Презентация "Самоорганизация в живой и неживой природе" (9 класс) по биологии – проект, доклад

Самоорганизация в живой и неживой природе. Кибернетика. Синергетика.

Структурные уровни организации материи.

Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами. Закономерности новых уровней специфичны, несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли. Структурное многообразие, то есть системность является способом существования материи.

Неорганическая природа : микроэлементарный (уровень элементарных частиц и полевых взаимодействий) ядерный атомарный молекулярный уровень макроскопических тел различной величины планеты звездно-планетные комплексы галактики метагалактики

Структурные уровни организации материи

Живая природа: уровень биологических макромолекул клеточный уровень микроорганизменный органов и тканей организм популяционный биоценозный биосферный.

Система и элемент. Целое и часть.

Система - комплекс взаимодействующих элементов. Элемент - далее неразложимый компонент системы при данном способе ее рассмотрения называется. Для анализа сложноорганизованных, саморазвивающихся систем, когда между элементами и системой имеются "промежуточные комплексы" более сложные, чем элементы, но менее сложные, чем система, используют понятие "подсистема".

Основные законы классической (равновесной термодинамики). Термодинамическая система – это система, состоящая из большого числа частиц, взаимодействующих между собой. Термодинамические системы могут быть: а) изолированными (замкнутыми) – это те системы, которые не сообщаются с окружающей средой ни работой, ни теплом, ни веществом, ни информацией. Другое название – равновесные. Б) открытыми – сообщающиеся с окружающей средой. Открытые системы не изучаются классической термодинамикой.

Термодинамические законы. Классическая термодинамика описывается д двумя законами: 1. Закон сохранения и превращения энергии - первое начало термодинамики. Q=ΔU+A, где ΔU – изменение внутренней энергии, А – работа. Количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и совершение телом работы.

Сущность второго начала термодинамики - невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Иногда этот закон выражают в еще более простой форме: Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к более горячему.

Рудольф Клаузиус использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии Людвиг Больцман интерпретировал в термине изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует (закон возрастания энтропии): Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

Энтропия – это количественная мера хаоса в системе, ме мера неупорядоченности. Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает классическая термодинамика, и возвратится.

Равновесные и неравновесные состояния системы

Неравновесное состояние Система меняет свою структуру, реагируя на внешние условия. Приток энергии создает в системе упорядоченность; энтропия уменьшается. Неравновесностъ - причина порядка системы; ее элементы ведут себя коррелировано. Множество дискретных устойчивых состояний системы. Чувствительность к флуктуациям. Наличие бифуркации (критическое состояние, переломная точка в развитии системы). Неопределенность поведения системы.

Равновесное состояние Система меняет свою структуру только при наличии сильных возмущений. Элементы системы пребывают в хаотическом движении. Энтропия возрастает. Одно дискретное устойчивое состояние системы. Нечувствительность к флуктуациям. Поведение системы характеризуется линейными зависимостями.

Концепции эволюции реальных систем.

Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Самоорганизация в живой и неживой природе. Кибернетика.

Кибернетика – от греческого искусство управления. В основе кибернетики лежит идея возможности использовать общий подход к рассмотрению процессов управления в системах различной природы. Рождение кибернетики принято связывать с именем Норберта Винера (1948 год книга «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине»).

Классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире, состоящем из трех составляющих: энергии, материи и информации. Информация – от лат. Ознакомление Разъяснение - обозначает меру организованности системы в противоположность понятию «энтропия» как меры неорганизованности.

Кибернетика как наука об управлении имеет, очевидно, объектом своего изучения управляющие системы. Для того чтобы в системе могли протекать процессы управления она должна обладать определенной степенью сложности и быть динамичной (изменяться). К сложным динамическим системам относятся и живые организмы (животные и растения), и социально-экономические комплексы (организованные группы людей, бригады, предприятия, государства, отрасли промышленности), и технические агрегаты (поточные линии, транспортные средства).

К основным задачам кибернетики относятся: & установление фактов, общих для всех управляемых систем или по крайней мере для некоторых их совокупностей; & выявление ограничений, свойственных управляемым системам, и установление их происхождения; нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы; определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей

Теоретическая кибернетика – разработка научного аппарата и методов исследования систем управления независимо от их конкретной природы (теория информации и теория алгоритмов, теория игр, исследование операций и т.д.) Прикладная кибернетика подразделяется на Техническую кибернетику – управление техническими системами. Биологическую кибернетику - общие законы хранения, передачи и переработки информации в биологических системах. Она подразделяется на медицинскую кибернетику (моделирование заболеваний, использование этих моделей для диагностики, прогнозирования и лечения); физиологическую кибернетику (изучает и моделирует функции клеток и органов в норме и патологии); нейрокибернетику (моделирует процессы переработки информации в нервной системе); психологическую кибернетику (моделирует психику на основе изучения поведения животных).

Бионика – промежуточное звено между биологической и технической кибернетикой- использование моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для совершенствования существующих и создания новых технических устройств. Социальная кибернетика – наука, в которой используются методы и средства кибернетики в целях исследования и организации процессов управления в социальных системах.

В кибернетике отвлекаются от конкретных особенностей изучаемых систем, выделяют закономерности, общие для некоторого множества систем, и вводят понятие абстрактной кибернетической системы.

Управление – это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшающее его функционирование или развитие.

Самоорганизация в живой и неживой природе. Синергетика.

«Синергетика»- в переводе с древнегреческого означает совместное, объединенное действие и подчеркивает кооперативный характер эффектов, связанных с самоорганизацией. Основоположниками синергетики считаются Г. Хакен И. Пригожин.

Фокусирует свое внимание на неравновесности, нестабильности как естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и неоднозначности путей их эволюции. В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым – могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Флуктуации - случайные отклонения физических величин от средних значений. Неравновесность порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и "учитывать" их в своем функционировании.

СИНЕРГЕТИКА:

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность. Диссипативность - качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, возникать новые динамические состояния материи.

В развитии открытых и сильнонеравновесных систем наблюдаются 2 фазы: 1 фаза - период плавного эволюционного развития, заканчивающийся неустойчивым критическим состоянием. Под точкой бифуркации понимается состояние рассматриваемой системы, после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития.

картина В.М. Васнецова «Витязь на распутье».

Аттрактор – это относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает к себе все множество траекторий развития, возможных после точки бифуркации. 2 фаза: выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Новый порядок связан с появлением и накоплением флуктуаций в системе. В дальнейшем они нарастают и способ-ствуют появлению хаоса в системе. Флуктуации ведут к возрастанию энтропии. Новый порядок всегда восстанавливается через хаос. Флуктуации расшатывают систему, она становится неустойчивой, и любое незначительное воздействие толкнет ее к саморазрушению, а дальше – к выбору пути. Любая революция есть выбор пути социальной системы. Система приходит к точке бифуркации (выбора), где существует несколько альтернатив дальнейшего развития.

Явление бифуркации

Примеры самоорганизации систем разной природы

химические часы (реакция Белоусова-Жаботинского); Конфигурации, возникающие при реакции Белоусова-Жаботинского в тонком слое в чашке Петри

Ячейки Бенара, возникающие в подогретом слое жидкости

действие лазера,

рост кристаллов; формирование живого организма; образование форм растений и животных; динамика популяций; пространственно-временные структуры в электрической активности сердца и мозга; образование уличных пробок, развитие рыночной экономики, формирование культурных традиций и общественного мнения, демографические процессы.

Динамика популяции жертв и хищника

Система должна быть открытой и иметь приток энергии и вещества извне Наличие флуктуации. Процесс возникновения и усиления порядка через флуктуации характеризуют как принцип самоорганизации Процесс самоорганизации системы возможен только при определенном, достаточном количестве взаимодействующих элементов

Открытая система должна находиться вдали от точки термодинамического равновесия Самоорганизация основывается на положительной обратной связи, в отличие от динамического равновесия систем, которое опирается на отрицательную обратную связь Процесс самоорганизации предполагает нарушение симметрии

Некоторые условия самоорганизации

Возникновение синергетики означает начало новой научной революции, так как она меняет стратегию научного познания и ведет к выработке принципиально новой картины мира и новой интерпретации фундаментальных принципов естествознания. Синергетика обращается к процессам неупорядоченности в открытых системах, неустойчивости, неравновесности.

Заслуга синергетики: открыла и исследовала самоорганизующиеся процессы в самой простейшей элементарной форме и тем самым способствовала раскрытию единства и взаимосвязи между неживой и живой природой. дает возможность изучать процессы усложнения и эволюции материи с точки зрения ее самоорганизации на разных уровнях ее развития. философско-мировоззренческое значение: ее выводы и результаты служат естественнонаучным подтверждением самодвижения и внутренней активности материи.