Синергетиката и произхода на живота

Новата термодинамика

Последните 20-25 г. е отбелязан реален прогрес в обяснението на процесите на възникването на живота и е свързан предимно с приложението на теорията за самоорганизиращите се системи. Единствено с помощта на теорията за самоорганизацията можем да се доближим до загадката на произхода на живота и еволюцията, по какъв начин от неорганични молекули се образуват органични, а от тях - първите живи клетки. Колкото и да ни се иска - точния механизъм още никой не е описал, нито е повторил експериментално, но според мен тя е теорията, която най-адекватно ни доближава до проблема.

Терминът самоорганизация

Под термина самоорганизация - в най-общ смисъл се разбира самоструктуриране, саморазвитие, самодетерминация на природни, естественни системи и процеси.

Концепцията за самоорганизацията е последната универсална теория, която занимава човечеството. Процесите на самоорганизация се наблюдават не само в еволюцията на живите системи, но и в еволюции от глобален характер, започвайки от възникването на елементарните частици, атомите и молекулите и завършвайки с образуването на гигантските космически системи и галактики, от една страна и от друга страна - от едноклетъчните организми до най-сложната жива система - мозъка.

Още древногръцките философи-атомисти вярвали, че висш, проектиращ всичко интелект не е задължителен. Те доказали, че ако има достатъчно време, пространство и материал, организация им била в края на краищата неизбежна. От Рене Декарт била въведена идеята, че обичайните закони на природата се стремят да произвеждат организация.

Днес близки на термина самоорганизация, освен общата теория на еволюцията в биологията са:

• общата теория на системите на У.Р. Ашби (W. Ross Ashby)- въвел самия термин "самоорганизация" през 1947г.;
• синергетиката на Хакен;
• дисипативните структури на И. Пригожин;
• универсалния еволюционизъм на Н.Н.Мойсеев;
• автопоезиса на У.Матурана и Ф. Варела;
• хиперциклите на М. Ейген;
• еволюционната концепция на развитие на вселената на Е.Янч;
• единната трансдисциплинарна теория на Е.Ласло;
• теорията за самоорганизацията на А. Самарский и С. Курдюмов;
• клетъчната теория на Ф. Капри.

Комбинацията от различни идеи и подходи на концепцията за самоорганизацията формират ядрото на така наречените науки за сложните системи ( science of complexity ). Близо до тях е теорията на детерминирания хаос (chaos theory ) и фракталната геометрия на природата на Б. Манделброт (fractal geometry of Nature).

Идеята за самоорганизацията на материята е между дисциплинарно направление в съвременната наука, търсещо единството на материалните, социалните, икономическите, психичните и биологичните явления и процеси.

Още за границата между живото и неживото - Универсалната еволюция

Ч. Дарвин е отделил три фундаментални фактора на биологичната еволюция:

• наследственост,
• изменчивост (мутации),
• подбор.

Обаче по какво се отличават биологичните системи от другите природни системи?

Безсилието ни да дадем определение за "живот" има и друга страна, обединяваща "живите" системи с другите природни системи. Разликата остава фактически само в функционалните вещества, формиращи в крайна сметка структурата на системите. Това дава основание да се предполага, че закономерностите в еволюцията на "живите" и "неживите" системи трябва да съвпадат общо взето. В това и състои основната идея на универсалния еволюционизъм, формулиран от руския учен Н.Н. Мойсеев.

По-горе - снимка на въздушни мехурчета в лед, а вляво е знаменитата амеба Dictyostelium discoideum, за която ще поговорим по-подробно в следващата тема.

В основата на тази концепция лежи разширеното разбиране на по-горе изброените три дарвинови фактора:

• наследственост -> зависимост на настоящето и бъдещето от миналото

Степента на зависимост на една система от миналото може да бъде всякаква. Тази степен на зависимост условно се нарича памет на системата. В напълно детерминираните системи миналото еднозначно се определя от бъдещето.( или обратното). Такива системи са системите с безкрайна памет (абсолютна наследственност). Това може да бъде само абстракция, като движението на планетите, например - устойчиво за дълъг, но не вечен период. Паметта на реалните системи е винаги ограничена: и безкрайната памет и нейното отсъствие - са абстракции. Пример за система, почти без памет е турбулентното движение.

• изменчивост (мутации) -> случайност и неопределеност в природата.

Без предположението за непрекъснато действащите случайни фактори, еволюцията е невозможна.

• естествен подбор -> резултати от действието на природните закони

Принципът на естествения подбор може да се разглежда в неживата природа като действието на законите на физиката, химията, биологията, законите на общественото развитие, които от всички възможни събития, подбират тези, които им се подчиняват и само те се случват.
Например, по-сложните органични молекули са по-устойчиви на облъчвания от по-простите и по този начин е вървял процес на натрупване в природата на по-сложни конфигурации от молекули.

Концепцията на универсалната еволюция разглежда възникването на биосферата на Земята като продължение на процесите на самоорганизация в неживата природа, като най-важната бифуркация в историята на нашата планета.

Принципи на синергетиката

Думата "синергетика" произлиза от гр. synergeia – съдействие, сътрудничество. Синергизъм означава съвместно функциониране на органи и и системи. В широка употреба терминът е въведен преди 30г. от немският физик Г.Хакен, нарекъл така новото научно направление, обединяващо изследванията на самоорганизацията, саморазвитието. Четири са основните принципи на синергетиката:

• Нелинейност

Нелинейността може да се проявява по различни начини:

Нелинейна размерност. Тя се изразява като нарушение на едномерната подреденост като изход в многомерното пространство. Свят с едно измерение е линеен. Всяко определяне по няколко критерия изисква нелинейна структура. Нещо повече, даже едномерен процес, когато се затвори в цикъл, излиза в ново измерение. Така, правата линия, добивайки кривина, вече определя равнина, т.е. двумерност. Обобщавайки понятието размерност откриваме дробноразмерния свят на фракталите, още по-различен от линейния.

Алгебричната нелинейност се характеризира с уравнения, съдържащи неизвестни величини не само на първа степен, например квадратното уравнение. Но са възможни всякакви степени и не само цели. Има трансцендентни уравнения, съдержащи показателни, тригонометрични, логаритмични и всякакви специални функции. Диференциалните и интегралните уравнения по правило са нелинейни.

Да разгледаме най-простия нелинеен модел на еволюцията: ако скоростта на растежа - величината x' е пропорционална на x^y, т.e имaме диференциалното уравнение x'= аx^y. В линейния случай, когато y=1, решението е експоненциална крива x = x₀e^аt. В нелинейния случай, при y>1, решението става безкрайност след краен промеждутък от време. Това уравнение в дискретен вид, опростено:

X_n+1=CX_n - С(Х_n)² ни е познато като уравнение на Фейгенбаум, описващо динамиката на популациите в затворена среда.

Итерационен процес на основата на това уравнение демонстрира нарушаването на устойчивостта с увеличаването на параметъра С и заключителното състояние е хаос.

Топологичната нелинейност се асоциира с особеностите на многомерните отражения, т.е. фактически с изход зад пределите на самата топология, изучаваща свойства, които не се изменят при взаимно еднозначни и непрекъснати отражения на топологични пространства. Особенностите на гладките отражения са предмет на теорията на катастрофите. Създателят й Рене Тома я прилага за първи път при изучаването на морфогенезата (формообразуването) в биологията.

Като качество нелинейността се проявява в такива феномени на самоорганизацията като нееднозначност, неустойчивост, необратимост. Появата на неочаквани качества става не изключение, а закономерност. Бифуркацията, странните атрактори са явления на нелинейната динамика.

• Кохерентност

Кохерентността е термин, взет от вълновата физика, означаващ съгласувано действие на колебателни процеси. Например, колебанията са кохерентни, ако разликата на фазите им остане постоянна. Резултатът на наслагването на голям брой малки величини дава мощния лазерен ефект.
В синергетиката понятието за кохерентност е по-обща, означаваща такава съгласуваност на взаимодействие на елементите, която се проявява в мащаба на цялата система. При това това може да не става въпрос за колебателни процеси, а въобще за синхронизация. Съгласуваното взаимодействие, поражда макроефекти.
От аналитична гледна точка кохерентността може да се разглежда като резонанс, а от качествена – като кооперативност, когато в система с много реагиращи единици, реакцията на първата единици предизвиква отговора на втората, реакцията на втората – отговора на третата и т.н.

• Откритост

Откритостта към външния свят, с който става обмен на вещества, енергия и информация, се проявява в пространството, времето и мащаба. В нея се крие невъзможността за напълното определяне на формата на цялото.
Трябва да отбележим, че наличието на обмен още не означава откритост, ако този обмен е контролируем, както е при математическа постановка на задачата, когато граничните и началните условия и мащабните коефициенти се задават, за да се осигури еднозначността.

"Това, което е напълно контролируемо, никога не е напълно реално. Това, което е реално, никога не е напълно контролируемо".

С тези думи И.Пригожин и И.Стенгерс подчертават, че истинската откритост не е подвластна на твърд контрол.

Към откритостта са се обръщали винаги, когато е трябвало да се обясни антиентропийността на живота: откритата система черпи енергия отвън. Но как тогава да си обясним съществуването на Вселенната? Накъде е открита? Към друго измерение? Към вакуум? Бог?