Процессы самоорганизации

4. Динамика популяций хищников и их жертв - самоорганизация в биологии.

Неравновесные процессы с возникновением в системах упорядоченных структур - диссипативных структур. Самоорганизация не связана с особым классом веществ, но она существует лишь в специальных системах, удовлетворяющих условиям:

а) открытые

системы, т.е. открытые для притока энергии (вещества) извне;

б) макроскопические системы, т.е. системы описываются нелинейными уравнениями.

Следует также отметить, что диссипативные структуры являются устойчивыми образованиями, и их устойчивость определяется устойчивостью внешнего источника энергии[3].

3. Самоорганизация диссипативных структур

Самоорганизующимися процессами называют процессы, при которых возникают более сложные и более совершенные структуры. Это определение позволяет выделить самоорганизацию как один из возможных путей эволюции и отнести этот процесс к условиям, далеким от термодинамического равновесия. Эволюция может приводить и к деградации. Так, в закрытых системах, когда движущая сила процесса - стремление системы к минимуму свободной энергии, достигаемое равновесное состояние является наиболее хаотическим состоянием среды. Если же эволюция системы контролируется минимумом производства энтропии (неравновесные условия), происходит самоорганизация динамических структур, названных диссипативными. К диссипативным структурам относятся пространственные, временные или пространственно-временные структуры, которые могут возникать вдали от равновесия в нелинейной области, если параметры системы превышают критические значения. Диссипативные структуры могут перейти в состояние термодинамического равновесия только путем скачка (в результате неравновесного фазового перехода). Основные их свойства следующие:

они образуются в открытых системах, далеких от термодинамического равновесия, в результате флуктуации до макроскопического уровня;

их самоорганизация происходит в результате экспорта энтропии;

возникновение пространственного или временного порядка аналогично фазовому переходу;

переход в упорядоченное состояние диссипативной системы происходит в результате неустойчивости предыдущего неупорядоченного состояния при критическом значении некоторого параметра, отвечающем точке бифуркации;

в точке бифуркации невозможно предсказать, в каком направлении будет развиваться система, станет ли состояние хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности.

Таким образом, диссипативные структуры - это высокоупорядоченные самоорганизующиеся образования в системах, далеких от равновесия, обладающие определенной формой и характерными пространственно-временными размерами, они устойчивы относительно малых возмущений. Важнейшие характеристики диссипативных структур - время жизни, область локализации и фрактальная размерность. Диссипативные структуры отличаются от равновесных тем, что для своего существования они требуют постоянного притока энергии извне, так как по определению, их самоорганизация связана с обменом энергией и веществом с окружающей средой.

Под диссипативной системой понимают систему, полная механическая энергия которой при движении убывает, переходя в другие формы, например в тепло. Соответственно диссипация энергии есть переход части энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, а в конечном итоге - в теплоту.

Процесс перехода "устойчивость-неустойчивость-устойчивость" следующий. Первоначально устойчивая диссипативная структура, достигая в процессе эволюции системы порога неустойчивости, начинает осциллировать, а возникающие в ней флуктуации приводят к самоорганизации новой, более устойчивой на данном иерархическом уровне диссипативной структуры.

Одним из типичных примеров самоорганизации диссипативных структур является переход ламинарного течения жидкости в турбулентное. До недавнего времени он отождествлялся с переходом к хаосу.

Таким образом, гидродинамическая неустойчивость при переходе ламинарного течения в турбулентное связана с образованием динамических диссипативных структур в виде вихрей[4].

Заключение

Разработкой теории самоорганизации занимаются несколько научных дисциплин:

1. Термодинамика неравновесных (открытых) систем.

2. Синергетика.

3. Теория катастроф[5].

Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.

В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.

Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду.

Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникшей ранее в результате процесса организации.

Список литературы

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2004.

2. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2006.

3. Моисеев Н. Экология М.: Молодая гвардия, 1988.

4. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1984.

5. Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории. М.: Наука, 1966.

[1] Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2006. С. 122.

[2] Моисеев Н. Экология М.: Молодая гвардия, 1988. С. 141.

[3] Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории. М.: Наука, 1966. С. 104-105.

[4] Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2004

[5] Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1984. С. 180.

 Скачать реферат