали плазмиды с детерминантами устойчивости к антибиотикам в колоссальном опыте, невольно поставленном человеком на бактериях.

С помощью генсектицидив человек расширяет эксперимент на насекомых, и в ответ их популяции, вероятно, охватываются определенными генетическими элементами, которые быстро распространяются и повышают устойчивость организма ("генетическая экспансия"). Полагают, что когда-то в клетках насекомых поселились бактерии - симбионты, которые постепенно передали большинство своих генов в ядро и превратились в митохондрии и пластиды. Это прекрасный пример переноса генов от про- к эукариот.

Способность клеток одного вида воспринимать ДНК от других, иногда эволюционно далеких видов, возможность горизонтального переноса генов считается "одним из главных чудес XX века". Классическая генетика гласит: каждый ген располагается на своей хромосоме и занимает на ней строго фиксированное положение. Сейчас известно много вариантов элементов, которые перемещаются, могут менять свое место на хромосоме и даже перемещаться с хромосомы на хромосому. Таким образом могут рождаться новые признаки организма.

Однако способность системы обмениваться информацией с внешней средой, увеличивать или уменьшать число элементов-признаков, сохранять устойчивость еще не делает эту систему такой, что развивается. Порождаемая неравновесными внешними условиями неустойчивость приводит к увеличению интенсивности диссипации, вследствие чего создаются условия возникновения новой неустойчивости. Иными словами, в системе увеличивается интенсивность протекания некоторых необратимых процессов, благодаря чему и отклонения системы от равновесия становится еще больше. Это означает, что вероятность существования такого класса флуктуаций, по которым новые процессы становятся неустойчивыми, возрастает.

С другой стороны, если бы в результате возникновения неустойчивости интенсивность диссипации снижалась, то система по своим свойствам приблизилась бы к некоторой равновесной замкнутой системы, то есть к состоянию, в котором затухают любые флуктуации. Этот механизм можно изобразить следующим образом (И. Р. Пригожин, И. Стенгерс): интенсивность диссипации, то есть увеличение энтропии, можно связать с интенсивностью роста числа новых элементов-признаков в системе. Если флуктуации вызывают интенсивный рост новых элементов и между ними не успевают образовываться связи, организация системы нарушается, энтропия растет, система становится структурно неустойчивой. Существование неустойчивости можно рассматривать как результат флуктуации, сначала был локализован в малой части системы, а затем распространилась и привела к новому макроскопической состояния.

Исследования школы Пригожиша показали, что понятие структурной устойчивости и порядка через флуктуации применимы к системам различной природы, в том числе экономических, социальных: "Меж для структурной устойчивости не существует. Неустойчивости могут возникать в любой системе, стоит только ввести соответствующие возмущения. Мутации и "новорожденные" элементы возникают стохастически и собираются в единую систему господствующими в данный момент детерминистическими принципами. Это позволяет нам надеяться на непрерывную генерацию "нового типа" и "новых идей", которые могут быть включены в структуру системы, обеспечивая тем самым ее непрерывное развитие ". Удаленность от равновесия, нелинейность может служить причиной возникновения упорядоченности в системе.

Биологическая упорядоченность, генерация когерентного света лазером, возникновения пространственной и временной упорядоченности в химических реакциях и гидродинамике, автоволны в разных средах, в конце концов, функционирования экосистем в животном мире или жизни человеческого общества - все эти примеры являются поразительной иллюстрацией явлений самоорганизации, образования диссипативных структур. Эти структуры наряду с хорошими регуляторными свойствами проявляют чрезвычайную гибкость и разнообразие.

Как показали работы школы Пригожина, важнейшей общей чертой широкого класса процессов самоорганизации является потеря устойчивости и последующий переход к устойчивым диссипативных структур. В точке изменения устойчивости в результате ветвления должны возникнуть как минимум два решения, отвечающие устойчивому, близком к равновесному состоянию и диссипативной структуры. Для диссипативных структур характерна устойчивость, одновременно является структурной и функциональной.

Эволюцию можно рассматривать как проблему структурной устойчивости. Система не всегда структурно устойчивая, причем эволюция диссипативной структуры определяется последовательностью событий в соответствии со схемой (Г. Николис, И.Р.Пригожин). Шмальгаузен как один из факторов эволюции выделял борьбу за существование. Согласно теории конкуренции, близкие виды могут населять район только в том случае, если они эффективно делят между собой необходимые ресурсы.

Хатгинсон провозгласил принципиально новую программу изучения неравновесных группировок, чьи принципы организации коренным образом отличаются от тех, к которым привыкли экологи, рассматривающие группировки как жестко организованную совокупность видов. В альтернативном подходе прямая конкуренция за пищу подменяется сложными и динамичными информационными связями. В зависимости от условий метаболиты (продукты жизнедеятельности) данного вида или подавляют, или, наоборот, стимулируют размножение других видов. При этом возможны как негативные, так и позитивные межвидовые отношения. Различные виды не только не стремятся окончательно вытеснить друг друга, но как бы "удерживают" в обществе виды, численность которых падает ниже определенного уровня.

В теории конкуренции выражена концепция детерминизма; конкуренция определяет численность, вид и эволюцию существующих видов, потребляющих ту же пищу. Другая парадигма: близкие виды, расположенные в экосистеме на одном трофическом уровне, всегда живут среди избытка пищи, поскольку их численность эффективно ограничивается сложным комплексом причин, в том числе и конкуренции. Согласно этой парадигмы биологическое общество можно рассматривать как диссипативную структуру, которая, находясь в не- равновесном состоянии, постоянно ведет обмен с внешней средой. В исходной неблагоустроенном системе за счет неравновесных неустойчивостей, которые последовательно реализуются за счет когерентной поведения элементов может возникнуть функциональная организованность.

Приведем пример из нового научного направления, быстро развивается, - адаптологии. Клод Бернар назвал приспособления адаптационно-итоговой проблемой всей физиологии. Адаптация человека и животных представляет собой процесс, в течение которого организм приобретает ранее недостающую устойчивость к определенным факторам среды и в результате решает задачи, ранее несовместимые с жизнью. При всем разнообразии приспособительных процессов у них есть сходство. На первом этапе адаптации к любому нового фактора организм подходит к максимуму своих возможностей, к критической (бифуркационного цвета). Если человек или животное не погибает, а фактор, как и раньше, действует, то возможности живой системы растут, и на смену аварийной стадии в большинстве случаев приходит стадия эффективной и устойчивой привычки (возникает диссипативная структура).

Согласно учению Ухтомского, формирование систем, обеспечивающих адаптацию, происходит следующим образом. Под влиянием внешних раздражителей в организме формируются, сменяя друг друга, созвездия возбужденных нервных центров - доминанты. Именно доминанты обеспечивают приспособление организма к среде, его выживания, а если надо - и преобразующий влияние на среду. В подавляющей системе образуется структура, увеличивает мощность системы и становится материальной основой длительной адаптации (например, после перенесенных заболеваний сердца -рост сердца в целом, соотношение структур в клетках сердца меняется так, что орган в целом становится более мощным и эффективным). Стресс-реакция (флуктуация) нужна для того, чтобы возникла доминирующая в адаптации система и образовался структурный след (новая структура, обеспечивающая новый способ функционирования). Доминирующая система работает под нагрузкой, в ее клетках растет производство нуклеиновых кислот и белков, строятся новые структуры. В зависимости от того, к какому фактора приспосабливается организм, доминирующая система и ее следует имеют разный вид. Но этот след всегда увеличивает мощность системы, материально обеспечивает переход к долговременной адаптации.

Как и любая другая архитектура, архитектура системного структурного следа есть отражение задачи, его среда выдвигает перед организмом. Перед современным человеком чаще возникают задачи, которые требуют не физической, а умственной адаптации. При обучении - формировании условных рефлексов, навыков, идей - нарушение нейронов в высших отделах мозга активизирует в них производство нуклеиновых кислот и белков. Белки из тела нейронов поступают в отростки, которыми нервные клетки контактируют между собой. Так перестраиваются межнейронных связи, возникают новые нейронные сети.

Сегодня модели нейронных и иммунных сетей строятся в рамках представлений о диссипативные структуры. Переход системы после критической точки из неустойчивого состояния к устойчивому (до диссипативной структуры) можно рассматривать как качественный скачок в развитии системы, в результате которого выросла организованность, упорядоченность системы.

Место нервной клетки в структуре мозга определяется очень рано - у млекопитающих и человека в основном до рождения, и это место далеко не случайно. Это не значит, что структура мозга генетически вполне предопределена. Связи формируются преимущественно после рождения, а следовательно, в разной степени зависимы от внешней среды. Некоторые связи будут обязательно, другие могут быть, а могут и не быть, третьи могут оказаться патологическими. Поэтому нормальное развитие мозга зависит от гармонии осложнения внутренней и внешней среды организма. При этом для человека наиболее существенный фактор внешней среды, гармонизирует внутреннюю структуру мозга, - это другие люди.

Работы нейрофизиологов в области исследования пространственной организации как отдельных образований, так и целых систем мозга показали, что структурно-функциональной единицей мозга служит не отдельный нейрон, а популяция нейронов, пространственно организована в виде вертикального столбика, расположена в одном или нескольких слоях коры.

Эволюционные преобразования мозга в определяющей степени зависят от изменений взаиморасположение элементов, то есть от изменений конструкций как отдельных структур мозга, так и мозга в целом. И в меньшей степени - от изменений самих элементов. Выявлена зависимость между увеличением вертикальной упорядоченности и усложнением функций мозга. Максимальная величина упорядоченности отвечала новейшим и высокоорганизованным формациям коры мозга человека, которые касаются восприятия речи, ее воспроизведения.

До сих пор ведущим фактором эволюции мозга считается амаболия, то есть количественное накопление или надбавка элементов. В подтверждение этого приводятся данные о том, что эволюционно новейшие образования - новая кора и ассоциативные участки новой коры - максимально представлены в мозге человека. Но дело в том, что в

мере относительного увеличения новейших формаций в мозге млекопитающих происходило столь же значительное относительное уменьшение эволюционно старых образований, и они минимально представлены именно в мозгу человека. Этот факт показывает, что значение того или иного образования определяется не его массой, а мерой взаимодействия с другими образованиями (структурой).

Несмотря на чрезвычайную сложность реконструкции эволюции мозга, можно предположить, что увеличение массы мозга и эволюционно новых образований сопровождалось НЕ столько накоплением элементов, сколько увеличением вариантов взаиморасположения (степенью упорядоченности элементов). Именно одновременное относительное увеличение новых и уменьшение старых образований в конечном счете и решали одинаковое для всех видов задачи взаимодействия со средой.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >