История развития представлений о самоорганизации

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………….................6

Глава 1. Сущность проблем самоорганизации в свете современной науки

1.1. История развития представлений о самоорганизации……………………………………8

1.2. Самоорганизация и нанотехнологии……………………………………………………..10

1.3. Самоорганизация или самосборка?.....................................................................................16

1.4. Консервативная и диссипативная самоорганизация……………………………….........18

Основные понятия……………………………………………………………………………...22

Тестовые задания……………………………………………………………………………….35

Задачи …………………………………………………………………………….......................24

Глава 2. Синергетика – наука о самоорганизации

2.1. Основные понятия синергетики…………………………………………………………..28

2.2. Синергетика – теория самоорганизации……………………………………………….....30

Основные понятия………………………………………………………………………...........34

Тестовые задания………………………………………………………………………….........35

Глава 3. Межмолекулярные взаимодействия – движущие силы самосборки

3.1.Полярность и поляризуемость связи……………………………………………………...37

3.2. Основные межмолекулярные взаимодействия………………………………………......39

3.3. Специфические межмолекулярные взаимодействия………………………………........45

Основные понятия……………………………………………………………………………...51

Тестовые задания………………………………………………………………………….........51

Задачи…………………………………………………………………………………………....52

Глава 4. Примеры самоорганизации

4.1. Самоорганизация в неживой природе…………………………………………………....54

4.2. Самоорганизация в живой природе…………………………………………………........63

Основные понятия……………………………………………………………………………...71

Контрольные вопросы……………………………………………………………………….....72

Задачи…………………………………………………………………………………………....72

Заключение..............................................................................................................................173

Литература...............................................................................................................................177

 

 

ВВЕДЕНИЕ

С момента возникновения человеческой цивилизации и вплоть до настоящего времени человек был одержим одной единственной идеей – покорить природу. Стремясь удовлетворить свои безграничные потребности, он бездумно вырубал леса, осушал реки, разрабатывал месторождения полезных ископаемых и притом мало заботился о рациональности применяемых технологий. Благодаря использованию богатств природы, у человека формировалась огромная прибыль, которая обеспечивала развитие общества. Взамен же природа получала масштабные загрязнения окружающей среды.

Главный источник загрязнений – огромная масса отходов, которая образовалась в процессе производства и потребления. Уже в 1970 г. они составили 40 млрд. тонн, а к началу XXI века возросли до 300 млрд. тонн. Все более сложной становится и проблема накопления бытового мусора; не случайно на Западе по отношению к нашему времени иногда применяют термин «мусорная цивилизация». Особую опасность также представляет и нефтяное загрязнение Мирового океана. Космические снимки показывают, что уже около 1/3 всей его поверхности покрыто маслянистой пленкой. Кроме того, происходит радиоактивное загрязнение, связанное с захоронением радиоактивных отходов.

По сути дела, уничтожая природу, подавляя ее способность к самовосстановлению, человек уничтожает и самого себя. Из-за неблагоприятной экологической обстановки увеличивается число болезней, снижается продолжительность жизни, сокращается рождаемость. Это уже сигнал и предупреждение о том, что человек должен изменить свое отношение к природе. Нужно как можно быстрее отказаться от произвола в отношении природы и научиться следовать ее законам, жить в гармонии с окружающим миром.

В настоящее время первостепенной задачей обучения у природы считают познание явления самоорганизации. Именно благодаря процессу самоорганизации на Земле происходило развитие от простых форм к более сложным, т.е. поддерживалась и совершенствовалась организация жизни. Поэтому нужно позаимствовать опыт построения организации, накопленный природой, и использовать его в нашей жизни. Использование подходов самоорганизации позволит создавать новые материалы и устройства с уникальными свойствами при небольших энергетических и сырьевых затратах; разработать экологически чистые, безопасные для человека технологии.

Предлагаемое Вашему вниманию учебное пособие содержит накопленную к данному времени информацию о самоорганизации. Пособие состоит из восьми глав, которым предшествует введение. В первой главе описывается история развития представлений о самоорганизации и формирования специальной науки синергетики.

ГЛАВА 1

СУЩНОСТЬ ПРОБЛЕМ САМООРГАНИЗАЦИИ В СВЕТЕ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ

1.1. История развития представлений о самоорганизации

1.2. Самоорганизация и нанотехнологии

1.3. Самоорганизация или самосборка?

1.4. Консервативная и диссипативная самоорганизация

 

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О САМООРГАНИЗАЦИИ

 

Концепция самоорганизации пришла в естественные науки из философии. Категориям случайного, необходимого и веро­ятного, т.е. тем понятиям, которые положены в основу современной концепции самоорганизации, уделено много внимания уже в трудах Аристотеля. Именно Аристотель дает представления об обрати­мости и цикличности развития мира и даже об индетерминизме. В конце Средневековья французский математик, философ и физик Рене Декарт в пятой части «Рассуждения о методе» (1637 г.) высказывал гипотезу об упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики. В преддверии Нового времени появля­ются значительные труды Людовика Молины, Френ­сиса Бэкона, напрямую связанные с изучением процессов самоор­ганизации в сложных системах. Само понятие «самоорганизация» впервые было использовано в трактате Иммануила Канта «Критика способности суждения» (1790 г.). И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, включающую самоорганизацию звездных систем из облака первичной материи. Впоследствии концепция самоорганизации проявилась в эволюционной теории Ч. Дарвина. В ее основе лежит концепция естественного отбора, определяющая закономерности развития живой материи от низших форм к высшим, усложнение их организации и выживание приспособленных к условиям Земли видов.

С открытием второго закона термодинамики (1865 г.), согласно которому в изолированной системе в самопроизвольных процессах энтропия может только возрастать, в науке на некоторое время укоренилось представление о том, что самоорганизация присуща лишь живым системам. Однако истинность и универсальность второго закона термодинамики все чаще ставилась под сомнение. С.А. Подолинский, К.А. Тимирязев, К.Э. Циолковский, М. Планк, Дж. Льюис, Э. Шредингер, В.И. Вернадский и ряд других ученых – все высказывали неудовлетворенность энтропийным принципом в связи с его явным противоречием с явлениями жизни. Кроме того, обнаруживались процессы с «антиэнтропийным» характером протекания. Вопрос был исчерпан лишь в середине ХХ века с открытием самоорганизации макросистем в виде диссипативных структур И. Пригожиным, открытием концентрационных автоволн в периодических реакциях Б.Л. Белоусовым и А.М. Жаботинским. В данных работах антиэнтропийные процессы на физическом и химическом уровне получили теоретическое обоснование.

В ХХ же веке на формирование современных представлений о самоорганизации повлияли и новые данные, представленные кибернетикой. Кибернетика – это наука об управлении в машинах, живых организмах и их объединениях на основе получения, хранения, переработки и использования информации. Основоположник этого подхода, американский математик Норберт Винер обратил внимание на поразительную аналогию между системами наведения зенитных ракет, некоторыми заболеваниями нервной системы и экономическими механизмами, определяющими периодические кризисы в капиталистической экономике [1]. В рамках кибернетики был сформулирован принцип обратной связи, который стал важнейшей характеристикой самоорганизации: без обратной связи невозможно управление сложными и сложнодинамическими системами.

Сложными динамическими системами называются такие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и элементов, которые меняются под воздействием определенных процессов, т.е. переходят из одного стационарного состояния в другое.

Сложнодинамические системы часто представляют собой самоорганизующиеся системы. Эти системы способны при изменении внешних или внутренних условий их функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта, сигналы о которой поступают по каналам обратной связи. К самоорганизующимся системам относятся все органические системы: отдельная живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив; или коллоидные системы (прямые и обратные мицеллы), везикулы, бислои; или машина-автомат, машина-робот и т.д.

Механизм обратной связи – это реакция системы на внешнее воздействие. Поведение системы может усиливать внешнее воздействие – это называется положительной обратной связью. Если оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь.

В 1960-е гг. термин «самоорганизация» использовался в теории систем, а в 1970-е – 1980-е стал использоваться в физике сложных систем. Появилась специальная наука о самоорганизации – синергетика, которая сегодня представляется одним из наиболее популярных и перспективных междисциплинарных подходов к химическому конструированию и дизайну материалов?или при создании новых материалов и технологий.? или для решения проблем материалов и технологий. Термин синергетика в переводе с греческого означает «совместное действие».Основатель синергетики немецкий физик-теоретик Герман Хакен вкладывал в него два смысла. Первый – теория возникновения новых свойств у целого, состоящего из взаимодействующих объектов. Второй – подход, требующий для своей разработки сотрудничества специалистов из разных областей [1].