Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - 5.2. Умови виникнення самоорганізації

Як відзначалося, розвиток системи відбувається за рахунок внутрішніх механізмів, у результаті процесів самоорганізації і за рахунок зовнішніх керуючих впливів. М. Ейген на основі нерівно-важної термодинаміки й теорії інформації розробив концепцію самоорганізації матерії. Ейген обмежується моделюванням добіологічної еволюції макромолекул, але розвинуті ним ідеї та методи мають більш загальне, принципове значення. Так само, як і роботи школи Пригожина, роботи Ейгена вийшли за рамки окремих наук і мають загальнонаукове методологічне значення.

Відповідно до теорії Ейгена, самоорганізація – це не очевидна властивість матерії, що обов'язково виявляється за будь-яких обставин. Мають створитися певні внутрішні й зовнішні умови, перш ніж такий процес стане неминучим. Самоорганізація починається з флуктуації. Для виникнення процесу самоорганізації необхідні інструктивні властивості системи на мікрорівні. Інструкція вимагає інформації, що кодує певні функції. Для самоорганізованих систем інтерес являє функція відтворення або збереження її власного інформаційного змісту. Для виникнення еволюції істотна не кількість інформації, а її інструктивні властивості; важлива не кількість, а цінність інформації, яка безпосередньо пов'язана з її придатністю для використання.

Досить складно дати продуктивне універсальне визначення цінності інформації так, як воно дано для кількості інформації. Цінність інформації різна для однієї й тієї ж системи при різних цілях, різних умовах зовнішнього середовища. Цінність залежить від запасу накопиченої інформації, що має система. Цінність -це ступінь її ненадмірності, незамінності. Інформація, накопичена в процесі еволюції, – це "оцінена" інформація, і число бітів мало що говорить про її функціональне значення. Нагромадження інформації – це збільшення числа елементів, що мають задану ознаку. Цінність інформації виявляється тим більшою, чим менше різноманітних способів виконати задану функцію. .

Якщо порівнюються системи, що виконують різні функції, то ціннісний критерій уже виявляється малопридатним, тут, як і раніше, можна використовувати кількісний інформаційний критерій. Кількісний і прагматичний інформаційні критерії необхідно застосовувати не окремо, а разом, тільки в цьому випадку можна досягти найбільш адекватного визначення ступеня організації як у функціональному, так і в багатьох інших відношеннях.

Для появи погоджених спрямованих процесів у системі необхідне використання інформації в процесі функціонування системи. Якщо використання немає, то нові ознаки в елементів з'являються незалежно від того, які ознаки є в інших елементів. Якщо немає використання інформації, то немає її нагромадження в зовнішньому середовищі, а отже, немає передачі накопиченої інформації з зовнішнього середовища в систему.

Організація в системі пов'язана з локалізацією елементів, які мають певні ознаки, з концентрацією цих елементів, тобто утворенням дисипативної структури. Локалізовані дисипативні структури мають здатність накопичувати інформацію за рахунок свого роду "примітивної пам'яті". Така локалізація відбувається завдяки самоінструктивному процесу використання інформації. У процесі використання інформації відбувається добір тих елементів-ознак, що дають переваги в ході розвитку. Використання інформації – це не її атрибут, а лише властивість, що виявляється у певних умовах.

В усіх випадках порівняння і добір інформації відбувається на основі їхньої оцінки за якістю. На лініях зворотного зв'язку завжди йде зіставлення реального результату якоїсь дії з тим, що закодований у програмі. Це завжди означає насамперед оцінку

якості інформації. Якщо інформація із зовнішнього середовища дає вказівки на існування харчових матеріалів, то насамперед відбувається їхнє апробування – зіставлення з необхідним матеріалом за його якістю. Якщо біоценоз одержує інформацію про новий варіант організмів (через його діяльність), то завжди йде зіставлення нового варіанта з колишньою нормою. У боротьбі за існування добір нового варіанта відбувається не на основі кількості, а тільки за якісними показниками (у порівнянні з нормою).

Самоінструктивний характер процесу добору приводить до того, що зменшується дисипація, тому що зменшується різноманітність елементів-ознак. А це, у свою чергу, зменшує стійкість системи. Система не просто віддаляється від рівноважного стану, а віддаляється зі зростаючою швидкістю, тому що в доборі перемагають більш досконалі структури, що виникають раніше за інших. Однією з умов виникнення самоорганізації є реалізація добору інформації, що має певну міру якості (цінність). Інформація знаходить цінність у конкретному процесі її використання. Для того щоб почався процес самоорганізації, необхідно, щоб добір відбувався за певних умов, а саме: система повинна бути далекою від рівноважного стану; інтенсивність зростання числа елементів повинна бути достатньою для того, щоб вивести систему зі стійкого стану. Якщо швидкість зростання числа нових елементів невелика, то незалежно від початкових даних через певний час установиться стаціонарний стан. Швидкість зростання числа нових елементів повинна перевищувати швидкість відмирання "старих" елементів. Процес зростання повинен мати "автокаталітичний" характер, тобто поява нової ознаки в одного елемента повинна викликати появу тієї ж ознаки в інших елементів. Якщо швидкість зростання буде менша швидкості відмирання, то система не матиме внутрішньої здатності до зростання, необхідної для добору проти менш ефективних ознак. Подібна система несла б у собі всю непотрібну інформацію попередніх елементів-ознак, яка зрештою блокувала б подальшу еволюцію.

Для реалізації добору необхідна надмірність інформації. У системі, що самоорганізується, можливе максимальне безладдя збільшується за рахунок приєднання нових елементів до системи. Але просте додавання елементів у систему ще не перетворює її в таку, що самоорганізується. Під час додавання елементів до системи ентропія системи повинна зберігатися постійною. Для виконання цієї умови необхідне виділення негативної ентропії з навколишнього середовища, тобто додаткове введення енергії, інформації в систему, що виражається в передачі накопиченої інформації із зовнішнього середовища в систему.

Зі зростанням цінності пов'язане і зростання здатності біологічної системи до добору цінної інформації. Ця здатність велика у вищих тварин, органи чуттів яких призначені для такого добору. Добір цінної інформації лежить в основі творчої діяльності людини. Такий добір не вимагає додаткових енергетичних витрат – енергетична вартість одного біта інформації не залежить від її цінності. Природний добір означає порівняльну оцінку фенотипів стосовно даної екологічної ніші, тобто пошук оптимальної цінності.

Джерелом однієї цікавої аналогії служать шахи. Відповідно до теорії Стейніца, слід грати позиційно, накопичуючи малі переваги. Коли вони достатні, шахіст повинен шукати комбінаційний рішучий шлях до виграшу. Нетривіальність цієї теорії, докладно аргументованої Е. Ласкером, полягає в такому: якщо позиційні переваги не використовуються в належиш! момент – вони розсіюються. Ласкер писав: "У майстрів комбінаційна і позиційна гра доповнюють одна одну. За допомогою комбінації шахіст прагне відкинути помилкові цінності, а шляхом позиційної гри він намагається закріпити і використовувати справжні цінності". Ласкер розглядав шахи як модель "життєвої боротьби", але йому не спадало на думку, що шахи можуть служити моделлю природного добору, боротьби за існування: нагромадження малих переваг подібне мікроеволюції, перехід до комбінації подібний макроеволюції, свого роду фазовому переходу.

Теорія функціональних систем, сформульована видатним фізіологом академіком П. К. Анохіним, стверджує, що рушійний стимул поведінки людини і тварини – корисний пристосувальний результат. Ним можуть бути оптимальний тиск крові, достатній вміст у ній кисню і поживних речовин, зовнішні фактори, скажімо, їжа, вода, підсумки соціальної діяльності. В ім'я досягнення поставлених цілей в організмі створюються тимчасові, "робочі" об'єднання структур мозку, різних органів, систем, що мобілізовані для виконання окремої функції. Ця концепція описує загальні принципи, за якими складається фізіологічна архітектура таких об'єднань. Пошукова активність організму – один з найважливіших факторів виживання. Вона підвищує інтенсивність обміну інформацією із зовнішнім середовищем, там самим сприяє інтенсивнішому використанню нових організаційних структур, що виникли під час стресу.

Сучасна теорія стресу, розроблена великим ученим Гансом Сельє, стверджує, що під впливом сильного зовнішнього стимулу після короткочасного періоду перебудови, так званої адаптації, організм вступає в стан підвищеної стійкості. Але через більш-менш тривалий час, якщо продовжується зовнішній вплив, цей період раптово і без жодних додаткових умов змінюється фазою виснаження, коли опірність різко падає.

Існують факти, що суперечать цій теорії. Деякі вчені вважають, що вирішальна роль у стійкості організму належить пошуковій активності. Якщо пошук припиняється, а потреба в ньому збережена, то неможливість її задоволення призводить до негативних переживань і знижує стійкість організму. Якщо ж така потреба ослаблена чи відсутня, то низький рівень активності може й не супроводжуватися негативними емоціями, але і в цьому випадку суб'єкт залишається підвищено вразливим для зовнішніх шкідливих впливів. Пошукова активність підвищує інтенсивність процесу виникнення нових функціональних структур, необхідних "для досягнення мети", для відбиття впливу шкідливих факторів.

Звертаючись до вищевикладеної концептуальної моделі розвитку, відзначимо, що етапові перетворюючого добору відповідає стан нестійкості, тобто етап зародження і формування нової системи. Перехід від етапу формування до еволюції відібраного стану можна розглядати як стрибок у розвитку. Дослідження процесу самоорганізації показали, що на організованість системи, тобто на її ентропію, впливають в основному два параметри: інтенсивність зростання числа елементів у системі й інтенсивність використання елементів у процесі функціонування системи. Зростання числа елементів у системі може привести систему до нестійкого стану і створити передумови для добору найбільш цінних для розвитку системи елементів. Цінність же елементів визначається в процесі їхнього використання. Чим вища інтенсивність зростання числа елементів у системі, тим швидше система прагне до нестійкого стану, наближаючи момент стрибкоподібних змін. Але перехід на новий якісний рівень структурної організації відбудеться лише тоді, коли інтенсивність використання, яка відіграє роль організатора в системі, буде досить велика для того, щоб зменшити ентропію в системі й перевести систему до нового стійкого стану.

Таким чином, змінюючи параметри системи, а саме інтенсивність зростання числа елементів та інтенсивність їхнього використання, ми можемо ініціювати процес самоорганізації в системі, уповільнювати або прискорювати його. При цьому ми можемо перевести систему на новий, більш досконалий рівень розвитку або зруйнувати її.

Загибель системи може відбутися у двох випадках. По-перше, коли випадкові флуктуації в зовнішньому середовищі призводять до загибелі окремих елементів системи, до руйнування взаємозв'язку між ними, у результаті чого система вже не здатна виконувати задані функції. По-друге, коли немає використання інформації про ті чи інші властивості елементів системи в процесі функціонування у зовнішньому середовищі. Немає використання, а отже, і нагромадження інформації в зовнішньому середовищі, у результаті чого порушується прямий зв'язок системи із зовнішнім середовищем. Порушується робота регулюючих механізмів, що призводить до дезорганізації системи і, як наслідок, до її загибелі.

Розглянута модель процесу самоорганізації системи дозволяє сформулювати основні вимоги до математичної моделі. Перш ніж почати аналіз процесу розвитку системи, потрібно визначити ті ознаки елементів, що є інваріантами для досліджуваної групи елементів. І вже для цих обраних елементів-ознак розглядати ступінь упорядкованості, розглядати зростання і відмирання саме цих ознак. Модель повинна пов'язувати динамічні характеристики системи (інтенсивність зростання і використання елементів-ознак) з функцією стану системи, яка характеризує зміну її впорядкованості, тобто з ентропією. Модель повинна бути нелінійною, тому що вона має відбивати і кількісні, і якісні зміни в системі. У моделі повинен бути відображений механізм зворотного зв'язку системи із середовищем.