Человечество, как система. Еще раз об эволюции систем

Еще немного об эволюции систем

 

Второе начало термодинамики или принцип минимума (или экономии) энергии системы, т.е. стремление системы к состоянию с максимальной энтропией и минимальной энергией, является универсальным принципом, действующим в нашей вселенной.

Он является следствием общности выполнения закона сохранения энергии и вещества при преобразованиях. Структура элементов и отношений системы в заданных условиях окружающей среды приобретает такую комбинацию, чтобы получить максимальную устойчивость системы и максимально возможные диапазоны отклонений преобразуемых потоков.

Минимум энергии системы должен выполняться для композиции существенных элементов и их отношений в текущих условиях окружающей среды, т.е. для текущего состояния входящих и выходящих потоков энергии, вещества и информации. Любое превышение входящих потоков ведет к возможности формировать новые экстенсивные или интенсивные свойства системы для использования их в процессе эволюции.

Принцип должен выполняться одновременно для системы в целом и для каждого ее элемента. Соблюдение этого требования является одновременно проблемой, механизмом и решением задач эволюционного процесса систем.

Этот принцип играет исключительную роль в формировании динамически устойчивых систем в период формирования новых систем и при изменениях входных потоков энергии, вещества и информации. Он является самым эффективным механизмом отрицательного отбора, используемым природой, для определения тех систем, которые проходят этот отбор при катастрофах. Выживают те системы, в которых присутствуют для новых условий окружающей среды соответствующие композиции существенных элементов и их отношений, для которых принцип выполняется. Например, выжившая эукариотическая клетка полностью отвечала принципу в условиях кислородной атмосферы. О других промежуточных вариантах современной науке ничего не известно, поэтому история происхождения эукариот до сих пор остается большой тайной.

Именно следование первому началу термодинамики и принципу минимума энергии высокоранговой системы ведет к эволюции всей цепочки вложенных систем, преобразующих потоки из окружающей среды. Оно также обеспечивает максимально возможную динамическую устойчивость систем в ходе их непрерывной и относительно независимой эволюции. Так организм преобразует весь поток энергии, который поступает в него с пищей, и в зависимости от его объема эволюционирует в сторону повышения и понижения веса.

При определенных условиях, формируемых на уровне вида, поступающая энергия тратится на формирование нового организма, т.е. размножение. Есть нюанс в понимании причин размножения. Отдельному организму размножение не требуется. Оно обусловлено потребностями вида, как системы преобразующей энергию в больших объемах в рамках выполнения закона сохранения и преобразования энергии и вещества. Но эта видовая задача вписана в виде базовых потребностей отдельных организмов через систему биохимических процессов и соответствующих элементов организмов при достижении ими состояния, близкого к стационарному, т.е. достижения состояния близкого к состоянию минимума энергии системы.

На графике представлены изменения относительного уровня метаболизма организмов мужчин (синий) и женщин (желтый) от возраста. За сто процентов взят уровень метаболизма, соответствующий периоду активной эффективной деятельности человека, который стабилен в период от 20 до 60 лет. Это период максимальной энтропии квазистационарного состояния организма. Виден скачок потребления энергии у плода в период выполнения работы по формированию органов и постепенное снижение затрат на окончательное пространственно-весовое оформление органов для состояния минимума энергии системы (разбросы — это преимущественно затраты на избыточный вес и борьбу за красоту).

При формировании любой новой системы должны произойти изменения отношений вложенных элементов таким образом, чтобы исполнялся принцип минимума энергии системы. Так, новый смысл предложения требует изменения состава и/или порядка символов, например, в знакомой всем задаче с положением запятой во фразе «казнить нельзя помиловать». На это преобразование элементов и создание структуры новых отношений требуется затрата некоторого потока энергии, вещества и информации, в т.ч. и на перенос запятой в соответствующее внешним условиям задачи положение (кто-то хочет казнить, а кто-то миловать).

В каждой иерархии систем существуют системы начального уровня (ранга), которые лежат в ее основе. Исходный минимум энергии таких систем предполагает их самостоятельное существование вне каких-либо систем более высокого ранга данной иерархии. Для мира растений и животных таковыми являются растительные и животные клетки. Для мира социальных систем ими являются люди. Для всего мира живых существ — химические элементы и их устойчивые соединения.

С этим обстоятельством связана одна существенная проблема эволюции систем. Формирование в ходе эволюции новой системы более высокого ранга идет при превышении входящими потоками минимума энергии элементов, объединившихся в систему. Это превышение идет на приобретение новых свойств. Возникновение нового целого, имеющего свой уровень минимальной энергии, приводит к переупорядочиванию отношений вошедших элементов, т.к. новая система становится для них новой окружающей средой с новыми условиями. Одновременно, с формированием новых свойств на уровне элементов в соответствии с принципом минимизации энергии системы происходит разрушение тех отношений, которые входят в противоречие с новыми свойствами, и пользование которыми ведет к нарушению принципа.

Например, объединение клеток в сложный организм с их дифференцировкой по органам ведет к тому, что в случае гибели организма, клетки не могут выживать самостоятельно, т.к. функции самостоятельного поиска и захвата пищи у них отсутствуют за ее ненадобностью в составе организма.

Более того, все системы занимающие промежуточные позиции в иерархии систем, например, органы в организме, уже изначально не обладают такими свойствами самосуществования, т.к. состоят из уже дифференцированных клеток. То же касается и видов в структуре биоценозов. Гибнет граничная система в биоценозе, гибнут и зависящие от нее виды.

В переходный период формирования, т.е. в период перехода из одного динамически устойчивого состояния в другое, имеющего разную длительность для систем разных типов и сложности, принцип соблюдается за счет работы, затрачиваемой на формирование новых систем в ходе этого перехода.

Так в период обучения езде на велосипеде, зоны коры головного мозга, и ганглии, отвечающие, соответственно, за осмысленные моторные движения и их последовательности, затрачивают огромное количество энергии на поиск вариантов и формирование системы синаптических связей для навыка вождения велосипеда. Затем эта устойчивая динамическая система переключается под управление мозжечка. В результате в период обучения с будущего велосипедиста пот течет ручьями, и отнюдь не из-за жары. По завершении он с минимумом затрат на автомате крутит педали, получая удовольствие от процесса преобразования энергии от съеденной булочки в транспортировку себя любимого из одного пункта в другой. Целостность человека, как системы, при этом не страдает, но появляется возможность включиться в новую социальную систему любителей велосипедных прогулок и соревнований.

Эволюция систем может проходить несколькими принципиально отличными способами.

Первым из них является экстенсивное развитие системы за счет увеличения количества элементов, т.е. затраты энергии и вещества на работу по созданию новых элементов и отношений, например, в виде генерации возрастающего количества тяжелых ядер элементов во внутризвездных реакциях и при столкновении звезд, появлении дополнительных циркуляций, размножении и т.п.

Требование преобразования всего объема поступающих потоков, как следствие закона сохранения, в виде экстенсивной стратегии эволюции систем является движущей силой размножения биологических объектов. Размножаться тварей живых заставляют закон сохранения и принцип минимума энергии системы более высокого ранга, т.е. биологического вида. Размножение является эмерджентной функцией организмов по отношению к более высокоранговой системе — виду. Таким же является эмерджентное свойство фотона в лазере. Вне лазера фотоны рождаются и исчезают, не порождая подобных себе. В лазере фотоны определенной частоты имеют эмерджентное свойство порождать подобных себе при взаимодействии с атомами тела лазера. Никаких других приводных ремней для инстинкта размножения кроме законов природы и наличия системы, которой необходимо это эмерджентное свойство, не требуется. Фундаментальные законы в этом смысле являются самыми эффективными стимулами, т.к. отказаться от их действия можно только тогда, когда энергии на это благое дело не хватает.

Работа по формированию нового элемента преобразования энергии выполняется не одномоментно, а существует временной лаг между поступлением входных потоков и их передачей смежной системе. Так летний избыток солнечной энергии растительностью преобразуется в запасы пищи для питания животных и формирования отложений в геологических формациях, которые используются смежными системами для их преобразования в рамках своих иерархий.

При недостаточности потоков обмена с окружающей средой идет обратный процесс экстенсивного сокращения элементов и их отношений в системе. Сначала сокращение будет идти до состояния, когда система достигнет динамического баланса входящих и выходящих потоков, а также затрат энергии на поддержание структуры существенных элементов и их отношений. Примерами, могут служить массовые вымирания живых организмов, глобальные оледенения и уменьшение уровней океанов или сокращения популяций в голодные годы.

В мире живых организмов этот тип эволюции получил наименование «идиоадаптация».

Второй способ эволюции реализуется в условиях ограничений на возможности экстенсивного развития при отклонении потоков, как правило, в сторону снижения за пределы сохранения свойств систем. Этот способ заключается в изменении структуры отношений между элементами путем формирования системы связей.

Если состояние баланса при снижении обмена потоками энергией и веществом не будет достигнуто до момента разрушения существенных элементов и отношений, то целостность системы будет нарушена, и система, как целое, исчезнет. При наличии локальных особенностей у части базовых элементов, позволяющих формирование новых типов целостностей. В результате формируются новые типы систем для новых условий. При новом нарастании потоков эти системы получат развитие и образуют новые иерархии систем. Примерами таких событий является появление эукариотических клеток, так называемый «кембрийский взрыв» и появление предков человека. Это явление в мире живых организмов получило название «ароморфоз». Ароморфоз даёт возможность к переходу в новую среду обитания, способствует расширению популяции и её местообитания.

В реальности развитие сложных систем идет одновременно экстенсивным и интенсивным путем, т.к. сама эта сложность предполагает высокую вероятность неравномерности условий для различных частей и элементов системы. Поэтому внутри сложной системы из-за неравномерности распределения потоков существуют различия в условиях существования и взаимодействия элементов. Чем сложнее и масштабнее система, чем выше ее ранг, тем больше внутренняя неравномерность и выше вероятность появления элементов и отношений, соответствующих новым условиям окружающей среды. Это позволяет сформировать новую композицию системы. Это основа высокой динамической устойчивости больших и сложных систем, таких как растительный и животный мир, атмосферная и гидрологическая планетарные системы. Многочисленные катастрофы не смогли их разрушить, а привели к фазовым переходам первого рода.

Соотношения видов эволюции в мире живых организмов представлено на рисунке.

Если элементы существующей системы имеют свойства, могущие объединить их в новое целое, то они при наличии достаточного количества поступающей энергии, вещества и информации формируют его. Это происходит в результате механизма сегрегации таких элементов по принципу обобщающих их свойств.

Этот механизм приводит к автоматической сборке клеток, организмов, возникновению химических реакций в растворах реагентов и многим другим явлениям мира систем.

В ходе эволюции систем всегда происходит сегрегация элементов. Не все элементы могут быть включены в новую систему. Любая сложная система состоит из множества элементов, которые сами являются системами, т.е. целостностями, которые отличаются друг от друга свойствами. Эти отличия формируют потенциал взаимодействия, т.е. некоторой физической величины, наличие которой у двух элементов внутри системы и в окружающей среде приводит к возникновению отношений (обмену энергией в соответствующей форме). Действие этих потенциалов обусловлено возникновением градиентов различных типов отношений: от электрических и гравитационных взаимодействий до биологических и политических предпочтений (хотя между последними разница часто отсутствует).

Существование этого механизма в социальных системах хорошо известно благодаря теории и моделям расовой сегрегации Шеллинга. На простейших моделях было продемонстрировано его действие в социальных системах при наличии минимальных предпочтений, которые существуют у любого человека. Модели сегрегации хорошо описывают широко известные явления расовой, религиозной, политической сегрегации людей, например, возникновение районов плотного расселения мигрантов в городах со смешанным национальным составом. Действие социальных потенциалов проявляется и в других социальных, политических, спортивных, культурных и т.п. системах, в т.ч. в Интернете. Все агент-ориентированные программные модели, в т.ч. социальные сети и сайты, где агентами выступают пользователи, функционируют благодаря действию социальных потенциалов и механизмам сегрегации. Тот же АШ является прекрасным примером бурного процесса сегрегации людей по их отношению к идеям Карла Маркса или по вопросам демографии.

Таким образом, действие потенциалов между элементами, получившими новые свойства, приводит к образованию отношений между ними, и формированию новых систем. Действие этого механизма особенно важно в условиях стохастического мира, т.к. позволяет возникать огромному количеству вариантов систем, среди которых есть и те, которые имеют наибольшую динамическую стабильность. Соответственно, они живут дольше и выживают при существенно большем диапазоне изменений условий окружающей среды.

В ходе сегрегации возникают так называемые «tipping points», которые на русский переводятся обычно, как точки опрокидывания. Они означают разрушение существующей системы и переход к новой.

В отношении социальных систем они возникают как следствие нескольких явлений:

- Рассеянные члены существующей системы под действием потенциалов, даже не коммуницируя друг с другом напрямую, действуют согласованно.

- Существующая структура может разрушиться без длительного подготовительного периода. Этот момент и есть точка опрокидывания.

- Само опрокидывание и его результаты могут не являться целью активных членов существующего социума. Поэтому опрокидывание системы представляется неожиданным и не логичным для его участников.

- Само опрокидывание может произойти под действием незначительного внешнего воздействия. Процессы, ведущие к опрокидыванию, являются самоподдерживающимися и происходят взрывообразно. Часто сопровождаются режимом с обострением, т.е. с нелинейной положительной обратной связью. В результате один или несколько параметров за короткий промежуток времени резко возрастает на порядки (в модели явления это выглядит, как устремление значений параметра в бесконечность).

Обращает на себя внимание хорошее согласование данной теории с событиями революций и крушений государств, и с характерной особенностью недавнего поведения основной характеристики человечества — гиперболическим ростом численности населения.

На механизме сегрегации строится механизм формирования значительного количества однотипных конкурирующих вариантов одноранговых систем одного типа. Например, партий, классов, государств, общественных формаций, цивилизаций.

Сегрегацию природа широко использует, как для создания систем, так и для их разрушения, когда они не соответствуют законам и принципам бытия. Но об этом и других механизмах отбора речь пойдет в следующей статье серии.