Самоорганизация в сложных системах

Санкт-Петербургский  государственный университет технологии и дизайна 
 

   РЕФЕРАТ

Тема: Самоорганизация в сложных системах 
 

                                                Студент 1 курса института экономики и бизнеса

                                                                         Группа 1-эд-1 Чекин А.А 
 
 

                                                   Санкт-Петербург 2011 
 
 

Содержание 

Введение

1) Диссипативные структуры и явления самоорганизации

2) Условия возникновения самоорганизации

3)Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Аруцев  Александр Артемьевич, Ермолаев Борис  Валерьевич, Кутателадзе Ираклий  Отарович, Слуцкий Михаил Семенович

    Характерной особенностью развивающихся систем является их способность к самоорганизации, которая проявляется в самосогласованном  функционировании системы за счет внутренних связей с внешней средой. Рассматривая развитие как процесс самоорганизации  системы, выделим в нем две  основные фазы: адаптацию, или эволюционное развитие и отбор. Самоорганизующиеся системы обладают механизмом непрерывной  приспособляемости (адаптации) к меняющимся внутренним и внешним условиям, непрерывного совершенствования поведения с  учетом прошлого опыта. При исследовании процессов самоорганизации будем  исходить из предположения, что в  развивающихся системах структура  и функция тесно взаимосвязаны. Система преобразует свою структуру  для того, чтобы выполнить заданные функции в условиях меняющейся внешней  среды.

    Адаптация системы к меняющимся условиям происходит благодаря появлению элементов, обладающих необходимыми для функционирования системы свойствами, причем благодаря  не просто появлению таких элементов (имеется в виду не только появление  новых элементов, но и возникновение  у "старых" элементов новых  признаков), а избыточности таких  элементов-признаков. Увеличение числа  сходных элементов лежит в  основе прогрессивного развития систем, так как является предпосылкой для  дальнейшего отбора элементов, дифференциации и интеграции структур. Вместе с  тем увеличение числа сходных  элементов - простейшее средство для  увеличения надежности воспроизведения, для интенсификации функций и  расширения связей с внешней средой. Периоду адаптации (устойчивости системы) соответствует постоянное накопление приспособительных признаков широкого значения, нарастание универсализма  системы. В результате флуктуаций в  системе возникают регулирующие сигналы, которые изменяют, приспосабливают  структуру системы так, чтобы  система продолжала функционировать  необходимым образом.

    Период  адаптации - это период эволюционных преобразований, которые связаны  лишь с количественными изменениями  в системе. Структурная устойчивость при этом не нарушается. Понятие  структурной устойчивости играет важную роль в теории самоорганизации.

    Концепция структурной устойчивости выражает в наиболее сжатом виде идею нововведений - появление нового механизма и  новых элементов. Проблема структурной  устойчивости сводится к следующему. Под воздействием флуктуаций (как  внутренних, так и внешних) в самоорганизующейся системе появляются приспособительные  признаки (это может выражаться в появлении новых признаков у существующих элементов, либо новых элементов, новых взаимосвязей между элементами).

    Новая сеть элементов-признаков обеспечивает адаптацию системы к флуктуациям. Если при этом не меняется способ функционирования системы, то такую систему называют структурно устойчивой.

    Рене  Том обратил внимание на общий  характер и важность понятия "структурная  устойчивость". Какие же факторы  определяют развитие систем, и в  частности эволюции? Этот вопрос наиболее полно разрабатывается в рамках биологии. Не ссылаясь на основоположников эволюционной теории, перейдем к анализу  результатов исследований в этой области Шмальгаузена, которому удалось  связать воедино концепции Кювье, Дарвина, Вернадского. Шмальгаузен  берет в качестве главных факторов эволюции изменчивость, борьбу за существование  и естественный отбор. Шмальгаузен  понимает, что в чистом виде эти  факторы не проявляются в природе, что представление о них - это  результат научной абстракции, итог определенной мыслительной работы. Вот  почему для более полного объяснения действий ведущих факторов эволюции необходимо выявление и других, среди  которых - различные виды изоляции, скрещивание, корреляции, индивидуальная адаптация. Особое место при этом он отводит стабилизирующему отбору (А.К.Айламазян).

    Для Шмальгаузена в отличие от некоторых  других эволюционистов-теоретиков ясно, что абсолютизация какого-то одного из отмеченных факторов неминуемо ведет  к неверным и ограниченным теоретическим  выводам, гипертрофированному преувеличению  значения того или иного момента  эволюции. Более того, он специально подчеркивает, что даже на разных этапах эволюции ее факторы проявляются  по-разному и соответственно имеют  неодинаковое значение.

    Другим  вопросом, не теряющим своей актуальности, является вопрос о формах эволюции. Шмальгаузен рассматривает его  в ходе анализа процесса видообразования  и расхождения признаков. При  этом он подробно освещает проблему адаптации, наглядно показывая место этого  феномена в эволюционном процессе, прослеживая связь адаптации  и организации, которая в итоге  приводит к их неразрывному единству.

    Заслуга Шмальгаузена в том, что он рассматривал эволюцию как единый, целостный процесс  развития системы. При этом показал, что реальным объектом эволюции является именно система (например, конкретная популяция или вид в целом). Каждая особь - реальная единица жизни - является элементом эволюционирующей системы.

    Развитие  присуще только системе, а не элементу. Развитие - это единый целостный  направленный процесс и рассматривается  только по отношению к системе. Исследуя систему, мы всегда можем выделить мысленно отдельные ее подсистемы и рассматривать  другие ее подсистемы в качестве внешней  среды. Если мы хотим исследовать  процесс развития отдельного элемента, то этот элемент мы должны представить  в виде системы, чтобы определить, что является ее элементами, а что - внешней средой.

    Процесс эволюции - это результат взаимодействия системы с внешней средой, поэтому  при исследовании этого процесса необходимо рассматривать процесс  система-внешняя среда.

    Значение  внешних и внутренних факторов в  органической эволюции Шмальгаузен  выявляет, объясняя эволюционный процесс  как процесс направленный: "Биогеоценоз  выступает по отношению ко всем составляющим его популяциям видов как управляющее  устройство. Контроль и регуляция  взаимозависимостей популяций разных видов друг с другом и с неживыми компонентами биогеоценоза совершаются  через отбор или дифференциальное участие особей в воспроизведении  следующего поколения. Гибель, полное или частичное устранение от размножения  всех, кто не может выполнять биогеохимическую функцию, поддерживает устойчивость процессов  циркуляции вещества и энергии в  биогеоценозе и вместе с тем обеспечивает эволюцию отдельных видов. Эволюция является побочным, но неизбежным результатом  поддержания устойчивости системы  высшего по отношению к организму  ранга. Отбор, осуществляя контроль и регуляцию, т.е. поддерживая стационарное состояние биогеоценоза, тем самым  становится движущим фактором эволюции вида и обеспечивает не просто изменение  вида как системы, которое могло  бы привести ее к разрушению, а переход  системы из одного гармонического (устойчивого  по принципу регулирования) состояния  в другое гармоническое состояние".

    Множественное регулирование по принципу обратной связи, или самонастройка развивающего организма, лежит в основе поддержания  устойчивого состояния, обеспечивает сохранение устойчивости процесса развития при нерегулярно меняющихся внешних  условиях, обеспечивает надежность достижения результата развития в регулярно  меняющихся условиях среды. Самонастройка  составляет основу приспособленности  организма к среде и взаимного  приспособления органов друг к другу. Но она же составляет и основу приспособляемости, правда, на другом - надорганизменном уровне организации жизни.

    Шмальгаузен вскрыл, каким образом отбор, способствуя  образованию регуляторных механизмов индивидуального развития, меняет характер развития и создает устойчивые формы, остающиеся неизменными при неизменных условиях среды и способные меняться, как только условия среды изменились. Целостность организма, согласно этой концепции, является одновременно условием сохранения устойчивости и предпосылкой преобразования. Само преобразование, т.е. создание "новой наследственной программы", осуществляется с помощью  сил, оперирующих уже на уровне множества  особей - в биогеоценозе и на больших  отрезках времени, выходящих за рамки  жизни особи в процессе смены  поколений.

    Вернадский  сумел раскрыть на уровне биосферы в целом взаимодействие концепции  эволюционного процесса и идеи устойчивости живой природы. Однако в рамках самой  биологии эти определяющие концепции - константности и историзма - были разобщены вплоть до работ Шмальгаузена.

    Шмальгаузен показал, что само преобразование органических форм закономерно осуществляется в  рамках относительно стабильного механизма, лежащего на биогеоценотическом уровне организации жизни и действующего по статистическому принципу. Это  и есть высший синтез идеи эволюции органических форм с идеей устойчивости вида и идеей постоянства геохимической  функции жизни в биосфере.

    Механизм  эволюции Шмальгаузен рассматривал с точки зрения кибернетики, процесс  взаимодействия системы и внешней  среды представлял как последовательность информационных процессов: накопления, отбора, преобразования, передачи информации о свойствах (признаках) отдельных  элементов и системы в целом.

    Действие  регуляторного механизма развития системы проявляется на различных  уровнях ее организации и зависит  от реакции на изменение внешних  факторов, от форм взаимодействия системы  с факторами внешней среды. В  зависимости от уровня структуризации системы взаимозависимость с  внешними факторами проявляется  в различных формах, так как  относится к разным уровням организации  системы и различным процессам. В роли регулятора выступает внешняя  среда, включающая рассматриваемую  систему. Внешняя среда должна быть связана с развивающейся системой двумя линиями связи - прямой линией передачи управляющих сигналов от внешней  среды к системе и линией обратной связи, передающей во внешнюю среду  информацию о действительном состоянии  системы. В процессе своего функционировании система передает во внешнюю среду  информацию о количественном составе  соответствующих элементов-признаков, об их распределении. Во внешней среде  происходит преобразование этой информации (контроль и отбор наиболее ценной информации). Отобранная информация накапливается  во внешней среде и передается в систему путем появления  соответствующих свойств (признаков) у элементов системы.

    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 таким образом элементарный цикл эволюционных изменений.

    Таким образом, осуществляется двусторонняя связь между внешней средой и  включенной в ее состав системой. Однако между обеими линиями передачи нет  непосредственной связи, так как  они находятся на разных уровнях. Накопленная информация передается по прямому каналу на уровне признаков  отдельных элементов, а обратная информация - только на уровне элементов  и компонентов системы. Так как  регулирующие механизмы развития системы  связаны с внешней средой, то следует  считаться с возможностью различных  случайных внешних влияний, которые  искажают передачу информации и нарушают нормальное течение преобразований.

    Если  биогеоценоз в целом играет роль регулятора эволюционного процесса, то он обязательно должен быть обеспечен "информацией" о состоянии популяции (по линии "обратной" связи), должен включать в себя специфический механизм преобразования этой информации в управляющие  сигналы и средства передачи последних  на популяцию. Таким образом, кроме  механизма преобразования, необходимы каналы связи для передачи информации в двух направлениях - от популяции  к биогеоценозу и от биогеоценоза к популяции. Так как изменение  популяции, будучи элементарным эволюционным процессом, всегда сопровождается наследственным изменением ее особей, то управляющие  сигналы от биогеоценоза к популяции  должны каким-то образом включить возможность  изменения ее наследственной структуры. Последнее может произойти только в процессе преобразования информации в самом биогеоценозе (т.е. в "регуляторе"). Так как первичные эволюционные изменения возможны только в популяции (или в поколениях особей, но не в  отдельных особях), то наиболее простым  изменением является хотя бы небольшое  изменение в генетическом составе  популяции, т.е. в соотношении числа  особей с разной наследственной характеристикой (генотипов). Информация о таких изменениях популяции может быть сообщена через  наследственный аппарат ее особей и  передана особям следующего поколения  при посредстве, например, половых  клеток. Такой аппарат действительно  имеется, и, несомненно, он полностью  обеспечивает надежную связь популяции  с регулирующим механизмом биогеоценоза и дальнейшую передачу информации от одного поколения особей к следующему. Имеются и средства передачи обратной информации от популяции к биогеоценозу. Популяция, несомненно, активно воздействует на биогеоценоз, хотя бы через потребление  пищевых материалов и накопление продуктов своей жизнедеятельности. В известных условиях популяция  может внести значительные изменения  в строении биогеоценоза. Таким образом, имеются и каналы обратной связи.