Самоорганизация и неравновесные
процессы в физике, химии и биологии
 Мысли | Доклады | Самоорганизация 
  на первую страницу НОВОСТИ | ССЫЛКИ   

Ю.Л. Климонтович. Норма хаотичности. Самоорганизация и самовыздоровление.
Диагностика медико-биологических обьектов по S-теореме
от 01.03.05
  
Самоорганизация



Юрий Климонтович и Герман Хакен

Юрий Климонтович и Герман Хакен
Конференция Синергетика-83
г. Пущино
http://znanie-sila.ru/projects/issue_149.html
http://znanie-sila.ru/projects/intro_18.html
http://kirsoft.com.ru/freedom/KSNews_414.htm


1.3. Норма хаотичности. Самоорганизация и самовыздоровление. Диагностика медико-биологических обьектов по S-теореме Рассмотрим некоторые приложения S-теоремы для целей медико-биологической диагностики. Такого рода исследования начали проводиться с 1990 года в Киеве и в Москве как на основе математических моделей, так и по экспериментальным данным. В 1994 г. в лабораториях нелинейной динамики Саратовского и Потсдамского университета получены результаты диагностики по кардиограммам на основе S-теоремы. Работа выполнялась совместно с биологами и медиками. Анализ относительной степени упорядоченности для целей медико-биологической диагностики проводился как для отдельных испытуемых, так и для отобранных групп пациентов. В биологических исследованиях Т.Г. Анищенко было обнаружено существенное различие в откликах на стрессы для мужских и женских особей. Опыты проводились на крысах. Это послужило толчком для проведения сравнительного анализа откликов на стрессы для мужчин и женщин по критерию S-теорема. Для каждого испытуемого были получены две кардиограммы - одна до стресса и вторая после стресса. В качестве последнего использовался резкий звуковой сигнал. Поскольку каждая пара кардиограмм принадлежала одному испытуемому, то на основании S-теоремы имелась возможность определения относительной степени упорядоченности состояния каждого испытуемого до и после стресса. Проведенные эксперименты показали, что отклики на стрессы мужчин и женщин противоположны. Для мужчин при действии стресса степень порядка увеличилась, а для женщин - уменьшилась. В обоих случаях отклонение от нормы хаотичности представляет болезнь. Возврат к норме хаотичности может происходить самопроизвольно (спонтанно). Тогда выздоровление (самовыздоровление) происходит без какого-либо вмешательства - время играет роль управляющего параметра. Если состояние пациента нормализуется под действием того или иного лечения, то эффективность лечения можно оценить на основе того же критерия. Естественно, что кардиологи расшифровывают кардиограммы по своим критериям, не связанных с критерием S-теорема. Однако, дополнительная информация на основе относительной степени упорядоченности различных состояний пациентов может быть, несомненно, полезной. Эффективность медицинской диагностики может быть повышена, если наряду с информацией о состоянии одного пациента использовать статистические данные, полученные при исследовании групп пациентов
1.3.1. Первые выводы Из изложенного следует, что не всегда уменьшение степени хаотичности означает наличие процессов самоорганизации и наоборот - увеличение степени хаотичности означает наличие деградации. Такие выводы правомерны только в тех физических системах, когда за начало отсчета степени хаотичности можно принять состояние теплового равновесия. В тех случаях, когда равновесное состояние не может служить точкой отсчета степени хаотичности, результаты такого сравнительного анализа дают дополнительную информацию. Она состоит в установлении некоторой нормы хаотичности, а также в установлении отклонений от нормы (в ту или иную сторону) под влиянием тех или иных воздействий. В биологии это могут быть различные стрессы, которые и вызывают отклонения степени хаотичности от нормы. Отклонение от нормы хаотичности означает болезнь и, следовательно, представляет собой процесс деградации. При этом самовыздоровление - самоорганизация, может идти двумя путями: как со стороны большей (по отношению к норме), так и со стороны меньшей (по отношению к норме) хаотичности. Таким образом, далеко не всегда констатация (по выбраному критерию) уменьшения степени хаотичности (от хаоса к порядку или порядок их хаоса), означает наличие самоорганизации и наоборот - увеличение степени хаотичности означает наличие деградации. Такие выводы правомерны только в тех физических системах, в которых за начало отсчета степени хаотичности можно принять состояние теплового равновесия. Нормальное функционирование организма, а также социальных и экономических сиcтем, возможно лишь при некоторой норме хаотичности. Она, в общем случае отвечает существенно неравновесному состоянию. Отсчет от равновесного состояния здесь не существует. По этой причине в биологии, а также, конечно, в экономике и социологии, информация об изменении степени хаотичности еще недостаточна, чтобы делать вывод о наличии процесса самоорганизации или деградации. Более естественнной является классификация, при которой самоорганизация соответствует самовыздоровлению. При этом можно контролировать выбор методики лечения. Здесь снова вступает в игру критерий относительной степени упорядоченности. По нему можно судить об эффективности лечения - отвечает ли оно самоорганизации или ведет к дальнейшей деградации.
1.4. Что же такое самоорганизация? Естественно полагать, что самовыздоровление представляет собой (при отсутствии лечебных воздействий) процесс самоорганизации. Но тогда имеются два вида процессов самоорганизации. Для женщин он отвечает переходу от хаоса к порядку. Напротив, для мужчин самоорганизация - переход от порядка к хаосу. Наличие двух противоположных процессов самоорганизации указывает на то, что должна быть какая-то общая причина для этих двух противоположных процессов. Ее теперь легко усмотреть. Общим для двух разных процессов самоорганизации является то, что в обоих случаях для каждого испытуемого как женщины, так и мужчины происходит переход от неустойчивых болезненных состояний к устойчивому состоянию - к норме хаотичности. Описанное существенно меняет наше определение процесса самоорганизации. Его первопричина - неизбежный переход от возбужденного болезненного неустойчивого состояния к устойчивому, отвечающему норме хаотичности. Таким образом на вопрос: Что же такое самоорганизация? можно дать иной, чем обычно, ответ. Выше было отмечено, что лишь в некоторых случаях наличие самоорганизации представляется очевидным. Одним из примеров может служить развитие генерации в генераторе Ван дер Поля по мере увеличения обратной связи. Другим очень популярным примером служит появление структуры - ячеек Бенара на поверхности слоя жидкости при подогреве снизу, а также вихрей Тейлора между вращающимися коаксиальными цилиндрами. Используя замечательный термин - диссипативные структуры -, введенный И. Пригожином, можно сказать, что процесс самоорганизации представляет самопроизвольное (спонтанное) возникновение устойчивых структур в нелинейных диссипативных открытых системах. В генераторе Ван дер Поля это временные диссипативные структуры. Ячейки Бенара и вихри Тейлора представляют собой примеры пространственных диссипативных структур. Примером пространственно-временной структуры может служить знаменитая химическая реакция Белоусова-Жаботинского. Во всех этих случаях при включении управляющих параметров (обратной связи, градиента температуры, ...) система находится в состоянии покоя - в состоянии термодинамического равновесия. Такое понимание термина самоорганизация - является основой теории образования диссипативных структур. Первое систематическое изложение этого круга вопросов дано в известных работах И. Пригожина и Г. Николиса. Отправным пунктом здесь служат идеи и результаты И. Пригожина по термодинамике необратимых неравновесных процессов. В работах Г. Хакена в основу теории самоорганизации положены идеи возникновения структур при коллективных взаимодействиях. Таким образом на первый план выдвигается роль кооперативных процессов. По этой причине Г. Хакен предложил для этого нового междисциплинарного научного направления название Синергетика. Базовыми уравнениями синергетики также являются нелинейные диссипативные уравнения, например, реакционно-диффузионные уравнения или временные уравнения Гинзбурга-Ландау. В более сложных случаях, например, при переходе от одного турбулентного движения к другому, в биологических системах, различить процессы деградации и самоорганизации можно лишь на основе критерия относительной степени упорядоченности состояний открытых систем. При этом представление о самоорганизации, как об образовании структур, или как о процессе от менее упорядоченного к более упорядоченному состоянию становится недостаточным. Такой вывод относится ко всем системам, для которых равновесное состояние не может служить точкой отсчета относительной степени хаотичности. Здесь на первый план выходит понятие - нормы хаотичности, которое, разумеется относится, в общем случае, к неравновесному состоянию. При этом процессу самоорганизации отвечает переход от - болезни - к - нормальному состоянию. Поскольку отклонение от нормы имеет два направления - в сторону большей и меньшей степени хаотичности, то два направления имеют, в общем случае, и процессы самоорганизации. Таким образом, традиционное определение процесса самоорганизации, как самопроизвольного (спонтанного) образования структур в динамических нелинейных диссипативных открытых системах становится слишком узким. Для более полного описания процессов самоорганизации, и даже только для их выявления, нужно обратится к методам Статистической теории открытых систем (Климонтович, 1995, 1999, 2001). Ее базовыми уравнениями являются кинетические уравнения для функций распределения значений наиболее важных для рассматриваемой проблемы внутренних параметров в пространстве и во времени. На их основе может быть получен широкий класс динамических нелинейных диссипативных уравнений для моментов функции распределения. Их примером служат, в частности, реакционно-диффузионные уравнения для первых моментов - базовые уравнения современной теории самоорганизации - синергетики. В следующих разделах мы обнаружим аналогию изложенному в теории равновесных и неравновесных фазовых переходов.
В.С. Анищенко. Степень хаотичности как критерий диагностики
http://sinsam.kirsoft.com.ru/KSNews_331.htm
Динамика сердечного ритма
http://sinsam.kirsoft.com.ru/KSNews_248.htm

  


СТАТИСТИКА