CC BY
52
УДК 621.1:536.42:577.3(0.75.8)
АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ИЕРАРХИЧЕСКИХ И СИНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОНЦЕПЦИЙ
© 2011 г. Р.А. Амерханов, К.А. Гарькавый
Кубанский государственный аграрный Kuban State Agriculture
университет, г. Краснодар University, Krasnodar
Изложены принципы эволюционных процессов в различных областях живого и неживого мира, основанные на положениях неравновесной термодинамики, синергетики и динамики иерархических систем. Анализируется эволюция биологических систем с позиции изменения энтропии как меры синтеза генетической информации.
Ключевые слова: неравновесная термодинамика; энтропия; синергетика; бифуркация; эволюция.
Principles of evolutional processes in different spheres of animate and inanimate nature, based on conditions of unbalanced thermal dynamics, synenergetics and dynamics of hierarchic systems were cited. The evolution of biological systems with the position of change of entropy as a measure of synthesis of genetic information is analyzed.
Keywords: unbalanced thermal dynamics; entropy; synenergetics; bifurcation; evolution.
Процессы эволюции наблюдаются в самых разнообразных диссипативных структурах: биологических процессах, динамике популяции, экосистемах, в том числе для окружающей среды, развитии энергетических систем. Примером эволюции может служить также динамика процессов, характерных для любых экосистем, в том числе для окружающей среды. Подобные примеры можно привести из социальной и экономической областей [1 - 8].
Эволюционные явления обусловлены закономерностями, наблюдаемыми нами в окружающем мире, -единством случайного и необходимого, стохастического и детерминированного. Изменчивость, случайность и неопределенность появляются в контексте необходимости, т.е. законов, управляющих движением материи и развитием ее организационных форм.
И. Пригожин [9, 10] представил нелинейную динамику эволюции сложных систем в виде бифуркационной диаграммы, связывая точки бифуркации с реализацией степеней свободы по Пуанкаре. В соответствии с формулируемой им теоремой система бесконечно раз возвращается в окрестность начального состояния - так называемая устойчивость в смысле Пуассона. Схематично это показано на рисунке.
На бифуркационной диаграмме: X - параметр процесса; X - степень удаленности от равновесного состояния; Ьь Ь2, C4, d1, d2 - новые устойчи-
вые решения, возникающие в точках бифуркации после потери системной устойчивости.
Устойчивостью по И. Пуанкаре является либо неподвижная, либо периодическая точка. Движение, при котором система бесконечное число раз возвращается в окрестности начального состояния, И. Пуанкаре назвал устойчивым в смысле Пуассона. В теореме Х. Хопфа о возвращении принципы И. Пуанкаре приложены к динамическим системам [11].
Х
Бифуркационная диаграмма
Основная характеристика бифуркации - неопределенность путей дальнейшего развития, так как окончательный выбор пути обусловлен случайным характером имеющих место возмущений [12]. Стохастический характер причинности в соответствии с бифуркационными положениями может развести близкие, практически тождественные формы организации в совершенно разные стороны. Этот принцип позволяет включить более экономичные механизмы диссипации энергии, способствующие возникновению структур, понижающих накопление энтропии. Каждое состояние социальной системы является бифуркационным, что приводит к резкому ускорению всех процессов самоорганизации общества.
На уровне живой природы наиболее типичными и легко наблюдаемыми являются механизмы адаптивного типа, а бифуркации возникают лишь в исключительные моменты ее развития. По современным представлениям, эволюция является направленным про-
цессом адаптации, ведущим к прогрессивной организации живой материи. Необходимость процесса эволюции и его необратимость определяется отбором.
Н.Н. Моисеев [5, 6] считает, что особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип минимума диссипации энергии, который, по сути, соответствует принципу минимума потенциала рассеяния Л. Онсагера [7] и принципу минимума производства энтропии И. Пригожина [8], которые были сформулированы для решения задач неравновесной термодинамики.
Несомненный интерес представляет концепция, что обязательной особенностью эволюционных процессов является их иерархичность [12, 13]. Новый уровень синтеза информации возникает на основе учета свойств элементов предыдущего уровня иерархии. Процесс биологической эволюции можно рассматривать в рамках модели структурообразования, согласно которой из структур (/) низких иерархий возникают структуры (/+1, /+2, ..., 1+п) высших иерархий. Первоначально устойчивая диссипативная структура в процессе своей эволюции начинает осциллировать, а возникшие в ней флуктуации приводят к самоорганизации новой, более устойчивой структуры на данном иерархическом уровне эволюции. При этом наблюдается закономерность: чем сложнее система, тем больше вероятность увеличения числа путей ее эволюции [11].
Этот эффект возникает в результате нарушения пространственно-временной симметрии структуры, являющейся источником информации о достижении неустойчивого равновесия системы. При переходе через неустойчивость в неравновесных условиях формируется новая структура взамен старой, неспособной далее сохранять устойчивость симметрии системы к внешнему воздействию. Эти представления оказали огромное влияние на понимание механизмов нелинейной динамики эволюции сложных систем живой и неживой природы.
Другой особенностью биологической эволюции является то, что переходы «устойчивость - неустойчивость - устойчивость» контролируются кумулятивной обратной связью. Принцип самоуправления в биологических системах с кумулятивной обратной связью определяет закон эволюции живых организмов, способных не только адаптироваться к окружающей среде, но и изменять эту среду так, чтобы ее характеристики в наибольшей степени соответствовали их возможности существования. Живому существу свойственно также стремление в максимальной степени использовать внешние энергию и вещество. Это важный синергетический принцип, управляющий процессами самоорганизации биологических систем. Вполне обоснованно Г. Хаген пишет, что «.биология по праву считается наиболее важной областью исследования для синергетики» [14].
В центре внимания синергетики находятся качественные изменения, как в статическом, так и в динамическом поведении системы, в частности, при бифуркации. Синергетика самым непосредственным обра-
зом исследует фазовые переходы, играющие немалую роль в биологии, и позволяет вводить в теорию бифуркации новые понятия для последней, такие как понятия критического замедления, критических функций, нарушения симметрии и восстановления нарушений симметрии через флуктуации. Именно такие флуктуации по существу и ответственны за новую информацию, порождаемую эволюционирующей иерархической системой. Собственно синтез информации реализуется тогда, когда индивидуальным взаимодействиям элементов системы между собой и случайности их поведения можно сопоставить детерминированную однозначную величину - энтропию.
Жизнь принципиально связана с синтезом случайностей, причем для каждой последующей ступени иерархии синтезируются свои условия, отличные от условий на предыдущих ступенях. В результате к энтропии, описывающей число возможных состояний системы на предыдущем уровне иерархии, добавляется энтропия, создаваемая новыми состояниями, которые регулируют новые условия. Поэтому возникновение жизни и ее эволюция в сторону более высокоорганизованных форм есть процесс иерархического увеличения суммарной энтропии. Поскольку энтропия определяется логарифмической функцией (формула Больцмана), она аддитивна.
Энтропия эволюции ^го вида живого записывается следующим образом:
е = е + е + е + е
^ ^, ген.пр. ^, сам. ^, сел. ^, ген.инж. >
где е, ген. пр. - сумма меры генетической информации; е,сам. - мера информации о процессах самоорганизации; е^ел. - мера информации вследствие селекционной деятельности; е,ген.инж. - мера информации, обусловлена инженерной генетикой.
Для эволюции жизни важно отношение количества генетической информации для двух последовательных ступеней иерархии синтеза информации. Назовем ценностью синтеза информации число ^^ показывающее во сколько раз уменьшится количество информации при переходе к следующей ступени иерархии синтеза информации:
S,
Zk =
(k+1) St
Однако на этапах возникновения жизни появляется принцип развития, обеспечивающий избыточность производства энергии по сравнению с потребностями в ней. Происходящая при этом концентрация энергии используется в качестве основы для синтеза генетической информации.
С развитием учения о биологической эволюции, неравновесной термодинамики и синергетики в 60 -70-е гг. ХХ столетия стало возможным возникновение принципа глобального эволюционизма [14], характеризующего экстраполяцию идей, получивших обоснование в биологии и химии, на все сферы деятельности и рассмотрение неживой, живой и социальной материи как единого универсального процесса.
В решении указанных проблем трудно переоценить роль, место и суть эволюционных процессов. В частности, речь может идти о конволюции человека и биосферы, не о подчинении одного другому, а о совместном их существовании.
Литература
1. Биотехнология. Принципы и применение / предисл. Б.Б. Кадомцева. М., 1988. 480 с.
2. Драганов Б.Х., Мельничук М.Д. Термодинамика фотосинтеза : монография. Киев, 2006. 64 с.
3. Моисеев Н.Н. Асимптомические методы нелинейной механики. М., 1981.
4. Grebogi C, Ott E, Yorle K. // Phys. Kym. Lett. 1983. Vol. 50. P. 935.
5. Моисеев Н.Н. Алгоритм развития. М., 1987. 303 с. Поступила в редакцию
6. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. М., 1990. 351 с.
7. Onsager L. // Phys. Rev. 1931. Vol. 37. P. 406 - 446; Vol. 38. P. 2265 - 2279.
8. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. М., 1960. 127 с.
9. Пригожин И. От существующего к возникающему. М., 1985. 325 с.
10. Пригожин И. Конец определенности. Время, Хаос и Новые законы природы // Регулярная и хаотическая динамика. М., 1999. 215 с.
11. Шустер Г. Детерминированный хаос: введение. М., 1988. 240 с.
12. Хазен А.М. Происхождение и эволюция жизни и разума с точки зрения синтеза информации // Биофизика. 1992. Т. 37, вып. 1. С. 105 - 121.
13. Николас Дж. Динамика иерархических систем: эволюционное представление. М., 1989. 488 с.
14. Хаген Г. Синергетика: иерархия неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах : пер. с анг. М., 1985. 423 с.
15 ноября 2010 г.
Амерханов Роберт Александрович - д-р техн. наук, заслуженный работник высшей школы РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, профессор, Кубанский государственный аграрный университет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: [email protected]
Гарькавый Константин Алексеевич - канд. техн. наук, профессор, Кубанский государственный аграрный университет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: [email protected]
Amerkhanov Robert Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Ph. (861) 221-58-54. E-mail: [email protected]
Garkavij Konstantin Alexeevich - Candidate of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Ph. (861) 221-58-54. E-mail: [email protected]
