Самоорганизация в сложных системах

2. Условия возникновения самоорганизации

    Как отмечалось, развитие системы происходит за счет внутренних механизмов, в результате процессов самоорганизации и  за счет внешних управляющих воздействий.

    М.Эйгеном  на основе неравновесной термодинамики  и теории информации разработана  концепция самоорганизации материи. Эйген ограничивается моделированием добиологической эволюции макромолекул, но развитые им идеи и методы имеют  более общее принципиальное значение. Так же как и работы школы Пригожина, работы Эйгена вышли за рамки частных  наук и имеют общенаучное методологическое значение.

    Согласно  теории Эйгена, самоорганизация не является очевидным свойством материи, которое обязательно проявляется  при любых обстоятельствах. Должны быть выполнены определенные внутренние и внешние условия, прежде чем  такой процесс станет неизбежным. Самоорганизация начинается с флуктуации. Для возникновения процесса самоорганизации  необходимы инструктивные свойства системы на микроуровне.

    Инструкция  требует информации, которая кодирует определенные функции. Для самоорганизованных систем интерес представляет функция  воспроизведения или сохранения ее собственного информационного содержания. Для возникновения эволюции существенно  не количество информации, а инструктирующие  свойства информации; важно не количество, а ценность информации, которая непосредственно  связана с ее используемостью.

    Достаточно  сложно дать продуктивное универсальное  определение ценности информации, так  как оно дано для количества информации. Ценность информации различна для одной  и той же системы при различных  целях, различных условиях внешней  среды. Ценность зависит от того запаса накопленной информации, которую  имеет система. Ценность - это степень  ее неизбыточности, незаменимости.

    Информация, накопленная в процессе эволюции, - это "оцененная" информация, и  число битов мало что говорит  о ее функциональном значении. Накопление информации - это увеличение числа  элементов, обладающих заданным признаком.

    Ценность  информации оказывается тем большей, чем меньше разнообразных способов выполнить заданную функцию. Если сравниваются системы, выполняющие различные  функции, то ценностный критерий уже  оказывается малопригодным, здесь  по-прежнему можно использовать количественный информационный критерий. Количественный и прагматический информационные критерии необходимо применять не порознь, а  совместно, только в этом случае можно  достигнуть наиболее адекватного определения  степени организации, как в функциональном, так и во многих других отношениях.

    Для появления согласованных направленных процессов в системе необходимо использование информации в процессе функционирования системы. Если использования  нет, то новые признаки у элементов  появляются независимо от того, какие  признаки есть у других элементов. Если нет использования информации, то нет ее накопления во внешней среде, а следовательно, нет передачи накопленной  информации из внешней среды в  систему. Организация в системе  связана с локализацией элементов, обладающих определенными признаками, с концентрацией этих элементов, то есть образованием диссипативной  структуры. Локализованные диссипативные  структуры имеют способность  накапливать информацию за счет своего рода "примитивной памяти". Такая  локализация происходит благодаря  самоинструктирующему процессу использования  информации.

    В процессе использования информации происходит отбор тех элементов-признаков, которые дают преимущества в ходе развития. Использование информации не является ее атрибутом, а лишь свойством, проявляющимся в определенных условиях.

    Во  всех случаях, когда проводится сравнение  и отбор информации, это происходит на основе их оценки по качеству. На линиях обратной связи всегда идет сопоставление  реального результата некоторого действия с тем, который закодирован в  программе. Это всегда означает прежде всего оценку по качеству информации. Если информация из внешней среды  дает указания на существование пищевых  материалов, то прежде всего происходит их апробирование - сопоставление с  требуемым материалом по его качеству. Если биоценоз получает информацию о  новом варианте организмов (через  его деятельность), то всегда идет сопоставление  нового варианта с прежней нормой. В борьбе за существование отбор  нового варианта происходит не на основе количества, а только по качественным показателям (в сравнении с нормой).

    Самоинструктирующий характер процесса отбора приводит к  тому, что уменьшается диссипация, так как уменьшается разнообразие элементов-признаков. А это, в свою очередь, уменьшает устойчивость системы. Система не просто удаляется от равновесного состояния, а удаляется с возрастающей скоростью, так как в отборе побеждают  более совершенные структуры, возникающие  раньше других.

    Одним из условий возникновения самоорганизации  является реализация отбора информации, имеющей определенную меру качества (ценность). Информация обретает ценность в конкретном процессе ее использования. Для того чтобы начался процесс  самоорганизации, необходимо, чтобы  отбор происходил при определенных условиях, а именно: система должна быть далекой от равновесного состояния; интенсивность роста числа элементов  должна быть достаточной для того, чтобы вывести систему из устойчивого  состояния.

    Если  скорость роста числа новых элементов  невелика, то независимо от начальных  данных через определенное время  установится стационарное состояние. Скорость роста числа новых элементов  должна превышать скорость отмирания "старых" элементов. Процесс роста  должен иметь "автокаталитический" характер, т.е. появление нового признака у одного элемента должно вызывать появление того же признака у других элементов. Если скорость роста будет  меньше скорости отмирания, то система  не будет обладать внутренней способностью к росту, которая необходима для  отбора против менее эффективных  признаков. Подобная система несла  бы в себе всю бесполезную информацию предшествующих элементов-признаков, которая в конце концов блокировала  бы дальнейшую эволюцию. Для реализации отбора необходима избыточность информации.

    В самоорганизующейся системе возможный  максимальный беспорядок увеличивается  за счет присоединения новых элементов  к системе. Но простое добавление элементов в систему еще не превращает ее в самоорганизующуюся. Во время добавления элементов к  системе энтропия системы должна сохраняться постоянной. Для выполнения этого условия необходимо выделение  отрицательной энтропии из окружающей среды, т.е. дополнительный ввод энергии, информации в систему, который выражается в передаче накопленной информации из внешней среды в систему.

    С возрастанием ценности связано и  возрастание способности биологической  системы к отбору ценной информации. Эта способность велика у высших животных, органы чувств которых предназначены  для такого отбора. Отбор ценной информации лежит в основе творческой деятельности человека. Такой отбор  не требует дополнительных энергетических затрат - энергетическая стоимость  одного бита информации не зависит  от ее ценности.

    Естественный  отбор означает сравнительную оценку фенотипов применительно к данной экологической нише, т.е. поиск оптимальной  ценности.

    Источником  одной интересной аналогии служат шахматы. Согласно теории Стейница, следует  играть позиционно, накапливая малые  преимущества. Когда они достаточны, шахматист должен искать комбинационный решительный путь к выигрышу. Нетривиальность  этой теории, подробно аргументированной  Э.Ласкером, заключается в следующем: если позиционные преимущества не используются в надлежащий момент - они рассеиваются. Ласкер писал: "У мастеров комбинационная и позиционная игра дополняют  друг друга. При помощи комбинации шахматист  стремится опровергнуть ложные ценности, а путем позиционной игры он старается закрепить и использовать истинные ценности".

    Ласкер  рассматривал шахматы как модель "жизненной борьбы", но ему не приходило в голову, что шахматы  могут служить моделью естественного  отбора, борьбы за существование: накопление малых преимуществ подобно микроэволюции, переход к комбинации подобен  макроэволюции, своего рода фазовому переходу.

    Теория  функциональных систем, сформулированная выдающимся физиологом академиком П.К.Анохиным, утверждает, что движущий стимул поведения  человека и животного - полезный приспособительный  результат. Им могут быть оптимальное  давление крови, достаточное содержание в ней кислорода и питательных  веществ, внешние факторы, скажем, пища, вода, итоги социальной деятельности. Во имя достижения поставленных целей  в организме создаются временные, "рабочие" объединения структур мозга, различных органов, систем, которые  мобилизованы для выполнения отдельной  функции. Эта концепция описывает  общие принципы, по которым складывается физиологическая архитектура таких  объединений.

    Поисковая активность организма - один из важнейших  факторов выживания. Она повышает интенсивность  обмена информацией с внешней  средой, тем самым способствует повышению  используемости новых организационных  структур, возникших во время стресса.

    Современная теория стресса, разработанная великим  ученым Гансом Селье, утверждает, что  под влиянием сильного внешнего стимула  после кратковременного периода  перестройки, так называемой адаптации, организм вступает в состояние повышенной устойчивости. Но через более или  менее длительное время при продолжении  внешнего воздействия этот период внезапно и без всяких дополнительных условий  сменяется фазой истощения, когда  сопротивляемость резко падает. Существуют факты, противоречащие этой теории. Некоторые  ученые отводят решающую роль в устойчивости организма поисковой активности.

    Если  поиск прекращается, а потребность  в нем сохранена, то невозможность  ее удовлетворения приводит к отрицательным  переживаниям и понижает устойчивость организма. Если же таковая потребность  ослаблена или отсутствует, то низкий уровень активности может и не сопровождаться отрицательными эмоциями, но и в этом случае субъект остается повышенно уязвимым для внешних  вредных воздействий.

    Поисковая активность повышает интенсивность  процесса возникновения новых функциональных структур, необходимых "для достижения цели", для отражения влияния  вредных факторов,

    Обращаясь к вышеизложенной концептуальной модели развития, отметим, что этапу преобразующего отбора соответствует состояние  неустойчивости, т.е. этап зарождения и  формирования новой системы. Переход  от этапа формирования к эволюции отобранного состояния можно  рассматривать как скачок в развитии.

    Исследования  процесса самоорганизации показали, что на организованность системы, т.е. на ее энтропию, влияют в основном два  параметра: интенсивность роста  числа элементов в системе  и интенсивность использования  элементов в процессе функционирования системы. Рост числа элементов в  системе может привести систему  в неустойчивое состояние и создаст  предпосылки дня отбора наиболее ценных для развития системы элементов. Ценность же элементов определяется в процессе их использования. Чем  выше интенсивность роста числа  элементов в системе, тем быстрее  система стремится к неустойчивому  состоянию, приближая момент скачкообразных изменений. Но переход на новый качественный уровень структурной организации  произойдет лишь тогда, когда интенсивность  использования, которая играет роль организатора в системе, будет достаточно велика для того, чтобы уменьшить  энтропию в системе и перевести  систему в новое устойчивое состояние. Таким образом, изменяя параметры  системы, а именно интенсивность  роста числа элементов и интенсивность  их использования, мы можем инициировать процесс самоорганизации в системе, замедлять или ускорять его. При  этом мы можем перевести систему  на новый, более совершенный уровень  развития или разрушить ее.

    Гибель  системы может произойти в  двух случаях. Во-первых, когда случайные  флуктуации во внешней среде приводят к гибели отдельных элементов  системы, к разрушению взаимосвязи  между ними, в результате чего система  уже не способна выполнять заданные функции. Во-вторых, когда нет использования  информации о тех или иных свойствах  элементов системы в процессе функционирования во внешней среде. Нет использования, а следовательно, и накопления информации во внешней  среде, в результате чего нарушается прямая связь системы с внешней  средой. Нарушается работа регулирующих механизмов, что приводит к дезорганизации системы и, как следствие, к ее гибели.

    Рассмотренная модель процесса самоорганизации системы  позволяет сформулировать основные требования к математической модели.

    Прежде  чем приступить к анализу процесса развития системы, нужно определить те признаки элементов, которые являются инвариантами для исследуемой группы элементов. И уже для этих выбранных  элементов-признаков рассматривать  степень упорядоченности, рассматривать  рост и отмирание именно этих признаков.