Самоорганізація в науці

Концепція самоорганізації в науці

У наш час концепція самоорганізації одержує все більше поширення не тільки в природознавстві, але й у соціально-гуманітарному пізнанні. Оскільки більшість наук вивчають процеси еволюції систем, то вони змушені аналізувати й механізми їхньої самоорганізації. От чому концепція самоорганізації стає тепер парадигмою дослідження великого класу систем і процесів, що відбуваються в них, і явищ. Звичайно під парадигмою в науці мають на увазі фундаментальну теорію, що застосовується для пояснення широкого кола явищ, що ставляться до відповідної області дослідження. Прикладами таких теорій можуть служити класична механіка Ньютона або еволюційне навчання Дарвіна. Зараз значення поняття парадигми ще більше розширилося, оскільки воно застосовується не тільки до окремих наук, але й до міждисциплінарних напрямків досліджень. Типовими прикладами таких міждисциплінарних парадигм є виникла піввіку назад кібернетика й чверть століття сінергетика.

Формування ідей самоорганізації

Ранні підходи до вивчення самоорганізації в окремих науках ясно позначилися ще в XVIII в. Вони зв’язані насамперед з діяльністю основоположника класичної політичної економії Адама Сміта (1723−1790), що у своїй головній праці «Дослідження про природу й причини багатства народів» ясно виразив ідею про те, що спонтанний порядок на ринку є результатом взаємодії різних, часто протилежних прагнень, цілей і інтересів численних його учасників. Саме така взаємодія приводить до встановлення того ніким не передбаченого й незапланованого порядку на ринку, що виражається в рівновазі попиту та пропозиції. Цю головну свою думку А. Сміт виразив у формі метафори «невидимої руки», що регулює ціни на ринку.

Кожна окрема людина намагається вживати свій капітал так, щоб продукт мав найбільшу вартість. Звичайно вона і не має на увазі сприяти суспільній користі й не усвідомить, наскільки сприяє їй. Вона має на увазі лише власну вигоду, причому в цьому випадку вона невидимою рукою направляється до мети, що не входила в її наміри. Дбаючи лише про свої власні інтереси, вона часто більше діючим образом служить інтересам суспільства, чим тоді, коли свідомо прагне служити їм.

Аналогічні ідеї щодо самоорганізації норм моральності в суспільстві висловлювали в тім же столітті шотландські моралісти, які підкреслювали, що принципи морального поводження людей не створюються правителями, політиками й іншими суспільними діячами, а формуються повільно й поступово в ході самоорганізації людей під впливом умов, що змінюються, їхнього життя.

Важливо при цьому звернути увагу на те, що ідеї самоорганізації, самовдосконалення й поліпшення діяльності соціальних систем і суспільних установ згадані вчені зв’язують із еволюційними процесами, які відбуваються в життєдіяльності людей. Звичайно, найчастіше ідеї самоорганізації й еволюції не були чітко і ясно виражені, вони скоріше були результатом інтуїтивного прозріння, чим строгого наукового дослідження. Проте, від цього їхня цінність не зменшується, тому що вони підготували ґрунт для майбутніх досліджень процесів самоорганізації й еволюції.

Еволюційна теорія Дарвіна послужила потужним поштовхом для розгортання досліджень про механізми розвитку різних природних і соціальних систем. Якщо фізичні й хімічні методи дослідження багато чого дали для аналізу структури й функціонування живих систем, то еволюційна концепція біології змусила фізиків і хіміків по-новому глянути на об'єкти своїх досліджень і природу в цілому. Вони змушені були зважати на те глибоке протиріччя, що існувало між їхніми поглядами й безсумнівними факт і теоретично обґрунтованими твердженнями дарвінівської еволюційної теорії. Формування ідей самоорганізації у фізику було продиктовано саме прагненням перебороти зазначене протиріччя, що свідчило про те, що деякі її основні поняття й принципи мають занадто ідеалізований характер і неадекватно відображають досліджувану реальність.

Насамперед поняття про оборотні процеси, що міцно затвердився в механіку, не враховувало реального характеру процесу змін у природі. Дійсно, для механічного опису процесів досить задати лише початкові координати й швидкість тіла, що рухається. Тоді за допомогою системи диференціальних рівнянь, що описують рух, можна однозначно визначити положення тіла в будь-який момент як у минулому, так і в сьогоденні. Тому фактор часу по суті справи не має ніякого значення в механіку.

Таке уявлення вкрай спрощує властивості реальних процесів, і в середині минулого століття фізики у зв’язку з вивченням теплових процесів змушені були ввести фактор часу, що відбивав би реальні зміни, що відбуваються в ході еволюції системи. Але уявлення про еволюцію в класичній термодинаміці, що вивчає ізольовані системи, було зовсім чужо механіці. У той же час еволюція в термодинаміку розумілася зовсім інакше, чим у біології. Справді, якщо в теорії Дарвіна еволюція привела до вдосконалювання й ускладнення живих систем у результаті їхньої адаптації до умов, що змінюються, навколишнього середовища, то в класичній фізиці вона зв’язувалася з дезорганізацією й руйнуванням системи. Таке уявлення випливало із другого початку термодинаміки, відповідно до якого закрита система поступово еволюціонує убік безладдя й дезорганізації

Різке протиріччя між біологічною й фізичною еволюцією вдалося дозволити тільки після того, коли фізика звернулася до поняття відкритої системи, тобто системи, що обмінюється з навколишнім середовищем речовиною, енергією й інформацією. За певних умов у відкритих системах можуть виникнути процеси самоорганізації в результаті одержання нової енергії й речовини ззовні, або розсіювання, використаної в системі енергії. Таким чином, було встановлено, що ключ до розуміння процесів самоорганізації втримується в дослідженні процесів взаємодії системи з навколишнім середовищем.

До встановлення загального погляду на процеси самоорганізації різні вчені йшли різними шляхами. Автор самого терміна «сінергетика» німецький фізик Герман Хакен, що працював у лабораторіях фірми Белла над новими джерелами світла, досліджував механізми кооперативних процесів, які відбуваються у лазері. Він з’ясував, що частки, що становлять активне середовище резонатора, під впливом зовнішнього світлового поля починають коливатися в одній фазі. У результаті цього між ними встановлюється когерентне, або погоджене, взаємодія, що приводить в остаточному підсумку до їх кооперативного, або колективному, поводженню.

Однак на початку, по його власному визнанню, він ясно не розумів, що подібні процеси можуть відбуватися й в інших системах, а лазер — лише один з типових їхніх представників.

Видний теоретик самоорганізації І.Р. Пригожин прийшов до своїх ідей з аналізу специфічних хімічних реакцій, які приводять до утворення певних просторових структур із часом при зміні концентрації реагуючих речовин. Разом зі своїми співробітниками він побудував математичну модель таких реакцій, які вперше експериментально були вивчені вченими Б. Белоусовим і О. Жаботинським Теоретичною основою моделі стала нелінійна термодинаміка, що вивчає процеси, що відбуваються в нелінійних нерівновагих системах під впливом флуктуацій. Якщо така система вилучена від крапки термодинамічної рівноваги, то виникаючі в ній флуктуації в результаті взаємодії із середовищем будуть підсилюватися й зрештою приведуть до руйнування колишнього порядку або структури, а тим самим і до виникнення нової системи. Структури й системи, що виникають при цьому, І.Р. Пригожин назвав дисипативними, оскільки вони утворюються за рахунок дисипації, або розсіювання, енергії, використаною системою, і одержання з навколишнього середовища нової, свіжої енергії. За дослідження з термодинаміки дисипативних структур І.Р. Пригожину була присуджена Нобелівська премія по хімії.

Інший видний теоретик самоорганізації німецький учений М. Ейген переконливо довів, що відкритий Ч. Дарвіном принцип добору продовжує зберігати своє значення й на мікрорівні. Тому він мав всі підстави затверджувати, що генезис життя є результат процесу добору, що відбуває на молекулярному рівні. Він показав, що складні органічні структури з адаптаційними характеристиками виникають завдяки еволюційному процесу добору, у якому адаптація оптимізується самими структурами. Передумовами для здійснення такої самоорганізації макромолекул є взаємодія системи із середовищем або відкритість для обміну речовиною й енергією, автокаталіз, мутації й природний добір.

На початку 1960;х рр. Е. Лоренц, вивчаючи комп’ютерні моделі пророкування погоди, прийшов до важливого відкриття, що рівняння, що описують процеси, при майже тих же самих початкових умовах приводять до зовсім різних результатів. А це свідчило про те, що детерміністська система рівнянь виявляє хаотичне поводження. Звідси був зроблений висновок, що хаос також характеризується певним порядком, що, однак, має більше складний характер. Його можна розглядати як вид регулярної нерегулярності.

Ми бачимо звідси, що дослідження процесів самоорганізації на початку 1960;х рр. обмежувалися окремими природничо-науковими й інженерними дисциплінами. Самі дослідники не надавали їм узагальнюючого характеру й тому ніхто тоді не передбачав, що з них в 70-х рр. сформується єдина парадигма міждисциплінарного дослідження. Однак поступово вчені у своїх дослідженнях стали виходити за рамки своїх дисциплін, почали зауважувати аналогію між поняттями й рівняннями, які застосовувалися для аналізу різних по конкретному змісті процесів. Таким чином, повільно, але неухильно формувалося переконання, що у всіх цих дослідженнях існує єдине концептуальне ядро, що служить загальною їхньою основою. У сутності саме це ядро й становить парадигму дослідження процесів самоорганізації.

Однак воно перетворилося в таку парадигму тільки в умовах певного наукового й соціального клімату, що виник в 1970;е роки, коли й у науці й у соціальному житті йшов пошук нових форм організації дослідницької й суспільної діяльності. У науці такі пошуки супроводжувалися відмовою від традиційних методів редукціонизма, коли складні процеси намагалися звести до простим і елементарним, а тим самим ігнорували їхні специфічні особливості. У системі утворення студенти вимагали відмови від застарілих методів навчання, надання їм більшої волі й самостійності.

Для наукового пізнання цього часу найбільш характерним був перехід від дослідження окремих предметів і процесів до вивчення їхніх цілісних систем, від розгляду їхнього буття й існування — до аналізу їхнього виникнення й розвитку. Такий перехід чітко виражений у новому системному методі дослідження, що одержав широке поширення після Другої світової війни у формі комплексних і міждисциплінарних досліджень. І кібернетика й пізніше виникла сінергетика розвиваються в руслі загального системного руху науки, досліджуючи такі найважливіші аспекти систем, як їхня динамічна стійкість, самоорганізація й організація й особливо механізм виникнення нових системних якостей.

Із крапки зору, що цікавить нас, відмінність кібернетики від сінергетики полягає насамперед у тім, що перша акцентує увагу на аналізі динамічної рівноваги в системах, що самоорганізуються. Тому вона опирається на принцип негативного зворотного зв’язку, відповідно до якого всяке відхилення системи коректується керуючим пристроєм після одержання інформації про це. У цьому змісті припустимо, мабуть, також говорити про самоорганізацію, але тут ця самоорганізація закладена в систему самою природою, як це видно на прикладі гомеостазу у функціонуванні живих систем, або вона заздалегідь планується й конструюється людиною, наприклад, в автоматах і інших подібних пристроях.

У сінергетиці на противагу кібернетиці досліджуються механізми виникнення нових станів, структур і форм у процесі самоорганізації, а не збереження або підтримки старих форм. Саме тому вона опирається на принцип позитивного зворотного зв’язку, коли зміни, що виникли в системі, не придушуються або коректуються, а, навпаки, поступово накопичуються й зрештою приводять до руйнування старої й виникненню нової системи.

Для характеристики процесів, що самоорганізуються, у літературі вживаються різні терміни, починаючи від сінергетичних і кінчаючи нелінійними нерівновагими системами або навіть системами авто поетичними або що самооновлюються. Але в цілому всі вони виражають ту саму ідею, тому що мова в них іде про системи, що є системами відкритими, що перебувають удалині від крапки термодинамічної рівноваги.

Хоча для всіх їх поки не існує єдиний фундаментальної теорії, у загальну парадигму їх поєднує приналежність до складно організованих систем.

Самоорганізація як основа еволюції

Незважаючи на те, що ідеї еволюції, починаючи від космогонічної гіпотези Канта й кінчаючи еволюційною теорією Дарвіна, одержали широке визнання в науці, проте вони формулювалися скоріше в інтуїтивних, чим теоретичних термінах. Тому в них важко було виявити той загальний механізм, за допомогою якого здійснюється еволюція. Як відзначалося вище, головною перешкодою тут служило різке протиставлення живих систем неживим, суспільних — природним. В основі такого протиставлення лежали занадто абстрактні, а тому неадекватні поняття й принципи класичної термодинаміки про ізольовані й рівноважні системи. Саме тому еволюція фізичних систем зв’язувалася з їхньою дезорганізацією, що суперечило загальноприйнятим у біологічних і соціальних науках уявленням про еволюцію.

Щоб дозволити виникле глибоке протиріччя між класичною термодинамічною еволюцією, з одного боку, і еволюцією біологічної й соціальної, з інший, — фізики змушені були відмовитися від спрощених понять і схем і замість них увести поняття про відкриті системи й необоротні процеси. Завдяки цьому виявилося можливим розвити нову нелінійну й нерівновагу термодинаміку необоротних процесів, що стала основою сучасної концепції самоорганізації.

Самоорганізація в дисипативних структурах

Численні приклади самоорганізації в гідродинамічних, теплових і інших фізичних системах, не говорячи вже про системи живої природи, учені зауважували давно. Але в силу поглядів, що домінували в науці свого часу, вони попросту не зауважували їх або намагалися пояснити за допомогою існуючих тоді понять і принципів.

Оскільки в науці XVII — першої половини XIXст. домінувала механістична парадигма, остільки в ній всі процеси намагалися пояснити шляхом відомості їх до законів механічного руху матеріальних часток. Передбачалося, що ці частки можуть рухатися, не взаємодіючи один з одним, а саме головне — їхнє положення й швидкість руху будуть точно й однозначно певними в будь-який момент у минулому, сьогоденні й майбутньому, якщо задані їхнє початкове положення й швидкість. Отже, у такому механічному описі час не має ніякого значення й тому його знак можна міняти на зворотний. Внаслідок цього подібні процеси стали називати оборотними. У деяких випадках, коли мова йде про деяких і щодо ізольованих друг від друга тілах і системах, такий абстрактний підхід може виявитися доцільним і корисним. Однак у більшості реальних випадків доводиться враховувати зміну систем у часі, тобто мати справа з необоротними процесами.

Як ми вже відзначали вище, уперше такі процеси стали вивчатися в термодинаміку, що початку досліджувати принципово відмінні від механічних теплові явища. Тепло передається від нагрітого тіла до холодного, а не навпаки. Із часом воно рівномірно розподіляється в тілі або навколишньому просторі. Всі ці найпростіші явища не можна було описувати без обліку фактора часу. На такий феноменологічної основі були сформульовані вихідні початки або закони класичної термодинаміки, серед яких найважливішу роль грає закон ентропії. Поняття ентропії характеризує ту частину сповненої енергії системи, що не може бути використана для виробництва роботи. Тому на відміну від вільної енергії вона являє собою деградовану, відпрацьовану енергію. Якщо позначити вільну енергію через F, ентропію — S, то повна енергія системи Е буде дорівнює

E=F+ST,

де Т — абсолютна температура по Кельвіні.

Відповідно до другого закону термодинаміки, ентропія в замкнутій системі постійно зростає й в остаточному підсумку прагне до свого максимального значення. Отже, по ступені зростання ентропії можна судити про еволюцію замкнутої системи, а тим самим і про час її зміни. Так уперше у фізичну науку були уведені поняття часу й еволюції, пов’язані зі зміною систем. Але поняття еволюції в класичній термодинаміці, як ми вже відзначали вище, розглядається зовсім інакше, чим у загальноприйнятому змісті. Це стало цілком очевидним після того, коли німецький учений Л. Больцман (1844−1906) став інтерпретувати ентропію як міру безладдя в системі. Таким чином, другий закон можна було тепер сформулювати так: замкнута система, надана самої собі, прагне до досягнення найбільш імовірного стану, що полягає в її максимальній дезорганізації. Хоча чисто формально дезорганізацію можна розглядати як самоорганізацію з негативним знаком або самодезорганізацію, проте такий погляд нічого загального не має зі змістовною інтерпретацією самоорганізації як процесу становлення якісно нового, більше високого рівня розвитку системи. Але для цього необхідно було відмовитися від таких абстракцій, як ізольована система й рівноважний стан.

Тим часом класична термодинаміка саме на них саме й опиралася й тому розглядала, наприклад, частково відкриті системи або, що перебувають поблизу від крапки термодинамічної рівноваги як випадки ізольованих рівноважних систем. Очевидно, що для пояснення процесів самоорганізації необхідно було ввести нові поняття й принципи, які б адекватно описували реальні процеси самоорганізації, що відбуваються в природі й суспільстві.

Найбільш фундаментальним з них, як ми вже знаємо, є поняття відкритої системи, що здатна обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною, енергією або інформацією. Оскільки між речовиною й енергією існує взаємозв'язок, остільки можна сказати, що система в ході своєї еволюції робить ентропію, що, однак, не накопичується в ній, а віддаляється й розсіюється в навколишнім середовищі. Замість її із середовища надходить свіжа енергія й саме внаслідок такого безперервного обміну ентропія системи може не зростати, а залишатися незмінної або навіть зменшуватися. Звідси стає ясним, що відкрита система не може бути рівноважної, тому її функціонування вимагає безперервного надходження енергії й речовини із зовнішнього середовища, внаслідок чого нерівновага в системі підсилюється. В остаточному підсумку колишній взаємозв'язок між елементами системи, тобто її колишня структура, руйнується. Між елементами системи виникають нові когерентні, або погоджені, відносини, які приведуть до кооперативних процесів і до колективному поводженню її елементів. Так схематично можуть бути описані процеси самоорганізації у відкритих системах, які пов’язані з дисипацією, або розсіюванням, ентропії в навколишнє середовище.

Існують також випадки самоорганізації іншого типу, у яких перехід до нових структур не пов’язаний з дисипацією. Наприклад, збільшуючи напір води шляхом відкриття водопровідного крана, ми можемо спостерігати перехід від плавного ламінарного плину рідини до бурхливого турбулентного. Іноді спостерігаються навіть випадки, коли виникнення нових структур відбувається за рахунок збільшення ентропії самої системи. Так відбувається, наприклад, процес утворення кристалів з рідини, сніжних пластівців і біологічних мембран.

Однак у цей час найбільший інтерес і основне значення набувають, звичайно, дисипативні структури. Як зразок для побудови теоретичної моделі таких структур, названого брюселятором, послужили, специфічні хімічні реакції, вивчені нашими вченими Б. Белоусовим і О. Жаботинським. Такі реакції супроводжуються утворенням особливих просторових структур і відбуваються за рахунок надходження нових хімічних реагентів і видалення продуктів реакції. Важливою їхньою особливістю є також присутність каталізаторів, які сприяють прискоренню ходу реакції.

Еволюція й теорія систем

Системний рух, що одержав широке поширення в науці після Другої світової війни, ставить своєю метою забезпечити цілісний погляд на мир, покінчити з вузьким дисциплінарним підходом до його пізнання й сприяти розгортанню безлічі програм по міждисциплінарному дослідженню комплексних проблем. Саме в рамках цього руху сформувалися такі найважливіші напрямки міждисциплінарних досліджень, як кібернетика й сінергетика.

Теорія систем у тім виді, як вона представлена австрійським біологом-теоретиком Людвігом тло Берталанфі (1901;1972) і його послідовниками, орієнтується в цілому на підтримку й збереження стабільності й стійкості динамічних систем. Нам уже доводилося вказувати, що кібернетична самоорганізація технічних систем регулювання націлена на збереження їхньої динамічної стійкості за допомогою негативного зворотного зв’язку. Нова, більше загальна динамічна теорія систем повинна, мабуть, опиратися на ті фундаментальні результати, які були досягнуті в нелінійній термодинаміці й насамперед у теорії дисипативних структур. Адже опираючись на колишні уявлення рівноважної термодинаміки, не можна зрозуміти механізму виникнення нового порядку й структур, а отже, і справжньої еволюції систем, пов’язаної з виникненням нового в розвитку. От чому сучасні автори звернулися до теорії дисипативних структур і сінергетики для пояснення процесів еволюції. Звичайно, ця теорія не може ще обґрунтувати ряд найважливіших положень еволюції, особливо коли мова заходить про космологічну еволюцію, взаємодію процесів організації й дезорганізації й деяких інших. Але вона дає ключ до розуміння багатьох важливих еволюційних процесів, що відбуваються в живій природі, а сам головне — допомагає встановити зв’язок між неживою й живою природою шляхом аналізу форм поперед біотичної еволюції, виникнення елементарних живих систем з органічних макромолекул.

Якщо самоорганізація в найпростішій формі може виникнути вже у фізико-хімічних системах, то цілком обґрунтовано припустити, що більше системи могли з’явитися також у результаті специфічного, якісно відмінного в багатьох відносинах, але родинного по характері процесу самоорганізації. Із цього погляду й виникнення життя на Землі навряд чи можна розглядати як унікальне й украй малоймовірну подію, як затверджував, наприклад, відомий французький біолог Жак Моно. Незважаючи на вкрай рідке сполучення факторів, виникнення життя на Землі представляє проте закономірний результат тривалого процесу еволюції.

Тому цілком правдоподібне допущення, що процеси самоорганізації можуть стати основою для дослідження безлічі всіляких еволюційних процесів. Правда, при цьому висловлюються побоювання, чи не веде такий підхід до редукціонизму або навіть до фізикалізму, тобто поясненню властивостей і закономірностей систем закономірностями простих фізичних систем. Проти такого побоювання можна висунути ряд переконливих аргументів. Почати з того, що теорія дисипативних структур із самого початку постулює, що знову виникаючі структури й системи утворяться в результаті порушення колишніх симетрій, структур і порядку, так що про відомість до них нових структур не може бути мови. Крім того, говорячи про каталітичні дисипативні структури як основи різних форм еволюції, теоретики сінергетики звертають увагу не стільки на просту їхню подібність, скільки на глибоке споріднення в їхній основі механізму самоорганізації.

Література

1.Гайденко П. П. Еволюція поняття науки: Становлення й розвиток перших наукових програм. — К., 1998

2.Койре А. Нариси історії філософської думки: Про вплив філософських концепцій на розвиток наукових теорій. — К., 2002

3.Холтон Дж. Тематичний аналіз науки. — К., 2003

4.Шпаков А. А. Карта Знаний (Научная Картина Мира). — М, 2005.

5.Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие — М., 1994