Синергетика: иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах - Хакен Г.
Скачать (прямая ссылка):
Возможно, понятия синергетики позволят по-новому понять механизм этих
явлений, известных с тех пор, как люди увидели огонь. Наконец, следует
ожидать, что методы и понятия синергетики окажутся применимыми [в химии и
на молекулярном уровне, в частности, к поведению биологических молекул.
Однако все эти области переживают стадию бурного развития и включать их в
нашу книгу было бы преждевременно.
1.5. Биология
1.5.1. Несколько общих замечаний
Животный мир дает нам поистине необозримое множество высоко упорядоченных
и великолепно функционирующих структур. По-видимому, в биологической
системе ничто не происходит без
Рис. 1.4.4. Концентрические волны реакции Белоусова-Жаботинского. [Из
работы: Smoes M.L.- In: Dynamics of Synergetic Systems./Ed. by H. Haken.
Springer Series in Synergetics, vol. 6.- Berlin, Heidelberg, New York:
Springer, 1980, p. 80. Имеется перевод: Смозс М. Химические волны в
колебательной системе Жаботинского.- Веб.: Синергетика: Пер. с англ./Под
ред. Б. Б. Кадомцева.- М.: Мир, 1984; с. 139-163.]
34
Глава 1
кооперации отдельных ее частей на высоком уровне. Синергетические
процессы позволяют биологическим системам "трансформировать" энергию,
предварительно преобразованную на молекулярном уровне, в ее
макроскопические формы. Синергетические процессы проявляются в мышечном
сокращении, приводящем к всевозможным движениям, электрических колебаниях
в коре головного мозга (рис. 1.5.1, а, б), образовании заряда у
электрических рыб, распознавании образов, речи и т. д. Все это объясняет,
почему биология по праву считается наиболее важной областью исследований
Рис. 1.5.1. Два примера энцефалограмм, а - нормальная энцефалограмма; б -
энцефалограмма, снятая во время эпилептического припадка. [По дан" ным А.
Качмарека и У. Р. Адея, приведенным в работу; Babloyantz А.- In! Dynamics
of Synergetic Systems/Ed. by H. Haken. Springer Series in Syner-getics,
vol4 6.- Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1980, p. 180.]
ля синергетики. В то же время не следует забывать и о чрезвычайной
сложности биологических систем; поэтому мы поступим разумно, если
сосредоточим внимание лишь на избранных проблемах, примеры которых будут
приведены ниже.
1.5.2. Морфогенез
Основную проблему морфогенеза можно сформулировать следующим образом:
откуда первоначально недифференцированные клетки знают, где и каким
образом дифференцироваться? Как показывают эксперименты, такого рода
информация не содержится в отдельных клетках. Клетка, находящаяся в
ткани, получает информацию о своем положении от окружающих клеток, после
чего происходит дифференциация. В экспериментах, произведенных на
эмбрионах, клетка из центральной части тела после пересадки в головной
отдел развивалась в глаз. Эти эксперименты показали, что клетки не
располагают информацией о своем последующем развитии с самого начала
(например, через ДНК), а извлекают ее из своего положения в клеточной
ткани. Предполагается, что носителем позиционной информации служит
химическая "праструк-
Введение
35
тура", возникающая аналогично структурам, описанным в разд. 1.4. Эти
структуры обязаны своим возникновением совместному действию реакций и
диффузии молекул.
Предполагается также, что при достаточно высокой локальной концентрации
этих молекул, называемых морфогенами, включаются в работу гены, что и
приводит к дифференциации клеток. В гидре удалось обнаружить ряд веществ,
которые считаются хорошими кандидатами в активаторы или ингибиторы
образования головы или щупалец. Если подробную "синергетическую" теорию
развития органов, например глаза, еще предстоит разработать, то
образование более простых структур, например полос на шкуре, узоров на
крыльях бабочек, уже сейчас находит объяснение в рамках синергетического
подхода.
1.5.3. Динамика популяций
К числу явлений, ожидающих здесь своего объяснения, относятся, например,
множественность и распределение видов. Если различные виды поддерживаются
общим пищевым ресурсом, то начинается межвидовая борьба, и тогда применим
принцип Дарвина: выживает наиболее приспособленный вид. (Нельзя не
отметить сильную аналогию, существующую между конкуренцией лазерных мод и
межвидовой борьбой.) Если имеются разнотипные пищевые ресурсы, то
становится возможным сосуществование видов.
Численность видов может быть подвержена временным колебаниям. В начале XX
в. рыбаки на побережье Адриатического моря обратили внимание на
периодические изменения численности популяций рыб. Эти колебания
обусловлены "взаимодействием" между рыбами-хищниками и рыбами-жертвами.
Если хищники поедали слишком много рыб-жертв, то численность жертв
падала, что в конечном счете приводило к сокращению популяции хищников. В
свою очередь уменьшение численности хищников способствовало росту
популяции рыб-жертв, и таким образом возникали циклические изменения
обеих популяций. У других популяций, например у популяций некоторых
насекомых, ^численность может быть подвержена хаотическим вариациям.
