Самоорганизация в сложных системах

    В классической генетике: мутация возникает  случайно; им подвержены единичные  особи; их частота очень мала. В "подвижной  генетике" изменения не случайны, зависят от типа подвижного элемента; им подвержены много особей; их частота  велика, может достигать десятка  процентов.

    Именно  с мобильностью активных элементов  связывают обнаруженные в природных  популяциях дрозофил регулярные вспышки  мутации определенных генов. Темп мутационного процесса непостоянный, так, время от времени популяции или виды вступают в "мутационный" период. Самое  поразительное открытие в генетике за последнее время - это возможность  с помощью мобильных элементов  переносить гены или группы генов  от одних видов к другим (иногда к самым далеким), т.е. благодаря  перемещающимся элементам генофонды  всех организмов объединены в общий  генофонд всего живого мира. Это  особенно ярко продемонстрировали плазмиды с детерминантами устойчивости к  антибиотикам в колоссальном эксперименте, невольно поставленном человеком на бактериях. С помощью генсектицидов  человек расширяет эксперимент на насекомых, и в ответ их популяции, вероятно, охватываются определенными, быстро распространяющимися генетическими элементами, повышающими устойчивость организма ("генетическая экспансия"). Предполагается, что когда-то в клетках насекомых поселились бактерии - симбионты, которые постепенно передали большинство своих генов в ядро и превратились в митохондрии и пластиды. Это замечательный пример переноса генов от про- к эукариотам. Способность клеток одного вида воспринимать ДНК от других, иногда эволюционно далеких видов, возможность горизонтального переноса генов считается "одним из главных чудес XX века". Классическая генетика гласит: каждый ген располагается на своей хромосоме и занимает на ней строго фиксированное положение. Сейчас известно много вариантов перемещающихся элементов, которые могут менять свое место на хромосоме и даже перемещаться с хромосомы на хромосому. Таким образом могут рождаться новые признаки организма.

    Однако  способность системы обмениваться информацией с внешней средой, увеличивать или уменьшать число  элементов-признаков, сохранять устойчивость еще не делает эту систему развивающейся.

    Порождаемая неравновесными внешними условиями  неустойчивость приводит к увеличению интенсивности диссипации, вследствие чего создаются условия возникновения  новой неустойчивости. Иными словами, в системе увеличивается интенсивность  протекания некоторых необратимых  процессов, благодаря чему и отклонение системы от равновесия становится еще  большим. Это означает, что вероятность  существования такого класса флуктуаций, по отношению к которым новые  процессы становятся неустойчивыми, возрастает.

    С другой стороны, если бы в результате возникновения неустойчивости интенсивность  диссипации снижалась, то система по своим свойствам приблизилась бы к некоторой равновесной замкнутой  системе, т.е. к состоянию, в котором  затухают любые флуктуации. Такой  механизм можно изобразить следующим  образом (И.Р.Пригожин, И.Стенгерс):

    Интенсивность диссипации, т.е. увеличение энтропии, можно связать с интенсивностью роста числа новых элементов-признаков  в системе. Если флуктуации вызывают интенсивный рост новых элементов  и между ними не успевают образовываться связи, организация системы нарушается, энтропия возрастает, система становится структурно неустойчивой.

    Существование неустойчивости можно рассматривать  как результат флуктуации, которая  сначала была локализована в малой  части системы, а затем распространилась и привела к новому макроскопическому  состоянию.

    Исследования  школы Пригожина показали, что  понятия структурной устойчивости и порядка через флуктуации применимы  к системам различной природы, в  том числе экономическим, социальным: "Пределов для структурной устойчивости не существует. Неустойчивости могут возникать в любой системе, стоит лишь ввести подходящие возмущения. Мутации и "новорожденные" элементы возникают стохастически и собираются в единую систему господствующими в данный момент детерминистическими принципами. Это позволяет нам надеяться на непрестанную генерацию "новых типов" и "новых идей", которые могут быть включены в структуру системы, обеспечивая тем самым ее непрерывное развитие".

    Удаленность от равновесия, нелинейность может  служить причиной возникновение  упорядоченности в системе.

    Биологическая упорядоченность, генерация когерентного света лазером, возникновения пространственной и временной упорядоченности  в химических реакциях и гидродинамике, автоволны в различных средах, наконец, функционирование экосистем  в животном мире или жизнь человеческого  общества - все эти примеры являются поразительной иллюстрацией явлений  самоорганизации, образования диссипативных  структур. Эти структуры наряду с  замечательными регуляторными свойствами проявляют необычайную гибкость и разнообразие.

    Как показали работы школы Пригожина, важнейшей  общей чертой широкого класса процессов  самоорганизации является потеря устойчивости и последующий переход к устойчивым диссипативным структурам. В точке  изменения устойчивости в результате ветвления должны возникнуть по меньшей  мере два решения, соответствующие  устойчивому, близкому к равновесному состоянию и диссипативной структуре.

    Для диссипативных структур характерна устойчивость, которая одновременно является структурной и функциональной.

    Эволюцию  можно рассматривать как проблему структурной устойчивости. Система  не всегда является структурно устойчивой, причем эволюция диссипативной структуры  определяется последовательностью  событий в соответствии со схемой (Г.Николис, И.Р.Пригожин).

    Шмальгаузен в качестве одного из факторов эволюции выделял борьбу за существование. Согласно теории конкуренции, близкие виды могут  населять район лишь в том случае, если они эффективно делят между  собой необходимые ресурсы.

    Хатгинсон провозгласил принципиально новую  программу изучения неравновесных  сообществ, чьи принципы организации  коренным образом отличаются от тех, к которым привыкли экологи, рассматривающие  сообщество как жестко организованную совокупность видов.

    В альтернативном подходе прямая конкуренция  за пищу подменяется сложными и динамичными  информационными связями. В зависимости  от условий метаболиты (продукты жизнедеятельности) данного вида либо угнетают, либо, наоборот, стимулируют размножение других видов. При этом возможны как негативные, так и позитивные межвидовые отношения. Разные виды не только не стремятся  окончательно вытеснить друг друга, но как бы "удерживают" в сообществе те виды, численность которых падает ниже определенного уровня.

    В теории конкуренции выражена концепция  детерминизма; конкуренция определяет численность, облик и эволюцию существующих видов, потребляющих одну и ту же пищу. Другая парадигма: близкие виды, расположенные  в экосистеме на одном трофическом  уровне, всегда живут среди избытка  пищи, поскольку их численность эффективно ограничивается сложным комплексом причин, в том числе и конкуренцией.

    Согласно  этой парадигме биологическое сообщество можно рассматривать как диссипативную  структуру, которая, находясь в неравновесном  состоянии, постоянно ведет обмен  с внешней средой.

    В исходной неупорядоченной системе  за счет последовательно реализующихся  неравновесных неустойчивостей, за счет когерентного поведения элементов  может возникнуть функциональная организованность.

    Приведем  пример из нового быстро развивающегося научного направления - адаптологии. Клод Бернар назвал приспособление адаптационно-итоговой проблемой всей физиологии. Адаптация  человека и животных представляет собой  процесс, в течение которого организм приобретает отсутствовавшую ранее  устойчивость к определенным факторам среды и в результате решает задачи, ранее несовместимые с жизнью.

    При всем разнообразии приспособительных  процессов в них есть сходство. На первом этапе адаптации к любому новому фактору организм подходит к  максимуму своих возможностей, к  критической (бифуркационной) точке. Если человек или животное не погибает, а фактор по-прежнему действует, то возможности живой системы возрастают, и на смену аварийной стадии в  большинстве случаев приходит стадия эффективной и устойчивой привычки (возникает диссипативная структура).

    Согласно  учению Ухтомского, формирование систем, обеспечивающих адаптацию, происходит следующим образом. Под влиянием внешних раздражителей в организме  формируются, сменяя друг друга, созвездия  возбужденных нервных центров - доминанты. Именно доминанты обеспечивают приспособление организма к среде, его выживание, а если надо - и преобразующее  влияние на среду. В доминирующей системе образуется структура, которая  увеличивает мощность системы и  становится материальной основой долговременной адаптации (например, после перенесенных заболеваний сердца - рост сердца в  целом, соотношение структур в клетках  сердца меняется так, что орган в  целом становится более мощным и  эффективным). Стресс - реакция (флуктуация) нужна для того, чтобы возникла доминирующая в адаптации система  и образовался структурный след (новая структура, обеспечивающая новый  способ функционирования).

    Доминирующая  система работает под нагрузкой, в ее клетках возрастает производство нуклеиновых кислот и белков, строятся новые структуры. Смотря по тому, к  какому фактору приспосабливается  организм, доминирующая система и  ее след выглядят по-разному. Но этот след всегда увеличивает мощность системы, материально обеспечивает переход к долговременной адаптации.

    Как и любая другая архитектура, архитектура  системного структурного следа есть отражение задачи, которую среда  выдвигает перед организмом.

    Перед современным человеком чаще возникают  задачи, требующие не физической, а  умственной адаптации. При обучении - формировании условных рефлексов, навыков, идей возбуждение нейронов в высших отделах мозга активизирует в  них производство нуклеиновых кислот и белков. Белки из тела нейронов поступают в отростки, которыми нервные  клетки контактируют между собой. Так, перестраиваются межнейронные связи, возникают новые нейронные сети.

    Сегодня модели нейронных и иммунных сетей  строятся в рамках представлений  о диссипативных структурах.

    Переход системы после критической точки  из неустойчивого состояния к  устойчивому (к диссипативной структуре) можно рассматривать как качественный скачок в развитии системы, в результате которого возросла организованность, упорядоченность системы,

    Место нервной клетки в структуре мозга  определяется очень рано - у млекопитающих  и человека в основном до рождения, и это место далеко не случайно. Это не значит, что структура мозга  генетически полностью предопределена. Связи формируются преимущественно  после рождения, а следовательно, в различной мере зависимы от внешней  среды. Некоторые связи будут  обязательно, другие могут быть, а  могут и не быть, третьи могут  оказаться патологическими. Поэтому  нормальное развитие мозга зависит  от гармонии усложнения внутренней и  внешней среды организма. При  этом для человека наиболее существенным фактором внешней среды, гармонизирующим  внутреннюю структуру мозга, являются другие люди.

    Работы  нейрофизиологов в области исследования пространственной организации как  отдельных образований, так и  целых систем мозга показали, что  структурно-функциональной единицей мозга  служит не отдельный нейрон, а популяция  нейронов, пространственно организованная в виде вертикальной колонки, расположенная  в одном или нескольких слоях  коры. Эволюционные преобразования мозга  в определяющей мере зависят от изменений  взаиморасположения элементов, т.е. от изменений конструкций, как отдельных  структур мозга, так и мозга в  целом. И в меньшей степени - от изменений самих элементов.

    Выявлена  зависимость между увеличением  вертикальной упорядоченности и  усложнением функций мозга. Максимальная величина упорядоченности соответствовала  наиболее новым и сложноорганизованным формациям коры мозга человека, имеющим  отношение к восприятию речи, ее воспроизводству.

    До  сих пор ведущим фактором эволюции мозга считается амаболия, т.е. количественное накопление или надбавка элементов. В подтверждение этого приводятся данные о том, что эволюционно новейшие образования - новая кора и ассоциативные области новой коры - максимально представлены в мозге человека. Но дело в том, что по мере относительного увеличения новейших формаций в мозге млекопитающих происходило столь же значительное относительное уменьшение эволюционно более старых образований, и они минимально представлены именно в мозге человека. Этот факт показывает, что значение того или иного образования определяется не его массой, а мерой взаимодействия с другими образованиями (структурой). Несмотря на чрезвычайную сложность реконструкции эволюции мозга, можно предположить, что увеличение массы мозга и эволюционно новых образований сопровождалось не столько накоплением элементов, сколько увеличением вариантов взаиморасположения (степенью упорядоченности элементов). Именно одновременное относительное увеличение новых и уменьшение старых образований в конечном счете и решали одинаковую для всех видов задачу взаимодействия со средой.