Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - 5.7. Дисипативні структури і явища самоорганізації

Єдиний процес розвитку охоплює явища живої та неживої природи і суспільства, тому природно описати весь процес розвитку на одній мові, у рамка:: єдиної схеми, з використанням загальної термінології.

В еволюційній теорії для опису процесів розвитку використовують тріаду: мінливість, спадковість, добір. Ці ж фактори розглядає М. М. Мойсеєв у своїй монографії "Алгоритми розвитку". Мінливістю він називає будь-які прояви стохастичності і невизначеності. Спадковістю–здатність матерії зберігати свої особливості, здатність змінюватися від минулого до майбутнього, здатність майбутнього залежати від минулого. Принципами добору він називає ті принципи, що викликають до існування більш-менш стійкі утворення, ними є закони збереження, закони фізики і хімії, зокрема, другий закон термодинаміки, варіаційні принципи і т. ін.

Завдання полягає в тому, щоб виявити загальний зміст, притаманний будь-яким процесам розвитку. Мойсеєв будує класифікацію принципів добору і розглядає з єдиної точки зору його механізми. Він виділяє два різні класи добору. Це адаптаційні механізми (визначення безлічі станів системи, що будуть забезпечувати

її стійкість за даних умов зовнішнього середовища) і біфуркаційні механізми (якісний стрибок, зміна організації системи). Визначальну роль еволюційного періоду розвитку систем відіграють такі поняття, як адаптація, стійкість, стабілізуючий добір.

Необхідною умовою існування живих організмів є сталість внутрішнього середовища. Гомеостазис (від грецького "гомео" – той же, "стазис" – стан) розглядається біологами як здатність біологічних систем протистояти змінам зовнішнього середовища і зберігати стан рівноваги.

Наприклад, тільки завдяки механізмам підтримки гомеостазису деякі рослини можуть жити на отруйних відвалах рудників. Є рослини – концентратори металів: алюмінію, молібдену, нікелю, свинцю, стронцію. При цьому для запобігання отруєння тканин у рослинах синтезуються специфічні білки (вони визначають стійкість до високих концентрацій металів), змінюються кількість і якість кореневих виділень, важкі метали зв'язуються в клітинах дубильними речовинами й органічними кислотами.

Механізми підтримки гомеостазису історично закріплені і спрямовані на підвищення стійкості організму в онтогенезі, що забезпечує успіх у відтворенні потомства. Розвиток – це боротьба двох протилежних тенденцій – збереження гомеостазису і пошук нових організаційних форм, що зменшують локальну ентропію.

Етапність розвитку органічного світу, на якій значною мірою базується періодизація геологічної історії, – твердо встановлений факт. Однак загальна теорія етапності розроблена ще дуже слабко, особливо це стосується найбільш принципового її розділу "Про закономірності переходу від одного етапу до іншого". Дотепер звичайно недооцінюються зміни біоценотичних зв'язків в екосистемах минулого, що викликалися появою нових груп організмів. Разом з тим надзвичайно велика увага приділяється можливій ролі глобальних катастроф.

Відповідно до концепції переривчастої рівноваги, розробленої американськими дослідниками С. Гоулдом, Н. Елдриджем і С. Стенлі, еволюція, у всякому разі на видовому рівні, принаймні в 95% випадків йде не безупинно, а свого роду стрибками. Є думка, що види залишаються практично незмінними протягом буквально мільйонів років, а потім за кілька десятків чи сотень років відбувається формування нових видів. У світлі такої концепції перехід від віщу до віщу відбувається не за допомогою стрибка в одному поколінні, а шляхом нагромадження мутації і добору.

Усяка значна зміна екологічних умов спричиняє перебудову всієї організації суспільства тварин. Наприклад, у тварин, що ведуть самотній спосіб життя, у разі потреби виникає сувора ієрархічна структура. У період недостачі корму така організація суспільства визначає черговість доступу до їжі. Домінування може не тільки розділяти, але й поєднувати тварин, воно сприяє процесу локалізації, утворенню структури в суспільстві замість агресивних взаємодій особин.

Біологічні системи мають здатність зберігати і передавати інформацію у вигляді структур і функцій, що виникли в минулому в результаті тривалої еволюції. Відкрито рухливі генетичні елементи, які виявилися вплутаними у таких загальбіологічних явищах, як азотфіксація, злоякісний ріст клітин, робота імунної системи і пристосування бактерій до антибіотиків, нестабільні мутації, материнська спадковість.

Нестійкий, нестабільний стан гена, коли він починає мутувати у десятки, сотні разів частіше звичайного, пов'язано не зі змінами всередині самого гена, а з уведенням в район його розташування певного "контролюючого" елемента, здатного блукати по хромосомах. Ці елементи впливають на "вмикання" і "вимикання" генів, тобто на темп спадкової мінливості. Одне з наqдивовижніших відкриттів для генетиків в останні 15–20 років полягало в усвідомленні повсюдності рухливих елементів, спільності їхньої будови і причетності до найрізноманітніших генетичних явищ.

Рухливі гени мають повтори на кінцях. Такі генетичні тексти, обрамлені повторами, починають вести своє, окреме від загальної спадкової системи життя. Саме такого роду структури одержують можливість збільшувати число своїх копій у хромосомах. Вони підкоряють своєму звучанню прилеглі гени, які або замовкають, або посилюють активність, або починають працювати в іншому режимі. Включивши до свого складу ділянку ДНК, відповідальну за самоподвоєння, рухливий елемент перетворюється на плазмиду, що самостійно розмножується поза дочірньою хромосомою в бактеріях і поза ядром у клітинах вищих організмів. У класичній генетиці: мутації виникають випадково; їм піддаються одиничні особини; їхня частота дуже мала. У "рухливій генетиці" зміни не випадкові, залежать від типу рухливого елемента; їм піддаються багато особин; їхня частота велика, може досягати десяти відсотків. Саме з мобільністю активних елементів пов'язують виявлені в природних популяціях дрозофіл регулярні спалахи мутації певних генів. Темп мутаційного процесу непостійний, так, час від часу популяції або види вступають у "мутаційний" період.

Найразючіше відкриття в генетиці за останній час – це можливість за допомогою мобільних елементів переносити гени чи групи генів від одних видів до інших (іноді до найдальших), тобто завдяки елементам, які переміщуються, генофонди всіх організмів об'єднані в загальний генофонд усього живого світу. Це особливо яскраво продемонстрували плазмиди з детермінантами стійкості до антибіотиків у колосальному експерименті, мимоволі поставленому людиною на бактеріях.

За допомогою генсектицидів людина розширює експеримент на комахах, і у відповідь їхні популяції, ймовірно, охоплюються певними генетичними елементами, що швидко поширюються і підвищують стійкість організму ("генетична експансія"). Гадають, що колись у клітинах комах оселилися бактерії – симбіонти, що поступово передали більшість своїх генів у ядро і перетворилися в мітохондрії і пластиди. Це чудовий приклад перенесення генів від про- до евкаріотів.

Здатність клітин одного виду сприймати ДНК від інших, іноді еволюційно далеких видів, можливість горизонтального перенесення генів вважається "одним з головних чудес XX століття". Класична генетика говорить: кожен ген розташовується на своїй хромосомі і займає на ній строго фіксоване положення. Зараз відомо багато варіантів елементів, які переміщуються, можуть змінювати своє місце на хромосомі і навіть переміщатися з хромосоми на хромосому. У такий спосіб можуть народжуватися нові ознаки організму.

Однак здатність системи обмінюватися інформацією із зовнішнім середовищем, збільшувати або зменшувати число елементів-ознак, зберігати стійкість ще не робить цю систему такою, що розвивається. Породжувана нерівноважними зовнішніми умовами нестійкість приводить до збільшення інтенсивності дисипації, внаслідок чого створюються умови виникнення нової нестійкості. Іншими словами, у системі збільшується інтенсивність протікання деяких необоротних процесів, завдяки чому й відхилення системи від рівноваги стає ще більшим. Це означає, що ймовірність існування такого класу флуктуацій, стосовно яких нові процеси стають нестійкими, зростає.

З іншого боку, якби в результаті виникнення нестійкості інтенсивність дисипації знижувалася, то система за своїми властивостями наблизилася б до деякої рівноважної замкнутої системи, тобто до стану, у якому загасають будь-які флуктуації. Цей механізм можна зобразити в такий спосіб (І. Р. Пригожин, І. Стенгерс): інтенсивність дисипації, тобто збільшення ентропії, можна пов'язати з інтенсивністю зростання числа нових елементів-ознак у системі. Якщо флуктуації викликають інтенсивне зростання нових елементів і між ними не встигають утворюватися зв'язки, організація системи порушується, ентропія зростає, система стає структурно нестійкою. Існування нестійкості можна розглядати як результат флуктуації, що спочатку була локалізована в малій частині системи, а потім поширилася і привела до нового макроскопічною стану.

Дослідження школи Пригожіша показали, що поняття структурної стійкості і порядку через флуктуації застосовні до систем різної природи, у тому числі економічних, соціальних: "Меж для структурної стійкості не існує. Нестійкості можуть виникати в будь-якій системі, варто лише ввести відповідні збурення. Мутації і "новонароджені" елементи виникають стохастично і збираються в єдину систему панівними в даний момент детерміністичними принципами. Це дозволяє нам сподіватися на безперервну генерацію "нових типів" і "нових ідей", що можуть бути включені в структуру системи, забезпечуючи тим самим її безупинний розвиток". Віддаленість від рівноваги, нелінійність може служити причиною виникнення впорядкованості в системі.

Біологічна впорядкованість, генерація когерентного світла лазером, виникнення просторової та часової впорядкованості в хімічних реакціях і гідродинаміці, автохвилі в різних середовищах, нарешті, функціонування екосистем у тваринному світі або життя людського суспільства – усі ці приклади є разючою ілюстрацією явищ самоорганізації, утворення дисипативних структур. Ці структури поряд з чудовими регуляторними властивостями виявляють надзвичайну гнучкість і різноманітність.

Як показали роботи школи Пригожина, найважливішою загальною рисою широкого класу процесів самоорганізації є втрата стійкості і подальший перехід до стійких дисипативних структур. У точці зміни стійкості в результаті розгалуження повинні виникнути щонайменше два рішення, що відповідають стійкому, близькому до рівноважного стану і дисипативної структури. Для дисипативних структур характерна стійкість, що одночасно є структурною та функціональною.

Еволюцію можна розглядати як проблему структурної стійкості. Система не завжди структурно стійка, причому еволюція дисипативної структури визначається послідовністю подій відповідно до схеми (Г. Ніколіс, І. Р. Пригожин). Шмальгаузен як один з факторів еволюції виділяв боротьбу за існування. Відповідно до теорії конкуренції, близькі види можуть населяти район лише в тому випадку, якщо вони ефективно поділяють між собою необхідні ресурси.

Хатгінсон проголосив принципово нову програму вивчення нерівноважних угруповань, чиї принципи організації докорінно відрізняються від тих, до яких звикли екологи, що розглядають угруповання як жорстко організовану сукупність видів. В альтернативному підході пряма конкуренція за їжу підмінюється складними й динамічними інформаційними зв'язками. Залежно від умов метаболіти (продукти життєдіяльності) даного виду або пригнічують, або, навпаки, стимулюють розмноження інших видів. При цьому можливі як негативні, так і позитивні міжвидові відносини. Різні види не тільки не прагнуть остаточно витіснити один одного, але ніби "утримують" у суспільстві ті види, чисельність яких падає нижче певного рівня.

У теорії конкуренції виражена концепція детермінізму; конкуренція визначає чисельність, вигляд і еволюцію існуючих видів, що споживають ту саму їжу. Інша парадигма: близькі види, розташовані в екосистемі на одному трофічному рівні, завжди живуть серед надлишку їжі, оскільки їхня чисельність ефективно обмежується складним комплексом причин, у тому числі й конкуренцією. Відповідно до цієї парадигми біологічне суспільство можна розглядати як дисипативну структуру, яка, знаходячись у не-рівноважному стані, постійно веде обмін із зовнішнім середовищем. У вихідній невпорядкованій системі за рахунок нерівноважних нестійкостей, які послідовно реалізуються, за рахунок когерентної поведінки елементів може виникнути функціональна організованість.

Наведемо приклад з нового наукового напрямку, який швидко розвивається, – адаптології. Клод Бернар назвав пристосування адаптаційно-підсумковою проблемою всієї фізіології. Адаптація людини і тварин являє собою процес, протягом якого організм здобуває раніше відсутню стійкість до певних факторів середовища і в результаті вирішує завдання, раніше несумісні з життям. При всій розмаїтості пристосувальних процесів у них є подібність. На першому етапі адаптації до будь-якого нового фактора організм підходить до максимуму своїх можливостей, до критичної (біфуркаційної) точки. Якщо людина або тварина не гине, а фактор, як і раніше, діє, то можливості живої системи зростають, і на зміну аварійній стадії в більшості випадків приходить стадія ефективної і стійкої звички (виникає дисипативна структура).

Відповідно до вчення Ухтомського, формування систем, що забезпечують адаптацію, відбувається в такий спосіб. Під впливом зовнішніх подразників в організмі формуються, змінюючи один одного, сузір'я збуджених нервових центрів – домінанти. Саме домінанти забезпечують пристосування організму до середовища, його виживання, а якщо треба – і перетворюючий вплив на середовище. У домінуючій системі утворюється структура, що збільшує потужність системи і стає матеріальною основою довгострокової адаптації (наприклад, після перенесених захворювань серця –ріст серця в цілому, співвідношення структур у клітинах серця міняється так, що орган у цілому стає більш потужним і ефективним). Стрес-реакція (флуктуація) потрібна для того, щоб виникла домінуюча в адаптації система й утворився структурний слід (нова структура, що забезпечує новий спосіб функціонування). Домінуюча система працює під навантаженням, у її клітинах зростає виробництво нуклеїнових кислот і білків, будуються нові структури. Залежно від того, до якого фактора пристосовується організм, домінуюча система і її слід мають різний вигляд. Але цей слід завжди збільшує потужність системи, матеріально забезпечує перехід до довгострокової адаптації.

Як і будь-яка інша архітектура, архітектура системного структурного сліду є відображення завдання, що його середовище висуває перед організмом. Перед сучасною людиною частіше виникають завдання, які вимагають не фізичної, а розумової адаптації. При навчанні – формуванні умовних рефлексів, навичок, ідей – порушення нейронів у вищих відділах мозку активізує в них виробництво нуклеїнових кислот і білків. Білки з тіла нейронів надходять у відростки, якими нервові клітки контактують між собою. Так перебудовуються міжнейронні зв'язки, виникають нові нейронні мережі.

Сьогодні моделі нейронних та імунних мереж будуються в рамках уявлень про дисипативні структури. Перехід системи після критичної точки з нестійкого стану до стійкого (до дисипативної структури) можна розглядати як якісний стрибок у розвитку системи, в результаті якого зросла організованість, упорядкованість системи.

Місце нервової клітки в структурі мозку визначається дуже рано – у ссавців і людини в основному до народження, і це місце далеко не випадкове. Це не значить, що структура мозку генетично цілком визначена наперед. Зв'язки формуються переважно після народження, а отже, різною мірою залежні від зовнішнього середовища. Деякі зв'язки будуть обов'язково, інші можуть бути, а можуть і не бути, треті можуть виявитися патологічними. Тому нормальний розвиток мозку залежить від гармонії ускладнення внутрішнього і зовнішнього середовища організму. При цьому для людини найбільш істотний фактор зовнішнього середовища, що гармонізує внутрішню структуру мозку, – це інші люди.

Роботи нейрофізіологів у галузі дослідження просторової організації як окремих утворень, так і цілих систем мозку показали, що структурно-функціональною одиницею мозку служить не окремий нейрон, а популяція нейронів, просторово організована у вигляді вертикального стовпчика, розташована в одному чи декількох шарах кори.

Еволюційні перетворення мозку у визначальній мірі залежать від змін взаєморозташування елементів, тобто від змін конструкцій як окремих структур мозку, так і мозку в цілому. І меншою мірою – від змін самих елементів. Виявлено залежність між збільшенням вертикальної впорядкованості й ускладненням функцій мозку. Максимальна величина впорядкованості відповідала найновішим і високоорганізованим формаціям кори мозку людини, які стосуються сприйняття мови, її відтворення.

Дотепер провідним фактором еволюції мозку вважається амаболія, тобто кількісне нагромадження або надбавка елементів. На підтвердження цього наводяться дані про те, що еволюційно новітні утворення – нова кора й асоціативні ділянки нової кори – максимально представлені в мозку людини. Але справа в тому, що в

міру відносного збільшення новітніх формацій у мозку ссавців відбувалося настільки ж значне відносне зменшення еволюційно старіших утворень, і вони мінімально представлені саме в мозку людини. Цей факт показує, що значення того чи іншого утворення визначається не його масою, а мірою взаємодії з іншими утвореннями (структурою).

Незважаючи на надзвичайну складність реконструкції еволюції мозку, можна припустити, що збільшення маси мозку та еволюційно нових утворень супроводжувалося не стільки нагромадженням елементів, скільки збільшенням варіантів взаєморозташування (ступенем упорядкованості елементів). Саме одночасне відносне збільшення нових і зменшення старих утворень у кінцевому рахунку і вирішували однакове для всіх видів завдання взаємодії із середовищем.