Викладено принципи еволюційних процесів в різних областях живого і неживого світу, засновані на положеннях нерівноважноїтермодинаміки, синергетики і динаміки ієрархічних систем. аналізується еволюція біологічних систем з позиції зміни ентропії як заходи синтезу генетичної інформації.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Амерханов Роберт Олександрович, Гарькавий Костянтин Олексійович


Principles of evolutional processes in different spheres of animate and inanimate nature, based on conditions of unbalanced thermal dynamics, synenergetics and dynamics of hierarchic systems were cited. The evolution of biological systems with the position of change of entropy as a measure of synthesis of genetic information is analyzed.


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2011


    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки


    Наукова стаття на тему 'Аналіз еволюційних процесів на основі ієрархічних і синергетичних концепцій'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз еволюційних процесів на основі ієрархічних і синергетичних концепцій»

    ?УДК 621.1: 536.42: 577.3 (0.75.8)

    АНАЛІЗ Еволюційної ПРОЦЕСІВ НА ОСНОВІ ІЄРАРХІЧНИХ І синергетичний КОНЦЕПЦІЙ

    © 2011 р Р.А. Амерханов, К.А. Гарькавий

    Кубанський державний аграрний Kuban State Agriculture

    університет, м Краснодар University, Krasnodar

    Викладено принципи еволюційних процесів в різних областях живого і неживого світу, засновані на положеннях нерівноважноїтермодинаміки, синергетики і динаміки ієрархічних систем. Аналізується еволюція біологічних систем з позиції зміни ентропії як заходи синтезу генетичної інформації.

    Ключові слова: нерівноважна термодинаміка; ентропія; синергетика; біфуркація; еволюція.

    Principles of evolutional processes in different spheres of animate and inanimate nature, based on conditions of unbalanced thermal dynamics, synenergetics and dynamics of hierarchic systems were cited. The evolution of biological systems with the position of change of entropy as a measure of synthesis of genetic information is analyzed.

    Keywords: unbalanced thermal dynamics; entropy; synenergetics; bifurcation; evolution.

    Процеси еволюції спостерігаються в найрізноманітніших дисипативних структурах: біологічних процесах, динаміці популяції, екосистемах, в тому числі для навколишнього середовища, розвитку енергетичних систем. Прикладом еволюції може служити також динаміка процесів, характерних для будь-яких екосистем, в тому числі для навколишнього середовища. Подібні приклади можна привести з соціальної та економічної областей [1 - 8].

    Еволюційні явища обумовлені закономірностями, які спостерігаються нами в навколишньому світі, -єдність випадкового і необхідного, стохастичного та детермінованого. Мінливість, випадковість і невизначеність з'являються в контексті необхідності, тобто законів, які керують рухом матерії і розвитком її організаційних форм.

    І. Пригожин [9, 10] представив нелінійну динаміку еволюції складних систем у вигляді бифуркационной діаграми, пов'язуючи точки біфуркації з реалізацією ступенів свободи по Пуанкаре. Відповідно до формульованій їм теоремою система нескінченно раз повертається в околицю початкового стану - так звана стійкість в сенсі Пуассона. Схематично це показано на малюнку.

    На бифуркационной діаграмі: X - параметр процесу; X - ступінь віддаленості від рівноважного стану; Ьь Ь2, C4, d1, d2 - нові устойчи-

    ші рішення, що виникають в точках біфуркації після втрати системної стійкості.

    Стійкістю по І. Пуанкаре є або нерухома, або періодична точка. Рух, при якому система нескінченне число разів повертається в околиці початкового стану, І. Пуанкаре назвав стійким в сенсі Пуассона. У теоремі Х. Хопфа про повернення принципи І. Пуанкаре прикладені до динамічних систем [11].

    Х

    біфуркаційних діаграма

    Основна характеристика біфуркації - невизначеність шляхів подальшого розвитку, так як остаточний вибір шляху обумовлений випадковим характером мають місце збурень [12]. Стохастичний характер причинності відповідно до біфуркаційних положеннями може розвести близькі, практично тотожні форми організації в абсолютно різні боки. Цей принцип дозволяє включити більш економічні механізми дисипації енергії, що сприяють виникненню структур, що знижують накопичення ентропії. Кожне стан соціальної системи є біфуркаційних, що призводить до різкого прискорення всіх процесів самоорганізації суспільства.

    На рівні живої природи найбільш типовими і легко спостерігаються є механізми адаптивного типу, а біфуркації виникають лише в виняткові моменти її розвитку. За сучасними уявленнями, еволюція є спрямованим про-

    процесом адаптації, який веде до прогресивної організації живої матерії. Необхідність процесу еволюції і його незворотність визначається відбором.

    М.М. Моїсеєв [5, 6] вважає, що особливу роль в світовому еволюційному процесі відіграє принцип мінімуму дисипації енергії, який, по суті, відповідає принципу мінімуму потенціалу розсіювання Л. Онсагера [7] і принципу мінімуму виробництва ентропії І. Пригожина [8], які були сформульовані для вирішення завдань нерівноважноїтермодинаміки.

    Безсумнівний інтерес представляє концепція, що обов'язковою особливістю еволюційних процесів є їх ієрархічність [12, 13]. Новий рівень синтезу інформації виникає на основі врахування властивостей елементів попереднього рівня ієрархії. Процес біологічної еволюції можна розглядати в рамках моделі структуроутворення, згідно з якою з структур (/) низьких ієрархій виникають структури (/ + 1, / + 2, ..., 1 + п) вищих ієрархій. Спочатку стійка диссипативная структура в процесі своєї еволюції починає осциллировать, а виникли в ній флуктуації призводять до самоорганізації нової, більш стійкою структури на даному ієрархічному рівні еволюції. При цьому спостерігається закономірність: чим складніше система, тим більша ймовірність збільшення числа шляхів її еволюції [11].

    Цей ефект виникає в результаті порушення просторово-часової симетрії структури, що є джерелом інформації про досягнення нестійкої рівноваги системи. При переході через нестійкість в нерівноважних умовах формується нова структура замість старої, нездатною далі зберігати стійкість симетрії системи до зовнішнього впливу. Ці уявлення справили величезний вплив на розуміння механізмів нелінійної динаміки еволюції складних систем живої і неживої природи.

    Іншою особливістю біологічної еволюції є те, що переходи «стійкість - нестійкість - стійкість» контролюються кумулятивної зворотним зв'язком. Принцип самоврядування в біологічних системах з кумулятивною зворотним зв'язком визначає закон еволюції живих організмів, здатних не тільки адаптуватися до навколишнього середовища, але і змінювати цю середу так, щоб її характеристики в найбільшою мірою відповідали їх можливості існування. Живої істоти властиво також прагнення максимально використовувати зовнішні енергію і речовину. Це важливий синергетичний принцип, керуючий процесами самоорганізації біологічних систем. Цілком обгрунтовано Г. Хаген пише, що «.біологія по праву вважається найбільш важливою областю дослідження для синергетики» [14].

    У центрі уваги синергетики знаходяться якісні зміни, як в статичному, так і в динамічному поводженні системи, зокрема, при біфуркації. Синергетика найбезпосереднішим обра-

    зом досліджує фазові переходи, які відіграють чималу роль в біології, і дозволяє вводити в теорію біфуркації нові поняття для останньої, такі як поняття критичного уповільнення, критичних функцій, порушення симетрії і відновлення порушень симетрії через флуктуації. Саме такі флуктуації по суті і відповідальні за нову інформацію, що породжуються еволюціонує ієрархічною системою. Власне синтез інформації реалізується тоді, коли індивідуальним взаємодій елементів системи між собою і випадковості їхньої поведінки можна зіставити детерміновану однозначну величину - ентропію.

    Життя принципово пов'язана з синтезом випадковостей, причому для кожної наступної ступені ієрархії синтезуються свої умови, відмінні від умов на попередніх щаблях. В результаті до ентропії, яка описує число можливих станів системи на попередньому рівні ієрархії, додається ентропія, створювана новими станами, які регулюють нові умови. Тому виникнення життя і її еволюція в бік більш високоорганізованих форм є процес ієрархічного збільшення сумарної ентропії. Оскільки ентропія визначається логарифмічною функцією (формула Больцмана), вона аддитивна.

    Ентропія еволюції ^ го виду живого записується в такий спосіб:

    е = е + е + е + е

    ^ ^, Ген.пр. ^, Сам. ^, Сіл. ^, Ген.інж. >

    де е, ген. пр. - сума заходи генетичної інформації; е, сам. - міра інформації про процеси самоорганізації; е ^ їв. - міра інформації внаслідок селекційної діяльності; е, ген.інж. - міра інформації, обумовлена ​​інженерної генетикою.

    Для еволюції життя важливо відношення кількості генетичної інформації для двох послідовних ступенів ієрархії синтезу інформації. Назвемо цінністю синтезу інформації число ^^ показує у скільки разів зменшиться кількість інформації при переході до наступної сходинки ієрархії синтезу інформації:

    S,

    Zk =

    (K + 1) St

    Однак на етапах виникнення життя з'являється принцип розвитку, що забезпечує надмірність виробництва енергії в порівнянні з потребами в ній. Боротьба, що при цьому концентрація енергії використовується в якості основи для синтезу генетичної інформації.

    З розвитком вчення про біологічної еволюції, нерівноважноїтермодинаміки і синергетики в 60 -70-і рр. ХХ століття стало можливим виникнення принципу глобального еволюціонізму [14], що характеризує екстраполяцію ідей, які отримали обгрунтування в біології і хімії, на всі сфери діяльності і розгляд неживої, живий і соціальної матерії як єдиного універсального процесу.

    У вирішенні зазначених проблем важко переоцінити роль, місце і суть еволюційних процесів. Зокрема, мова може йти про Конволюция людини і біосфери, що не про підпорядкування одного іншому, а про спільне їхнє існування.

    література

    1. Біотехнологія. Принципи та застосування / предисл. Б.Б. Кадомцева. М., 1988. 480 с.

    2. Драганов Б.Х., Мельничук М.Д. Термодинаміка фотосинтезу: монографія. Київ, 2006. 64 с.

    3. Моїсеєв Н.Н. Асімптоміческіе методи нелінійної механіки. М., 1981.

    4. Grebogi C, Ott E, Yorle K. // Phys. Kym. Lett. 1983. Vol. 50. P. 935.

    5. Моісеєв М.М. Алгоритм розвитку. М., 1987. 303 с. Надійшла до редакції

    6. Моїсеєв Н.Н. Людина і ноосфера. М., 1990. 351 с.

    7. Onsager L. // Phys. Rev. 1931. Vol. 37. P. 406 - 446; Vol. 38. P. 2265 - 2279.

    8. Пригожин І. Введення в термодинаміку необоротних процесів. М., 1960. 127 с.

    9. Пригожин І. Від існуючого до виникає. М., 1985. 325 с.

    10. Пригожин І. Кінець визначеності. Час, Хаос і Нові закони природи // Регулярна і хаотична динаміка. М., 1999. 215 с.

    11. Шустер Г. Детермінований хаос: введення. М., 1988. 240 с.

    12. Хазен А.М. Походження та еволюція життя і розуму з точки зору синтезу інформації // Біофізика. 1992. Т. 37, вип. 1. С. 105 - 121.

    13. Ніколас Дж. Динаміка ієрархічних систем: еволюційний уявлення. М., 1989. 488 с.

    14. Хаген Г. Синергетика: ієрархія нестійкості в самоорганізованих системах та пристроях: пров. з анг. М., 1985. 423 с.

    15 листопада 2010 р.

    Амерханов Роберт Олександрович - д-р техн. наук, заслужений працівник вищої школи РФ, почесний працівник вищої професійної освіти РФ, професор, Кубанський державний аграрний університет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Гарькавий Костянтин Олексійович - канд. техн. наук, професор, Кубанський державний аграрний університет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Amerkhanov Robert Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Ph. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Garkavij Konstantin Alexeevich - Candidate of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Ph. (861) 221-58-54. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: нерівноважна термодинаміка /ентропія /синергетика /біфуркація /еволюція /unbalanced thermal dynamics /Entropy /synenergetics /Bifurcation /evolution

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити