Природні системи

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Реферат

по концепції природознавства

на тему «Природні системи».

МСХА їм Тімірязєва 2002р.

Зміст

1. Введення.
2. Типи систем. Характеристики.
3. Принципи самоорганізації систем.
4. Особливості відкритих дисипативних систем.
5. Самоорганізація у відкритих системах.
6. Порядок і безладдя в природі. Хаос.
7. Висновок
8. Список літератури

Введення

Системний підхід до аналізу об'єктів є характерною тенденцією сучасного наукового пізнання. Задамося питанням: що він дає вивченню природи як об'єкту системного аналізу?
Перш за все зупинимося на визначенні поняття природа. Можна дати, принаймні, три основні смислових уявлень даного поняття.
1. Природа - це все суще, весь світ в різноманітті його форм. У цьому значенні поняття природи можна порівняти з такими поняттями, як матерія, Всесвіт.
2. У більш вузькому сенсі природа - це об'єкт науки, іншими словами-комплексний (системний) об'єкт природознавства (наук про природу). Сучасне природознавство продовжує розвивати наукову уявлення про розвиток природи, її загальних, особливих та приватних законах, різних формах руху матерії, про просторово-часової організації її об'єктів, структурних рівнях в рамках єдиної системи.
3. Найбільш часто вживане смислове уявлення про природу - це сукупність природних умов існування людського суспільства. Звідси видається важливим перебування місця і виявлення ролі природи в процесі формування ставлення до неї людини і людського суспільства в цілому.
Класичне природознавство орієнтувалося переважно на вивчення не динаміки, а статики систем. Такий підхід був найбільш характерний для атомістичної концепції класичної фізики.
Атомістичний погляд спирався на уявлення, що властивості і закони руху різних природних систем можуть бути описані властивостями тих дрібних елементів матерії, з яких вони складаються. На початку такими найпростішими структурними елементами вважалися молекули й атоми, а потім елементарні частинки, а в даний час - віртуальні струни.
Атомістичний підхід має велике значення для пояснення явищ природи, проте головним у ньому є будова і структура різних систем, але не їх виникнення і розвиток.
Системний та еволюційний підходи, які поширені з 60-х рр.. XX століття, основну увагу приділяють вивченню характеру взаємодії елементів різних систем, у тому числі і біологічних. Так, народження різних гіпотез і моделей виникнення та еволюції Всесвіту стало можливим лише після широкого розповсюдження системних ідей і уявлення про самоорганізації відкритих систем.

Типи систем. Характеристики.

Система (грец. systema - ціле, складене з частин) - безліч елементів, що знаходяться у зв'язках і відношеннях один з одним, утворюють певну цілісність, єдність.
Головне, що визначає систему, - це взаємозв'язок і взаємодія частин у рамках цілого. Якщо така взаємодія існує, то допустимо говорити про систему, хоча ступінь взаємодії її частин може бути різною. Слід також звернути увагу на те, що кожен окремий об'єкт, предмет або явище можна розглядати як певну цілісність, що складається з частин, та дослідити як систему.
Все різноманіття матеріальних систем зводиться до трьох основних типів:
- Системи неживої природи;
- Системи живої природи;
- Громадські системи.
Крім цього виділяють систему біокосні - це природна система, створювана динамічним взаємовідношенням організмів і навколишнього їх абіотичного середовища (наприклад, біогеоценоз, екосистема) та системи біологічні.
Біологічні системи - це динамічно саморегулюючі і, як правило, саморазвивающиеся і самовідтворюються біологічні утворення різної складності (від макромолекули до сукупності живих організмів одночасно), що володіють, з одного боку, властивістю цілісності, з іншого соподчиненностью у складі структурно-функціональних ієрархічних рівнів організації. Це завжди відкриті системи, умовою існування яких служить внутрішньо контрольований обмін речовиною з навколишнім середовищем і проходження зовнішнього по відношенню до них потоку енергії.
За обсягом і кількістю складових частин системи діляться на прості і складні.
Системи вважаються простими якщо в них входить невелике число змінних, і тому взаємовідношення між елементами системи піддається математичній обробці і виведенню універсальних законів.
Складні системи складаються з великого числа змінних, а отже, і великої кількості зв'язків між ними. Чим воно більше, тим важче описати закономірності функціонування даного об'єкта (системи). Труднощі вивчення таких систем обумовлені й тією обставиною, що чим складніше система, тим більше у неї так званих емерджентних властивостей, тобто властивостей, яких немає у її частин і які є наслідком їх взаємодії і цілісності системи. Такі складні системи вивчає наприклад метеорологія - наука про кліматичні процесах. У зв'язку зі складністю систем, які вивчає ця наука. Процеси освіти погоди залишаються маловивченими і, звідси, проблематичність не тільки довгострокових, але і короткострокових прогнозів метеообстановки. До складних систем відносяться всі біологічні системи, включаючи всі структурні рівні їх організації від клітини до популяції.

Принципи самоорганізації систем.

Крім розподілу систем на прості і складні, всі системи можна розділити на закриті і відкриті. На відміну від закритих, або ізольованих, відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, речовиною та інформацією. Усі реальні системи є саме відкритими. У неорганічній природі вони обмінюються із зовнішнім середовищем, яка також складається з різних систем, що володіють енергією і речовиною. У соціальних і гуманітарних системах до цього додається обмін інформацією. Інформаційний обмін здійснюється також у біологічних системах, зокрема при передачі генетичної інформації.
Як показав австрійський фізик Людвіг Больцман, з другого закону термодинаміки випливає, що всі реальні процеси у Всесвіті повинні протікати зі збільшенням ентропії. У стані рівноваги вона максимальна. Ентропія, як показав Больцман, характеризує ступінь безладу у системі, чим вона більше, тим більше безладдя. Тепер ясно, що теплова енергія рівноважного стану марна для здійснення роботи, тому що вона найбільш безладно. Стає зрозумілим, чому всі природні процеси в природі йдуть з розсіюванням енергії. Тому що це збільшує безлад. Слід, однак, зауважити, що другий закон носить статистичний характер і застосовується лише до систем, що містять велику кількість частинок.
Коли ентропія системи зростає, то, відповідно, посилюється безлад у системі. У такому випадку другий закон термодинаміки постулює: ентропія замкнутої системи, тобто системи, яка не обмінюється з оточенням ні енергією ні речовиною, постійно зростає. А це означає, що такі системи еволюціонують у бік збільшення в них безладу, хаосу і дезорганізації, поки не досягнуть точки термодинамічної рівноваги, в якій будь-яке виробництво роботи стає неможливим.
Згідно з другим законом термодинаміки всі природні процеси незворотні і можуть протікати тільки в одну сторону: у бік збільшення безладу, тобто у бік теплового рівноважного стану., Через що і виникає так звана «стріла часу».
У відкритих системах також проводиться ентропія, оскільки в них відбуваються незворотні процеси, але вона в цих системах не накопичується, як в закритих, а виводиться в навколишнє середовище. Оскільки ентропія характеризує ступінь безладу у системі, остільки можна сказати, що відкриті системи живуть за рахунок запозичення порядку із зовнішнього середовища.
Живі системи для свого існування поглинають речовину з укладеної в ньому енергією високої якості (у вигляді харчування), переробляючи яке, вони вивільняють речовина (екскременти) з енергією «низької якості». У результаті ця різниця енергій йде на підтримку життя і збільшення структурованою. І хоча в результаті ентропія в живій системі зменшується, загальна ентропія живої системи і навколишнього середовища (за рахунок виходу «безладної» енергії) збільшується, як і випливає з другого закону. Таким чином, якщо в якійсь частині системи відбуваються процеси, які зменшують ентропію (збільшують організованість), то в іншій частині системи обов'язково протікають процеси, її збільшують, так що сумарна зміна ентропії завжди позитивно. Виявляється, що самоорганізація систем може відбуватися і часто відбувається спонтанно. У результаті таких процесів з більшою вірогідністю і сталася життя.
Однак самоорганізація може відбуватися лише в сильно нерівноважних дисипативних системах в результаті випадкових флуктуацій (флуктуація, лат. Fluctuatio, - коливання, відхилення від деякого середнього положення) або зовнішніх впливів. Наука, що займається еволюцією і виникненням таких систем, називається синергетикою або термодинамікою відкритих нерівноважних систем.

Особливості відкритих дисипативних систем.

Відкриті нерівноважні системи, що активно взаємодіють із зовнішнім середовищем, можуть набувати особливого динамічний стан - - дисипативні (дисипація, лат. Dissipatio, - розсіяння), яку можна визначити як якісно своєрідне макроскопічне прояв процесів, що протікають на мікрорівні. Неравновесное протікання безлічі мікропроцесів набуває деякої інтегративну результуючу на макрорівні, яка якісно відрізняється від того, що відбувається з кожним окремим її мікроелементом. Завдяки дисипативної в нерівноважних системах можуть спонтанно виникати нові типи структур, здійснять переходи від хаосу і безладу до порядку і організації, виникати нові динамічні стану матерії.
Дисипативної проявляється в різних формах: у здатності «забувати» деталі деяких зовнішніх впливів, в «природному доборі» серед безлічі мікропроцесів, руйнує те, що не відповідає загальній тенденції розвитку; в когерентності (узгодженості) мікропроцесів, установлює їх якийсь загальний темп розвитку, і ін
Поняття дисипативної тісно пов'язано з поняттям параметрів порядку. Самоорганізуються - це звичайно дуже складні відкриті системи, які характеризуються величезним числом ступенів свободи. Однак далеко не всі ступені свободи системи однаково важливі для її функціонування. З плином часу в системі виділяється невелика кількість провідних, визначальних ступенів свободи, до яких "підлаштовуються» й інші. Такі основні ступені свободи системи отримали назву параметрів порядку.
У процесі самоорганізації виникає безліч нових властивостей і станів. Дуже важливо, що зазвичай співвідношення, що зв'язують параметри порядку, набагато простіше, ніж математичні моделі, детально описують всю нову систему. Це пов'язано з тим, що параметри порядку відображають зміст підстав нерівноважної системи. Тому задача визначення параметрів порядку - одна з найважливіших при конкретному моделюванні систем, що самоорганізуються.

Самоорганізація у відкритих системах.

Після відкриття самоорганізації в найпростіших системах неорганічної природи стало ясним, що весь навколишній світ і Всесвіт являють собою сукупність різноманітних самоорганізованих процесів, які служать основою будь-якої еволюції.
Сучасна наука процес самоорганізації систем визначає наступним чином:
1. Система повинна бути відкритою, тому що закрита ізольована система у відповідності з другим законом термодинаміки в кінцевому підсумку повинна прийти в стан, що характеризується максимальним безладом або дезорганізацією.
2. Відкрита система повинна знаходитися достатньо далеко від точки термодинамічної рівноваги. Якщо система перебуває в точці рівноваги, то вона має максимальною ентропією і тому не здатна до будь-якої організації: у цьому положенні досягається максимум її самодезорганізації. Якщо ж система розташована поблизу або недалеко від точки рівноваги, то з часом вона наблизиться до неї і в кінці кінців прийде в стан повної дезорганізації.
3. Якщо впорядкує принципом для ізольованих систем є еволюція в бік збільшення їх ентропії або посилення їх безладу (принцип Больцмана), то фундаментальним принципом самоорганізації служить, навпаки, виникнення та посилення порядку через флуктуації. Такі флуктуації, або випадкові відхилення системи від деякого середнього положення, на самому початку придушуються і ліквідуються системою. Однак у відкритих системах завдяки посиленню нерівноваги ці відхилення з часом зростають і врешті-решт призводять до «розхитування» колишнього порядку та виникнення нового. Цей процес зазвичай характеризують як принцип організування порядку через флуктуації. Оскільки флуктуації носять випадковий характер (а саме з них починається виникнення нового порядку і структури) то стає зрозумілим, що поява нового в світі завжди пов'язане з дією випадкових факторів.
4. На відміну від принципу негативного зворотного зв'язку, на якому грунтується управління та збереження динамічної рівноваги систем, виникнення самоорганізації спирається на діаметрально протилежний принцип - позитивний зворотний зв'язок, згідно з яким зміни, що з'являються в системі, не усуваються, а навпаки накопичуються і посилюються, що і призводить врешті-решт до виникнення нового порядку і структури.
5. Процеси самоорганізації, як і переходи від одних структур до інших, супроводжуються порушенням симетрії. Ми вже бачили, що при описі необоротних процесів довелося відмовитися від симетрії часу, характерною для оборотних процесів в механіці. Процеси самоорганізації, пов'язані з необоротними змінами, призводять до руйнування старих і виникненню нових структур.
6. Самоорганізація може початися лише в системах володіють достатньою кількістю взаємодіючих між собою елементів і, отже, мають деякі критичні розміри. В іншому випадку ефекти від синергетичного взаємодії будуть недостатні для появи кооперативного (колективного) поведінки елементів системи і тим самим виникнення самоорганізації.
Перераховані вище умови безумовно є необхідними для виникнення самоорганізації в різних природних системах. Але звичайно ж недостатніми. Так, у хімічних та біологічних самоорганізованих системах важлива роль відводиться факторам прискорення хімічних реакцій (процеси каталізу).

Порядок і безладдя в природі. Хаос.

Головна ідея синергетики (предметом якої є самоорганізуються) - це ідея про принципову можливість спонтанного виникнення порядку та організації з безладдя та хаосу в результаті процесу самоорганізації. Вирішальним фактором самоорганізації є утворення петлі позитивного зворотного зв'язку системи та середовища. При цьому система починає самоорганізовуватися і протистоїть тенденції її руйнування середовищем. Наприклад, в хімії таке явище називають Автокаталіз. У неорганічної хімії автокаталітіческіе реакції досить рідкісні, але, як показали дослідження останніх десятиліть у галузі молекулярної біології, петлі позитивного зворотного зв'язку (разом з іншими зв'язками - взаємний каталіз, негативний зворотний зв'язок і ін) складають саму основу життя.
Становлення самоорганізації багато в чому визначається характером взаємодії випадкових і необхідних чинників системи та її середовища. Система самоорганізується не гладко і просто, не неминуче. Самоорганізація переживає і переломні моменти - точки біфуркації. Поблизу точок біфуркації в системах спостерігаються значні флуктуації, роль випадкових факторів різко зростає.
У переломний момент самоорганізації принципово невідомо, в якому напрямку буде відбуватися подальший розвиток: чи стане стан системи хаотичним або вона перейде на новий, більш високий рівень впорядкованості та організації (фазові переходи і дисипативні структури - лазерні пучки, нестійкості плазми, флаттер, хімічні хвилі, структури в рідинах і ін.) У точці біфуркації система як би «коливається» перед вибором того чи іншого шляху організації, шляхи розвитку. У такому стані невелика флуктуація (момент випадковості) може послужити початком еволюції (організації) системи в деякому певному (і часто несподіваному або просто малоймовірному) напрямку, одночасно відсікаючи при цьому можливості розвитку в інших напрямках.
Як з'ясовується, перехід від Хаосу до Порядку цілком піддається математичному моделюванню. І більше того, у природі існує не так вже й багато універсальних моделей такого переходу. Якісні переходи в самих різних сферах дійсності (у природі і суспільстві - його історії, економіці, демографічних процесах, духовної культури і ін) підпорядковуються часом одного й того ж математичного сценарієм.
Синергетика переконливо показує, що навіть в неорганічної природи існують класи систем, здатних до самоорганізації. Історія розвитку природи - це історія освіти все більш і складних нелінійних систем. Такі системи і забезпечують загальну еволюцію природи на всіх рівнях її організації - від нижчих і найпростіших до вищих і надзвичайно складним (людина, суспільство, культура).

Висновок

Різноманіття матеріальних систем, що охоплюють неживу і живу природу, простір і час, людське суспільство, передбачає їх функціонування в рамках єдиних законів природи. У розробку останніх внесли свій внесок фундаментальні природно-наукові дисципліни - фізика, хімія, біологія, а також математика.
Особливу роль в описі структури та принципів функціонування природних систем грають системний і еволюційний підходи. Прогрес науки в розвитку цього напряму визначився лише після широкого розповсюдження ідей і уявлень про динаміку відкритих дисипативних систем, про самоорганізації відкритих систем, про динамічні відкритих системах в біології. Одним з ключових положень, що розвиваються в рамках системного підходу до опису природних явищ, полягає в тому, що поведінка систем залежно від зовнішнього впливу визначається зворотними зв'язками.
Одна з галузей фізики - термодинаміка, виділяє три типи термодинамічних систем: замкнені, закриті та відкриті. Індивідуальні властивості цих систем знайшли своє узагальнення та теоретичне пояснення в законах і класичної термодинаміки. Згідно з другим законом всі природні процеси незворотні і можуть протікати тільки в один бік (у бік збільшення безладу системи), через що і виникає «стріла часу».
Нова термодинаміка відкритих систем дала вичерпне пояснення процесу самоорганізації і назвала ті умови, які є необхідними для його реалізації. Наприклад виникнення самоорганізації спирається на принцип позитивного зворотного зв'язку, згідно з яким зміни, що з'являються в системі, не усуваються а навпаки, накопичуються і посилюються, що призводить до виникнення нової структури системи.
Система, у яку надходить енергія, що перетворюється в тепло, отримала назву дисипативної відкритої системи, основні властивості якої визначаються складом структурних елементів, припливом енергії і факторами зовнішнього середовища.
На базі управління складними системами зі зворотним зв'язком, яка підвищує ступінь внутрішньої організованості системи, виникла наука кібернетика.

Список літератури

1. Кондратьєв М. М. «Концепції сучасного природознавства», курс лекцій, частина 2. Вид-во МСХА, 1999 р.
2. Найдиш В.М. «Концепції сучасного природознавства», уч. посібник, М: Гардаріки 2001
3. Горелов А. А. «Концепції сучасного природознавства», уч. посібник для студентів ВНЗ-ів. М: Гуманітарний видавничий центр «Владос» 2000 р.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Екологія та охорона природи | Реферат
40.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Природні зони України Природні умови і ресурси Чорного та Азовського морів
Природні комплекси і природні умови великих територій Росії
Природні умови та природні ресурси у макроекономічній моделі
Природні ресурси
Природні ресурси 2
Природні ресурси
Природні монополії
Природні комплекси
Природні умови України
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru