Типы самоорганизации и связь прогрессивной эволюции с самоорганизацией

Одним из важных вкладов в науку о самоорганизации, который внесла теория эволюционного катализа [45], является установление существования двух типов самоорганизации: континуальной самоорганизации индивидуальных ЭОКС (микросистем) и когерентной самоорганизации коллективных систем, макроскопических множеств М–ЭОКС. В подходе Пригожина, развитого Хакеном в синергетику, рассматривается лишь второй тип когерентной самоорганизации в макроскопических системах, проявляющийся в образовании диссипативных структур, концентрационных автоволн и пр. Первый же тип самоорганизации, имеющий ведущее и фундаментальное значение, как в возникновении когерентной самоорганизации, так и в осуществлении прогрессивной эволюции, в работах последователей Пригожина не выделялся, не учитывался и его существование даже не предполагалось.

Как показано в [45], оба типа самоорганизации могут иметь место не только на химическом, но и на всех других уровнях развития материи.

Оба типа самоорганизации имеют одну и ту же физическую сущность (yr­; E?) активного неравновесного упорядочения, имеют одинаковые причины и движущие силы и описываются неравновесной термодинамикой рабочих процессов. Они различаются по масштабам потоков энергии, превращаемых во внутреннюю полезную работу, по механизму процесса самоорганизации, по морфологическим особенностям и природе самоорганизующихся объектов и по взаимной соподчиненности.

В континуальной самоорганизации индивидуальных ЭОКС на порядок больше мощность используемых на самоорганизацию Q и рассеиваемых бесполезно Q потоков энергии обменного процесса по сравнению с когерентной самоорганизацией множеств М–ЭОКС. Ибо в первом случае мощность соответствует всему энергетическому потенциалу базисной реакции, а во втором определяется лишь частью полезно рассеиваемой после континуальной самоорганизации энергии релаксационных излучений (2). Как показано в [45], поток полезно рассеиваемой релаксационной энергии

Q = QQ = QQT + QQX (26)

состоит из теплового излучения черного тела QQT и характеристических (люминесцентных) излучений QQX которые в сумме составляют поток фотонов

SQQX = Shvi (27)

Поток (27) и обеспечивает когерентную самоорганизацию в результате резонансного взаимодействия ЭОКС во множестве М–ЭОКС и синхронизации их внутренних процессов, приводящей к когерентному поведению всей системы (28)

ЭОКС1 ® ЭОКС2

hvi (28)

? ?

ЭОКС3 ® ЭОКС4

Континуальная и когерентная организация существенно различается по механизму. Механизм когерентной самоорганизации связан с кооперативным взаимодействием множества однородных компонентов, приводящим к синхронизации внутренних процессов и их когерентному поведению. Такой механизм Хакен [48] назвал синергетическим (от гр. Synergia — совместное кооперативное действие). Механизм континуальной самоорганизации связан с механизмом базисной реакции и образованием промежуточного неравновесного функционально неделимого объекта — кинетического континуума веществ и реакций — с системно–динамическими связями разнородных компонентов. Такой механизм следует назвать синкретическим (от гр. Synkretismos — слитное, нерасчлененное соединение разнородного). О различии механизмов двух типов самоорганизации говорит и А.С. Щербаков [44], называя континуальную самоорганизацию кибернетической, а когерентную — синергетической.

Поэтому, если науку о когерентной самоорганизации называть «синергетикой» как это предложил Хакен [48], то науку о континуальной самоорганизации следовало бы называть по другому — «синкретикой», как это обсуждалось в [45]. Если же принять термин «синергетика» за обозначение науки о самоорганизации вообще, то следует учитывать ограниченность хакеновского понимания синергетики.

Существуют принципиальные различия в морфологических особенностях, составе, структуре и свойствах неравновесных объектов двух типов самоорганизации. В [45] и в [57] приведена таблица с сопоставлением специфических признаков этих различий на примере индивидуальных ЭОКС и их множеств M–ЭОКС, относящихся к химическому уровню. Такие же различия должны иметь место для сопряженных индивидуальных (микро) и коллективных (макро–) объектов на других уровнях развития материи (ядерном, биологическом, психосоциальном) [45], [54], [56].

Указанные объекты в сопряженных микро–макропарах различаются по всем аналогичным признакам. Если одни (микрообъекты) обладают корпускулярными свойствами и функционально неделимы, целостны, то другие состоят из качественно однородных функционально заменимых компонентов, составляющих множество. Если механизм самоорганизации одних объектов синкретический, то другой — синергетический и т. д. Одним из наиболее существенных различий объектов с разным типом самоорганизации, составляющих сопряженные микро– макропары, является способность первых и неспособность вторых к прогрессивной эволюции с естественным отбором новых качеств. В случае макроскопических объектов возможна лишь линейная эволюция к равновесию без формирования новых качеств.

Указанные различия между типами самоорганизации закладывают основу конкретного понимания подразделения материальных объектов на микро– и макромиры. Такое подразделение имеет смысл только для сопряженных микро– макропар родственных объектов и не имеет такого всеобщего значения, как подразделение мира на равновесные и неравновесные объекты.

Из сказанного ясно, что любая прогрессивная эволюция с естественным отбором новых качеств может осуществляться только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных эволюционирующих объектов. Это подробно рассмотрено в работах по теории эволюционного катализа и происхождения жизни [30–31], [45], [53], [57].

Ниже остановимся лишь на некоторых моментах, характеризующих связь прогрессивной эволюции с самоорганизацией.

Согласно теории, системы типа (18) при взаимодействии со случайными факторами внешней среды способны претерпевать эволюционные изменения природы и континуальной самоорганизации ЭОКС в целом

ЭОКСo ® ЭОКС1 ® ЭОКС2 ®…® ЭОКСq (29)

в результате эволюционных превращений природы катализаторов Ki ® Ki+1

Ko ® K1 ® K2 ® K3 ®…® Kq (30)

и изменений их каталитической (21) ai ® ai+1 и функциональной (22) xi ® xi+1 активности. Первичный естественный отбор эволюционных изменений от неэволюционных осуществляется по критерию

ai ® ai+1 > 0; xi ® xi+1 > 0; Ii ® Ii+1 > 0 (31)

Ибо при равенстве этих параметров нулю прекращается обмен веществ и энергии неравновесной системы и ЭОКС распадается на равновесные компоненты.

Химическая эволюция в виде цепей последовательных изменений (29), (30) возможна при выполнении четырех феноменологических принципов развития (вероятностного, кинетического, знергодинамического и информационного) (см. [30–31], [45], [57]), определяющих граничные условия осуществления эволюции, связанные с температурой, природой катализатора и факторов внешней среды.

Направленность химической эволюции, ее причины, движущие силы и механизм естественного отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений определяется основным законом химической эволюции. Согласно этому закону [30], с наибольшей скоростью или вероятностью осуществляются те цепи эволюционных изменений (29, 30) которые приводят к возрастанию абсолютной каталитической активности (21) или энергетической мощности обменного процесса (22). В прогрессивной химической эволюции имеет место приращение энергетической мощности

yI/yt > 0 [Дж/с2], (32)

в нулевой эволюции, когда нет эволюции из–за достижения пределов развития, но ЭОКС могут динамически существовать при Кi = const, мощность не изменяется

yI/yt = 0, (33)

а в регрессивной эволюции, приводящей к деградации каталитической и функциональной активности систем

yI/yt < 0 (34)

При этом теория эволюционного катализа устанавливает не только количественную меру самоорганизации (2), (3), но и количественную меру прогресса в эволюционных изменениях (32). Из (32) видно также, что прогресс связан с постоянными затратами энергии Е?, направленными на полезную работу Q против равновесия, что сама прогрессивная эволюция — сугубо антиэнтропийный процесс с направленностью изменений неравновесия (yr­) в сторону его возрастания, т. е. вопреки второму закону термодинамики. Другими словами, саморазвитие континуальной самоорганизации, чем и является прогрессивная эволюция, приводит ко все более и более неравновесным состояниям, связанным с ростом коэффициента полезного использования энергии на внутреннюю полезную работу (12) и является особым процессом самоорганизации более высокого ранга, чем самоорганизация каждой индивидуальной ЭОКС.

Аналогично тому, как динамическое существование ЭОКС в ходе базисного процесса в форме устойчивого неравновесия, обусловленное сочетанием и сопряжением противоположно направленных процессов самоорганизации (yr­) и организации (yr?), можно представить в виде двух устойчивых траекторий (аттракторов) см. рис. 2, аттракторы процессов yr­ и yr? в прогрессивной эволюции будут иметь вид (рис. 4). Из рис. 2 и 4 видно, что как процесс стационарного существования и самоорганизации ЭОКС, так и процесс саморазвития континуальной самоорганизации в ходе прогрессивной химической эволюции представляют собой с учетом обеспечивающей эти процессы энергией базисной реакции Е сложные явления, в которых сочетаются и сопрягаются процессы организации и самоорганизации противоположной направленности. Источником энергии (движущей силой) как в механизме самоорганизации ЭОКС и их прогрессивной эволюции, так и в механизме первичного естественного отбора на существование ЭОКС, и вторичного естественного отбора на максимальную прогрессивность качеств в ходе эволюции (см. [30–31], [45], [57]), является ход базисной реакции, потенциал обменного процесса (22).

Рис. 4. Саморазвитие ЭОКС в ходе прогрессивной эволюции при аi ® max; yI/yt > 0; Кi ® Ki+1. 1 – предельный уровень неравновесия r = 1; 2 — странный аттрактор прогрессивной эволюции при аi ® max; xi ® 1; yI/yt > 0; 3 — странный аттрактор равновесных состояний базисной реакции.

Поэтому именно функциональный аспект, а не структурно–информационный имеет ведущее значение как в образовании и существовании ЭОКС и возникновении их самоорганизации, так и в естественном отборе процессов химической эволюции среди неэволюционных процессов и естественном отборе наиболее прогрессивных эволюционных изменений ЭОКС в ходе прогрессивной эволюции. Другими словами, какие бы изменения природы Ki ® Ki+1 ни происходили естественный отбор идет по параметрам a, I, x, т. е. по их функциональной активности, а отбор приводящих к этому изменению Ki ® Ki+1 происходит опосредованно. Без функционального аспекта рассматриваемых явлений нельзя понять ни причин, ни движущих сил, ни механизма, ни физического смысла процесса самоор. ганизации и ее саморазвития, нельзя установить законы существования и эволюции ЭОКС.

С другой стороны, изменения функциональных особенностей ЭОКС задаются изменениями структурных и информационных особенностей их катализаторов в соответствии с адекватностью связи Ki ® Ki+1 и ai ® ai+1 и кодированием механизма базисной реакции катализатором, т. е. являются следствием изменений природы и информационных характеристик Ki. Это значит, что механизм естественного отбора определяется не природой и причинами изменений Ki ® Ki+1, а их следствием.

Как показано в [45], [57], процессы континуальной самоорганизации и прогрессивной эволюции ЭОКС, стремящиеся к неравновесию yr­, описываются неравновесной термодинамикой рабочих процессов как трансформации потока освобожденной энергии обменного процесса Е

yG* = yG°/aNAt* = I = E (35)

в соответствии с (1). Потоки энтальпии (yH*) и связанной энергии (TyS*), также характеризующие процесс базисной реакции, стремящейся к равновесию (yr?), при этом остаются неизменными, что видно из схемы

Рис. 5. Схема использования свободной энергии базисной реакции ЭОКС на полезную работу самоорганизации и саморазвития самоорганизации (эволюционные изменения Ki ® Ki+1)) по [45]. 1 — полезная работа в кинетической сфере, 2, 3 — полезная работа в конституционной сфере при параллельном (2) или последовательном (3) использовании энергии; 4 — бесполезное рассеивание всей энергии обменного процесса при E = Q; Q = 0.

Если же рассмотреть суммарный результат длительного существования ЭОКС в макросистеме при установлении равновесия и учесть все потоки диссипации в том числе и поток, получающийся при релаксации неравновесно связанной энергии эволюционных изменений, то мы не заметим имевшие место динамические процессы, приводившие к самоорганизации и прогрессивной эволюции и отметим точное выполнение и первого и второго законов термодинамики.