Теория за самоорганизацията

[Last roman]

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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 xy, т.e имaме диференциалното уравнение x'= аxy. В линейния случай, когато y=1, решението е експоненциална крива x = x0eаt. В нелинейния случай, при y>1, решението става безкрайност след краен промеждутък от време. Това уравнение в дискретен вид, опростено:

Xn+1=CXn - С(Хn)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.

- 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?

[Last roman]

Примери за самоорганизация в живата природа

До момента са натрупани многобройни свидетелства за самоорганизация в разнообразни биологични системи на всички нива - от молекулярно и клетъчно до популационно. Ето един определено непълен списък:

- начало на живота от самоорганизиращи се химични системи, хиперцикли.

спонтанното свиване (фолдинг и рефолдиг) на белтъците и други макромолекули.

- "самосглобяването" на цитоскелетни структурии двуслойни мембрани.

хомеостазис ( самоподдържането на приблизително постоянни параметри (температура, налягане, pH) на състоянието на биосистемите от клетка до цял организъм).

- морфогенезис - механизмът на развитие и разстеж на живите организми.

- самоорганизация във вид на пространствени патерни на колонии едноклетъчни, например Dictyostelium discoideum, Bacillus subtilis и др.

- създаването на общества от някои насекоми (мравки, термити, пчели), и много млекопитающи.

- поведението на групи животни (стада, ята птици, пасажи риби и т.н)

Тези примери са белег, че обекти на живата природа са способни да се самоорганизират без намеса на по-висш разум отвън.

Що е то фолдинг?

При синтеза им белтъците "се сглобяват" от отделни аминокиселини според разчетената последователност на кода от ДНК. Резултат от работата на този биологичен конвейер са дългите вериги белтъци, които обаче за да придобият разнообразните си функции (структурна, каталитична, двигателна, защитна) е трябвало сами да се "свият","завият", "сгънат" в точно определена форма.

Процесът на свиване става на няколко етапа с продължителност от няколко секунди до няколко минути. В последната, решаваща фаза протеинът от "предварителното" си състояние мигновено (за няколко десетки микросекунди) приемат окончателната си форма.

Процесът на "сгъване" (фолдинг) на белтъците е фундаментален и много важен практически за цялата биология. Когато белтъците се свиват неправилно, възникват сериозни заболявания като болестта на Алцхаймер, "лудата крава" и други.

Разбирането на този процес ще позволи не само с лекота да се създават усъвършенствани версии на белтъците, съществуващи в природата, но и да се моделират абсолютно нови структури с нови свойства — изкуствени "самосглобяващи се" протеини с предварително програмирани функции. Някои даже говорят за бъдещи "нанороботи", появата на които ще доведе до истинска технологична революция в медицината.

Първият изкуствен белтък вилин е създаден началото на 2004г. от учени от Медицинския институт Хюз при университета Вашингтон. Именно този институт е главният спонсор на известния проект Folding@Home — програма за разпределение на изчисления за фолдинга на разнообразни синтетични белтъци. По-късно са синтезирани и други, по-сложни протеини.

Амебата Dictyostelium discoideum

Когато всичко е наред, амебите диктиостелиум си пълзят, хранят се и се делят от време на време. Но ако дълго останат гладни и енергийните им запаси започнат да се изтощават, те изпускат във външната среда цикличен аденозинмонофосфат (цАМФ), който се приема от съседните едноклетъчни като сигнал. Ако клетките са сити, те не реагират на него, ако също са гладни, те започват да се събират на групи-агрегати, съдържащи до 100 000 амеби:

Те формират единен многоклетъчен организъм, който се нарича псевдоплазмодий. Той може, за разлика от амебата да се изпъзява със забележима скорост от неблагоприятните места. Ако успее да стигне място, където има храна, той отново се разпада на отделни клетки. Но ако все си пълзи, пълзи и все няма подходящи условия, той спира и около 20% от клетките изпълзяват нагоре, образувайки здраво стъбло и загиват. По стъбълцето осталите клетки изпълзяват на самия връх, образувайки плодно тяло, в което съзряват спорите. Те се разпръскват наоколо и така изчакват да свърши неблагоприятния период. Когато нещата се променят, от тях израстват амеби и историята се повтаря.

Тази амеба, все още не решила, към кой отбор е - на едноклетъчните или на многоклетъчните е класически, един от първите примери за биологична самоорганизация. Както стана известно, агрегиращите клетки се движат по направлението на нарастване на концентрацията на цАМФ.

Агрегацията на амеби става неравномерно, с формиране на концентрични или спирални вълни от клетки. При няколко центрове на привличане възниква конкуренция между тези центрове. По този начин в хода на по-нататъшната агрегация от първоначално безразборното, случайно разположение на клетките придобива черти на радиален тип (фрактал)

Пространствена самоорганизация

Пример за пространствена самоорганизация в популациите на насекомите, е агрегацията на личинките на бръмбара Dendroctonus micans, ставаща под влиянието на атрактант (феромон), синтезиран от личинките. Личинки се движат по посока нарастването на концентрацията на феромона. Колкото повече личинки се натрупват, толкова повече нараства концентрацията на произвеждания от тях атрактант. Затова агрегациятата на личинките е автокаталитична реакция.

Подобен много прост механизъм на "колективен разум" функционира при строежа на термитниците. Отначало термитите донасят и безразборно разхвърлят късчета почва, съдържащи атрактант. Случайното разположение на няколко такива късчета близо едно до друго определя центъра на привличане на огромен брой термити, след което задейства механизмът за обратна връзка и самоусилване.

Спонтанна йерархия

Колективното поведение на членовете на популацията, което обикновено се обясняваше генетично, може да е в резултат от взаимодействие в системата, т.е. на самоорганизация. О. Тофлер в предисловие към книга на Пригожин и Стенгерс (1986) пише за интересни резултати от изследвания по разделянето на мравките на "работници" и "търтеи". Оказало се, след нарушаване на установилите се в популацията връзки, във всяка група, както сред "работниците", так и сред"търтеите", става разслоение с внезапно превръщане на "търтеи" в "работници" и обратно. Доказано е, че самосинхронизацията и разпределението на задачите в колонията на мравките се осъществява без въздействието на каквито и да са външни сигнали. Сходно е и разслоението на съобществата на водачи и водени. По този начин, целостта и йерархичната структура на съобществото се въспроизвежда, "регенерира", подобно на това как планарията регенерира премахната си глава или задна част.

Синхронизация на осцилаторите

Eдин от най-ефектните примери за самоорганизация е синхронизацията на мигането на светулките в Югоизточна Азия.

Отначало съгласуването е слабо, системата се организира бавно. После синхронизацията се ускорява, което може и да се очаква в система с обратна връзка и бързо се разпространява, обхващайки все повече групи светулки на дървото. Накрая, всички светулки започват да мигат синхронно (около веднъж на секунда), образувайки своеобразен фар за привличане на самки. Взаимната синхронизация е кооперативно явление, времеви аналог на фазовия преход.

Взаимна синхронизация се наблюдава и в други популации на биологични осцилатори. Примери са щурците, "свирещи" в унисон, синхронизацията на електрическите импулси на клетките на сърцето и невронните мрежи, секрецията на инсулин от клетките на панкреаса. В такива групи пространствената и временната подреденност възниква по пътя на нелинейните взаимодействия.

Синхронизираното колективно поведение на насекомите, птиците, рибите се разглежда като пример за самоорганизация. Популяциите на животните като се самоорганизират, генерирайки колективни патерни, и функционират като интегрирано цяло, придобиват нови свойства. Тези свойства на групите организми или клетки могат да станат обект на Дарвинов подбор – вероятен пример е произхода на многоклетъчните животни.

http://bgchaos.com/category/polemics/unintelligent-design/

Редактирано Декември 23, 2012 от Last roman

[Last roman]

Една показателна статия за самоорганизацията на белтъците:

http://www.e-biblioteka.lt/resursai/Uzsien...f_t76v02_19.pdf

Особено интересна е главата: "Сопоставимы ли процессы самоорганизации белка в биотических и абиотических условиях"

Друга интересна статия:

http://www.ioffe.ru/journals/jtf/2004/04/p117-122.pdf

Главата с обсъждането на резултатите е много показателна за взаимоотношенията в системата белтък-вода /която е неравновесна/ и самоорганизацията на белтъците в доста сложни структури.

Редактирано Ноември 20, 2009 от Last roman

[Last roman]

Свежо, значи клониш към политеизъм.

[Last roman]

Една интересна статия за абиогенезата и това как си я представят /съответно неправилно критикуват/ креационистите, и какво въщност твърди теорията: има и за възникването на пептиди, за саморепликацията им и по-нататъчната им еволюция до прокариот:

http://elrid.cult.bg/f/Pages/Evolution-Lies.php

Редактирано Ноември 23, 2009 от Last roman

[Last roman]

Май не схвана същността на статията.

[Last roman]

Първи съвременни опити за абиогенезис /синтез на органични вещества от неорганични/:

http://elrid.cult.bg/f/Pages/Evolution-Oparin.php

Свойството хиралност /или що, аджеба, сме лявовъртящи/:

http://elrid.cult.bg/f/Pages/Evolution-Chirality.php

Хиперцикли

http://elrid.cult.bg/f/Pages/Evolution-hypercycles.php

РНК-свят

http://elrid.cult.bg/f/Pages/Evolution-RNA..._hypothesis.php

http://elementy.ru/news/431082

И библейската версия за сътворение от кал, намира своето потвърждение от науката :

Еволюция на глинени кристали

http://elrid.cult.bg/f/Pages/Evolution-theory_crystals.php

Взето от този сайт:

http://elrid.cult.bg/f/title_bio.htm

[Last roman]

още едни самоорганизиращи се организми:

http://news.nationalgeographic.com/news/2010/05/100506-science-city-of-gonads-jellyfish-new-species/

[Magister militum]

Last roman в подкрепа на тезата че самоорганизацията не само е възможна,а съществува и на практика е и свойството на клетките,осъществяващи хуморалния имунен отговор да "помнят" дълго време (практически през целия живот на организма) своя антиген.Това дава основание на повечето имунолози и физиолози да разглеждат този феномен като своего рода имунологична "памет".