Природные системы

Реферат

по концепции естествознания

на тему «Природные системы».

МСХА им Тимирязева 2002г.

Содержание

1. Введение.

2. Типы систем. Характеристики.

3. Принципы самоорганизации систем.

4. Особенности открытых диссипативных систем.

5. Самоорганизация в открытых системах.

6. Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

7. Заключение

8. Список литературы

Введение

Системный подход к анализу объектов является характерной тенденцией современного научного познания. Зададимся вопросом: что он даёт изучению природы как объекту системного анализа?

Прежде всего остановимся на определении понятия природа. Можно дать, по крайней мере, три основных смысловых представлений данного понятия.

1. Природа – это всё сущее, весь мир в многообразии его форм. В этом значении понятие природы можно сравнить с такими понятиями, как материя, Вселенная.

2. В более узком смысле природа – это объект науки, другими словами– комплексный (системный) объект естествознания (наук о природе). Современное естествознание продолжает  развивать научное представления о развитии природы, её общих, особенных и частных законах, различных формах движения материи, о пространственно-временной организации её объектов, структурных уровнях в рамках единой системы.

3. Наиболее часто употребляемое смысловое представление о природе – это совокупность естественных условий существования человеческого общества. Отсюда представляется важным нахождение места и выявление роли природы в процессе формирования отношения к ней человека и человеческого общества в целом.

Классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такой подход был наиболее характерен для атомистической концепции классической физики.

Атомистический взгляд опирался на представление, что свойства и законы движения различных природных систем могут быть описаны свойствами тех мельчайших элементов материи, из которых они состоят. В начале такими простейшими структурными элементами считались молекулы и атомы, а затем элементарные частицы, а в настоящее время – виртуальные струны.

Атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, однако главным в нём является строение и структура различных систем, но не их возникновение и развитие.

Системный и эволюционный подходы, получившие распространение с 60-х гг. XX столетия, основное внимание уделяют изучению характера взаимодействия элементов разных систем, в том числе и биологических. Так, рождение различных гипотез и моделей возникновения и эволюции Вселенной стало возможным лишь после широкого распространения системных идей и представления о самоорганизации открытых систем.

Типы систем. Характеристики.

Система (греч. systema – целое, составленное из частей) – множество  элементов, находящихся в связях и отношениях друг с другом, образующих определённую целостность, единство.

Главное, что определяет систему, – это взаимосвязь и взаимодействие частей в рамках целого. Если такое взаимодействие существует, то допустимо говорить о системе, хотя степень взаимодействия её частей может быть различной. Следует также обратить внимание на то, что каждый отдельный объект, предмет или явление можно рассматривать как определённую целостность, состоящую из частей, и исследовать как систему.

Всё многообразие материальных систем сводится к трём основным типам:

- Системы неживой природы;

- Системы живой природы;

- Общественные системы.

Кроме этого выделяют систему биокосную – это природная система, создаваемая динамическим взаимоотношением организмов и окружающей их абиотической среды (например, биогеоценоз, экосистема) и системы биологические.

Биологические системы – это динамически саморегулирующиеся и, как правило, саморазвивающиеся и самовоспроизводящиеся биологические образования различной сложности (от макромолекулы до совокупности живых организмов одновременно), обладающие, с одной стороны, свойством целостности, с другой соподчинённостью в составе структурно–функциональных иерархических уровней организации. Это всегда открытые системы, условием существования которых служит внутренне контролируемый обмен веществом с окружающей средой и прохождение внешнего по отношению к ним потока энергии.

По объёму и числу составных частей системы делятся на простые и сложные.

Системы считаются простыми если в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношение между элементами системы поддаётся математической обработке и выведению универсальных законов.

Сложные системы состоят из большого числа переменных, а следовательно, и большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее описать закономерности функционирования данного объекта (системы). Трудности изучения таких систем обусловлены и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у неё так называемых эмерджентных  свойств, то есть свойств, которых нет у её частей и которые являются следствием их взаимодействия и целостности системы. Такие сложные системы изучает например метеорология – наука о климатических процессах. В связи со сложностью систем, которые изучает эта наука. Процессы образования погоды остаются малоизученными и, отсюда, проблематичность не только долгосрочных, но и краткосрочных прогнозов метеообстановки. К сложным системам относятся все биологические системы, включая все структурные уровни их организации от клетки до популяции.

Принципы самоорганизации систем.

Кроме деления систем на простые и сложные, все системы можно разделить на закрытые и открытые. В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации.

Как показал австрийский физик Людвиг Больцман, из второго закона термодинамики следует, что все реальные процессы во Вселенной должны протекать с увеличением энтропии. В состоянии равновесия она максимальна. Энтропия, как показал Больцман, характеризует степень беспорядка в системе, чем она больше, тем больше беспорядок. Теперь ясно, что тепловая энергия равновесного состояния бесполезна для совершения работы, потому что она наиболее беспорядочна. Становится ясным, почему все естественные процессы в природе идут с рассеянием энергии. Потому что это увеличивает беспорядок. Следует, однако, заметить, что второй закон носит статистический характер и применим только к системам, содержащим большое количество частиц.

Когда энтропия системы возрастает, то, соответственно, усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует: энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Согласно второму закону термодинамики все естественные процессы необратимы и могут протекать только в одну сторону: в строну увеличения беспорядка, то есть в сторону теплового равновесного состояния., из-за чего и возникает так называемая «стрела времени».

В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но она в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счёт заимствования порядка из внешней среды.

Живые системы для своего существования поглощают вещество с заключённой в нём энергией высокого качества (в виде питания), перерабатывая которое, они высвобождают вещество (экскременты) с энергией «низкого качества». В результате эта разность энергий идёт на поддержание жизни и увеличение структурируемости. И хотя в результате энтропия в живой системе уменьшается, общая энтропия живой системы и окружающей среды (за счёт выхода «беспорядочной» энергии) увеличивается, как и следует из второго закона. Таким образом, если в какой-то части системы происходят процессы, уменьшающие энтропию (увеличивающие организованность), то в другой части системы обязательно протекают процессы, её увеличивающие, так что суммарное изменение энтропии всегда положительно. Оказывается, что самоорганизация систем может происходить и часто происходит самопроизвольно. В результате таких процессов с большей вероятностью и произошла жизнь.

Однако самоорганизация может происходить лишь в сильно неравновесных диссипативных системах в результате случайных флуктуаций (флуктуация, лат. fluctuatio,  ­– колебание, отклонение от некоторого среднего положения) или внешних воздействий. Наука, занимающаяся эволюцией и возникновением таких систем, называется синергетикой или термодинамикой открытых неравновесных систем.

Особенности открытых диссипативных систем.

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние –                                  – диссипативность (диссипация, лат. dissipatio, – рассеяние), которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным её микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершатся переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающий их некий общий темп развития, и др.

Понятие диссипативности тесно связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы – это обычно очень сложные открытые системы, которые характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для её функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название параметров порядка.

В процессе самоорганизации возникает множество новых свойств и состояний. Очень важно, что обычно соотношения, связывающие параметры порядка, намного проще, чем математические модели, детально описывающие всю новую систему. Это связано с тем, что параметры порядка отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения параметров порядка – одна из важнейших при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.

Самоорганизация в открытых системах.

 После открытия самоорганизации в простейших системах неорганической природы стало ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Современная наука процесс самоорганизации систем определяет следующим образом:

1. Система должна быть открытой, потому что закрытая изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому не способна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум её самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придёт в состояние полной дезорганизации.

3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесия эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип организования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер ( а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры) то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от  синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Перечисленные выше условия безусловно являются необходимыми для возникновения самоорганизации в различных природных системах. Но конечно же недостаточными. Так,  в химических и биологических самоорганизующихся системах важная роль отводится факторам ускорения химических реакций (процессы катализа).

Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Главная идея синергетики (предметом коей являются самоорганизующиеся системы) – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции её разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями – взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и её среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбежно. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.

В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдёт на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определённом (и часто неожиданном или  просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

Как выясняется, переход от Хаоса к Порядку вполне поддаётся математическому моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности ( в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.

Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования всё более и сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях её организации – от низших и простейших к высшим  и сложнейшим (человек, общество, культура).

Заключение

Многообразие материальных систем, охватывающих неживую и живую природу, пространство и время, человеческое общество, предполагает их функционирование в рамках единых законов природы. В разработку последних внесли свой вклад фундаментальные естественно-научные дисциплины – физика, химия, биология, а также математика.

Особую роль в описании структуры и принципов функционирования природных систем играют системный и эволюционный подходы. Прогресс науки в развитии этого направления определился лишь после широкого распространения идей и представлений о динамике открытых диссипативных систем, о самоорганизации открытых систем, о динамических открытых системах в биологии. Одним из ключевых положений, развиваемых в рамках системного подхода к описанию природных явлений, заключается в том, что поведение систем в зависимости от внешнего воздействия определяется обратными связями.

Одна из отраслей физики – термодинамика, выделяет три типа термодинамических систем: замкнутые, закрытые и открытые. Индивидуальные свойства этих систем нашли своё обобщение и теоретическое объяснение в законах и классической  термодинамики. Согласно второму закону все естественные процессы необратимы и могут протекать только в одну сторону (в сторону увеличения беспорядка системы), из-за чего и возникает «стрела времени».

Новая термодинамика открытых систем дала исчерпывающее объяснение процессу самоорганизации и назвала те условия, которые являются необходимыми для его реализации. Например возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются а напротив, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению новой структуры системы.

Система, в которую поступает энергия, превращающаяся в тепло, получила название диссипативной открытой системы, основные свойства которой определяются составом структурных элементов, притоком энергии и факторами внешней среды.

На базе управления сложными системами с обратной связью, которая повышает степень внутренней организованности системы, возникла наука кибернетика.

Список литературы

1. Кондратьев М. Н. «Концепции современного естествознания», курс лекций, часть 2. Изд-во МСХА, 1999 г.

2. Найдыш В.М. «Концепции современного естествознания», уч. пособие, М: Гардарики 2001 г.

3. Горелов А. А. «Концепции современного естествознания», уч. пособие для студентов ВУЗ-ов. М: Гуманитарный издательский центр «Владос» 2000 г.