Флуктуации и обратни връзки

Всички обекти на окръжаващия ни свят представляват някакъв вид системи, т.е. съвкупност от съставящите ги елементи и връзките помежду им.

Елементите на всяка система, на свой ред, винаги имат някаква самостоятелност на поведението. Движенията на елементите на микрониво е прието да се наричат “флуктуации” или “шум” и обикновено не представляват интерес за изследователите.

Ниското ниво на индивидуални прояви на отделните елементи позволява да се говори за съществуването в системата на някои механизми за колективно взаимодействие, за съществуването на обратни връзки. Когато колективното, системно взаимодействие на елементите води до това, че едни или други движения на отделните елементи се подтискат, трябва да ни говори, че съществуват отрицателни обратни връзки. Всъщност, именно отрицателните обратни връзки създават системите като устойчиви, консервативни, стабилни обединения от елементи. Именно отрицателните обратни връзки, по този начин създават и окръжаващия ни свят като устойчива система от устойчиви системи.

Стабилността и устойчивостта, обаче не са неизменни. При определени външни условия характера на колективно взаимодействие на елементите се изменя радикално. Доминираща роля започват да играят положителните обратни връзки, които не подтискат, а обратно – усилват индивидуалните движения на съставящите елементи. Флуктуациите, малките колебания, незначителни преди процеса се проявяват на макрониво. Това означава, че възниква нова структура, ново подреждане, нова организация в предишната система.

Самоорганизацията обикновено се свързва с по-сложни, нелинейни явления, а не с сравнително простите процеси на дифузия. Цялата сложност (гранични цикли, хаос, чувствителност към началните условия, дисипативни структури,…) свързана с нелинейността може по-просто да се разбере като взаимодействие на положителни и отрицателни цикли на обратна връзка: някои изменения се стремят да усилват сами себе си (автокатализа), други се стремят да намалят сами себе си. И двата типа обратна връзка са двигателя на естествения подбор:

• положителната обратна връзка, доколкото тя увеличава количеството на конфигурациите;
• отрицателната обратна връзка, доколкото тя стабилизира конфигурациите.

Всяка от тях осигурява някакво преимущество пред конкуриращите се конфигурации. Взаимодействието помежду им (измененията могат да бъдат засилени в някои направления и потиснати в други), може да създаде сложни и непредсказуеми образци (хаос), които се развиват доста бързо, докато не достигнат стабилна конфигурация (атрактор).

Самоорганизация и ентропия. Дисипативните системи на Пригожин

Самопроизволното усложняване на системите доскоро се смяташе че противоречи на втория принцип на термодинамиката – закона за нарастването на ентропията – (самопроизволно нараства само хаоса, но не организираността). Намалявайки своята термодинамична ентропия самоорганизиращата се система трябва задължително експортира (заради втория закон на термодинамиката) (” да разсейва”) такава ентропия в своята среда, както се отбелязва от белгийсият химик И.Пригожин. Такива системи, способни на самопроизволно усложнение, Пригожин нарекъл “дисипативни системи” – от фр. dissipation – разсейване, загуба. Неравновесната термодинамика за разлика от класическата термодинамика (по-точно – термостатика), твърди че е неизбежно образуването на структури и усложняването им във всяка система, където е налице много неравновесен поток на вещества и енергия. Тези структури са дисипативни, т.е. съществуват само в поток, където има дисипация (разсейване) на вещества и енергия. Дисипативна структура е и цялата биосфера, и всеки организъм – тяхно основно свойство е обмяната на вещества.

От термодинамична гледна точка животът е гигантска дисипативна структура, състояща се от множество по-малки дисипативни структури, а те – от още по-малки и т.н, т.е. животът е устроен фрактално.

Самата Земя (а и цялата Слънчева система) също е възникнала като дисипативна структура за сметка на разсеяните в пространството огромни количества космическо вещество и енергия. Днес Земята се е превърнала от дисипативна в почти статична структура. Но в нея продължават да текат динамични процеси: промяната на магнитното поле, движенията на земната кора и притока на вещества от недрата й – вулкани, геотермални извори и др. Тези потоци осигуряват съществуването на йерархии от различни дисипативни структури, като биосферата например. Биосферата е напълно обезпечена с потоци вещества от Земята, а също и с потоци енергия от нея, Слънцето и излъчвания от космоса.

Абиогенезисът е термодинамично възможен, защото за Земята като цяло условието за образуване на дисипативни структури е изпълнено, и затова не е удивително, че на нея са възникнали различни сложни структури – континенти, облаци, урагани, водни течения и, накрая, биосфера.

Случайните изменения и естествения подпор не могат да дадат никакъв резултат, ако няма условия за образуване на нова структура, а тези условия възникават само в силно неравновесен поток от вещества и енергия, за което нито Дарвин, нито Опарин не са подозирали. Случайните изменения са важни в момент на неустойчиво равновесие и от такива моменти зависи всеки възможен път рано или късно да се изпробва. Възникването на живота е именно такава грандиозна бифуркация в процеса на еволюцията на Земята. Както и всяка реална бифуркация, реалното преустройство на структурата на процеса става не мигновено, а разтеглено във времето. Това е също и динамичен процес, но течащ неизмеримо по-бързо от предбифуркационните и с рязко отличаващо се от предбифуркационното състояние. Преходните форми, както и във всеки бифуркационен процес, са крайно неустойчиви – те просто са изчезнали.

Източник:

Введение в теорию нелинейных колебаний, О.М. Киселев
Диссипативные системы, В.И.Коротков
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ, КЛИМОНТОВИЧ Ю.Л.
РАЗЛИЧИЕ В ДИНАМИКЕ САМОУПОРЯДОЧЕНИЯ ЗА СЧЕТ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, АНИЩЕНКО В.С. , 1997
Динамический хаос. Системы классической механики, А.Ю. Лоскутов
ПРИНЦИП КЮРИ КАК РЕГУЛИРУЮЩИЙ МЕХАНИЗМ ЭВОЛЮЦИИ В БИФУРКАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ, Н.С.Кравченко
Диссипативные структуры, ШИЛОВ ПАВЕЛ
Конец определённости. Время, хаос и новые законы природы, И. Пригожин (pdf)
ПОРЯДОК ИЗ ХАОСА.Новый диалог человека с природой, Илья Пригожин, Изабелла Стенгерс
Самоорганизация в неравновесных системах, Г.Николис, И.Пригожин (djvu)
ПОЗНАНИЕ СЛОЖНОГО.Введение, Г.Николис, И.Пригожин (pdf)