Принципы эволюции. 
Пространственные уровни мироздания

Около 50 лет назад в результате развития термодинамики возникла новая дисциплина — синергетика (греч. — совместное действие), было впервые предложено на рубеже 70−80 гг. ХХ столетия немецким физиком Г. Хакеном.

Синергетика — это наука о самоорганизации самых различных систем (физических, химических, биологических и социальных).

Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди.

В синергетике выделяют три основных направления:

• — изучение явлений, которые возникают от совместного действия нескольких разных факторов, в то время как каждый фактор в отдельности к этому явлению (эффекту) не приводит;
• — изучение самоорганизации, т. е. усложнении формы, или в более общем случае, структуры системы при медленном и плавном изменении ее параметров;
• — изучение неожиданных явлений, где любое качественное изменение состояния системы (или режим ее работы) производит впечатление неожиданного.

Нелинейность в биологических системах

Животный мир демонстрирует множество высокоупорядоченных структур и великолепно функционирующих. Организм как целое непрерывно получает потоки энергии (солнечная энергия, например, у растений) и веществ (питательных) и выделяет в окружающую среду отходы жизнедеятельности. Живой организм — это система открытая. Живые системы при этом функционируют определенно в дали от равновесия. В биологических системах, процессы самоорганизации позволяют биологическим системам трансформировать энергию с молекулярного уровня на макроскопический. Такие процессы, например, проявляются в мышечном сокращении, приводящим к всевозможным движениям, в образовании заряда у электрических рыб, в распознавании образов, речи и в других процессах в живых системах. Сложнейшие биологические системы являются одним из главных объектов исследования в синергетике. Возможность полного объяснения особенностей биологических систем, например, их эволюции с помощью понятий открытых термодинамических систем и синергетики в настоящее время окончательно неясна. Однако можно указать несколько примеров явной связи между понятийным и математическим аппаратом открытых систем и биологической упорядоченностью.

На рисунке 23 представлены графики нелинейных структур, где отражены поведения системы: а) линейные, б) нелинейные.

Рис. 23. Иллюстрация универсальной черты нелинейности в самоорганизации структур

Если же стационарное значение характеристики Х не линейно зависит от управляющего ограничения при некоторых значениях, то при одном и том же значении имеется несколько различных решений. Например, при ограничениях система имеет три стационарных решения, рисунок 24б. Такое универсальное отличие от линейного поведения наступает при достижении управляющим параметром некоторого критического значения, где проявляется бифуркация. При этом в нелинейной области небольшое увеличение может привести к неадекватно сильному эффекту — система может совершить скачок на устойчивую ветвь при небольшом изменении вблизи критического значения. Возмущениями могут служить либо внешнее воздействие, либо внутренние флуктуации в самой системе. Таким образом, системе с множественными стационарными состояниями присуще универсально свойствам внутренней возбудимость и изменчивости скачкам.

Бифуркация (раздвоение) в широком понимании — приобретение нового качества движениями динамической системы при малом изменении ее параметров (возникновение при некотором критическом значении параметра нового решения уравнений). Отметим, что при бифуркации выбор следующего состояния носит сугубо случайный характер, так что переход от одного необходимого устойчивого состояния к другому необходимому устойчивому состоянию проходит через границу случайного (диалектика необходимого и случайного).

Итак, при критическом значении параметром произошла бифуркация и возникла новая ветвь решений и, соответственно, новое состояние. В критической области, таким образом, событие развивается по такой схеме Флуктуация Бифуркация Неравновесный фазовый переход Рождение упорядоченной структуры.

Социальная система представляет собой определенное целостное образование, где основными элементами являются люди, их нормы и связи. Как целое система образует новое качество, которое не сводится к сумме качеств ее элементов. Понятийный и математический аппарат нелинейной неравновесной термодинамики и синергетики оказываются полезными в описании и анализе элементов самоорганизации в человеческом обществе.

Социальная самоорганизация — одно из проявлений спонтанных или вынужденных процессов в обществе, направленная на упорядочение жизни социальной системы, на большее саморегулирование. Социальная система является системой открытой способная, даже вынужденная обмениваться с внешним миром информацией, веществом, энергией. Социальная самоорганизация возникает как результат целенаправленных индивидуальных действий ее составляющих.

Особенность синергетических систем состоит в том, что их развитие протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. Процесс самоорганизации в открытых системах может быть описан следующим образом. С поступлением новой энергии или вещества в ходе постоянного обмена системы со средой, неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами возникают новые связи, приводящие к коллективному поведению элементов, их сотрудничеству. Эти изменения в состоянии системы имеют характер фазовых переходов.

Первая фаза — период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями. Малые изменения начальных условий возрастают до макроскопического уровня, приводящего в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

Вторая фаза — одномоментный выход из критического состояния и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности. Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров (точки бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости резко переходит в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке эволюции путь системы разветвляется и выбирается одна из ветвей развития. Однако после того как система перешла в качественно новое устойчивое состояние — назад возврата нет. Здесь процесс необратим. Это значит, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но нельзя однозначно предсказать, какой из них будет выбран.

Процесс самоорганизации становится возможным при наличии ряда условий: система должна быть открытой, неравновесной (находиться далеко от точки термодинамического равновесия), нелинейной (допускающей вариативность, множественность путей ее развития). Находясь в точке бифуркации, система выбирает один из возможных путей развития на основе случайного поиска. Случайность, таким образом, встроена в механизм эволюции, она становится элементом развития, появления нового.

С помощью синергетики впервые было показано, что процессы самоорганизации могут проходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются соответствующие условия.

Таким образом, весь окружающий мир и Вселенная представляют собой совокупность самоорганизующихся процессов. Идеи синергетики подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в ней видят одну из важнейших составляющих современной ЕНКМ.

Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрий в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современного системного подхода и синергетической самоорганизации Наиболее обобщенное выражение эволюционная идея в естествознании получила в концепции глобального эволюционизма. «Все существующее есть результат эволюции» — лозунг современного естествознания.

Глобальный эволюционизм — это представление о всеобщем характере эволюции во Вселенной, подтверждаемое теорией Большого взрыва и неравновесной термодинамикой в физике, гипотезами предбиологической эволюции в химии, учением о дрейфе континентов в геологии, эволюционной генетикой и биологией, а также другими теоретическими построениями. По существу это одна из форм реализации диалектического принципа развития.

Выделим основные черты, характеризующие содержание идеи глобального эволюционизма:

• — основными предпосылками обоснования глобального эволюционизма являются современные эволюционные теории в биологии, космологии и других науках. Глобальный эволюционизм разрабатывается на основе анализа естественнонаучных представлений о развитии, т.к. именно они выражают главные принципы эволюции мира;
• — в глобальном эволюционизме отображается универсальная связь между неживой, живой и социальной материей. С точки зрения глобального эволюционизма, вся познанная история Вселенной как самоорганизующейся системы — от Большого взрыва до возникновения человечества — представляется в виде единого процесса с генетической и структурной преемственностью 4-х типов эволюции — космической, химической, биологической и социальной.

Как уже отмечалось выше, механизм эволюции определен Ч. Дарвином в его классической триаде: наследственность, изменчивость, естественный отбор. Достижения генетики, молекулярной биологии, общие положения теории самоорганизации потребовали пересмотра основ дарвиновской теории эволюции. Изменчивость в классической триаде предполагает случайное возникновение наследуемого изменения признака, подвергающегося затем действию естественного отбора, беспощадно отбраковывающего все то, что не приспособлено к условиям существования объекта. По современным понятиям минимальной, элементарной единицей эволюции биосферы считается не особь, а популяция — совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой. Закрепление признака означает, что частота его появления в популяции превышает некоторый пороговый уровень. Дарвиновская изменчивость теперь связывается с мутациями, спонтанно возникающими в генном наследствен ном аппарате (геноме). Мутировавший ген создает у особи новый признак. Если он полезен для популяции, то закрепляется в ней. Эффективность мутировавшего гена определяется частотой возникновения в популяции признака, связанного с этим геном. Изложенные представления позволили сформировать синтез классического дарвинизма с новейшими достижениями генетики, получивший название синтетической теории эволюции. Но и такой синтез не решил все трудностей классической теории эволюции.

Многочисленные факты, полученные в наши дни, позволяют все более уверенно говорить о направленном характере биологической эволюции. Кроме того, отмечается ускорение эволюции со временем. Известны многочисленные примеры того, что направленно возникают новые свойства, новые поведения реакции, и их невозможно объяснить в рамках классической триады. Поэтому одним из направлений поиска стало выяснение тех факторов и механизмов, которые создают ускорение биологической эволюции. При этом обращают внимание на следующие обстоятельства: 1) не всякая мутация гена вызывает изменчивость связанного с ним признака; 2) существует, механизм стабилизации генома и даже реставрации поврежденных его участков; 3) известны случаи изменения признака без мутации гена, такие события вызываются внезапными изменениями положения так называемых скачущих генов, они не занимают в хромосоме раз и навсегда заданного места и могут неожиданно менять свое расположение в ней (скачущие гены составляют до 10% генома); 4) мутации и перемещения скачущих генов не совсем случайны; предполагается, что изменения генома на самом деле регулируются и управляются пока неизвестным нам механизмом.

Таким образом, изменчивость генома можно рассматривать как один из факторов направленной биологической эволюции. Другим фактором можно считать вирусы. В последнее время становится все более очевидной роль вирусов как переносчиков генетической информации от одного вида к другому. Эта идея объясняет важную особенность жизни: ее генетико-информационное единство, которое вместе с единой химической основой и историческим единством характеризует живой мир как непрерывно обогащающуюся систему. Новые научные данные показывают, однако, что естественный отбор — не единственный движущий фактор эволюции.

К сказанному остается добавить, что эволюционный процесс в биосфере носит многоуровневый характер. В разное время эволюция протекала и продолжает протекать в наши дни на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях, на уровне органов, организмов, популяций, биоценозов. Различаясь на каждом из этих уровней, процессы эволюции сливаются в единый процесс развития биосферы.

Человек — феномен природы. С биологической точки зрения появление человека разумного — вполне ординарное событие. Но человек — носитель разума, мысли — это особый феномен природы.

Итак, можно отметить основными направлениями развития современного естествознания являются:

• 1. Интеграция естественнонаучной и гуманитарной культур
• 2. Уровни организации материи
• 3. Уровни в познании веществ (химические, физические, биологические)
• 4. Принципы симметрии
• 5. Принципы относительности
• 6. Неопределенность квантовой механики
• 7. Системность
• 8. Неравновесность в системах
• 9. Место человека во Вселенной
• 10. Самоорганизация в природе и обществе
• 11. Синергетика
• 12. Эволюция