Пчелы: синергетика и физиология
Автором современного толкования понятия синергетика является Г.Хакен, физик-теоретик, автор книги «Синергетика» (1977 г.). В этой своей работе он «обосновал единый («синергетический») подход совместного использования обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений». Предметом исследования синергетики является «самоорганизация - процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих» (Г.Хакен). Таким образом, синергетический подход - это совокупность принципов, основой которой является рассмотрение объектов как самоорганизующихся систем.
Доктор физико-математических наук, член-корреспондент АН СССР С.П.Курдюмов (1928-2004)
В настоящее время из сугубо физико-математического подхода синергетика превратилась в междисциплинарное направление научных исследований, ставящее своей основной задачей познание общих закономерностей и принципов, лежащих в основе процессов самоорганизации в системах самой разной природы: физических, химических, биологических, технических, экономических, социальных. Ярким пропагандистом такого использования синергетического подхода был С.П.Курдюмов. Однако есть активные противники такого расширенного понимания синергетики: с «псевдосинергетикой», как паранаукой, активно борется «Комиссия РАН по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований».
Обоснованием целесообразности синергетических исследований является установленный факт, что кооперация многих подсистем какой-либо системы подчиняется одним и тем же принципам независимо от природы подсистем. Объединяющим началом в синергетике являются объекты исследований - открытые сложные нелинейные системы с обратными связями. С точки зрения синергетики при управлении развитием природной или социальной системы нельзя навязывать несвойственные ей формы организации. Изучив систему, необходимо не увеличивать силу управляющего воздействия, а увеличивать согласованность воздействия с собственными тенденциями системы.
В качестве основных обычно выделяют следующие понятия синергетики
1. Открытость системы - способность объекта обмениваться веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Каждый элемент открытой системы имеет достаточно степеней свободы для своего развития и самовыражения, не нарушающих целостности всей системы.
2. Нелинейность развития. Предполагается, что открытая система имеет перед собой множество путей-возможностей эволюционных изменений, в том числе и альтернативных.
3. Диссипация - способность открытой системы либо рассеивать все лишнее, чужое и ненужное, либо же превращать его в компоненты своего собственного содержания путем переструктурирования и трансформирования.
4. Бифуркация - пребывание системы на перепутье, в точке ветвления различных вариантов будущего развития. Находиться в точке бифуркации - значит пребывать в крайне неустойчивом положении, когда любая случайность способна увлечь систему в ту или иную сторону. Под ее влиянием система может двинуться либо по пути укрепления своих структур, либо же начать сползать к состоянию распада и хаоса.
5. Аттрактор - совокупность условий, заставляющих разные элементы двигаться по разным, но сближающимся, сходящимся траекториям и в итоге оказываться в одной общей точке. Характеристикой зоны аттрактора может служить образ воронки, внутри которой элементы-песчинки скользят вниз разными путями, но в итоге вовлеченности в общее движение сходятся в «горловине».
6. Странный аттрактор - состояние непредсказуемости случайных блужданий элемента-частицы в каждый отдельно взятый момент и вместе с тем твердая уверенность в том, что частица, находясь в зоне аттрактора, неизбежно должна в итоге оказаться в «горловине воронки».
Эксперты в области синергетического подхода отмечают следующее:
«Синергетической детерминации присущ целый ряд характерных особенностей. Во-первых, она имеет вид нелинейной, полифакторной, гетерогенной причинной зависимости. Во-вторых, она отводит случайности одну из главных ролей в причинных объяснениях событий и позволяет рассматривать мир как синергетическое целое, где все связано и вместе с тем пребывает в динамике непрестанных внутренних столкновений одних элементов с другими и где случайные причины разрушают одни структуры и создают другие. В-третьих, сферой действия синергетической детерминации является реальность, распахнутая вовне, открытая во всех направлениях и имеющая своим символом танцующего бога Шиву, готового и созидать и разрушать и потому непредсказуемого».
Живые организмы существуют в неживой природе и подчиняются всем ее законам. Считается, что «принципы синергетики позволяют выстраивать новые объяснительные модели многих естественных, социальных, культурных процессов». Однако возникает вопрос: «Насколько адекватны эти принципы при использовании пчелиной семьи, как объяснительной натурной модели физиосоциологии?». Рассмотрим возможность применения этих понятий синергетики в физиосоциологии на основе анализе биологии пчелы.
Пчелиная семья и каждая отдельно взятая пчела несомненно открытые системы, но их открытость ограничена природой составляющих ее элементов. Поэтому в полной мере применение этого принципа при физиосоциологическом анализе пчелиной семьи невозможно - отдельная пчела, в частности, не имеет «достаточно степеней свободы для своего развития и самовыражения, не нарушающих целостности всей системы». То же относится и к применимости принципа нелинейности развития - пчелиная семья, как ограниченно открытая не «имеет перед собой множество путей-возможностей эволюционных изменений, в том числе и альтернативных», так как ее эволюционные изменения могут протекать в строго определенных условиях, ограниченных сугубо биологическими законами.
Ввиду того, что живые системы не являются полностью открытыми, сползание к хаосу в точке бифуркации, как правило, не происходит, в том числе благодаря тому, что из-за наличия разнообразных обратных связей, в первую очередь связей акцептора результата действия, положение в точке бифуркации редко бывает крайне неустойчивым. Поэтому будущее живого объекта, находящегося в точке бифуркации, как правило предсказуемо не приводит к хаосу.
Синергетический подход применительно к объекту исследования физиосоциологии применим только тогда, когда живой организм или его элементы можно рассматривать как имеющие достаточно степеней свободы для своего развития и самовыражения и при отсутствии в системе других механизмов препятствующих нарушению ее целостности. Живые организмы, а тем более их части (органы и системы органов), редко имеют достаточно степеней свободы для своего развития и самовыражения. независимых от организма, популяции или сообщества биогеоценоза. Более того, если свобода индивида или какой либо его части возрастает, что это, как правило, плохо заканчивается для индивида или сообщества, в которое он входит. Подобные коллизии входят в круг интересов физиосоциологии - от причин возникновения и лечения рака до смены пола человеком. Однако в ряде случаев живые организмы имеют достаточно степеней свободы для своего развития и самовыражения. Именно эти случаи особенно интересны для анализа возможностей применения принципов физиологии и синергетики в физиосоциологии.
Пчелиный рой формируется согласно принципу диссипации как объект, состоящий из инертных частиц, обладающих определенными физическими свойствами
В силу особенностей своей нервной организации рабочая пчела на всем протяжении онтогенеза практически не проявляет себя как индивид, на что, в частности, указывает отсутствие у нее инстинкта самосохранения. Поэтому поведение рабочих пчел в семье во многом подчиняется принципам синергетики. Пример, поведение пчел-сборщиц нектара, как и пчел, относящихся к одной определенной «хозяйственной группе», подчиняется принципу аттрактора, а поведение пчелы-разведчицы подчиняется принципу странного аттрактора- ее поиск непредсказуем, но в итоге она оказывается со взятком в улье.
Одним из мощных механизмов гомеостаза высокоорганизованной живой системы, не позволяющей в полной мере реализации принципов синергетики, является акцептор результата действия, как элемент кибернетической регуляции живой системы. Случайность начинает играть главную роль в причинных объяснениях событий тогда, когда у живых систем нет четкой цели и сформированного акцептора результата действия. Именно в этом случае живая система становится аналогом физического объекта и слепо следует законам физики.
Матка проверяет построенные соты
Впечатляющим примером сочетания принципов и механизмов физиологии и синергетики является строительство сот пчелами. Пчелиные соты - наиболее совершенные постройки насекомых. Соты строятся с двух сторон, и способ «крепления» каждой из ячеек не предусматривает каких-либо зазоров и нестыковок во всех трёх измерениях. Благодаря этому на строительство одной ячейки уходит минимум воска - на постройку одной пчелиной ячейки пчёлы тратят около 13 мг воска, трутневой - 30 мг, на постройку всего сота - 140-150 г.
Считается, что при строительстве шестигранных сот пчелы следуют инстинкту. Однако это трудно объяснить, т.к. инстинкт принадлежит индивидуальной особи, а построение сота, как правило, коллективная работа множества пчел, которая должна каким-то образом координироваться. Но в этой работе среди пчел такого координатора, подобного пчеле-разведчику, не выявлено. Однако феномен строительства сота можно объяснить с позиции синергетики.
Ячейки Бенара практически идентичны соту пчел
В физико-химии известно явление, называемое ячейками Бенара (Рэлея - Бенара), заключающееся в возникновении упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу. Более того, это явление рассматривается как классический пример проявления законов и принципов синергетики.
Схема показывающая каким образом формируются ячейки Бенара.
Примечательно, что при определенных условиях на поверхности пчелиного меда формируются структуры, подобные ячейкам Бенара.
Ячейками Бенара на поверхности меда, налитого на плоскую тарелку.
Вполне вероятно, что пчелы воспринимают эти упорядоченные перепады температуры в подложке, на которой они строят сот, и формируют ячейки согласно градиенту температур, определяющего структуру ячеек Бенара, используя механизм акцептора результата действия, руководствуясь тепловыми потоками, улавливаемыми их гигротермальными рецепторами.
Стая журавлей в полете
Вероятна ли такая версия формирования сот? Вполне! Ведь уже никто не удивляется тому, что строгая геометрическая структура стай крупных перелетных птиц определяется особенностями распределения потоков воздуха при полете, улавливаемыми летящими птицами. При полете в группе они располагаются таким образом, чтобы свести к минимуму нагрузку на свою опорно-двигательную систему, что облегчает полет и экономит энергию.
Человек располагает приемопередатчики мобильной (сотовой) связи по заранее разработанному проекту, а пчела строят соты в улье согласно структуре тепловых потоков, формирующих ячейки Бенара. Но и человек, и пчела руководствуются одними физическими законами, причем физиологические механизмы, лежащие в основе их поведения аналогичны.
В биологии пчел обращает внимание их способность к обучению - высоко развитый познавательный инстинкт и восприятие «личностного знания» от старших пчел по методике «делай, как я». По сути благодаря обучению реализуется эпигеномное наследствание важнейших особенностей поведения пчел, без которых было бы невозможно существование пчелиной семьи. В обучении несомненно задействованы чисто физиологические механизмы, в первую очередь безусловный и условный рефлексы, а так же акцептор результата действия. При этом в самом феномене эпигеномного наследования поведения лежит базисное представление кибернетики и синергетики, о циклической причинности. Метафорический образ циклической причинности, как фундаментального кибернетического и синергетического представления, - змея, которая кусает себя за хвост.
Вывод из вышеизложенного
- при анализе проблем, поднимаемых физиосоциологией, физиологические и синергетические представления дополняют друг друга.
- На примере анализа пчелиной семьи, как модельной системы анализа, выявляется качественно новый феномен - бинарная регуляция поведения биосоциальной системы. Каждая пчела в отдельности регулирует свое поведение на основе механизма акцептора результата действия, а при взаимном согласовании поведения пчелиной семьи системообразующим фактором являются синергетические механизмы.