Чтение онлайн

Понятие диссипативных структур было введено им для описания поведения энергетически открытых физических и химических систем, находящихся вдали от состояния термодинамического равновесия: речь шла о системах, которые не являются замкнутыми и обмениваются веществом и/или энергией с окружающей средой.

Было установлено, что в таких системах могут спонтанно возникать упорядоченные структуры, устойчивость которых обусловлена притоком энергии извне и способностью к ее диссипации (рассеиванию в окружающую среду).

Простой и впечатляющий пример возникновения упорядоченных структур – образование ячеек Бенара в нагреваемых жидкостях.

Французский физик Анри Бенар обнаружил, что подогрев тонкого слоя жидкости может приводить к образованию упорядоченных структур: когда разность температур между нижней и верхней поверхностями жидкости достигает определенного значения, возникает упорядоченная структура виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов, по поверхности которых горячая жидкость поднимается вверх, а холодная опускается вниз.

Рисунок 6. Ячейки Бенара

Таким образом, изначально неупорядоченный тепловой перенос приобретал структуру – упорядоченность.

Но на этом все не заканчивалось и при изменении режима нагрева данная структура могла разрушаться и на ее месте возникала новая, более сложная, структура в виде правильных шестигранных (похожих на медовые соты) структур, в которых горячая жидкость поднималась по центру ячеек, а более холодная опускалась вдоль краев ячеек.

Таким образом, оказалось, что эффекты самоорганизации могут возникать в нерукотворных системах на самом низком уровне сложности – уровне материи.

Ключевой особенностью сложных диссипативных структур является то, что они, обмениваясь материей и энергией с внешней средой, способны уходить все дальше и дальше от состояния равновесия, переходя к новым степеням порядка и сложности через последовательные скачкообразные трансформации [Фритьоф Капра «Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем»]. Такие трансформации возникают в точках потери системой устойчивости, достигаемые через механизмы положительной (усиливающей) обратной связи. В этих точках диссипативная структура либо разрушается, либо переходит на новый уровень порядка и сложности.

Примечание 4:

Строго говоря, в точках потери устойчивости система всегда разрушается, поскольку далее прежней структуры уже не существует, и вопрос заключается лишь в том, возникнет ли вслед за этим новая упорядоченная структура или осуществится переход к неупорядоченности – хаосу.

Таким образом оказалось, что последовательность трансформаций систем с диссипативной структурой является не поиском положения равновесия, а, наоборот, удалением от него. Такие системы развиваются как раскручивающийся маховик с усиливающей обратной связью, при которой каждый оборот прибавляет скорости вращения.

Удивительным и новым здесь является то, что усиливающая обратная связь «вразнос», уводящая систему все дальше от положения равновесия, которая всегда считалась разрушительной в механике и кибернетике, в диссипативных структурах оказалась источником структурных перестроек и перехода к новым степеням порядка и сложности.

Таким образом, развитие сложной самоорганизующейся системы с диссипативной структурой – история про постоянное движение прочь от положения равновесия.

Рисунок 7. Развитие сложной самоорганизующейся системы с диссипативной структурой

Толчками для структурных изменений в системе при этом являются акты ее взаимодействия с внешней средой. Но эти внешние воздействия лишь инициируют сам процесс перестройки, в то время как сама логика перестройки определяется внутренней структурой системы и историей её предыдущих изменений.

Влияние истории предыдущих изменений системы на направление ее скачкообразной трансформации, по сути, означает, что в процессе развития сложная самоорганизующаяся система, являющаяся диссипативной структурой, накапливает опыт.

К подобным же выводам – о накоплении любой живой системой опыта, определяющего последовательность ее дальнейших трансформаций – пришли Матурана и Варелла. Задаваясь вопросами о том, что из себя представляет любая живая система – будь то отдельный живой организм или целые экосистемы, они создали концепцию автопоэза: «авто» означает «само», а «поэз» – «созидание», таким образом «автопоэз» означает «самосозидание» [Фритьоф Капра «Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем»].

Матурана и Варела определили структуру любой живой системы как автопоэзную сеть, в которой каждый элемент непрерывно участвует в создании или трансформации других элементов. Автопоэзная сеть есть система, постоянно воспроизводящая саму себя: она создается своими элементами и, в свою очередь, создает эти элементы.

Примером автопоэзной сети является наш организм, в котором ни один внутренний орган не является жизнеспособным в отдельности, но в котором органы, находясь в динамическом взаимодействии, обеспечивают жизнеспособность друг друга.

Подобные эффекты возникают и на уровне экосистем в целом: например, зайцы обеспечивают жизнеспособность волков, а волки обеспечивают жизнеспособность зайцев (если хищники не будут убивать травоядных, то популяция травоядных может разрастись настолько, что все травоядные окажутся под угрозой исчезновения в результате дефицита кормовой базы).

Матурана и Варелла, исследуя особенности структурного сопряжения живых автопоэзных систем [Матурана У. Р., Варела Ф. Х. «Древо познания: Биологические корни человеческого понимания»], определяют их как открытые для потоков энергии и материи, но при этом операционально замкнутые, что приводит их к выводу о том, что любая подобная система развивается в своей внутренней логике, выбирая на какие возмущения во внешней среде и как реагировать. И этот выбор в любой момент времени зависит от последовательности предшествующих структурных изменений системы. Это приводит исследователей к заключению о том, что живые организмы в процессе своего роста, или экосистемы в процессе своего развития, проходят через периодические трансформации, характер которых зависит не от характера изменений во внешней среде, а от логики внутренней организации автопоэзной сети и накопленного ранее опыта структурных трансформаций. Вот что Матурана и Варелла пишут по данному поводу:

Вместе с тем ясно, что такие коррелятивные изменения хотя и кажутся нам связанными с изменениями во внешней среде, в действительности возникают не из-за них, а берут начало в структурном дрейфе, который происходит при «столкновениях» между операционально независимыми организмом и окружающей средой. Поскольку нам известны не все факторы, обуславливающие такие «столкновения», структурный дрейф представляется нам случайным процессом. В том, что это не так мы убедимся при изучении того, как когерентное целое, образующее организм, претерпевает структурные изменения…