Эволюция. Синергетика

1. Эволюция. Синергетика

2012-2013
Эволюция.
Синергетика
С.Б.Белова

2. Глобальный эволюционизм

Эволюция –
развитие, процесс
изменения
(преимущественно
необратимого) живой и
неживой природы
Эволюция –
процесс возникновения
более сложных структур
из более простых
Фокус глобально-
эволюционной
проблематики –
человек, ответственный
за эволюцию

3. Наиболее важные фазы эволюции:

космическая эволюция Большой взрыв,
образование элементарных
частиц,
формирование атомов и молекул,
возникновение галактик, звезд и
планет и т.д.
химическая эволюция -
образование системы химических
элементов и соединений,
возникновение органических
соединений,
полимеризация в цепи
органических молекул

4. Наиболее важные фазы эволюции:

геологическая
эволюция - образование
структур земной коры, гор,
вод и т.д
эволюция протоклетки
- самоорганизация
биополимеров и хранение
информации на
молекулярном уровне,
пространственная
индивидуализация
дарвиновская
эволюция - развитие видов
животных и растений и их
взаимодействие,
возникновение экосистемы на
Земле

5. Наиболее важные фазы эволюции:

эволюция человека –
развитие труда,
языка,
мышления.
человек
эволюция общества
распределение труда,
общественная организация,
техника,
общественные формации и
т.д.
эволюция
информации и обмена
информацией-
обогащение и хранение
знания,
развитие связи, науки и т.д.
машина
сообщество

6. Понятия Эволю́ции

1
естественный
процесс развития
жизни на Земле
2
естественный
процесс развития
Вселенной как
целого или её
частей
3
процесс развития,
состоящий из
постепенных
качественных
изменений, без
резких скачков
(в противовес
революции)

7. Химическая эволюция→ биологическая эволюция→ социальное развитие

Химическая эволюции
или пребиотическая
эволюция —
первый этап эволюции
жизни, в ходе которого
органические,
пребиотические вещества
возникли из
неорганических молекул
Биологическая эволюция —
естественный процесс
развития живой природы,
сопровождающийся:
изменением генетического
состава популяций,
формированием
адаптаций,
видообразованием и
вымиранием видов,
преобразованием
экосистем и биосферы в
целом

8. Химическая эволюция→ биологическая эволюция→ социальное развитие

Этап эволюции
Событие, послужившее
началом этапа эволюции
Время
лет
назад
Событие,
послужившее
окончанием этапа
Время
лет
назад
Космическая
Большой взрыв
13,7
млрд.
продолжается
Химическая
пребиотическая
Образование тяжелых
хим.элементов с ат.
массой › 26* по
окончании 2го цикла
звездообразования
13,512,5
млрд.
Возникновение
живых структур
≥3,5
млрд.
≥3,5
млрд.
Биол.эволюция
человека
прекратилась с
использованием
орудий труда
2-3
млн.
Биологическая
Сложные органические
вещества и
биохимические реакции
произошли от простых
химических реакций
Биосфера непрерывно
эволюционирует

9.

человек
O2 ~21 %
200 тыс.лет назад
350 млн. лет назад – по сегодняшний день
O2 >1% →образование озонового слоя→блокирует УФИ→жизнь на суше
1 млрд. лет назад
многоклеточные организмы
Окислительная атмосфера
анаэробные сообщества сменились аэробными
солнечная энергия
эукариоты
2,45 млрд. лет назад
Фотосинтез : H2O+ CO2→ O2 + глюкоза → кислородная катастрофа
2,45 млрд. лет назад
Восстановительная атмосфера
N2 - основная составляющая атмосферы
прокариоты
3,8 млрд. лет назад
УФИ
Фотохимический распад воды, аммиака и метана→ CO2 и N2
Остывание Земли ниже tкип воды → дожди → океаны
H2O(пар), CO2, H2S, NH3, CH4
Водород H2 ↑, гелий He↑

10. Краткая хронология эволюции

Хронология Земли насчитывает 4.5 миллиарда лет
3,8 миллиарда лет назад появились первые доядерные организмы
(прокариоты),
3 миллиарда лет назад появились первые организмы, способные к
фотосинтезу,
2 миллиарда лет назад появились первые клетки, имеющие ядро
(эукариоты),
1 миллиард лет назад появились первые многоклеточные организмы,
570 миллионов лет членистоногим (предкам насекомых, паукообразных и
ракообразных),
500 миллионов лет рыбам и протоамфибиям,
475 миллионов лет наземным растениям,
400 миллионов лет насекомым и семенам,
360 миллионов лет назад появились первые земноводные,
300 миллионов лет назад появились первые пресмыкающиеся
(рептилии),
200 миллионов лет назад появились первые млекопитающие,
150 миллионов лет назад появились первые птицы,
130 миллионов лет назад появились первые цветковые растения,
65 миллионов лет назад вымерли нептицеподобные динозавры,
2,5 миллионов лет назад появился род Homo,
200 тысяч лет назад люди в результате антропогенеза обрели
современный вид,
25 тысяч лет назад вымерли неандертальцы .

11. Эволюция жизни

Люди
Цветы
Млекопитающие
Динозавры
Зеленые растения
Животные
Многоклеточные организмы
Клетки → прокариоты → эукариоты
Мембраны
Микросферы
Пробиоты
Сложные биополимеры: белки, ДНК,
РНК
«Биомолекулы» - мономеры
Простые органические соединения
Неорганические материалы

12. Особенности эволюции

1) необратимость, -
нарушении симметрии
между прошлым и
будущим;
2) понятие «событие»;
3) некоторые события
обладают
способностью
изменять ход
эволюции

13. Необратимые процессы порождают энтропию

Классическая формулировка 2
начала термодинамики для
изолированных систем:
Энтропия в любой
изолированной системы
возрастает до тех пор, пока не
достигает максимального
значения в состоянии
термодинамического
равновесия
dS ≥0
Формулировка 2 начала для
открытых систем:
при любых граничных условиях
производство энтропии
положительно
diS ≥0
Итак, необратимые процессы
порождают энтропию → → →
Реальные системы являются
открытыми – обмениваются с
окружающей средой массой и
энергией.
В неравновесной термодинамике
изменение энтропии
dS= diS+deS ,
где diS –энтропия, производимая
внутри системы,
deS – энтропия, описывающая
перенос энергии через границу
систему
Жизнь связана с производством
энтропии и, следовательно, с
необратимыми процессами

14. Особенности эволюции

1) Чем сложнее система, тем
более многочисленны
флуктуации, угрожающие
ее устойчивости.
2) Превзойдя порог
устойчивости система
попадает в критическое
состояние, называемое
точкой бифуркаци.
В ней система становится
неустойчивой
относительно флуктуации и
может перейти к новой
области устойчивости.
Небольшая флуктуация
может послужить в этой
точке началом эволюции в
совершенно новом
направлении, который
резко изменит все
поведение системы.
Это и есть событие.

15. Революция как точка бифуркации

16. Особенности эволюции

В точке бифуркации
случайность подталкивает
то, что остается от системы,
на новый путь развития.
После того, как один из
многих возможных вариантов
выбран, вновь вступает в силу
детерминизм и так до следующей точки
бифуркации.
В судьбе системы
случайность и необходимость
взаимно дополняют друг
друга.

17. Особенности эволюции

Эволюционный процесс в
целом обладает
спиральной структурой

18. Особенности эволюции

Особенность процессов
эволюции - ветвление
ПРИМЕР: Филогения –
процесс исторического
развития организмов

19. Пример цепи бифуркаций в эволюции Вселенной

1) На самой ранней стадии
развития Вселенной
существовало некое единое
взаимодействие.
Затем разделилось на
- релятивистские
(гравитационные) и
- квантовые силы
сильное,
электромагнитное,
слабое
2) Отделение сильного от
электрослабого.
3) Последними разделились
слабое и электромагнитное.

20. Элементарный процесс эволюции -самоорганизация

Элементарный процесс эволюции самоорганизация
В широком смысле слова
самоорганизация тенденция развития
природы от менее сложных
к более сложным и
упорядоченным формам
организации материи
В более узком понимании
самоорганизация спонтанный переход
открытой неравновесной
системы от простых и
неупорядоченных форм
организации к более
сложным и упорядоченным

21. Сущность самоорганизации в открытых системах изучает синергетика

Пришла к выводу,
противоположному
классической физике:
конечное состояние, к
которому стремятся все
системы, - это не хаос, как
утверждалось ранее, а
порядок
Главная идея синергетики -
принципиальная
возможность спонтанного
возникновения порядка и
организации из
беспорядка и хаоса в
результате процесса
самоорганизации

22. Школы, в рамках которых развивается синергетический подход:

1.Школа нелинейной оптики,
квантовой механики и
статистической физики
Германа Хакена, с 1960 года
профессора Института
теоретической физики в
Штутгарте.
2. Физико-химическая и
математико-физическая
Брюссельская школа Ильи
Пригожина, в русле которой:
формулировались первые
теоремы (1947 г),
разрабатывалась
математическая теория
поведения диссипативных
структур (термин Пригожина),
раскрывались исторические
предпосылки и
провозглашались
мировоззренческие основания
теории самоорганизации парадигмы универсального
эволюционизма

23. Илья Романович Пригожин

Дата рождения:25 января 1917)
Место рождения:Москва, Российская
империя
Дата смерти:28 мая 2003(86 лет)
Страна: Российская империя
Бельгия
Научная сфера:химия, физика
Место работы:• Брюссель, Бельгия
(1942—2003)
• Остин, Техас, США (196?—2003)
Альма-матер:
Брюссельский свободный университет
(фр. Université Libre de Bruxelles)
Известен как:первооткрыватель
диссипативных структур
Награды и премии
Нобелевская премия по химии (1977)

24. Хакен Герман (Hermann Haken)

Дата рождения:12 июля 1927 г.) —
немецкий физик-теоретик, основатель
синергетики.
Доктор философии и естественных наук.
С 1960 г. по 1995 г. являлся профессором
теоретической физики университета
Штутгарта.
До ноября 1997 г. был директором
Института теоретической физики и
синергетики университета Штутгарта.
С 1995 г. является почетным
профессором и возглавляет Центр
синергетики в этом институте, а также
ведет исследования в Центре по
изучению сложных систем в университе
Флориды (Бока Рэтон, США). Основатель
и редактор шпрингеровской серии по
синергетике

25. Требования к самоорганизующимся системам (структурам)

1) должны быть
неравновесными –
находиться в состоянии,
далеком от
термодинамического
равновесия;
2) открытыми - получать
приток энергии, вещества и
информации извне;
3) нелинейность внутренних
процессов - возможность
сверхбыстрого развития
процессов в системе
4) наличие флуктуации любое колебание или любое
периодическое изменение
(неоднородность).

26. Открытые нелинейные системы

Нелинейность –
возможность сверхбыстрого
развития процессов
в системе на определенных
стадиях ее эволюции
Примеры:
o рождение и аннигиляция
o
o
o
o
o
o
o
элементарных частиц,
вспышка молнии,
погода,
биение сердца ,
всепроникающий луч лазера,
болезни и исцеление,
теплый свет свечи и
нескончаемая изменчивость
волн,
гигантское красное пятно на
Юпитере
вспышка сверхновой

27. Отличие областей, в которых может пребывать система

Неравновесная область
Равновесная область
1. Система «адаптируется» к внешним
условиям, изменяя свою структуру.
1 . Для перехода из одной структуры, к
другой требуются сильные
возмущения или изменения граничных
условий.
2. Множественность стационарных
2.Одно стационарное состояние
состояний.
3. Чувствительность к флуктуациям
(небольшие влияния приводят к
большим последствиям, внутренние
флуктуации становятся большими).
3. Нечувствительность к флуктуациям.
4 . Неравновесность — источник
порядка (все части действуют
согласованно) и сложности.
4. Молекулы ведут себя независимо
друг от друга.
5. Фундаментальная неопределенность
поведения системы.
5. Поведение системы, определяют
линейные зависимости.

28. Отличия неравновесной системы от равновесной

1) Система реагирует на внешние
условия (гравитационное поле и
т. п.).
2) Поведение случайно и не
зависит от начальных условий,
но зависит от предыстории.
3) Приток энергии создает в
системе порядок, и стало быть
энтропия S ее уменьшается.
4) Наличие бифуркации —
переломной точки в развитии
системы.
5) Когерентность: система ведет
себя как единое целое.
Каждая молекула как бы
«информирована» о состоянии
системы в целом.
Возникновение упорядоченности
в виде конвективных ячеек в слое
вязкой жидкости, равномерно
подогреваемой снизу.

29. Пример самоорганизации в открытых системах - реакция Белоусова — Жаботинского

Изменение цвета реакционной смеси в реакции
Белоусова — Жаботинского с ферроином

30. Неравновесная (или стационарная) открытая система - диссипативная система

Диссипативная система открытая система,
находящаяся вдали от
термодинамического
равновесия.
Возникает в неравновесной
среде при условии
диссипации (рассеивания)
энергии, которая поступает
извне.
(Требует для возникновения
большого количества энергии)
Диссипативная система
возникновение упорядоченности в виде
конвективных ячеек в слое вязкой жидкости,
характеризуется спонтанным
появлением сложных структур равномерно подогреваемой снизу.
( жизнь, разум).

31. Точка бифуркации

1.
2.
Точка бифуркации —
критическое состояние
системы, при котором
система становится
неустойчивой относительно
флуктуаций и возникает
неопределенность:
станет ли состояние системы
хаотическим или она
перейдет на новый более
высокий уровень
упорядоченности.

32. Точка бифуркации

Свойства точки бифуркации
Непредсказуемость.
Обычно точка бифуркации
имеет несколько веточек
аттрактора (устойчивых
режимов работы), по одному
из которых пойдёт система.
По какому? - заранее
невозможно предсказать.
Точка бифуркации носит
кратковременный характер и
разделяет более длительные
устойчивые режимы системы.

33. Процесс самоорганизации в сложных системах

Фундаментальный
принцип
самоорганизации –
возникновение нового
порядка и усложнение
систем через флуктуации
(случайные отклонения)
состояний их элементов и
подсистем.

34. Процесс самоорганизации в сложных системах разных уровней

o
o
1 - Динамически
стабильные и
адаптивные системы.
Флуктуации обычно
подавляются за счёт
отрицательных обратных
связей.
ООО - обеспечивают
сохранение структуры и
близкого к равновесию
состояния системы.
o 2 - Более сложные
открытые системы.
o Приток энергии извне и
усиление неравновесности→
отклонения со временем
накапливаются и вызывают
эффект коллективного
поведения элементов и
подсистем (положительные
обратные связи)

35. Процесс самоорганизации в сложных системах

o
Флуктуации →
«расшатывание»
прежнего порядка и
через кратковременное
хаотическое состояние
системы → разрушение
или новый порядок
o Для сложных систем в
зависимости от степени
сложности:
o 1 - либо разрушение
прежней структуры,
o 2 - либо возникновение
нового порядка.

36. Процесс самоорганизации в сложных системах

1) Недостаточно сложные системы не
способны к развитию и при получении
извне чрезмерного количества энергии
необратимо разрушаются.

37. Биосфера - открытая неравновесная система планетарного масштаба

Эволюция биосферы - процесс
самоорганизации
«Биосфера – пленка жизни»
Основа организации и
устойчивости биосферы многообразие живых
организмов
Усиление антропогенного
воздействия на биосферу сокращение биологического
разнообразия планеты

38. Программа «Человек и биосфера» (англ. The Man and the Biosphere Programme (MAB)) 

Программа «Человек и биосфера»
(англ. The Man and the Biosphere Programme (MAB))
продолжение
Международной
биологической
программы ЮНЕСКО
Цели:
1) определение
экологических,
социальных и
экономических
последствий от потери
биоразнообразия,
2) сокращение таких
потерь.
Для своей работы
программа использует
Всемирную сеть
биосферных резерватов
Озеро Кардывач. Кавказский
государственный природный
биосферный заповедник, один
из первых заповедников на
территории России, основан в
1978 году.

39. Процесс самоорганизации в сложных системах

2) Самоорганизующаяся,
эволюционирующая
система - возникшие
изменения не устраняются,
а накапливаются и
усиливаются → возможно
возникновение нового
порядка и новых
структур, образованных из
элементов прежней,
разрушенной системы.
Этап самоорганизации
наступает только в случае
преобладания
положительных обратных
связей, действующих в
открытой системе, над
отрицательными
обратными связями.
Обратная связь
Уравновешивающая
(саморегулирующиеся
процессы)
Отрицательная
Усиливающая
(порочный круг)
Положительная

40. Биоразнообразие в экосистемах

Повышение
биоразнообразия повышение
сложности и силы
связей между
компонентами
экосистемы,
стабильность
потоков вещества
и энергии между
компонентами
Экваториальный
дождевой лес может
содержать более 5000
видов растений→

41. Самоорганизующаяся эволюционирующая система

Пример:
образования новых
социальных формаций.
В марксизме:
первобытнообщинная,
рабовладельческая,
феодальная,
капиталистическая,
социалистическая,
коммунистическая.

42. Процесс самоорганизации в сложных системах

Самоорганизация в сложных
системах сопровождаются
нарушением симметрии→
При описании эволюционных
процессов необходимо
отказаться от симметрии
времени (классическая
механика)
Самоорганизация в сложных и
открытых — диссипативных
системах, приводят к
необратимому разрушению
старых и к возникновению
новых структур и систем
Наряду с явлением
неубывания энтропии в
закрытых системах это
обуславливает наличие
«стрелы времени» в Природе.
Термодинамическая стрела
времени
возрастание беспорядка или
энтропии S
Психологическая стрела
времени
мы помним прошлое, а не
будущее
Космологическая стрела
времени
направление времени, в котором
Вселенная расширяется, а не
сжимается

43. От синергетики – к практике

Цель новых технологий:
Синергетика –
самоорганизация
Кибернетика –
управление
управление и
регулирование
самоорганизующихся систем
«Поддержание организации в природе не
достигается …управлением из одного центра;
Порядок может поддерживаться только с
помощью самоорганизации.» из доклада для Европейского Совета

44. Путь Вселенной

«Природа действительно
связана с созданием
непредсказуемой новизны, где
возможное богаче реального.
Наша Вселенная следует по
пути, включающем в себя
последовательность
бифуркаций.
В то время как другие миры
могли избрать другие пути, нам
повезло, что наша Вселенная
направилась по пути,
ведущему к жизни, культуре и
искусству».
Илья Романович Пригожин

45. Ключевые авторы

Пригожин, Илья Романович
Хакен, Герман
Курдюмов, Сергей Павлович
Малинецкий, Георгий Геннадиевич
Капица, Сергей Петрович
Моисеев, Никита Николаевич
Чернавский, Дмитрий Сергеевич
Самарский, Александр Андреевич