самоорганизация

САМООРГАНИЗАЦИЯ

самопроизвольное (не требующее внеш. организующих воздействий) образование упорядоченных пространственных или временных структур в сильно неравновесных открытых системах (физ., хим., биол. и др.). Непрерывные потоки энергии или вещества, поступающие в систему, поддерживают ее в состоянии, далеком от равновесия. При таких условиях в системе развиваются собственные (внутренние) неустойчивости (области неустойчивого поведения), развитием которых является С.

Классич. пример физ. открытой системы с пространственной С. — плоский горизонтальный слой вязкой жидкости, подогреваемый снизу. При относительно малых вертикальных градиентах температуры в жидкости имеет место режим бесконвективной теплопроводности. Когда градиент температуры превысит некоторую критич. величину, в жидкости возникает конвекция. При малых превышениях градиента температуры над критич. значением конвективные потоки вещества приобретают упорядоченность: при наблюдении сверху они имеют вид валиков или шестиугольных ячеек (ячейки Бенара).

Генерация лазерного излучения считается примером временной С. Лазер непрерывного действия-сильно неравновесная открытая система, образованная возбужденными частицами (атомами, молекулами) и модами электромагн. поля в резонаторе. Неравновесность этой системы поддерживается непрерывным притоком энергии от внеш. некогерентного источника (накачкой). При малых интенсивностях накачки излучение системы состоит из не сфазированных между собой цугов волн. С повышением интенсивности накачки вплоть до некоторой пороговой величины излучение системы становится когерентным, т. е. представляет собой непрерывный волновой цуг, в котором фазы волн жестко скор-релированы на макроскопич. расстояниях от излучателя. Этот переход к генерации когерентных колебаний можно интерпретировать как С.

Примером С. в химии служит существование неск. устойчивых состояний в гомог. системах с хим. реакциями и диффузией реагентов. Этим состояниям соответствуют неоднородные пространств. распределения концентраций реагентов, наз. диссипативными структурами. В ответ на сколь угодно малое возмущение параметров система может переходить из одного состояния в другое, что наблюдается в виде волн (пространственно-временная структура; см. колебательные реакции). Как показал М. Тьюринг (1952), в системе с двумя реагентами может появиться синусоидальная волна. Пространственно-временные структуры типичны для Белоусова — Жаботинского реакции, газофазного горения, ряда реакций гетерог. каталитич. окисления, ферментативного катализа.

В космологии результатом С. можно считать образование спиральных галактик, в экологии-организацию сообществ, в биологии — явления морфогенеза. Поскольку упомянутые явления имеют общую феноменологию, они рассматриваются в рамках единых представлений. Возникшее новое междисциплинарное направление получило впоследствии назв. синергетики (Г. Хакен, 1985). Развитию представлений о С. в биологии способствовали работы П. Гленс-дорфа и И. Пригожина (1973). Существует, однако, мнение, что сложная внутр. организация клетки и организма м. б. понята без представлений о диссипативных структурах, в рамках иерархич. термодинамики (см. термодинамика иерархических систем).

С. в неравновесных системах принципиально отличается от явлений упорядочения при фазовых переходах в равновесных системах, где порядок возрастает с понижением температуры: жидкость кристаллизуется, спины атомов ориентируются, образуя упорядоченную структуру, свойственную ферромагнетикам; в некоторых металлах может осуществляться переход к когерентному квантовому состоянию, характерному для сверхпроводников. Общим для обоих процессов образования порядка в системе является понижение симметрии по отношению к трансляциям в пространстве или во времени.

С. связана с турбулентностью. В упоминаемом выше примере с образованием в жидкости ячеек Бенара при высоких градиентах температуры система переходит в состояние с турбулентным режимом течения. Переход к турбулентности (т. е. к хаотич. режиму) может занимать некоторый интервал значений параметров, характеризующих степень внеш. воздействия на систему, и происходить путем по-следоват. усложнения регулярных (когерентных) структур, т. е. в условиях С. Критерием отличия регулярного пространственно-временного режима поведения системы от хаотического служит устойчивость структуры к малым возмущениям начальных условий: если такая устойчивость имеет место, структуру можно считать регулярной независимо от. степени ее сложности.

На С. в неравновесной открытой системе могут влиять флуктуации параметров состояния как самой системы, так и окружающей среды. В свою очередь, сама С. оказывает влияние на амплитуду и длительность флуктуации.

^{Лит.: Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул, пер. с англ., М., 1973; Николис Г., Пригожин И., Самоорганизация в неравновесных структурах, пер. с англ., М., 1979; Эбелинг В., Образование структур при необратимых процессах, пер. с англ., М., 1979; Хакен Г., Синергетика, пер. с англ., М., 1980; Полак Л. С., Михайлов А. С., Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах, М., 1983; Васнецова А. Л., Гладышев Г. П., Экологическая биофизическая химия, М., 1989.}

_{А. А. Овсянников}