Страница 5 из 9
Ярким примером самоорганизации являются колонии мирциновых муравьев [Матурана Умберто Р., Варела Франсиско Х. «Древо познания: Биологические корни человеческого понимания»]. Данные колонии представляют собой систему, в которой особи разделяются на касты, причем представители разных каст отличаются даже по форме: их морфологическое строение зависит от выполняемых в муравейнике ролей.
Причем роль и присущая ей форма отдельно взятого муравья не является генетически заданными, а формируются в результате онтогенеза (индивидуальной эволюцией особи в процессе ее жизни). Между членами колонии муравьев происходит обмен химическими веществами (в том числе гормонами), в результате чего обеспечивается дифференциация и распределение ролей.
Так, если удалить из муравейника царицу (единственную самку, способную давать потомство), то гормональный дисбаланс, вызванный ее отсутствием, приведет к изменению питания личинок, в результате чего из них разовьются новые царицы. Таким образом, онтогенез каждой отдельной особи согласуется с онтогенезом всех остальных особей.
Еще одной интересной особенностью данных муравьев является то, что жизнеспособность особей, связанных единой структурной динамикой, является свойством, приобретенным в контексте вышеприведенного принципа №2 теории систем: если отдельную особь изолировать от муравейника, то даже в условиях достаточного наличия пищи она довольно быстро погибает.
Впервые о самоорганизации заговорили специалисты по кибернетике и сам термин пришел именно от них. В кибернетических системах явления самоорганизации можно наблюдать в результате задания ограниченного набора простых правил взаимодействия элементов.
Одна из первых и наиболее известных демонстраций возникновения самоорганизации при задании одного лишь простого правила взаимодействий появилась в кибернетике в 50-е годы.
Суть демонстрации заключалась в том, что была собрана поверхность, состоящая из большого числа маленьких лампочек с логическими переключателями, и было задано простое правило: каждая лампочка может находиться в положение «Включено» только если определенное количество смежных с ней лампочек в данный момент горят, а в противном случае лампочка должна отключаться.
В начальный момент эксперимента определенная доля лампочек в случайном порядке включалась экспериментаторами. После этого лампочки в соответствии с заданным правилом начинали загораться или гаснуть, что приводило к беспорядочной смене картинки.
Но далее, после короткого периода беспорядочного мерцания, возникали упорядоченные паттерны: по сети лампочек проходили повторяющиеся волны или же формировалась статичная картинка. Таким образом на месте изначального хаоса возникал порядок и возникал он в результате задания одного единственного правила взаимодействия.
Другим примером возникновения порядка при задании ограниченного набора правил взаимодействия является подход, который был реализован армией США при проведении съемок местности в ходе боевых действий на Ближнем Востоке.
Первоначально для осуществления съемок пытались запускать группы дронов, каждый из которых двигался по своему заданному маршруту, но при этом столкнулись с проблемой: если часть дронов сбивали, на карте съемки оставались белые пятна.
Решить данную проблему удалось после того, как вместо задания траекторий движения для дронов задали два простых правила:
▪ Лететь и снимать ближайшую еще не снятую область (информация о том, какие области засняты, а какие – нет, получалась каждым дроном в режиме реального времени);
▪ Не сближаться с другими дронами ближе, чем на Х метров.
После реализации управления на основе этих правил удалось получать сплошную съемку местности даже в ситуациях, когда часть дронов оказывалась сбитой. Задание двух простых правил позволило системе дронов самоорганизовываться и достигать поставленных целей.
В физике и физической химии самоорганизация связана с понятием диссипативных структур, введенным в научный обиход бельгийским физико-химиком, лауреатом Нобелевской премии Ильей Пригожиным.
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.