Синергетика — новый взгляд на проблему развития

Итак, в середине XX века состоялись великие научные открытия, знаменовавшие начало молекулярно-биологической революции в естествознании. Вместе с тем, со стороны новой науки синергетики обозначается новый подход к проблеме развития, в котором как ключевое выступает понятие самоорганизации. Об этом мы уже говорили коротко при характеристике системной организации (см. раздел 2.1), теперь приоткроем важные детали. Синергетика (от греч. synergos — совместно действующий) как наука об общих причинах и механизмах самоорганизации систем различного происхождения сформировалась на стыке интересов математики, физики и химии во второй половине XX века при изучении самопроизвольно развивающихся процессов. Далее она нашла свое приложение в биологии, а также социологии и философии.

Напомним, что в 60−70-е годы физиками были открыты кооперативные резонансные процессы в атомах с возникновением когерентного излучения, происходящие в лазере при мощной «накачке» внешним светом. Еще раньше описаны колебательные реакции, идущие по принципу «химических часов». Колебательная химическая система, названная брюсселятором (в честь г. Брюсселя — столицы Бельгии, где и сформировалась новая научная школа), изучена отечественными учеными — радиохимиком Б. П. Белоусовым и биофизиком А. М. Жаботинским. При свободном поступлении в такую систему химических субстратов и при наличии в ней катализаторов происходит реакция, продукты которой самопроизвольно удаляются, освобождая место для поступления новой порции субстрата. Реакция идет по замкнутому циклу, и периодические изменения концентрации реагирующих веществ сопровождаются образованием характерных пространственных структур в виде расходящихся цветных колец или спиралей на реакционной поверхности. Создается картина пульсирующей, «живущей» химической системы. Не менее впечатляют такие самоорганизующиеся структуры, как ячейки Бенара — правильно расположенные сотовидные сгустки в вязкой жидкости, самопроизвольно возникающие в ней при медленном равномерном подогреве, или завихрения, спонтанно появляющиеся в изначально ровном и плоском течении жидкости.

Теоретическое объяснение и математическую модель процессов самоорганизации предложил бельгийский физико-химик Илья Пригожин (выходец из России), получивший в 1977 году за эту работу Нобелевскую премию. Среди положений теории самоорганизации, объясняющей механизм самопроизвольного образования упорядоченных структур, выделим следующие.

Самоорганизация — это такой процесс развития, который не имеет программного управления, а всякие упорядоченные новообразования возникают сами по себе в результате взаимодействия элементов, расположенных изначально без видимого порядка, хаотично.

Самоорганизующаяся система должна быть открытой и диссипативной. Это означает, во-первых, что условием самоорганизации является поступление в систему внешней энергии, достаточно концентрированной и способной произвести работу. Во-вторых, возникновение нового порядка, структурное усложнение сопровождается диссипацией (рассеянием) энергии, которая становится непригодной для производства работы (как мы это видели на примере энергетического обмена в клетке; раздел 3.3, рис. 3.1 и 3.3). Можно сказать, что открытая развивающаяся система производит энтропию, но не накапливает ее, а рассеивает во внешнюю среду. Напомним, что энтропия обозначает меру беспорядка, хаоса в состоянии материи.

Образование нового порядка в системе происходит через флуктуации, бифуркации и нарушения изначальной симметрии. В системе всегда возникают малые флуктуации элементов и связей — случайные отклонения от среднего положения (уже сама нестабильность атомов предрасполагает к этому). По законам саморегуляции они устраняются, однако при некоторой начальной организованности системы, за счет свободной энергии и резонансного совпадения нескольких флуктуаций отклонения усиливаются. Наступает момент бифуркации (от лат. bifurcus — раздвоенный) — неустойчивая переломная точка в развитии системы, за которой возможно устойчивое и необратимое отклонение от прежнего состояния (элементарная катастрофа). Прежний порядок и симметрия элементов в системе исчезают, возникает и закрепляется новый порядок, появляется асимметрия, структурное неравновесие. Система приобретает новое качество.

Наконец, самоорганизация возможна при некотором критическом количестве элементов в системе, достаточном для возникновения их кооперативного поведения. Путь к новому качеству возможен через изменение количества.

Оказалось, что диссипативные процессы самоорганизации происходят и в живой природе. Немало интересных примеров можно найти при изучении строительства колоний у бактерий, амеб или насекомых, при анализе коллективного упорядоченного поведения особей в популяциях, которое, на первый взгляд, можно принять как программированное или даже разумное (см.: Исаева, 2005). И, конечно же, механизмы самоорганизации (самосборки) вполне ожидаемы в процессах индивидуального развития организмов, что мы и увидим далее, наряду с детерминированными генетическими событиями и внешними эпигенетическими регуляциями.