Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание»




Скачать 287.49 Kb.
НазваниеПроцессы самоорганизации в курсе «Естествознание»
Дата12.12.2012
Размер287.49 Kb.
ТипДокументы




Из журнала «Естествознание в школе» - 2004. - №3

Ляпцев А . В,

Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание»


.В государственном образовательном стандарте среднего (полного) общего образования по учебному предмету "Естествознание" дидактическая единица «Процессы самоорганизации» выделена курсивом, что предполагает ознакомительный характер ее изучения. В педагогической практике это приводит к тому, что учебный материал порой не изучается, поскольку необязателен для запоминания.

На наш взгляд, указанная тема является не менее важной, чем многие другие, включенные в перечень требований к уровню подготовки выпускников. О значении процессов самоорганизации и о том, как, несмотря на безусловную сложность рассматриваемых в ней вопросов, тема может быть просто и понятно изложена в учебном процессе и пойдет речь в данной статье.


Мировоззренческий потенциал

Осмысление феномена самоорганизации является важным для формирования естественнонаучного мировоззрения современного учащихся. В частности на уроках биологии при изучении темы «Возникновение жизни» говорится о том, что согласно общепринятой гипотезе жизнь возникла в результате самоорганизации неживой материи. Между тем, суть гипотезы в большинстве случаев остается непонятной не только для учеников, но даже и для учителей в виду сложной интерпретации такого понятия как "самоорганизация".

На одной из лекций для учителей по курсу «Концепции современного естествознания» мне был задан следующий вопрос: «Можно вполне представить, как здание, в котором мы находимся, самопроизвольно разрушится, но как можно представить себе процесс, при котором это здание само по себе построилось?» Вопрос в конечном итоге сводился к гипотезе о возникновении жизни, и, с учетом того, что строение живого организма (даже простейшего) не менее сложно, чем построенное человеком здание, звучал вполне правомерно. Подобного рода вопросы можно найти в многочисленной литературе религиозного характера. Часто, их смысл изначально связан с отрицанием возникновения и эволюцией живой материи. Как сказала одна из учителей в ходе дискуссии на данную тему: «Ученику было бы гораздо проще объяснить возникновение жизни в результате божественного творения, чем в результате какой-то непонятной самоорганизации».

Здесь следует отметить, что, на наш взгляд, борьба между наукой и религией в настоящее время лишь отголосок недавнего исторического прошлого, в котором в силу идеологических, а не естественнонаучных причин бытовал тезис «Наука доказала, что бога нет». На самом деле уже в период становления современной естественнонаучной методологии, естественные науки самоограничились изучением того, что объективно наблюдается. Все, что могут сказать естественные науки о боге – это то, что объективных данных о его существовании у науки нет. Отрицать же существование того, что мы в настоящее время объективно не наблюдаем попросту абсурдно. Настолько же абсурдно спорить по поводу того, какие положения – естественнонаучные или религиозные являются более истинными. Связано это с тем, что критерии истины в естественных науках и в религии различны. С точки зрения науки истинно то, что объективно наблюдается или соответствует логическим выводам из этих наблюдений. С точки зрения религии истинно то, что соответствует определенным религиозным канонам, священным писаниям и т.д. В этом смысле не следует противопоставлять естественнонаучное и религиозное мировоззрения. Естественные науки, отвечают на вопросы: какова структура нашего мира, какие законы управляют природой, как эволюционирует природа.

Естественные науки не отвечают и не должны отвечать на вопросы: кто и с какой целью создал наш мир таким, какой он есть, кто создал такие законы, управляющие природой. В частности вопрос о божественном происхождении нашего мира для естественных наук остается в стороне, а вот вопросы возникновения жизни и эволюции природы вообще – являются предметом естественнонаучных исследований. Именно поэтому мы говорим о естественнонаучных гипотезах возникновения жизни и, в частности, о самоорганизации, а не о том, что жизнь была создана богом.

Так как же «можно представить самовыстраивание здания»? Вот здесь выступает вторая точка зрения на важность формирования у школьников понятия «процессы самоорганизации». Несмотря на то, что наблюдаемая нами жизнь уникальное явление – все живое в нашем мире является тесно взаимосвязанным и единым по происхождению, а другой, отличной от нашей, жизни во Вселенной мы не наблюдаем, законы, описывающие процессы самоорганизации являются более общими, чем биологические законы и связывают эволюцию живой и неживой материи. Таким образом, в теме «процессы самоорганизации», как ни в какой другой прослеживается интегративный характер современных естественнонаучных представлений. В определенном смысле данное понятие «строит мостик» между живой и неживой природой, показывая, что, несмотря на уникальность жизни, и законов, которым она подчинена, в неживой природе существуют примитивные аналоги тех процессов, которые характерны, казалось бы, только для живой природы.


Синергетика – наука о процессах самоорганизации.

Синергетика, или теория самоорганизации, сегодня представляется одним из наиболее популярных и перспективных научных междисциплинарных подходов. Введя в научный оборот термин "синергетика" (дословно – теория совместного действия) Герман Хакен вкладывал в него два смысла. Первый – теория возникновения новых качеств у сложных систем, которыми не обладает ни одна из их частей. Второй – это междисциплинарный подход, разработка которого требует сотрудничества специалистов из разных областей.

Синергетика очень быстро вышла из стен научных лабораторий и начала оказывать большое влияние на разные сферы деятельности современного человека, вызывая у него все больший интерес. В настоящее время этим подходом интересуются многие – от старших школьников и студентов до государственных политиков, от педагогов в образовании и менеджеров по продажам до активно работающих исследователей.

Теория самоорганизации прошла большой путь. Тридцать лет назад на нее смотрели как на очередную забаву физиков-теоретиков, увидевших сходство в описании нелинейных явлений, Двадцать лет назад, благодаря ее концепциям, методам, представлениям были экспериментально обнаружены многие замечательные явления в области физики, химии, биологии, климатологии и других естественных наук. Сейчас этот междисциплинарный подход все шире используется в стратегическим планировании в различных областях человеческой деятельности, а также при анализе исторических альтернатив и поиске путей решения глобальных проблем, вставших перед человечеством.

Редакционная коллегия журнала начинает серию статей "Синергетика – междисциплинарный подход в преподавании предметов естественнонаучного цикла". В этом номере вы познакомитесь с проблемой самоорганизации в живой и неживой природе и методическими возможностями использования этих знаний в учебном процессе. Надеемся, что подобранные материалы помогут Вам иначе посмотреть на отбор традиционного содержания по предмету, и будут способствовать формированию у школьников целостного естественно - научного преставления об окружающем мире.

Несмотря на то, что многие процессы, являющиеся примерами самоорганизации, люди наблюдали с древних времен, наука, изучающая такие процессы на основе единого математического описания, сложилась относительно недавно – во второй половине ХХ века. Одним из создателей нового научного направления является химик и физик И. Пригожин, изучавший неравновесные процессы нелинейной термодинамики (теория диссипативных структур).

На основе теоретических методов нелинейной термодинамики оформилась новая междисциплинарная область знаний, для которой физик Г.Хакен предложил название – синергетика.

Синергетикаобласть научных исследований, целью которых является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы. Проблема самопроизвольного воспроизведения структур является чрезвычайно актуальной для биологии, поэтому методы нелинейной термодинамики получили здесь быстрое и широкое развитие в исследованиях клеточных и надклеточных структур, дифференцирования клеток и ряда других проблем. В частности в работах биохимика М.Эйгена впервые была сформулирована концепция отбора и эволюции биологических макромолекул из неупорядоченных систем на основе качественной теории гиперцикла как одного из принципов самоорганизации открытых систем.

Таким образом, при помощи нелинейной неравновесной термодинамики был получен результат, имеющий важное фундаментальное, общенаучное значение, касающийся непротиворечивости эволюционных концепций в живой и неживой природе.

Следует отметить, что синергетика оперирует достаточно сложным математическим аппаратом, изложение которого невозможно в рамках школьной программы. Имеющаяся в настоящее время литература по этому вопросу (1-6), как правило, не адаптирована применительно к школьному образованию. Однако суть процессов самоорганизации, примеры соответствующих процессов, основные закономерности, присущие системам, способным к самоорганизации, вполне доступны для понимания школьника, и могут быть изложены, в частности, в рамках курса «Естествознания» в старшей (профильной) школе.


Примеры процессов самоорганизации.

Прежде всего, необходимо довести до понимания ученика, что процессы самоорганизации, которые, как предполагают, ответственны, в частности, за возникновение жизни, не являются чем-то уникальным. Несмотря на то, что опытов по самозарождению жизни из неживой материи в настоящее время не существует, и невозможно представить «самопостроение здания», по сути, все процессы самоорганизации связаны общей закономерностью: под влиянием на некоторую систему неупорядоченного внешнего воздействия в этой системе возникают упорядоченные временные и пространственный структуры. Самый простейший пример – это наша речь. Напрягая определенные мышцы, и выдувая воздух, мы создаем звуковую волну, которая упорядочена как во времени, так и в пространстве. Аналогичные процессы происходят во многих музыкальных инструментах: флейта, орган, гармошка, скрипка. В физике такие процессы называются генерацией волн (в данном случае звуковых волн) или автоколебаниями. Люди уже достаточно давно научились генерировать электромагнитные волны (радиопередатчики, лазеры). Другими примерами образования волн являются волны на поверхности воды, или на песке в пустыне, образующиеся под воздействием неупорядоченного потока воздуха - ветра. Заметим, что при кажущейся тривиальности приведенных примеров, соответствующие процессы описываются совсем не тривиальными уравнениями.

Одна из учителей биологии заметила по поводу вышеприведенных примеров: «Как можно сравнивать такие простые вещи как волны даже с примитивными живыми организмами?» Что ж, можно привести и более сложные структуры, чем «простые» волны. В телескопы хорошо видны гранулы на ровной солнечной поверхности и солнечные пятна.

Гранулы образуются в результате конвекции солнечного вещества и по виду похожи на соты. Однако гранулы непрерывно рождаются и умирают, проживая в среднем несколько минут. Искусственно образование такого рода структур было воспроизведено физиком А. Бенаром при нагреве некоторых жидкостей, соответствующие структуры были названы ячейками Бенара.

Еще одним примером являются протяженные вихри в атмосфере нашей планеты – циклоны и антициклоны.

В целом Солнце освещает Землю достаточно равномерно. Периодичность внешнего воздействия связана лишь с вращением Земли вокруг Солнца и Земли вокруг оси. С этим связано изменение температуры в течение суток и в течение года. Однако образование циклонов и антициклонов не связано напрямую с такой периодичностью. Существование этих вихрей во многом похоже на жизнь организмов – они рождаются, живут, передвигаясь по планете и принося нам хорошую или плохую погоду, и умирают. Заметим, что, несмотря на то, что эти процессы достаточно хорошо изучены, ученые не могут предсказать время возникновения того или иного вихря, и, соответственно, сделать долгосрочный прогноз погоды. Более того, законы синергетики говорят, что, по-видимому, такие предсказания невозможны в принципе, так как процессы образования подобных вихрей носят случайный характер и не могут быть точно предсказаны. Здесь следует обратить внимание на то, что законы, которым подчиняются процессы во Вселенной, едины, и подобные вихри наблюдаются и на других планетах, например, большое красное пятна на Юпитере, которое является настолько устойчивым образованием, что наблюдается уже сотни лет.

Вихревые движения возникают и в потоках жидкости, движущейся с достаточно большой скоростью, соответствующее движение жидкости называется турбулентным.

Автоколебания возникают и при некоторых химических процессах. Классическим примером химической реакции этого типа является реакция Белоусова - Жаботинского, наблюдавшаяся в смеси серной кислоты, малоновой кислоты (KBrO2), сульфата церия Се(SO4)2 и бромида калия KBr. В процессе этой реакции ионы Се4+, находящиеся в растворе периодически превращаются в ионы Се3+ и затем обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цвета раствора (рис. №5, см. статью: Химические часы ).

В реакции Белоусова – Жаботинского: через равные промежутки времени происходят спонтанные превращения смеси А + В в другую реакционную смесь, С + D, которая через тот же интервал времени опять превращается в реакционную смесь А + В и т.д. В результате возникают спонтанные химические колебания.

Естественно, автоколебания присущи не только неживой природе. В живой же природе они происходят как на уровне организма - биение сердца, периодическое непроизвольное сокращение мышц и т.д., так и на более высоком уровне, например на уровне биогеоценоза. Например, синхронные колебания численности популяций зайцев и рысей.


До сих пор говорилось о макроструктурах, т.е. о структурах в макромире. Однако структуры наблюдаются и в мегамире. Поскольку время образования таких структур значительно превышает время существования человеческой цивилизации, мы не можем наблюдать их самообразование. Наблюдаются лишь процессы разрушения, например, взрыв сверхновой, и образование на ее месте Крабовидной туманности. Тем не менее, современные гипотезы, подтвержденные расчетами в рамках соответствующих математических моделей, говорят о том, что структуры мегамира (звезды, галактики) также образовались из однородного на начальной стадии вещества Вселенной, и процесс образования таких структур продолжается и в настоящее время. О единстве законов самоорганизации можно судить по внешнему сходству циклонов и спиральных галактик.


Свойства систем, способных к самоорганизации.

Процессы самоорганизации всегда связаны с определенным упорядочиванием и в этом смысле противостоят противоположным процессам самопроизвольного распада структур – перехода от упорядоченного состояния к неупорядоченному. Примеры последних процессов хорошо известны в физике, поскольку соответствующие законы изучались достаточно давно. Была вскрыта и причина, по которой любая замкнутая система всегда стремится к более хаотическому состоянию. Оказалось, что вероятность возникновения хаотического состояния намного больше, чем вероятность возникновения упорядоченного состояния. Грубо говоря, при непрерывном движении частиц, составляющих большую систему, они чаще образуют неупорядоченные состояния. Например, при произвольном движении молекул в закрытом сосуде состояние, при котором молекулы чаще равномерно распределены по всему объему, реализуется чаще, чем состояние, когда они занимают одну половину сосуда (более упорядоченное состояние). Заметим, что в настоящее время существуют мультимедийные программы, например, «Открытая физика», в которых наглядно моделируется процесс расширения газа в пустоту. В термодинамике вводится величина – энтропия, характеризующая степень упорядоченности системы. Переход любой замкнутой системы к все более неупорядоченному состоянию – второе начало термодинамики формулируется еще и как закон возрастания энтропии в замкнутой системе. Если суть второго начала термодинамики может быть легко понята на примере сосуда с газом, то суть процессов самоорганизации, причину, по которой происходит самоорганизация объяснить значительно сложней.

В первую очередь следует рассмотреть общие свойства систем, способных к самоорганизации.

1. Самоорганизация - процесс эволюции от беспорядка к порядку. Естественно энтропия системы, в которой происходит самоорганизация, должна убывать. Однако это ни в коей мере не противоречит закону возрастания энтропии в замкнутой системе, т.е. второму началу термодинамики. Из приведенных выше примеров видно, что все подобные системы являются открытыми системами, т.е. системами, обменивающимися с окружающими их системами либо веществом, либо энергией или и тем, и другим. Понятно, что можно выделить замкнутую систему, в которой происходит самоорганизация. Например, можно представить себе изолированный от излучения звезд космический корабль, в котором произрастают растения. Очевидно, однако, что в любой такой замкнутой системе можно выделить подсистему, в которой именно и происходит самоорганизация, и энтропия которой убывает, в то время как энтропия замкнутой системы в целом возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Таким образом, можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

2. Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отлично от состояния статистического равновесия. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием. В приведенном выше примере с ячейками Бенара внешнее воздействие - нагревание сосуда приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости. В электрических генераторах внешнее воздействие - напряжение, создаваемое источником, приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника. Состояние системы далекой от равновесия является неустойчивым в отличие от состояния вблизи равновесия, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.

3. Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. В ряде случаев это достаточно очевидно, поскольку, например, макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций - макроскопических неоднородностей.

Роль флуктуаций в процессах самоорганизации, как мы далее покажем, оказывается весьма важной, поэтому рассмотрим это понятие подробнее. Если мы возьмем макроскопический сосуд, в котором находятся порядка десяти молекул, то понятия плотности или давления в такой системе теряют смысл. Эти понятия применимы лишь к сосуду, содержащему большое число частиц, именно в этом случае мы можем измерить давление нашими приборами. При статистическом равновесии, как следует из определения, в различных областях пространства сосуда прибор должен показывать одинаковое давление. Однако оказывается, что в достаточно малых (но макроскопических) областях в какие-то моменты времени это давление, а, следовательно, и плотность, отличается от среднего давления и средней плотности в сосуде. Самопроизвольное (спонтанное) отклонение от состояния статистического равновесия и называется флуктуацией. В случае с газом или жидкостью в сосуде флуктуации давления невозможно наблюдать обычными манометрами. Тем не менее, именно такими флуктуациями объясняется броуновское движение. Его можно наблюдать, если в сосуд с жидкостью поместить легкую, но в то же время видимую в микроскоп частицу (напомним, что молекулы жидкости наблюдать в микроскоп невозможно). Опыт показывает, что частица совершает сложные хаотические, но вполне регистрируемые движения. Такое движение было названо броуновским. Объяснение этого опыта было дано А. Эйнштейном, который показал, что оно является результатом возникновения по разные стороны частицы областей с разным числом молекул жидкости. Наличие флуктуаций характерно для любой системы, содержащей большое число частиц.

4. Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. Здесь мы не будем давать строгого определения нелинейности, а лишь проиллюстрируем некоторые важные свойства, следующие из нелинейности уравнений. Именно: в системах, эволюция которых описывается линейными уравнениями, малые изменения начального состояния приводят к малым изменениям конечного состояния через ограниченный промежуток времени, а для систем, описываемых нелинейными уравнениями, такое свойство, вообще говоря, не имеет места.

Так, например, если мы бросим тело под углом к горизонту (традиционная задача из школьного курса физики), то оно упадет в некоторую точку, и при незначительном изменении исходных параметров (начальной скорости, места, откуда бросают) изменение точки приземления будет также незначительно.

Противоположный пример, когда малые изменения начальной координаты и начальной скорости приводят к радикальному изменению эволюции, реализуется в игре “детский биллиард”. Скатываясь по наклонной плоскости, шарик ударяется и отскакивает от нескольких штырьков. Достаточно очевидно, что конечное состояние (положение) шарика полностью определяется начальными условиями и, в то же время, повторить траекторию шарика практически невозможно (в чем собственно и заключается смысл игры). Если описать движение шарика при помощи уравнений, которые в этом случае имеют, естественно, более сложный вид, то оказывается, что эти уравнения нелинейно зависят от начальных условий.

Строго говоря, фундаментальные законы естествознания, в современных теориях всегда являются нелинейными, линейность является некоторым приближением, которое иногда оправдано. Говоря о том, что системы, способные к самоорганизации описываются нелинейными уравнениями, мы подразумеваем, что эффекты, обусловленные нелинейностью, являются достаточно значительными по сравнению с флуктуациями.

5. Самоорганизация всегда связана с самопроизвольным понижением симметрии. Красивая симметричная снежинка имеет, тем не менее, более низкую симметрию, чем бесструктурный водяной пар. Идеи такого понижения симметрии получили большое развитие в современной теории микромира, а также при описании фазовых переходов в физике (например, переход из жидкого состояния в кристаллическое). Вообще процессы самоорганизации во многом похожи на фазовые переходы, поэтому часто их называют кинетическими фазовыми переходами. Отличие заключается в том, что при фазовых переходах происходит возникновение микроструктур (например, кристаллической решетки), в то время как в макроскопическом объеме система остается однородной.

Суть процессов самоорганизации.

Каким же образом происходят процессы самоорганизации? Строгое описание, как уже говорилось, требует применения достаточно сложного математического аппарата. Однако на качественном уровне эти процессы можно, достаточно просто объяснить. Чтобы понять причины, приводящие к самоорганизации, рассмотрим процесс возникновения электрических автоколебаний. Простейший эксперимент можно осуществить (в том числе и в рамках школьного урока), имея усилитель (например, магнитофон) и поднося микрофон, подключенный к входу усилителя, к громкоговорителю, подключенному к выходу усилителя. При малом усилении или большом расстоянии между микрофоном и громкоговорителем мы услышим лишь бесструктурные шумы. Эти шумы обусловлены тем, что электрический ток, проходящий через громкоговоритель, не является строго постоянным, а хаотически изменяется в малых пределах, что, в свою очередь, вызвано флуктуациями плотности электронов. Если увеличивать усиление или подносить микрофон ближе к громкоговорителю, начиная с некоторого момента, спонтанно может возникнуть гудение или свист, обусловленный автогенерацией электрического сигнала. Объясняется это тем, что в силу обратной связи, осуществляемой подачей выходного сигнала на вход, уравнения, описывающие процессы в усилителе являются нелинейными. При малом усилении (слабой обратной связи) отклонения от линейного приближения малы и флуктуации не приводят к существенному изменению тока. При увеличении усиления (усилении обратной связи), начиная с некоторого порога изменения тока, обусловленные флуктуациями, начинают разрастаться, система выходит из первоначального состояния, и возникает генерация.

Аналогично можно рассмотреть опыт с ячейками Бенара. При малой мощности нагревателя отклонение системы от состояния статистического равновесия мало, и, соответственно, малы отклонения от линейного приближения. Процесс передачи тепла от более нагретого нижнего слоя жидкости к менее нагретому верхнему слою обеспечивается теплопроводностью, т.е. макроскопические потоки вещества жидкости отсутствуют. Тем не менее, в силу существования флуктуаций, в жидкости всегда имеются микропотоки. При увеличении мощности нагревателя отклонение системы от положения статистического равновесия возрастает, а с ней возрастают нелинейные эффекты, и, начиная с некоторого момента, флуктуационные потоки начинают разрастаться, и возникают уже макроскопические конвекционные потоки жидкости. Система переходит в состояние с новой фазой, возникают упорядоченные структуры.

Приведенные выше примеры позволяют дать следующее объяснение процессам самоорганизации. Возникновение структур в системе происходит, когда нелинейные эффекты, определяющие эволюцию и обусловленные внешним воздействием на систему, становятся достаточными для разрастания флуктуаций, присущих таким системам. Следует отметить, что определение параметров возникающей структуры не всегда является такой легкой задачей, как в примере с часами, где частота колебаний определяется хорошо известной формулой для колебаний маятника. Даже в такой простой задаче, как возникновение вихрей в потоке жидкости, решение еще не получено. Более того, часто при описании процессов самоорганизации не удается даже написать соответствующие уравнения эволюции, и рассмотрение проводится на основе некоторых упрощенных моделей. В последние годы для этой цели привлекается также компьютерное моделирование.

В заключение заметим, что процессы самоорганизации являются настолько общими, что применимы не только к объектам, изучаемым естественными науками, но и к явлениям, традиционно изучаемым гуманитарными науками. Процессы самоорганизации происходят в общественном устройстве, в экономике и т.д.. Это еще в большей степени определяет интегративный характер данной темы, в данном случае в плане интеграции естественных и гуманитарных наук.

Литература


  1. Пригожин И.Р. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках. - М.: Наука. 1985.

  2. Шелепин Л.А. Вдали от равновесия. - М.: Знание. 1987.

  3. Пригожин И.Р., Стенгерс М. Время, хаос, квант. – М.: Прогресс, 1994.

  4. Мякишев Г.Я. От динамики к статистике. - М.: Знание.1983. (Новое в жизни, науке и технике. Сер «Физика», №7).

  5. Хакен Г. Синергетика. - М.: Мир, 1980.

  6. Ляпцев А.В. Самоорганизация в природе. Материалы к учебному курсу «Концепции современного естествознания»: Учебное пособие. – СПб., 2000.

  7. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. - М., 2001.



САМОРЕГУЛЯЦИЯ РАБОТЫ СЕРДЦА

Электрическая активность синоатриального (пейсмекера) инициирует каждый цикл сокращений. Эта активность распространяется по сердечной мышце через атриовентрикулярный узел, пучок Гиса и волокна Пуркинье так, что все части сердца стимулируются и сокращаются в нужные моменты времени.

Сердечная мышца обладает рядом особенностей, одна из которых заключается в том, что эта мышца не нуждается в нервной стимуляции, так как способна генерировать собственную электрическую активность. Живое изолированное сердце и даже изолированная клетка сердечной мышцы будут ритмически сокращаться сами по себе. В нормальном сердце ритм сокращений задается пейсмекером (водителем ритма) – синоатриальном узлом, который сокращается быстрее, чем любой другой участок сердца. Электрическая активность, генерируемая пейсмекером, распространяется по всему сердцу при помощи специализированных клеток сердечной мышцы таким образом, что все части сердца плавно сокращаются в нужно последовательности. Если устранить контроль со стороны пейсмекера, то миллионы клеток сердца начинаю сокращаться каждая в своем ритме, и в результате хаотические сокращения сердца окажутся неэффективными.



Волны электрической активности, распространяющиеся по сердечной мышце и контролирующие ее сокращение, могут быть обнаружены при помощи электродов, укрепленных на поверхности кожи. По виду ЭКГ можно делать выводы о нарушении нормальной работы сердца. Так, субец Р отражает электрическую активность предсердий, а зубцы Q, R, S и T- активность желудочков.




КОЛЕБАНИЯ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИИ

После того как популяция организмов обосновалась в данной области и достигла уровня равновесия, ее численность колеблется по годам в зависимости от изменений сопротивления среды или от факторов, присущих самой популяции. Некоторые из этих колебаний совершенно незакономерны, но другие носят закономерный и даже циклический характер.

Один из наиболее хорошо известных примеров циклических колебаний численности – это правильный 9 – 10 – летний цикл колебаний численности североамериканского зайца-беляка и рыси в Канаде, установленный на основании данных о числе шкурок, поступающих в конторы по заготовке пушнины. Пик численности зайца наблюдается примерно за год до пика численности популяции рыси. Поскольку рысь кормится зайцем, совершенно очевидно, что цикл численности рыси связан с циклом численности зайца.



Попытки объяснить эти сильные колебания численности на основании климатических изменений потерпели неудачу. Одно время полагали, что эти колебания связаны с циклом солнечной активности; цикл колебаний численности рыси и цикл солнечной активности, казалось, действительно совпадает в первой половине XIX в. Однако эти циклы имеют различную периодичность, поэтому к 1920 г, они совершенно разошлись и максимум солнечных пятен совпал с минимальной численностью рыси. Попытки установить связь циклов колебаний численности с другими периодическими изменениями в природе и с цикличностью болезнетворных организмов также потерпели неудачу.

Периодическая гибель зайцев наблюдается даже в отсутствии хищников и известных нам патогенных (ред. болезнетворных) организмов. Животные гибнут, по-видимому, от какого-то "шока", для которого характерны низкое содержание сахара в крови, истощение, конвульсии и смерть – симптомы – напоминающие "реакцию тревоги", наблюдаемую у лабораторных животных, подвергнутых физиологическому перенапряжению.

Это сходство заставило Христиана (1950) предположить, что гибель зайцев, подобно реакции тревоги, вызвана нарушением функций надпочечников и гипофиза. С возрастанием плотности популяции наблюдается увеличение физиологического напряжения у отдельных зайцев, вызванное перенаселенностью и конкуренцией за пищу. Некоторые особи оказываются вытесненными в худшие местообитания, где пища менее обильна, а хищников больше. В результате физиологического напряжения мозговое вещество надпочечников выделяет адреналин, который в свою очередь вызывает усиленное выделение гипофизом адренокортикотропных гормонов (АКТГ).

В годы, соответствующие пикам численности, в конце зимы под влиянием холодов, недостатка пищи (нехватка зимнего корма – кустарников, торчащих из – под снега) и наступления нового сезона размножения, требующего выделения гипофизом гонадотропных гормонов, деятельность надпочечников и гипофиза нарушается, углеводный обмен приходит в расстройство, что выражается в понижении уровня сахара в крови, конвульсиям и смерти животных.

В результате резко снижает численность популяции зайца-беляка. Численность рысей следует за численностью зайцев. Уменьшившаяся популяция зайцев получает большую возможность прокормиться, тем более что и численность рыси к этому моменту уже снизилась. При достатке пищи и малом числе хищников зайцы снова начинают быстро размножаться, и все повторяется вновь. Этот пример демонстрирует следование численности хищника за численностью жертв.

(использовались материалы книг: К. Вилли. Биология. – М.: Мир, 1968 – 896 с. с изменениями и дополнениями)


САМООРГАНИЗАЦИЯ У БИОЛОГИЧЕСКИХ ФОРМ



Для демонстрации столь сложного явления в биологии обычно применяется какая-либо «модельная система», отличающаяся относительной простотой и потому удобная для изучения. Наибольшую известность приобрели две такие модельные системы миксомицеты и гидры.

Миксомицеты (или слизевики) – подцарство царства грибов, включающее гетеротрофные организмы, тело которых – плазмодий (плазменная масса без оболочек с большим количеством ядер) сходен по форме с амебой. Обитают слизевики в верхних слоях почвы и в обычном состоянии представляющие собой скопления большого количества тел - плазмодиев.

Если питание грибов оскудевает, то происходит следующее: клетки словно повинуясь тайному приказу – внезапно скапливаются в одном месте и образуют так называемую ножку и спороноситель. Впрочем, миксомицеты и после этого способны к передвижению, которое напоминает движение змей. Уже первая фаза - сосредоточение в одном месте в высшей степени интересна. Откуда отдельным клеткам становится известно место сбора? Каким образом они вообще узнают о том, что должны где-то собраться? Биологи обнаружили, что клетки способны производить особую субстанцию – так называемый циклический аденозинмонофосфат, или ц-АМФ, - и обмениваться ею. Как только клетка получает от одной из соседних клеток порцию ц-АМФ, она усиливает и собственное выделение этого вещества; взаимодействие такого эффекта усиления и диффузии порождает структуру, аналогичную химическим волнам или спиралям. Отдельные клетки способны регистрировать градиент плотности возникающих в процессе волн ц-АМФ и движутся в направлении, противоположном направлению распространения этих волн. Для передвижения клетки используют крошечные псевдоподии.

Приведенный пример наглядно показывает, что образование таких структур, как спирали или концентрические круги, может совершенно аналогично протекать как в неживой (в ходе химических реакций), так и в живой природе. Фундаментальная причина этого сходства заключается в том, что в основе подобных процессов лежат всегда одни и теже закономерности изменения параметра порядка, определяющие макроскопическое поведение наблюдаемых структур.

После того как отдельные – причем совершенно одинаковые - клетки соберутся в одном месте, начинается новый процесс, легко поддающийся наблюдению; причины происходящего, однако, еще не до конца ясны. Клетки скапливаются в одном месте, при этом происходит их дифференциация: часть скопления преобразуется в ножку гриба, остальные же становятся его шляпкой. Возможно, ц-АМФ играет решающую роль в процессе дифференциации клеток; впрочем, соответствующие исследования еще не завершены. Все же приведенный пример дает весьма наглядное представление о том, каким образом отдельные клетки «договариваются» между собой при помощи химического вещества.

(использованы материалы книги Хакен Г. Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследовавний, 2003)


ГИПЕРЦИКЛЫ

В то время как М. Пригожин и Г. Хакен изучали феномен самоорганизации, исследуя физические и химические системы, которые проходят через точки неустойчивости и образуют новые формы порядка, биохимик М. Эйген применил ту же концепцию, пытаясь пролить свет на тайну происхождения жизни.

Ученый предположил, что возникновение жизни на Земле стало возможным благодаря процессу нарастающей организации в далекой от равновесия химической системе, с образованием гиперциклов многочисленных петель обратной связи. Фактически Эйген постулировал добиологическую фазу эволюции, в ходе которой в молекулярном мире происходят процессы отбора, выражающие "свойства веществ в особых системах реакций", и ввел понятие молекулярной самоорганизации для описания этих добиологических эволюционных процессов.

Особые системы реакций, которые изучал Эйген, известны как каталитические циклы. Катализатор служит веществом, которое повышает скорость химической реакции, но само при этом не изменяется. Каталитические реакции – важнейшие процессы в химии жизни. Наиболее распространенными и эффективными катализаторами являются ферменты, или энзимы, - существенные компоненты клеток, способствующие жизненно важным метаболическим процессам.

Когда Эйген и его коллеги в 60 – е годы изучали каталитические реакции с участием ферментов, они заметили, что в далеких от равновесия биохимических системах, т.е. системах, пронизанных энергетическими потоками, различные каталитические реакции объединяются, формируя сложные сети, в которых могут содержаться и замкнутые циклы. На рис. приведен пример такой каталитической сети, когда 15 ферментов ускоряют формирование друг друга таким образом, что образуется замкнутый, или каталитический, цикл.

Эти каталитические циклы лежат в основе самоорганизующихся химических систем, подобных химическим часам, исследованным Пригожиным; кроме того, они играют существенную роль в метаболических функциях живых организмов. Они замечательным образом устойчивы и выдерживают широкий диапазон условий. Эйген установил, что в условиях достаточного времени и непрерывного потока энергии каталитические циклы обнаруживают тенденцию к сцеплению, формируя замкнутые петли, в которых ферменты, созданные в одном цикле, служат катализаторами в последующем цикле.

(по книге Капра Фритьоф. Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем. "София"; М.: ИД "Гелиос", 2002. – 336 с.)

СИНЕРГЕТИКА СЛОВАРЬ

АТТРАКТОР— режим развития диссипативной системы, в котором она

может устранять влияние возмущений, действующих на эту систему,

и тем самым восстанавливать стандартное состояние.

АТТРАКТОРЫ РАЗВИТИЯ—«конечные» состояния, или цели, которые строят,

организуют наличные элементы знания из будущего.

БИФУРКАЦИЯ — раздвоение (разветвление) в определен­ной точке

графика, описывающего развитие системы.

ДИССИПАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ системы, у которых энергия упорядоченного

процесса переходит в энергию неупорядоченного процесса, в конечном итоге

в тепловую.

ИНФОРМАЦИЯ (кибернетическая трактовка) – мера разнообразия объектов

действительности.

КАТАСТРОФЫ— скачкообразные изменения, возникающие в виде внезап­ного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Теория катаст­роф содержит универсальный метод исследования всех скачков, разрывов. В математике катастрофа означает потерю устойчивости системой.

НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ — системы, описываемые нелинейными уравнениями.

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ — системы, обменивающиеся веществом, энергией и

информацией с внешним миром.

ПАРАМЕТР ПОРЯДКА— величины, удовлетворяющие уравнениям для точки бифуркации.

ПОРЯДОК – определенное расположение элементов в пространстве или их

последовательность во времени.

САМООРГАНИЗАЦИЯ — появление определенного порядка в однородной массе и

последующего совершенствования и усложнения возникающей структуры.

СИНЕРГЕТИКА — наука, изучающая системы, состоящие из многих подсистем

самой различ­ной природы; наука о самоорганизации простых систем и

превращении хаоса в порядок.

СИНЕРГИЗМ— взаимное влияние, содействие, поддержка.

СИНЕРГИЯ — совместное взаимодействие различных потенций или видов энергий в

целостном действии.

СИСТЕМА – множество элементов связанных между собой

и образующих целостное единство.

СЛОЖНАЯ СИСТЕМА— собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных элементов (строгое математическое определение этого понятия отсутствует).

СТРУКТУРА – относительно устойчивая система связей элементов, образующих целое (вещь).

ЦЕЛОСТНОСТЬ – внутреннее единство объекта, его относительная самостоятельность.

ФРАКТАЛЫ — самоподобные объекты, в которых по мере

увеличения обнаруживается все большее число деталей. Имеют размерность,

промежуточную между точкой и линией, линией и поверхностью, поверхностью и

объемом. Фракталы не являются ни точками, ни кривыми, ни поверхностями, ни

топологическими многообразиями.

ХАОС – беспредельное пространство, беспорядочная смесь материальных

элементов мира, из которой, согласно древнегреческой мифологии,

произошло все существующее.

ЭНЕРГИЯ – физическая величина, изменяемая в джоулях, выделяемая или тратящаяся при выполнении той или мной работы. Выделяют потенциальную, кинетическую, тепловую, энергию химических связей, энергию солнечного излучения и ядерную. При проведении той или иной работы энергия не расходуется, а переходит из одного состояния в другое.

ЭНТРОПИЯ – термодинамическая функция, характеризующая часть внутренней энергии замкнутой системы, которая не может быть преобразована в механическую работу.


Илья Пригожин


(1917 – 2003)

Пригожин родился 25 января 1917 в Москве. После революции был вывезен родителями в эмиграцию. Окончив брюссельский университет, он быстро продвигался в науке, сделав ряд крупных открытий в области физической химии и термодинамики.

Основные труды в области термодинамики и статистической механики неравновесных процессов. Он сформулировал одну из основных теорем теории неравновесных процессов, названную его именем. Бельгийский ученый был инициатором применения методов теории неравновесных процессов в биологии.

Пригожин был автором ряда философских работ и книг о науке - "Время вечности" и "Предел уверенности".

Нобелевская премия по химии была присуждена ученому в 1977 году "за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур".

Награжден золотой медалью Сванте Аррениуса Шведской королевской академии наук (1969), медалью Баурка Британского химического общества (1972), медалью Котениуса Германской академии естествоиспытателей "Леопольдина" (1975) и медалью Румфорда Лондонского королевского общества (1976). Помимо перечисленных Илья Пригожин получил около 40 научных наград и премий, был почетным членом академий многих стран мира, включая Академию наук СССР, и президентом Королевской академии Бельгии.


ХИМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

В 1951 году российский ученый Б.П. Белоусов открыл удивительную химическую реакцию, в которой раствор реакционной смеси веществ поначалу красно-лилового цвета вдруг становится ярко-синим. Потом снова красно-лиловым. И снова синим и т.д. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьируется от 2 до 100 с.

Химическую реакцию такого рода можно рассматривать как своеобразные химические часы (ведь часы суть не что иное, как инструмент, непрерывно отмеряющий периоды определенной длительности). Следует отметить, что смена цвета жидкости продолжается не бесконечно – спустя некоторое время система приходит в однородное состояние.

Условия эксперимента можно изменить, проведя по жидкости налитой тонким слоем, скажем, ногтем, результатом станет возникновение сложных узоров, кругов, спиралей, вихрей, причем все происходит само по себе, без какого-либо дополнительного воздействия извне (рис.6).

Научные журналы того времени отказывались публиковать об этой реакции даже короткое сообщение. Это замалчивание длилось до тех пор, пока биофизик А. Жаботинский не дал объяснение этой реакции на основе автоколебательных, автоволновых явлений, подобных тем, которые управляют работой сердечной мышцы.

( по тексту учебника Естествознание: Для учащихся 10-х классов школ и средних учебных заведений с гуманитарным профилем/ Л.А. Битюцкая, В.С. Еремин, В.С. Чесноков, О.Б. Дементьева. – М.: АСТ-ПРЕСС, 1999 – 336 с. )

Похожие:

Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconВлияние внешних электромагнитных воздействий на процессы самоорганизации сложных биологических систем

Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconРабочая программа дисциплины «введение в синергетику»
Изучить условия возникновения и процессы организации и самоорганизации в системах, а так же их формально-математическое описание
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» icon§ Кибернетика и сложные самоорганизующиеся системы
Механизмы саморегуляции и самоорганизации общества, как и информационные процессы, становятся предметом социальной и экономической...
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconРабочая программа курса «Естествознание». 10-11 классы. Пояснительная записка
В достижении этих требований большую роль играет естествознание, которое призвано формировать у учащихся не фрагментарное, а целостное...
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconЗадача курса : Изучение основных направлений теории коммуникации, овладение различными точками зрения на процессы коммуникации. Место курса в учебном плане : Дисциплина читается на 4 курсе.
Цель курса: Дать слушателям углубленное представление о наработанном теоретическом потенциале науки о коммуникации, представить коммуникационные...
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» icon1. Естествознание и его место в культуре
Естествознание и его место в ряду современных наук. Физика. Химия. Биология. Астрономия. Сотрудничество двух культур
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconВ. В. Нюренберг о сновы самоорганизации учебно-методическое пособие
Ф 532 Филиогло Л. Д., Нюренберг В. В. Основы самоорганизации: Учебно-методическое пособие. – Тольятти: тгу, 2011. – 190 с
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconУрок объяснения нового материала. Роль и место данной темы в курсе
Основные вопросы темы "Электростатика" рассматриваются сначала в курсе физики 8 класса, а затем более подробно изучаются в курсе...
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconПрограмма курса «Политическое управление»
Специфические свойства политики. Системный характер организации политической сферы. Механизмы функционирования политической системы....
Процессы самоорганизации в курсе «Естествознание» iconРабочая программа дисциплины " Технология конструкционных материалов"
В данном курсе рассматриваются также физико-химические процессы, протекающие при получении заготовок и изделий из композиционных...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница