13173-1 (Структурные уровни организации материи), страница 2

Общая схема иерархического ступенчатого строения материи, связанная с признанием существования относительно самостоятельных и устойчивых уровней, узловых точек в ряду делений материи, сохраняет свою силу и эвристические значения. Согласно этой схеме дискретные объекты определенного уровня материи, вступая в специфические взаимодействия, служат исходными при образовании и развитии принципиально новых типов объектов с иными свойствами и формами взаимодействия. При этом большая устойчивость и самостоятельность исходных, относительно элементарных объектов обусловливает повторяющиеся и сохраняющиеся свойства, отношения и закономерности объектов более высокого уровня.

Это положение едино для систем различной природы.

Любая сложная система, возникшая в процессе эволюции по методу проб и ошибок, должна иметь иерархическую организацию. Действительно, не имея возможности перебрать все мыслимые соединения из нескольких элементов, а найдя научную комбинацию, размножает ее и использует - как целое - в качестве элемента, который можно полностью связать с небольшим числом других таких же элементов. Так возникает иерархия. Это понятие играет огромную роль. Фактически всякая сложная система, как возникшая естественно, так и созданная человеком, может считаться организованной, только если она основана на некоей иерархии или переплетении нескольких иерархий. Мы не знаем организованных систем, устроенных иначе.

Концептуальные формы выражения идеи структурных уровней материи многообразны. Определенное развитие идея уровней получила в ходе анализа концептуального аппарата фундаментальных, относительно завершенных физических теорий, теории эволюции живых организмов.

Одна из актуальных проблем, которую ставит изучение иерархии структурных уровней природы, заключается в поисках границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Иерархичность уровней отражается в иерархичности классификационных понятий, характерных для описательных теорий различных наук. С наличием определенных уровней материи связано существование ряда самостоятельных научных дисциплин.

Уровни становятся такими спиралями только при всестороннем развитии преемственности, без которой могут быть лишь хаотические смены круговоротов изменений. Поэтому "развитие развития" возможно только на основе обогащения форм преемственности, которая позволяет в той или иной мере сохранять достигнутые преобразования, чтобы включать их в линии процессов эволюции, а также онтогенеза. Возникновение нового без преемственности обречено было бы каждый раз начинать развитие с "самого начала".

В ходе прогресса число взаимосвязанных уровней возрастает и объекты становятся все более многоуровневыми. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и объединений. В этих взаимосвязях все большее значение получает информация.

1. Информационная концепция развития систем

Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура отражает уровень организации материи.

Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи составляющих систему элементов, определяющая существование ее как целого и ее качественные особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

Структура есть упорядоченность (композиций) элементов, сохраняющаяся (инвариантная) относительно определенных изменений (преобразований).

Структура - это относительно устойчивый, упорядоченный способ связи элементов, придающий их взаимодействию в рамках внутренне расчлененного объекта целостный характер.

Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость, понимаемая как сохранение в изменении. Однако структура содержит определенную динамичность, отдельные временные моменты, представляет собой процесс развертывания во времени и в пространстве новых свойств элементов.

Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие "уровень организации" в отличие от понятия "структура" включает, кроме того, представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии.

Что такое организация? Ссылаясь на основоположников теории организации Федорова и Богданова, Моисеев дает такое определение: "Организация изучаемого объекта (системы) - это совокупность консервативных, медленно изменяющихся (в частном случае постоянных, неизменных) характеристик объекта.

Для определения организации нужно выделить эти характеристики объекта (системы)".

Под организацией системы будем понимать изменение структуры системы, которое обеспечивает согласованное поведение, или функционирование системы, которое определяется внешними условиями.

Если под изменением организованности понимать изменение способа соединения (или связи) подсистем, образующих систему, то явление самоорганизации можно определить как такое неизбежное изменение системы и ее функций, которое происходит вне каких-либо дополнительных влияний, вследствие взаимодействия системы с условиями существования и приближается к некоторому относительно устойчивому состоянию.

Под самоорганизацией будем понимать изменение структуры, обеспечивающее согласованность поведения благодаря наличию внутренних связей и связей с внешней средой.

Самоорганизация - это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы. Конкретная конфигурация структуры существует только в строго определенных условиях и в определенный момент "движения" сложной системы. Динамика развития систем приводит к последовательному изменению их структур.

Закономерное изменение структуры системы соответственно историческим изменениям соотношений с внешней средой и называется эволюцией.

Изменение структуры сложной системы в процессе ее взаимодействия с окружающей средой - это проявление свойства открытости как роста возможностей выхода к новому. С другой стороны, изменение структуры сложной системы обеспечивает расширение жизненных условий, связанное с усложнением организации и повышением жизнедеятельности, т.е. приобретением приспособлений более общего значения, позволяющих установить связи с новыми сторонами внешней среды.

Самоорганизация характеризуется возникновением внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Причем понятия функция и структура системы тесно взаимосвязаны; система организуется, т.е. изменяет структуру ради выполнения функции.

Вопрос о взаимоотношении структуры и функции - один из древних и традиционных в биологии. Аристотель, задавая вопрос "ради чего существует орган?", отвечал: "ради выполнения определенной цели", т.е. функции. Для биологических объектов понятия функции и цели идентичны. Так, под функцией понимается, например, физиологическое отправление.

Рассматривая структуру и функцию, предпочтение отдают первичности в изменении функции. Однако наиболее правильно рассматривать диалектическую взаимосвязь и взаимообусловленность их изменений в процессе эволюции (изменение среды требует изменения функции; а она, в свою очередь, влияет на изменение структуры).

Растительное и животное царство дает множество убедительных примеров такой взаимообусловленности.

Так, выход растений на сушу ознаменовался приобретением комплекса морфофизиологических новшеств, защитных покровов, проводящей системы, дифференциацией тела на органы и т.д. Благодаря этим изменениям, прежде всего, было достигнуто уменьшение потери воды от испарения и усиление ее движения по растению. Здесь трудно сказать, что чему предшествовало, морфологические или физиологические изменения. В то же время очевидно, что "заказ" на уменьшение отрицательных последствий недостатка воды повлек за собой отбор растений на развитие защитных покровов и проводящей системы в наземных условиях.

В данном случае речь идет о процессе самоорганизации, где можно выделить причину и следствие, указать связи их с внешней средой: внешняя среда изменяет функцию, функция изменяет структуру. По мере усложнения внутренней организации функциональные возможности организмов усиливаются.

Функциональные особенности изменяются несколько быстрее, чем структурные. Одним из примеров влияния функциональных преобразований на структуру растения могут служить листья и преобразование структуры черешка изменением его функции: у листа после длительной самостоятельной жизни в укорененном состоянии перестраиваются исторически сложившиеся функции; при этом черенок приобретает функции стебля, усиливается его проводящая и механическая активность.

Структура и функция - неотъемлемые свойства живой природы, они связаны в онто- и филогенезе. Любой орган обладает множественностью функций. Если из множеств функций, например, корня растений (проведение веществ или их запасение, образование придаточных почек, прикрепление, синтез и т.п.) одна окажется главной, то строение его в филогенезе изменится сообразно новой функции. С другой стороны, проявление любой функции растений одного и того же вида меняется количественно, причем различия часто наследственно обусловлены. На этой основе может происходить отбор по степени выражения данного свойства. Например, у одних растений по такому принципу усилилась присасывающая функция корней (паразиты), у других - опорные функции.

Взаимосвязь изменения структуры и функции в онто- и филогенезе способствует повышению выживаемости и конкурентоспособности. Для растений функция - единое физиологическое отправление, необходимое для выживания и размножения растений в онтогенезе (например, фотосинтез, дыхание, движение). Отбор направлен на поиски наиболее эффективных механизмов, реализующих необходимую функцию, т.е. на поиски архитектур системы.

Именно в структуре биологически активного вещества эволюция закодировала его способность выполнять строго определенную биологическую функцию.

Функциональная роль биологических молекул задается их пространственной структурой - расположением в пространстве входящих в структуру атомов. Можно привести множество других примеров.

Для изучения процесса развития необходимо знать характер изменения структур во времени, их динамические параметры. Надо также уметь вскрывать закономерности взаимосвязи между структурой и проявляемой системой функцией.

До недавнего времени естествознание и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета коллективных эффектов и исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации. В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией.

Задача синергетики - выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен).

Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.

Философско-методологический анализ проблем глобального эволюционизма неизбежно приводит к постановке фундаментального вопроса: существуют ли законы эволюционного процесса, представляющие собой определенную конкретизацию диалектической концепций развития и в то же время общие для всех структурных уровней природной действительности?

Хотя эта проблема в настоящее время еще далека от решения, все же есть определенные основания допускать существование законов и закономерностей прогрессивного развития в природе, охватывающих все основные этапы - космогонический, геологический, биологический, наряду со специфическими законами и закономерностями, присущими каждому из них. Это могут быть, во-первых, частнонаучные законы или закономерности, которые возможно экстраполировать на целостные процессы эволюции природной действительности (скажем, закон возрастания энтропии или определенные "биоаналогии", имеющие достаточно общее значение).

Во-вторых, идея глобального эволюционизма получает поддержку со стороны общенаучных концепций. Так, начавшаяся в последние годы разработка генетических аспектов общей теории систем позволяет предполагать, что некоторые сформулированные в ее рамках закономерности могут обладать весьма широкой сферой применимости, в частности, охватывать определенные черты эволюции всей исследуемой природной действительности. Изучению процессов эволюции неживой и живой природы, а также прогресса общества может содействовать дальнейшая разработка концепции самоорганизации.

Наконец, в-третьих, возможно предположить, что существуют такие типы достаточно общих эволюционных законов и закономерностей, которые будут выявлены на основе комплексного анализа процессов развития в масштабах всей системы наук о природе. Пока, конечно, преждевременно обсуждать вопрос, будут ли законы, сформулированные первоначально в рамках общенаучной картины мира, включаться далее в такую форму организации теоретического знания, какой является теория (система теорий), или в иную, до сих пор мало исследованную форму междисциплинарного и общенаучного знания - учение (примером которой может служить учение В.И.Вернадского о биосфере), или же входить и в состав систем теорий, и в состав учений разной степени общности. Во всяком случае, очевидно, что потребности как теоретического, так и мировоззренческого плана будут стимулировать дальнейшее обоснование идеи глобального эволюционизма.

Информационная концепция развития систем любой природы, в основе которой лежат категории информатики - информация, энтропия, информационные процессы и их связь с эволюционными процессами, по-видимому, может рассматриваться как одна из естественнонаучных конкретизации общей теории развития.

2. Особенности описания сложных систем