CC BY
101
УДК 37(094)
Современное мировоззрение с позиций экологии, синергетики и теории сложных систем
Иванов О.П., к.г.-м.н., в.н.с.
Винник М.А., д.п.н., в.н.с.
Снакин В.В., д.б.н., в.н.с., завсектором
Музей землеведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Россия, 119991, Москва, ГСП-1, Воробьевы горы, д. 1). E-mail: [email protected]
Рассмотрены положения основных междисциплинарных направлений и дан анализ их достижений в области современного миропонимания. Особое внимание уделено проблемам эволюции сложных систем.
Ключевые слова: сложные системы, эволюция, неравновесность, структурно-фазовые переходы, хаос, порядок, сукцессия, биосфера, биота, логистические уравнения.
ВВЕДЕНИЕ
Период развития междисциплинарных подходов в ХХ веке завершился формированием ряда междисциплинарных направлений, ныне претендующих на роль новейших парадигм. Это экология, синергетика и теория сложных систем.
Во второй половине XX века благодаря научной революции, связанной с именами бельгийского физика и химика, нобелевского лауреата Ильи Пригожина (1977 г., книга «Введение в термодинамику необратимых процессов») и немецкого физика-теоретика Германа Хакена (1977 г. книга «Тайны природы. Синергетика - учение о взаимодействии»), произошел переход к новой синергетической картине мира, в которой с единых системных и нелинейных позиций описывается большинство глобальных процессов и развитие природных систем.
В 80-е годы ХХ века также сложилась специальная научная дисциплина, названная теорией сложности. Наука о сложных нелинейных процессах (Nonlinear Science, Science of complexity, Science of Chaos) находится сейчас лишь в начальной стадии стремительного роста, о чем свидетельствует бурное развитие этой отрасли в США. Проблемы сложных нелинейных систем, в том числе биологических, изучаются во всех крупных университетах Европы и Америки.
В 1984 году был основан Институт Санта-Фе в Нью-Мексико, а двумя годами позже - Центр изучения сложных систем в Университете штата Иллинойс. Последний возглавил Стивен Вольфрам, автор бестселлера «A new kind of science» («Наука нового типа»). Это два крупнейших центра, где профессионально занимаются междисциплинарными исследованиями сложных систем с участием специалистов разных специальностей - экономистов, биологов, физиков и математиков. Центр в
Лос-Аламосе насчитывает около 2 тыс. исследователей.
Российские исследователи также получили базовые результаты в этой области. Достаточно вспомнить открытие химической реакции Белоусова-Жаботинского (МГУ им. М.В. Ломоносова и Институт биофизики клетки (ИБК) РАН), которой в мировой литературе посвящены тысячи статей, исследования В.И. Арнольда (МГУ им. М.В. Ломоносова) по математической теории катастроф и сценариев перехода к хаосу, В.И. Кринского и Г.Р. Иваницкого (ИБК РАН) по исследованию автоволновых режимов в нервном волокне сердечной мышцы, модели процессов морфогенеза и внутриклеточного движения профессоров МГУ им. М.В. Ломоносова Д.С. Чернавского и Ю.М. Романовского, исследования по контролируемой термоядерной реакции в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (академик РАН А.А. Самарский, чл.-корр. РАН С.П. Курдюмов) и др.
В 1995 году в МГУ им. М.В. Ломоносова создан Институт математических исследований сложных систем МГУ (почетный президент - лауреат Нобелевской премии профессор И.Р. Приго-жин, директор (президент) - академик РАН, ректор МГУ им. М.В. Ломоносова профессор В.А. Садовничий).
За этот же период большой прогресс произошел в биологии, и особенно в области генетики. Была существенно скорректирована теория систем и разработан новый взгляд на теорию эволюции. Так, согласно современной синтетической теории эволюции (СТЭ), процесс эволюции - это накопление случайно возникших под влиянием воздействий факторов среды изменений наследственного аппарата в экосистеме и последующий переход на новый уровень.
В целом благодаря развитию этих междисциплинарных направлений была существенно уточнена общая
картина мира. Основой этой картины является системное устройство мира, открытость систем и эволюция всех сложных систем за счет их взаимодействия между собой. При этом процесс развития охватывает явления неживой и живой природы, включая социум.
Задача авторов в данной работе -показать, что междисциплинарность экологии, синергетики и теории сложных систем позволяет выделить и понять ряд общих объединяющих положений.
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ
На вопрос, что такое экология, в классических словарях можно найти следующие ответы: 1) раздел биологии, изучающий отношения организмов или их групп с окружающей средой (их взаимное влияние друг на друга); 2) дисциплина, изучающая общие закономерности функционирования экосистем; 3) комплексная дисциплина, занимающаяся изучением среды обитания живых существ; 4) область знания, рассматривающая совокупность предметов и явлений с точки зрения какого-либо живого объекта (чаще всего человека), принимаемого за основной в данной системе [1].
Здесь мы специально выделили наклонным шрифтом участки текста, требующие существенного смыслового разъяснения, ибо они в контексте присутствуют и в синергетике, и в теории сложных систем. Нетрудно заметить, что речь идет о взаимоотношениях с окружающей средой и о закономерностях функционирования экосистем.
Термин «экосистема» был впервые предложен английским ботаником А.Тэнсли в 1935 году. Но уже в конце XIX века почти одновременно в американской, европейской и русской экологической литературе эта тема стала широко обсуждаться. Экологическая система - понятие весьма широкое, а его главное значение для экологиче-
ской теории состоит в том, что оно подчеркивает обязательное наличие взаимоотношений, взаимозависимости и причинно-следственных связей [1].
Для описания трансформаций экологических систем во времени в экологии возникла концепция сукцессий. Сукцессия начинается тогда, когда появляется новый ресурс, например энергетический (пищевой), и в процессе его утилизации происходит смена картины «поселившегося» на нем сообщества. В экологических сукцессиях от стадии к стадии происходит либо смена видового состава сообщества (полная замена элементов системы), либо весьма существенное изменение процентного состава старых видов и появление новых, а не какое-то качественное изменение, происходящее в старых элементах системы (что обычно подразумевают в эволюционном процессе). Иными словами, экологические сукцессии - это трансформации сложных надорганизменных систем.
Концепция сукцессий в экологии не считается альтернативной эволюционизму, поскольку объектом ее исследования являются сообщества более крупного масштаба, чем популяции. Процесс, при котором сообщества видов растений и животных замещаются с течением времени другими, обычно более сложными сообществами, называется экологической сукцессией или просто сукцессией. Экологическая сукцессия обычно продолжается до тех пор, пока сообщество не станет стабильным и самодостаточным. Сукцессия обусловлена не столько заменой компонентов системы, сколько наложением новых структур на прежние. Но такой процесс неаддитивен, и при переходе на другой уровень организации система приобретает эмерджент-ное качество. Таким образом, вырисовывается совершенно иная, отличная от вертикальной эволюции картина последовательности изменений, происходящих в системе, основанная на иерархическом принципе построения системы, детерминированности функциональных мест (позиций), на общности системных законов для подсистем и надсистем [2].
Однако реально в качестве элемента системы, единицы всего выступает особь. Любые системные закономерности могут реализоваться только через ее поведение. Из дарвинизма вытекает логическая необходимость построить все мировоззрение на основе стохастики - случайного поведения особей, случайного сочетания событий. Однако «из шума симфонии не построишь» [3]. Приходится признавать существование трансформации функционально осмыс-
ленных блоков информации, своеобразной логической матрицы возможных (разрешенных) комбинаций событий, которое постулирует в частности [3].
Концепция сукцессий более системна и охватывает более широкий круг явлений, чем синтетическая теория эволюции, родившаяся в недрах биологии. Так, социальные сукцессии, проходящие на значительных пространствах и с длительным периодом колебания, видимо, способны непосредственно формировать течение макроэволюционных процессов. В этом случае разделять эволюционные и социально-сукцессионные явления и механизмы весьма непросто , да и едва ли необходимо. Сукцессия имеет циклический тип трансформации. Множественность решений существует только в точках бифуркации системы. Изменения обратимы, и система может вернуться в исходное состояние. Для надорганизменных систем лишено смысла понятие монофилии: сходные социумы имеют сходных предшественников, но не общего предка. Появление нового качества элемента навязывается произошедшими количественными изменениями в широкой системе, связывающей и популяции и ландшафты. Это следствие ароморфоза [1].
Синергетика является наукой о процессах развития и самоорганизации, сложных систем произвольной природы. Она наследует и развивает универсальные междисциплинарные подходы своих предшественниц: тектологии А.И. Богданова, теории систем Л. фон Берталанфи, кибернетики Н. Винера.
В простейшем варианте можно выделить семь основных принципов синергетики.
1. Гомеостатичность. Гомеостаз -это поддержание программы функционирования системы в некоторых рамках, позволяющих ей следовать к своей цели. Целью поведения системы в состоянии гомеостаза в синергетике называют аттрактор. Аттракторы существуют только в открытых диссипатив-ных системах.
2. Иерархичность. Это свойство как бы учитывает принцип наследования за счет структурирования систем от простого к сложному в процессе эволюции. При этом параметр порядка как бы синхронно дирижирует поведением множества элементов низшего уровня, заставляя их действовать когерентно.
3. Нелинейность. Это нарушение принципа суперпозиции, когда результат суммы воздействий на систему не равен сумме результатов этих воздействий, то есть результат не пропорционален усилиям, ибо добавляется топология связей элементов.
4. Открытость. Возможность взаимодействия системы с окружающей средой и получения энергии извне. При этом в точках перехода от одного положения гомеостаза к другому система становится максимально открытой и неустойчивой. И именно здесь нарабатывается (когерентность) согласование развития со средой.
5. Неравновесность. Явление, свойственное зонам бифуркационных переходов. В них можно сколь угодно слабыми воздействиями повлиять на выбор поведения системы, на ее траекторию эволюции. При этом утверждается непредсказуемость этого выбора и поведения в простых динамических системах, содержащих не менее трех степеней свободы. Исследование этих зон позволило открыть динамический хаос, странные хаотические аттракторы и фрактальные структуры.
6. Эмерджентность. Сумма свойств системы больше свойств ее элементов за счет вмешательства топологии связей элементов. И это различие возрастает по мере прохождения бифуркационных переходов в процессе эволюции системы, то есть в процессе усложнения системы за счет увеличения разнообразия.
7. Наблюдаемость. Принцип наблюдаемости подчеркивает ограниченность и относительность наших представлений о системе и относительность интерпретаций к масштабу наблюдений. С одной стороны, то, что было хаосом с позиций микроуровня, превращается в структуру при переходе к масштабам макроуровня.
При этом в рамках синергетики находят математическое обоснование такие постулаты, как возникновение порядка из хаоса, ведущая роль хаоса при иерархических переходах в процессе эволюции, ведущая роль флуктуа-ций в фазовых переходах. Фактически это прокрустово ложе и полное непонимание того, что эволюция имеет заданный коридор для развития.
Базовую основу синергетики составляют процессы когерентности и самоорганизации, для реализации которых требуются описанные выше свойства открытости, неравновесности, диссипа-тивности и нелинейности.
К сожалению, исторически сложилось так, что приоритетными аспектами в области синергетики оказались диссипативные и диффузионные процессы. Именно с этих позиций и разработаны такие понятия, как синергия, самоорганизация и структурирующая роль хаоса, что искажает реалии.
Теория сложных систем включает в себя достижения синергетики и существенно расширяет круг рассматри-
ваемых процессов и стадий эволюции любых сложных систем косного и живого мира. Действительно, цикл жизни любой системы состоит из зарождения, роста или эволюции и угасания.
Кроме этого, в системном мире господствуют два основных процесса -аккумуляции (в пределе - кумуляции) и диссипации, часто переходящие друг в друга. И системы могут формироваться либо по этим двум направлениям, либо сочетая и то и другое.
Действительно, сами системы -это уже кумулятивные образования, но при достижении определенного порога накопления вещества и энергии у них возникает свойство диссипации избытков энергии. Все стадии развития и все участвующие процессы рассматривает теория сложных систем, которая дополняет синер-гетические принципы следующими свойствами: уникальность каждой сложной системы, слабая предсказуемость отклика на воздействия извне, негэнтропийность (способность системы в определенных пределах управлять своей энтропией) и целенаправленность.
Это позволяет рассматривать систему как совокупность подсистем или элементов, связанных функциональной средой и целью развития, что предопределяет и ее целостность, и эмерджентность, и направленность эволюции.
Сложные системы, находясь в различных средах (ситуациях), могут проявлять различные системные свойства, в том числе альтернативные (несовместимые ни в одной из ситуаций по отдельности), то есть подчиняться принципу дополнительности.
В связи с тем что и экология, и синергетика, и теория сложных систем в центре внимания помещают процессы эволюции систем, будь то экосистемы, социосистемы или любые сложные системы косного мира, все это совместно формирует современное мировоззрение.
СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭВОЛЮЦИИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
Позиции биологии и экологии. Эволюция является основой любых процессов развития. В теории эволюции, которую экология наследует от биологии, для описания процессов развития сложных систем используют триаду: изменчивость, наследственность, отбор.
Синергетика и современная теория сложных систем добавляют к этому необходимость анализа характера изменчивости, принципов наследова-
ния части приобретенных признаков и специфики лучшего отбора с точки зрения устойчивости в новых условиях. Это связано с тем, что каждая сложная система уникальна и, следовательно, системный мир изначально иерархи-чен. То есть в отличие от точки зрения Ч. Дарвина процесс эволюции не плавный и постепенный, а скачкообразный с нелинейными переходами. При этом не исключаются периоды постепенного накопления вещества, энергии и информации. Последовательность нелинейных переходов, которые завершают спокойные периоды, как бы подвергает весь процесс эволюции специфическому квантованию.
Все это означает, что изменчивость двойственна. С одной стороны, это постепенное совершенствование подсистем с целью сохранения устойчивости в рамках медленно изменяющихся условий окружающей среды, что можно назвать обычной адаптацией.
Период адаптации - это период эволюционных преобразований, который содержит только количественные перемены в системе. Структурная устойчивость при этом не нарушается. Периоду адаптации соответствует неизменное скопление приспособительных признаков широкого значения, нарастание универсализма системы. В итоге флук-туаций в системе появляются регулирующие сигналы, которые изменяют, приспосабливают структуру системы так, чтобы система продолжала работать эффективно.
С другой стороны, при выходе за эти рамки (за счет либо постепенного достижения предела адаптации, либо резкого изменения внешних условий) возникает кардинальная скачкообразная перестройка системы, что требует включения процессов самоорганизации системы и структурных изменений в сторону усложнения, то есть появляются новые структурные элементы и связи. Такие переходы нами названы структурно-фазовыми переходами [4, 5, 6].
В биологии особую роль в понимании процессов эволюции сыграл И.И. Шмальгаузен. Заслуга Шмальга-узена в том, что он рассматривал эволюцию как единый, целостный процесс развития системы и при этом показал, что настоящим объектом эволюции является только система (популяция либо вид в целом). Любая особь является лишь элементом эволюционирующей системы. Развитие присуще лишь системе, а не элементу. Развитие - это единый, целостный направленный процесс, рассматриваемый лишь по отношению к системе [7].
И.И. Шмальгаузен показал, что само преобразование органических форм
закономерно осуществляется в рамках относительно стабильного механизма, находящегося на биогеоценотическом уровне организации жизни и работающего по статистическому принципу.
Механизм эволюции Шмальгаузен рассматривал с точки зрения кибернетики, а процесс взаимодействия системы и наружной среды представлял как последовательность информационных действий: скопления, отбора, преобразования, передачи информации о свойствах (признаках) отдельных частей и системы в целом.
Действие регуляторного механизма развития системы проявляется на разных уровнях ее организации и зависит от реакции на изменение внешних факторов, от форм взаимодействия системы с факторами наружной среды. В зависимости от уровня структуризации системы взаимозависимость с внешними факторами проявляется в разных формах, так как относится к различным уровням организации системы и разным действиям. В роли регулятора выступает внешняя среда, включающая рассматриваемую систему. Внешняя среда обязана быть связана с развивающейся системой двумя линиями связи - прямой линией передачи управляющих сигналов от наружной среды к системе и линией обратной связи, передающей во внешнюю среду информацию о реальном состоянии системы.
Этот тезис очень важен, так как речь идет о структурирующем воздействии, тогда как в синергетике утверждается, что система для самоорганизации получает извне просто энергию без структурирующего значения. Более того, речь идет о непрерывной обратной связи (функциональной), а не о коорек-тирующем коэффициенте, как в логистическом уравнении П. Ферхюльста, описывающем состояние экосистемы.
В процессе собственного функционирования система передает во внешнюю среду информацию о количественном составе соответствующих частей-признаков, об их распределении в системе. В наружной среде происходит преобразование данной информации (контроль и отбор более ценной информации). Отобранная информация накапливается в наружной среде и передается в систему методом появления соответствующих параметров (признаков) у частей системы [7].
Однако, на наш взгляд, с последним утверждением трудно согласиться, ибо внешняя среда не обладает свойствами, указывающими путь самоорганизации системы (свойствами Бога), однако набор условий создает некий коридор, в рамках которого должны происходить изменения. И тогда самоорганизация,
как достояние самой системы, представляет собой способность самой системы гармонизовать отношения с внешней средой за счет появления новых структур, связей, ритмов, то есть самонастроиться.
Яркий пример, подтверждающий наше утверждение, - цыплята, вылупившиеся из яйца при участии курицы, получили от нее не только тепло, но и ритмы (структурирующее свойство), свойственные курице, поэтому они более устойчивы по сравнению с инкубаторскими цыплятами, которые выводятся только при участии тепла, и поэтому их смертность весьма высока и достигает иногда 50%.
По Шмальгаузену в биологических системах в роли регулятора выступает биогеоценоз. Популяция, входящая в состав данного биогеоценоза, связана с ним двумя каналами. Первый канал связи лежит на молекулярном уровне организации и служит для передачи наследственной информации от зиготы до первичных половых клеток зрелой особи. Второй канал связи лежит на уровне организации особи и служит для передачи обратной информации от фенотипов к биогеоценозу. Между этими двумя каналами «вставлены» механизмы преобразования, обеспечивающие связь между ними и замыкающие таковым образом элементарный цикл эволюционных конфигураций [7]. Последнее, на наш взгляд, является предположением. Скорее всего возникают новые геохимические циклы с обратной связью между системой и средой.
Согласно концепции прерывистого равновесия, разработанной американскими исследователями С. Гоулдом, Н. Элдриджем и С. Стэнли, эволюция на видовом уровне по крайней мере в 95% случаев идет не непрерывно, а скачками. Предполагается, что виды остаются практически неизменными на протяжении буквально миллионов лет, а затем за несколько десятков или сотен лет происходит формирование новых видов. Переход от вида к виду совершается не посредством скачка в одном поколении, а путем накопления мутации и отбора. Всякое значительное изменение экологических условий влечет за собой перестройку всей организации сообщества животных.
Например, у животных, ведущих одинокий образ жизни, в случае необходимости возникает строгая иерархическая структура. В период нехватки корма такая организация сообщества определяет очередность доступа к пище. Доминирование может не только разделять, но и объединять животных, оно способствует процессу локализации, образованию структуры в сообще-
стве взамен агрессивных взаимодействий особей [8].
Биологические системы обладают способностью сохранять и передавать информацию в виде структур и функций, возникших в прошлом в результате длительной эволюции. Например, уже открыты подвижные генетические элементы, которые оказались замешаны в таких общебиологических явлениях, как азотфиксация, злокачественный рост клеток, работа иммунной системы и приспособление бактерий к антибиотикам, нестабильные мутации, материнская наследственность.
Согласно работе [8], нестойкое, 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 самых удивительных открытий для генетиков в последние 15-20 лет состояло в осознании повсеместности подвижных элементов, общности их строения и причастности к самым разным генетическим явлениям. Подвижные гены имеют на одном и другом конце повторы. Такие генетические тексты, обрамленные повторами, начинают вести свою отдельную от общей наследственной системы жизнь.
Именно такого рода структуры получают возможность увеличивать число своих копий в хромосомах. Они подчиняют своему звучанию близлежащие гены, которые либо замолкают, либо усиливают активность, либо начинают работать в другом режиме. Включив в свой состав участок ДНК, отвечающий за самоудвоение, подвижный элемент превращается в плазмиду, которая самостоятельно размножается вне дочерней хромосомы у бактерий и вне ядра в клетках высших организмов.
В классической генетике: мутация возникает 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 десятка процентов. На наш взгляд, это очень важно, так как чем больше элементов, тем выше будет склонность к самоорганизации [8]. На этом мы детальнее остановимся в заключении.
Именно с мобильностью активных элементов связывают обнаруженные в природных популяциях дрозофил регулярные вспышки мутации определен-
ных генов. Темп мутационного процесса непостоянный, и 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 к другим (иногда к самым далеким), то есть благодаря перемещающимся элементам генофонды всех организмов объединены в общий генофонд всего живого мира. Это особенно ярко продемонстрировали плаз-миды с детерминантами устойчивости к антибиотикам в колоссальном эксперименте, невольно поставленном человеком на бактериях. С помощью генсекти-цидов человек расширяет эксперимент на насекомых, и в ответ их популяции охватываются определенными быстро распространяющимися генетическими элементами, повышающими устойчивость организма (генетическая экспансия) [8].
Предполагается, что когда-то в клетках насекомых поселились бактерии - симбионты, которые постепенно передали большинство своих генов в ядро и превратились в митохондрии и пластиды. Это замечательный пример переноса генов от про- к эукариотам. Способность клеток одного вида воспринимать ДНК от других, иногда эво-люционно 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 перемещающихся элементов, которые могут менять свое место на хромосоме и даже перемещаться с хромосомы на хромосому. Так могут рождаться новые признаки организма [8].
Согласно учению А.А. 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 выживание, а если надо - и преобразующее влияние на среду. В доминирующей системе образуется структура, которая увеличивает мощность системы и становится материальной основой долговременной адаптации. Стресс-реакция (флуктуация) нужна для того, чтобы возникла доминирующая в адаптации система и образовался структурный след (новая структура, обеспечивающая новый способ функционирования) [8].
Доминирующая система работает под нагрузкой, в ее клетках возрастает производство нуклеиновых кислот и белков, строятся новые структуры. Смотря по тому, к какому фактору приспосабливается организм, доминирующая система и ее след выглядят по-разному. Но этот след всегда увеличивает мощность системы, материально обеспечивает переход к долговременной адаптации.
Интересным является утверждение экологов о том , что 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 поддержания гомеоста-зиса 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, определяющие устойчивость к высоким концентрациям металлов, изменяются количество и качество корневых выделений, тяжелые металлы связываются в клетках дубильными веществами и органическими кислотами.
Механизмы поддержания гомео-стазиса 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 [8].
Сегодня модели нейронных и иммунных сетей строятся в рамках представлений о диссипативных структурах, разработанных в теории синергетики.
Переход системы после критической точки из неустойчивого состояния к устойчивому (к диссипативной структуре) можно рассматривать как качественный скачок в развитии системы, в результате которого возросла организованность, упорядоченность системы.
Например, 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 полностью предопределена. Связи формируются преимущественно после рождения и, следовательно, в различной мере 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 усложнения внутренней и внешней среды организма. При этом для человека наиболее существенным фактором внешней среды, гармонизирующим внутреннюю структуру мозга, являются 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 организованная в виде вертикальной колонки, расположенная в одном или нескольких слоях коры. Эволюционные преобразования мозга в определяющей мере зависят от изменений взаиморасположения элементов, то есть от изменений конструкций как отдельных структур мозга, так и мозга в целом. И в меньшей степени - от изменений самих элементов [8].
Выявлена зависимость между увеличением вертикальной упорядоченности и усложнением функций мозга. Максимальная величина упорядоченности соответствовала наиболее новым и сложно организованным формациям коры мозга человека, имеющим отношение к восприятию речи, ее воспроизводству.
До сих пор ведущим фактором эволюции мозга считается амаболия, то есть количественное накопление или надбавка элементов. Поэтому эволю-ционно новейшие образования - новая кора и ассоциативные области новой коры - максимально представлены в мозге человека. Однако по мере относительного увеличения новейших формаций в мозге млекопитающих происходило столь же значительное относительное уменьшение эволюци-онно более старых образований, и они минимально представлены именно в мозге человека. То есть значение того или иного образования определяется не его массой, а мерой взаимодействия с другими образованиями (структурой). 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 одинаковую для всех видов задачу взаимодействия со средой [8].
И.И. Шмальгаузен в качестве одного из факторов эволюции выделял борь-
бу за существование. Согласно теории конкуренции, близкие виды могут населять район лишь в том случае, если они эффективно делят между собой необходимые ресурсы.
Дж. Хатчинсон провозгласил принципиально новую программу изучения неравновесных сообществ, чьи принципы организации коренным образом отличаются от тех, к которым привыкли экологи, рассматривающие сообщество 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 либо угнетают, либо, наоборот, стимулируют размножение других видов. При этом возможны как негативные, так и позитивные межвидовые отношения. Разные виды не только не стремятся окончательно вытеснить друг друга, но как бы удерживают в сообществе те виды, численность которых падает ниже определенного уровня.
В теории конкуренции выражена концепция детерминизма; конкуренция определяет численность, облик и эволюцию существующих видов, потребляющих одну и ту же пищу. Экологическая 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 конкуренцией.
Согласно этой парадигме, биологическое сообщество можно рассматривать как диссипативную структуру, которая, находясь в неравновесном состоянии, постоянно ведет обмен с внешней средой.
В исходной неупорядоченной системе за счет последовательно реализующихся неравновесных неустойчивостей и когерентного поведения элементов может возникнуть функциональная организованность.
С позиций синергетики и теории сложных систем.
Прежде всего, ответ на вопрос - почему именно усложнение систем решает проблемы процесса эволюции?
Яркий пример для неживого мира -звезды. Они возникают из молекулярных облаков путем аккреции вещества к некоему центру и при достижении критической массы из-за создавшихся в центре соответствующих условий запускаются ядерные реакции горения водорода, происходит разогрев, и звезда становится излучающей (диссипирующей) системой. Процесс кумуляции на на-
чальной стадии сводился именно к увеличению числа подсистем, как у планет, то есть к усложнению числа и качества подсистем. И только затем происходила перестройка подсистем для реализации новых энергетических условий, и система становилась кумулятивно-дис-сипативной - оставаясь кумулятивной, начинала излучать, что также является развитием по принципу усложнения.
В случае живого мира примером является эволюция Биосферы. Она прошла путь от одноклеточных организмов до многоклеточных, высших многоклеточных и человека.
Рост степени сложности всех объектов Вселенной по мере удаления во времени от Большого взрыва можно представить в виде следующей упрощенной последовательности [9]:
• атомы: от двух элементарных частиц (водород) до нескольких сотен (уран, трансурановые элементы);
• молекулы: от двух атомов до сотен тысяч и миллионов (полимеры);
• планеты: десятки и сотни тысяч геологических структур;
• живые существа: от одной до сотен миллиардов клеток;
• общество: от сотен до миллиардов человек и сотни системных образований в виде государств.
Следовательно, речь идет о всеобщем процессе эволюции Вселенной по параметру сложности [4, 5, 6], и одновременно это рост многообразия. При этом каждая следующая ступень включает в себя предыдущие ступени. Звезды не могли появиться раньше атомов, а многоклеточные животные раньше одноклеточных. Но сложные атомы рождаются при взрывах массивных звезд (сверхновые), то есть за счет более высокого уровня структур в составе галактик. Взрыв направлен внутрь системы, обеспечивая тем самым более сложные реакции соединения атомов. Химическая эволюция в полную силу разворачивается только на планетах. Жизнь базируется на многообразии молекул, минералов и веществ, реализуемых на планетах. Таким образом, цепи наследования превращаются в исторические последовательности. Появление молекул не приводит к исчезновению свободных атомов, а возникновение высших животных - к исчезновению одноклеточных, то есть сохраняется вся последовательность наследования. Это процесс вертикального усложнения, но с позиций сукцессий допустимо при замене старого новым и горизонтальное усложнение, ибо новое может создавать разные сочетания в разных ландшафтных условиях, и это работает в целях не только сохранения устойчивости, но и увеличения многообразия.
N типов клеток 60 120 180 240
J_I_I_I_I_I_I_I_
Т, млн лет 100200300400-
500-
600-
700-
800-
900-
1000-
1100-
I ¿й^ ■ А— Ч
, ! / |\ Гоминиды У
| /!\ \ |
I ¡-1—1\ Приматы
: /|\ ^ р 1
\ Млекопитающие 1У
Теплокровные Хладнокровные
У1 Человек
\ Позвоночные высшие многоклеточные
Головоногие моллюски
111
11
Низшие многоклеточные
Т, век 1020304050607080-
Ступени цефализации
" Эукариоты
Прокариоты
Общественно-экономические циклы
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
Информационный цикл 0,5 в.
Постиндустриальный цикл 1,3 в.
Индустриальный цикл 2,3 в.
Предындустриальный цикл 4,5 в.
Раннефеодальный цикл 7 в.
Восточно-рабовладельческий цикл 22 в.
Неолитический цикл 32 в.
Биологические циклы
Рис. 1. Эволюция по сложности.
Слева - для биосферы, справа - для социума [4, 5, 6]
Основой эволюции является принцип устойчивости - пирамидальное распределение структурных иерархических уровней сложных систем. Внизу - наиболее простые, но более многочисленные, выше - все более сложные, но менее численные. До сих пор большая часть массы видимой Вселенной -это водород, затем гелий и т.д. Большая часть живой материи на Земле - это одноклеточные организмы, численность в подсистемах более высоких уровней иерархически уменьшается (так называемая пищевая пирамида). Благодаря такому структурогенезу Биосфера перенесла пять массовых вымираний биоты и десятки более мелких вымираний, но по-прежнему сохраняется и увеличивает сложность.
И наконец, в процессе эволюции возникает еще одна закономерность -ускорение роста сложности со временем (рис. 1) [4, 5, 6].
В основе графиков лежит иерархическая последовательность появления новых видов или числа типов клеток
(или социальных аналогов типов клеток в случае Социума по Ю.В. Яковцу [10]) в зависимости от времени их появления.
Соотношение интервалов времени появления каждого нового вида близко к золотой пропорции, то есть присутствует явление квантования процесса эволюции [4, 5, 11]. Иерархические последовательности аппроксимированы степенными кривыми, что позволяет ввести понятие коридора устойчивости эволюции в пределах 3ст. Выход за пределы этого коридора превращает данную ветвь развития в тупиковую. Примеров в истории палеонтологии достаточно.
Сравнение обеих кривых позволяет увидеть, что время, необходимое для вхождения в режим с обострением для Биосферы, составляло 3,8 млрд лет, тогда как для социума оно укладывается в 80-100 веков, то есть это абсолютно различные темпомиры. Из этого очень хотелось бы сделать обобщающий вывод о том, что все сложные си-
стемы эволюционируют по степенным законам, и различие состоит только в интервалах бытия или в темпомирах, то есть характере степенной зависимости. Примеры можно почерпнуть в работе [5], где рассмотрены процессы эволюции трещин при усталостном разрушении металлов в условиях циклических нагрузок; последовательности усложнения процесса кристаллизации в капле раствора при испарении воды; процессы эволюции литосферы в зонах подвига литосферных плит. Они полностью подтверждают данную идею.
В отличие от точки зрения в ранней синергетике и теории систем (Г. Хакен, И. Пригожин, Берталанфи, Богданов и др.) наша позиция более развита. Она сводится к тому, что в зонах структурно-фазовых переходов происходит управляемый переход с почти предсказуемой траекторией степенного развития в пределах коридора устойчивости, а не случайный переход с непредсказуемой траекторией развития. Точка зрения, укрепившаяся в синергетике о непредсказуемости выбора траектории, основана на результатах не вполне корректного математического моделирования(анализлогисти-ческих уравнений).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, развитие междис-циплинарности в конце ХХ века обеспечило взаимопроникновение различных идей в рассмотренных нами направлениях. Это не только способствовало укреплению теоретической части парадигмы сложного мира взаимодействующих и эволюционирующих систем (синергетика, теория сложных систем), но и подтвердило правильность подхода реальных исследований в области биологии и экологии. Фактически это торжество идей холизма и синтеза.
Очень важным оказалось понимание того, что ускорение роста сложности в процессе эволюции отвечает двум ипостасям макромира. Оно обеспечивает рост многообразия и, следовательно, нелинейности, тем самым способствуя процессам самоорганизации.
Так, современные исследования показали, что закон Больцмана, в основе которого лежат стохастические закономерности, для сложных систем с большими количествами элементов не выполняется - приоритет принадлежит процессам возникновения дальних связей, включая «структурную память» и нелинейное поведение. Причем характерна нелинейность дальних связей [12].
Кроме того, имеет место поразительная вещь: даже сколь угодно медленное, плавное изменение внешних условий необратимо сильно нарушает бесконечно большую систему. Оно порождает в ней огромное число медленных колебаний, которые «бегут» по системе и не дают ей перейти в состояние термодинамического равновесия. Можно сказать, что в этом пределе система становится бесконечно хрупкой с термодинамической точки зрения - она не способна выдержать сколь угодно слабые воздействия [9].
Самоорганизация перегруженного нелинейностью множества - обязательный выход из сложившегося положения. Оно может быть квантовано на подмножества, и в каждом подмножестве возможна кумулятивная самоорганизация (звезды, планеты из молекулярных облаков), структурная самоорганизация (появление новых видов за счет переноса генов и привноса новой нелинейности в виде структурной памяти).
Таким образом, большие множества изначально обладают свойством самоорганизации, а малые - стремятся к ним за счет роста многообразия через эволюцию. Это обязательный путь от хаоса к порядку и одновременно диалектика диссипативного и кумулятивного.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://gcon.pstu.ac.ru/pedsovet/programm/ced1-12-1.htm
2. Богатырева О.А. Описание трансформаций сложных надорганизменных систем: эволюция, история, сукцессия. [http://elib.org.ua/philosophy/ua_ show_archives.php?archive=021B&id=11083B9B29&start_from=&subaction=showfull&ucat=1].
3. Заварзин Г.А. Несовместимость признаков и теория биологических систем // Журнал общей биологии. 19B9. Т. 30. Вып. 1. С. 33-41.
4. Иванов О.П. Причины различия эволюции Биосферы и Общества, экологические следствия и методология выхода // Синергетика. Труды семинара. Естественно-научные, социальные и гуманитарные аспекты. М .: МГУ. Т. 7, 2003. С. 51-B8.
5. Иванов О.П., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы сложных систем / ТГУ. 2008. 280 с.
B. Иванов О.П., Винник М.А. Кумулятивно-диссипативное расширение синергетики // Вестник РУДН. Сер. философия. 2008. № 2. С.78-85.
7. http://megabestref.ru/14/dok.php?id=0030
8. http://www.gumer.info/ bibliotek_Buks/Science/estestvzn/20.php
9. http://www.computerra.ru/offline/ 1998/271/ 1828/
10. Яковец Ю.В. У истоков новой цивилизации. М.: Дело, 1993. 142 с.
11. Иванов О.П. Особенности самоорганизации сложных систем в процессе эволюции // Синергетика. Труды семинара: Матер. круглого стола «Самоорганизация и синергетика: идеи, подходы и перспективы». Т. 3. 2000. С. 2B4-272.
12. Polkovnikov A., Gritsev V., Breakdown of the adiabatic limit in low-dimensional gapless systems // Nature Physics, 4,477, 2008 (doi: 10. 1038/ nphys9B3)
13. http://www.dinos.ru/sci/2008052043B.html.
14. Иванов О.П. Особенности самоорганизации Земли и Биосферы в процессе эволюции // Синергетика. Труды семинара. Вып. 1. М., 1998., С. 17-3B.
15. Иванов О.П. Методология и методы решения глобальных проблем современности // Синергетика. Труды семинара. Т. 2. М., 1999. С. 1-24.
THE MODERN WORLDVIEW FROM THE STANDPOINT OF ECOLOGY, SYNERGETICS AND THE THEORY OF COMPLEX SYSTEMS
Ivanov O.P., Cand. Sci. (Geol.-Miner.), Leading Researcher
Vinnik M.A., Dr. Sci. (Ped.), Leading Researcher
Snakin V.V., Dr. Sci. (Biol.), Leading Researcher, Head of sector
The Earth Science Museum at Moscow State University (1, Leninskie Gory, 119991, GSP-1, Moscow, Russia). E-mail: [email protected] ABSTRACT
The basic principles underlying cross-cutting areas are reviewed and the analysis of their achievements in the field of contemporary worldview is given. Special attention is paid to the problems of evolution of complex systems.
Keywords: complex systems, evolution, equilibrium, structural phase transitions, chaos, order, succession, biosphere, biota, the logistic equation.
REFERENCES
1. Available at: http://gcon.pstu.ac.ru/pedsovet/programm/ced1-12-1.htm
2. Bogatyreva O.A. Opisaniye transformatsiy slozhnykh nadorganizmennykh sistem: evolyutsiya, istoriya, suktsessiya (Description of transformation of supraorganismal complex systems: evolution, history, succession) Available at: http://elib.org.ua/philosophy/ua_show_archives. php?archive=021B&id=11083B9B29&start_from=S.subaction=showfull&ucat=1
3. Zavarzin G.A. Incompatibility between the signs and the theory of biological systems. Zhurnal obshchey biologii, 19B9, vol. 30, no.1, pp. 33-41 (In Russian).
4. Ivanov O.P. Prichiny razlichiya evolyutsii Biosfery i Obshchestva, ekologicheskiye sledstviya i metodologiya vykhoda [The reasons for the differences in the evolution of Biosphere and Society, environmental consequence and methodology output]. Sinergetika. Trudyseminara ["Synergetics. Proc. of the seminar"], 2003, vol. 7, pp. 51-B8.
5. Ivanov O.P., Oksogoyev A.A. Sinergetika i fraktaly slozhnykh system [Synergetics and fractals of complex systems]. Tomsk, TGU Publ., 2008. 280 p.
B. Ivanov O.P., Vinnik M.A. Cumulative-dissipative extension of synergetics. VestnikRUDN, 2008, no. 2, pp. 78-85 (In Russian).
7. Available at: http://megabestref.ru/14/dok.php?id=0030
8. Available at: http://www.gumer.info/ bibliotek_Buks/Science/estestvzn/20.php
9. Available at: http://www.computerra.ru/offline/ 1998/271/ 1828/
10. Yakovets YU.V. U istokov novoy tsivilizatsii [At the root of a new civilization]. Moscow, Delo Publ., 1993. 142 p.
11. Ivanov O.P. Osobennosti samoorganizatsii slozhnykh sistem v protsesse evolyutsii [Features of self-organization of complex systems in the process of evolution]. «Sinergetika. Trudy seminara». Materialy kruglogo stola «Samoorganizatsiya i sinergetika: idei, podkhody i perspektivy» ["Synergetics. Proc. of the seminar. " Materials of the round table "Self-Organization and Synergetics: Ideas, approaches and perspectives], 2000, vol. 3, pp. 2B4-272.
12. Polkovnikov A., Gritsev V., Breakdown of the adiabatic limit in low-dimensional gapless systems. Nature Physics, 2008, no. 4, p. 477. doi:10. 1038/nphys9B3
13. Available at: http://www.dinos.ru/sci/2008052043B.html
14. Ivanov O.P. Osobennosti samoorganizatsii Zemli i Biosfery v protsesse evolyutsii [Features of the Earth's and the Biosphere self-organization in the process of evolution]. «Sinergetika. Trudy seminara» ["Synergetics. Proc. of the seminar], 1998, vol. 1, pp. 17-3B.
15. Ivanov O.P. Metodologiya i metody resheniya global'nykh problem sovremennosti [Methodology and methods of solving modern global problems]. «Sinergetika. Trudy seminara» ["Synergetics. Proc. of the seminar], 1999, vol. 2, pp. 1-24.
