Процессы самоорганизации в физике, химии и биологии

Принцип отбора действует и далее. Так из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен.

Далее: из 100 известных аминокислот  в состав белков входят только 20.

Важно отметить, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ сформировался весь труднообозримый мир живого.

Каковы же принципы отбора химических соединений  - своеобразной «химической подготовки» к образованию сложнейших биологических систем?

Оказалось, что определяющая роль здесь принадлежит катализаторам, т.е. веществам, активирующим молекулы реагентов и повышающим скорость химических реакций. Однако, катализаторы не остаются неизмененными в ходе химических реакций: их активность либо падает, либо возрастает.

Самоорганизация систем может происходить  только за счет постоянного притока  энергии, источником которой является основная, т.е. базисная реакция.⁹

 

Процессы самоорганизации  в биологии

Процессы самоорганизации реализуется тогда, когда один вид использует две экологические ниши, но в ходе эволюции одна часть вида специализируется по отношению к одной нише, другая часть - к другой, пока не образуются два различных вида. Поскольку при этом ресурсы обеих ниш используются с разделением функций, становится возможным быстрое улучшение приспособленности. В подобных случаях удается установить следующие свойства: переход происходит в определенной точке, отмечаемой прекращением образования смешанного потомства; с наступлением перехода нарушается симметрия использования ниш подвидами; в точке перехода оба состояния совпадают.

 

 

 

Сейчас обратимся к рис. 11.6. На нем отмечена еще одна существенная особенность процессов эволюции - ветвление. Наглядное описание этого свойства дает теория графов. Например, если вершинам графа поставить в соответствие виды некоего рода или класса, возникавшие в ходе эволюции жизни на Земле, и соединить ребрами (стрелками) виды, произошедшие друг от друга, то результатом будет особого вида ориентированный граф - древо эволюции. Оно обладает рядом специфических свойств: у такого древа всегда одно начало и в большинстве случаев несколько концов, соответствующих вымершим или ныне живущим видам; циклические последовательности предок - потомок наблюдаются лишь в исключительных случаях (например, у вирусов гриппа); у такого графа не существует сходящихся подграфов, поскольку по определению исключается перенос генетической информации между различными видами одного поколения, а происхождение одного вида от другого означает восприятие генетической информации. Картина изменяется при переходе от видов к расам или подвидам. Если информационный обмен возможен, то возникают сходящиеся ветви, т.е. достигается существенный прогресс в эволюции. Разумеется, не случайно, что при этом возникают речевые структуры. Передача информации с помощью языка - существенный фактор высших ступеней эволюции. Возникновение и распространение естественных языков также может служить примером процесса эволюции. На древе эволюции естественных языков отмечено сильное ветвление.

Таким образом, эволюционно-синергетическая  парадигма отражает направленность развития мирового целого на повышение  своей структурной организации. Вся история Вселенной - от момента  сингулярности до возникновения  человека и развития общества - предстает  как единый эволюционный процесс  на основе процессов самоорганизации. Важную роль в парадигме универсального эволюционизма играет идея отбора. Все новое возникает как результат  отбора наиболее эффективных формообразований, неэффективные новообразования  отбраковываются. В настоящее время  эволюционно-синергетическая парадигма - важнейшая в естествознании. С  одной стороны, она дает представление  о мире как о целостности, позволяет  видеть законы и явления в их единстве, а с другой - ориентирует естествознание на выявление конкретных закономерностей самоорганизации и эволюции материи на всех ее структурных уровнях¹⁰.

 

 

Заключение

Современная наука избавляется  от иллюзии, что мир устроен просто, что все процессы могут быть описаны  простыми и ясными закономерностями. В научный обиход входят понятия  нелинейности, неустойчивости, флуктуаций, они становятся лейтмотивом во многих областях знания. Становится более  понятным, как, исходя из химии, из науки  о материалах, можно построить  сложные структуры и формы, в  том числе тe, которые стали предшественниками живой природы.

Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних  сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.

В каждом конкретном случае самоорганизация  проявляется по-разному, это зависит  от сложности и природы изучаемой  системы.

Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной  направленности, и могут в отдельные  фазы существования системы как  преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При  этом система в целом может  иметь устойчивую тенденцию или  претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду.

Самоорганизация может иметь в  своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникшей  ранее в результате процесса организации.

 

 

 

Словарь

 

Самоорганизация — процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих.

Самоорганизующимися называют такие системы, которые способны при изменении внешних или внутренних условий их функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта, сигналы о которой поступают по каналам обратной связи.

Синергетика – это теория, исследующая процессы самоорганизации, устойчивости, распада и возрождения самых разнообразных структур живой и неживой природы.

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нанотехнология, нанонаука — это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника.

Супрамолекулярная химия (надмолекулярная) химия (Supramolecular chemistry) — междисциплинарная область науки, включающая химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий. 

Энтропи́я (от греч. ἐντροπία — поворот, превращение) мера порядка системы, состоящей из единого элемента. В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления конкретного макроскопического состояния.

Точка бифуркации — в общем случае момент времени или точка места, в котором происходит непрогнозируемый переход системы в одно из иных, топологически неэквивалентных исходному, состояний. Критическое фазовое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций (возмущений) и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет в то или иное новое устойчивое состояние, например, на более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности.

Диссипативная система (или диссипативная структура, от лат. dissipatio — «рассеиваю, разрушаю») — это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия. Иными словами, это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой.

Диссипативная система характеризуется  спонтанным появлением сложной, зачастую хаотичной структуры.

Химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.

Ячейки Бенара или Рэлея — Бенара — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу.

Ячейки Рэлея — Бенара являются одним из трёх стандартных примеров самоорганизации, наряду с лазером и реакцией Белоусова — Жаботинского.

Эволюционная  химия — четвертая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.

Открытая система — физическая система, которую нельзя считать закрытой по отношению к окружающей среде в каком-либо аспекте — информационном, вещественном, энергетическом и т. д. Открытые системы могут обмениваться веществом, энергией, информацией с окружающей средой. Открытые системы активно взаимодействуют с внешней средой, причем наблюдатель прослеживает это взаимодействие не полностью. Взаимодействие с окружающей средой характеризуется высокой неопределенностью.

Киберне́тика (от др.-греч. κυβερνητική — «искусство управления»[1]) — наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в различных системах, будь то машины, живые организмы или общество.

Механизм обратной связи – это реакция системы на внешнее воздействие. Более точно можно сказать, что механизм обратной связи – это механизм, определяющий изменение состояния, являющийся реакцией на внешнее воздействие и определяющийся этой реакцией. 

 

Список литературы

1. Бондарев В.П. Концепция современного естествознания . М.: Альфа-М, 2003. – 464 с.
2. Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ, 1969. 276 с.
3. Шабалин Л.И. Система самоорганизации природы. – Новосибирск, 1998.

 

*См. Словарь

¹ Проблема самоорганизации вещества и физика [Электронный ресурс]. - Электрон. дан.- http://physics-animations.com/

² Самоорганизация [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. - http://ru.wikipedia.org/

 

³ В.П. Бондарев «Концепция современного естествознания» [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. - http://lib.socio.msu.ru/

⁴ В.С. Хмелевская «Процессы самоорганизации в твердом теле» [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. -http://sins.xaoc.ru/pdf/

⁵ Механизм реакции Белоусова — Жаботинского [Электронный ресурс]. – Электрон. дан.-http://ru.wikipedia.org/

⁶ В.С. Хмелевская «Процессы самоорганизации в твердом теле» [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. -http://sins.xaoc.ru/pdf/

⁷ И.И. Собельман «Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия» [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. - http://www.chemport.ru/

⁸ А.П. Руденко «Теория саморазвития открытых каталитических систем» [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. - http://mail.konvert.org/

⁹ М.И. Беляев «Концептуальные системы в химической науке» [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. - http://mail.konvert.org/

¹⁰ В.П. Бондарев «Концепция современного естествознания» [Электронный ресурс]. – Электрон. дан.  - http://lib.socio.msu.ru/