СЕМИНАР
"ЭКОБИОНИКА" В МГТУ им. Н.Э. БАУМАНАКаганов Ю.Т.
к.т.н., доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана
С 1996 года
по настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана работает научный междисциплинарный семинар "Экобионика". Возникновение этого семинара обусловлено теми тенденциями в области теории технических систем, которые все более четко проявляются в связи с развитием новых научных направлений в области синергетики, биологии, экологии и новых информационных технологий. Название семинара экобионика (и, соответственно, название области исследования) было выбрано в связи с использованием фундаментальных принципов организации биологических и экологических структур, основанных на теоретическом базисе синергетики и теории нелинейных динамических систем, при разработке новых технических систем. Работу в области разработки экобионических систем предполагается вести в четырех основных направлениях:Основная литература этого направления:
Основная литература этого направления:
Основные работы в этой области:
6. Становление философии техники: Техническая реальность и технетика.
Вып. 3. "Ценологические исследования". Ред. и сост. Б.И. Кудрин. - М.:
Центр системных исследований, 1997.
7. Кудрин Б.И. Введение в технетику. Томск, 1993.
В течение срока действия семинара
"Экобионика" был сделан ряд докладов, касающихся различных аспектов этого направления.1997 год:
1. Каганов Ю.Т. (к.т.н., МГТУ)
“Экобионика. Концепция развития в теории технических систем”.
2. Кудрин Б.И. (д.т.н., МЭИ)
“Техноценозы и их развитие”.
3. Голицын Г.А. (к.т.н., д.филос.н. МИРЭА)
“Процессы самоорганизации в нейронных и квазинейронных системах”.
4. Мелехова О.П. (д.б.н., МГУ)
“Закономерности развития биологических систем”.
5. Воронов С.А. (к.т.н., МГТУ)
“Динамическая устойчивость и самоорганизация процессов вибрационной обработки”.
6. Урманцев Ю.А. (д.б.н., д.ф.н., академик РАН)
“Симметрия и асимметрия развития”.
7. Буданов В.Г. (к.ф.-м.н., МГУ)
“Синергетические аспекты информационных процессов”.
1998 год:
1. Каганов Ю.Т. (к.т.н., МГТУ)
“Техногенез и эволюция биосферы”.
2. Тимофеев С.А. (к.т.н., МГТУ)
“Информационная модель сна”
3. Донцов С.А. (к.т.н., МГТУ)
“Метрологические аспекты применения сетей Кохонена в медицинской морфометрии”
4. Каганов Ю.Т. (к.т.н., МГТУ)
“Нейрокомпьютерные модели управления и оптимизации сложными механическими системами”
“Синергетическая модель раннего развития”.
6. Котин В.В. (к.ф.-м.н. , МГТУ им. А.Н. Косыгина)
“Время жизни популяции в случайной среде
”.7. Данилов Ю.А. (д.ф.-м.н., МГУ)
“О природе процессов самоорганизации”.
1999 год:
7. Чадов В.Б. (к.ф.-м.н.) "Нечеткие множества и проблема самоорганизации сложных систем".
На 2000 год запланированы следующие доклады:
.Экобионика
- новое направление современной техники, связанное с использованием фундаментальных закономерностей функционирования биологических систем для разработки новых технических решений. Крупнейший специалист в области информационных технологий и самый богатый человек планеты Билл Гейтс сказал однажды: "Две группы технологий будут доминировать в XXI веке - биотехнологии и информационные технологии". Экобионика призвана объединить оба эти направления. В рамках экобионики решаются вопросы разработки технологических процессов, встраиваемых в экологические и биосферные процессы. В то же время это направление примыкает к одному из направлений теории технических систем, которое получило название "искусственная жизнь". В теории "искусственной жизни" нашли свое воплощение новые информационные технологии. Одной из которых является создание распределенных многоагентных систем. Эта проблематика тесно связана с современным развитием теории искусственного интеллекта.Перспектива развития техники следующего столетия является одной из фундаментальных проблем современности. Осмысление этой проблемы должно проходить не только в рамках технических наук, но и в более широком аспекте, охватывающем философские, социальные, психологические и экономические аспекты. Острая кризисная ситуация, которую переживает человечество и которая грозит новыми потрясениями в относительно недалеком будущем, во многом спровоцирована отсутствием целостного взгляда на технику как явления общепланетарного или более точно - космического характера..
Становится очевидным, что роль человечества в истории развития планеты Земля и по-видимому всей Солнечной Системы далеко не ординарна. В настоящее время можно констатировать - человечество является наиболее мощным геологическим фактором, который может привести к резкому изменению структуры биосферы. По-сути человек становится ведущим фактором эволюции. Уже в недалеком будущем можно представить два исключающих друг друга сценария. Один из них - это переход на новую ступень развития, связанную с выработкой биосоциальных механизмов управления обществом и выходом человека в Космос. Второй сценарий, связаннный с дальнейшим развитием негативных тенденций в биосфере, предполагает полное уничтожение человечества как биологического вида. Великий русский мыслитель, основатель биогеохимии В.И. Вернадский писал: “Человеческое общество все более выделяется по своему влиянию на среду. Это общество становится в биосфере единственным в своем роде агентом, могущество которого растет с ходом времени со все увеличивающейся быстротой. Оно одно изменяет новым образом и с возрастающей быстротой структуру самих основ биосферы” [1]. Идея о человеке как о ведущем факторе эволюции была сформулирована в 30-х годах не только В.И. Вернадским. Ее развивали в Англии биолог Дж. Хаксли, во Франции философ Э. Ле Руа, палеонтолог П. Тейяр де Шарден [2].Прежде всего отрицательное воздействие человека на окружающую среду связано с его технологической деятельностью. Экологическая катастрофа, прогнозируемая в следующем столетии, висит как дамоклов меч над историческим развитием человечества. Начиная с работ, связанных с докладами "Римскому Клубу"
[3, 4], исследования в области глобальных экологических последствий техногенеза все в большей степени превращаются в стержневые направления различных областей знания. Это вызывает необходимость тщательного как философского, так и естественнонаучного анализа причин и возможных путей выхода из экологического кризиса. Для этого необходимо проанализировать тенденции развития техники и наметить контуры дальнейшего технологического развития человечества. Крупнейший советский генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский отмечал: “Человечество сейчас встало перед необходимостью сознательно планировать и детально предвидеть результаты все большего вмешательства в прежде стихийные процессы, идущие в биосфере Земли” [5]. Сознательное управление эволюцией биосферы выдвигается как одна из самых актуальных теоретических задач сегодняшнего дня. Становится все более очевидным, что от успешного ее решения зависит будущее человечества. Наступило время, когда человечество вынуждено принять на себя ответственность не только за ход научно-технической революции, но и за вызванную научно-техническим прогрессом революцию биосферы [6].По-видимому, появление
homo sapiens и неолитическая революция, приведшая к возникновению техногенной цивилизации, не случайны. Они являются естественным ходом развития биосферы и обусловлены выходом на новый уровень эволюции, связанный с процессом самоорганизации биосферы и формированием ноосферы. С этой проблематикой связана и проблема выхода человека в космос [7]. Поэтому одной из важнейших задач является построение общей концепции технологического развития человечества как естественного развития биосферы.Не случайно также и то, что кризис, который переживает современная наука совпал с кризисом исторического развития человечества. Происходит довольно быстрая смена господствовавшей научной парадигмы, связанной с опорой на линейный детерминизм, новой парадигмой, основанной на “нелинейном мышлении”
[8]. Работы в области нелинейной и стохастической динамики, и, в особенности, работы 70-х годов И. Пригожина по теории диссипативных систем [9,10], Г. Хакена по синергетике [11], М. Эйгена по теории гиперциклов [12], приводят к смене традиционной картины мира. Благодаря этим работам постепенно раскрывается тайна самоорганизации и морфогенеза. Ключевые положения синергетики, раскрывающие ее сущность, как определил их сам автор этого термина Г. Хакен [13], формулируются следующим образом:Идеи самоорганизации проникают во многие научные дисциплины. Одним из наиболее важных полигонов для отработки идей самоорганизации являются создание синергетических (нелинейных, динамических) моделей биосферных и экологических систем. В этом плане наиболее важной проблемой является построение такой модели мира, в которой техногенное развитие человечества было бы согласовано с развитием биосферы. Но возникает вопрос - каким образом согласовать развитие техногенной цивилизации или, более конкретно, технических систем с формированием и развитием биосферных и экологических процессов? Для этого очевидно необходима выработка новой концепции технологического развития человечества, опирающаяся на новую научную парадигму. В качестве одной из таких концепций предлагается концепция экобионики, основанная на представлениях о технической деятельности человека как самоорганизующихся процессах деятельности биосферы.
Прежде чем мы перейдем к рассмотрению основной концепции экобионики, обратимся к тем причинам, которые привели к необходимости смены прежних представлений взаимодействия техники и биосферы.
Бытовавшее в XIX веке и приблизительно до начала 60-х годов нынешнего века в среде технариев представление о неограниченности ресурсов биосферы и независимости деятельности человека от окружающей его среды было поколеблено появлением первых работ алармистского направления. Прежде всего работами участников "Римского Клуба". Впервые в истории человечества были очерчены грозные последствия
экологической катастрофы. Это было серьезным предупреждением опасности неуправляемого технологического прогресса.Сбалансированность
потоков биологического синтеза и разложения вещества в биосфере поражает своей точностью. Совпадение их друг с другом составляет десятые доли процента, образуя сложную систему замкнутых биохимических циклов. Нарушения этой цикличности и проявляется в истории биосферы в форме экологических кризисов: локальных, региональных и глобальных. Современный кризис, безусловно, является глобальным. Его можно определить как неразрешимое противоречие между утвердившейся в истории цивилизации практикой природопокорительского отношения общества к окружающей среде, берущей начало в неолитической революции, и способностью биосферы поддерживать систему естественных биогеохимических циклов самовосстановления. Если последние совершаются со скоростью в сотни и многие тысячи лет, то техногенные процессы имеют скорость на порядок, а в последнее время на несколько порядков выше. В результате человечество потребляет сейчас более 10% всей продукции биосферы [14]. Именно это приводит к непоправимым перекосам в функционировании биосферы.В замечательной книге М.М. Камшилова "Эволюция биосферы"
[6], написанной еще в 1974 году, так определяется понятие "биосфера": "Организованность бисферы – явление многоплановое. В самом крупном плане биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Существенная составная часть единства – биотический круговорот, основанный на взаимодействии организмов, создающих и разрушающих органическое вещество."В строении биосферы можно обнаружить гетерогенность биотического круговорота, его более древнюю часть, составленную из одноклеточных синтетиков и деструкторов, и относительно позднюю надстройку из многоклеточных организмов.
Бисфера распределена по поверхности Земли неравномерно. В различных природных условиях она сформирована в виде относительно самостоятельных природных комплексов, получивших название экосистем (экологических систем), или биогеоценозов. Понятие биогеоценоз введено в науку известным советским ботаником академиком В.Н. Сукачевым и означает сообщество организмов разных видов (биоценоз), обитающее в определенных природных условиях.
Каждый биогеоценоз, или экосистема, представляет собой своеобразную модель биосферы в миниатюре. Он, как правило, включает фотосинтетиков – хлорофилоносные растения, создающие органическое вещество, гетеротрофов, живущих на созданной автотрофами органике, деструкторов, разрушающих органическое
вещество тел растений и животных до минеральных элементов, а также субстрат с каким-то запасом минеральных элементов.Живая часть биогеоценоза - биоценоз – слагается из популяций организмов, принадлежащих к разным видам. В распределении видов в составе биоценоза обнаруживаются интересные закономерности. Оказалось, например, что, чем меньше вес организма, тем больше его численность.
Так как каждый биогеоценоз включает все основные экологические группы организмов, он по своим потенциям равен биосфере. Это своего рода первичная ячейка эволюции. Биотический круговорот в пределах биогеоценоза – основа длительного его существования – своеобразная модель биотического круговорота земли.
Устойчивость биосферы в целом, ее способность эволюционировать, в значительной мере определяется тем, что она представляет собой систему относительно независимых биогеоценозов. Ведь взаимосвязи между биогеоценозами в основном ограничиваются связями посредством неживых компонентов биосферы: газов атмосферы, минеральных солей, воды.
Биосфера представляет собой иерархически построенное единство, включающее следующие уровни жизни: особь, популяцию, биоценоз, биогеоценоз. Каждый из перечисленных уровней обладает относительной независимостью, что только и обеспечивает возможность эволюции всей большой макросистемы.
В организации биосферы как системы биогеоценозов находит свое выражение общий синергетический принцип формирования сложного из относительно простого:
Аналогичные процессы можно отметить и в формировании технических систем. За время существования человечества и, в особенности, в последнее столетие они оформились в виде новой глобальной системы, охватывающей всю планету, которая получила название "техносфера". Возникает естественный вопрос: насколько правомерно перенесение определенных понятий биологической науки и, в частности экологии, которые ориентированы на исследование естественных объектов на системы искусственного происхождения
? Одним из таких направлений, изучающих изоморфизм между биологическими и техническими системами, в том числе и с точки зрения эволюционных аспектов, стала технетика [15,16]. Этот термин введен специалистом в области электрооборудования промышленных предприятий Борисом Ивановичем Кудриным. Он обозначает интегральное исследование комплекса основных составляющих техносферы: техника, технология, материалы и готовые изделия. Другим аспектом этого направления стало исследование процессов разработки и эволюции сложных технических систем - техноценозов и их формирование в техносферу. Б.И. Кудриным были отмечены существенные аналогии между организмами и техническими изделиями, популяциями и совокупностью взаимодействующих в социотехнической среде изделий (техноценозами), а также много общих черт в эволюции биосферы и техносферы. По-сути трактовка технических систем как органопроекций человека и других живых систем предполагает аналогию и связь между техническими системами и живыми организмами. Это нашло отражение в возникновении такого направления как бионика . Бионика, возникшая в начале 60-х годов, своим девизом избрала принцип “живые прототипы - ключ к новой технике”. Казалось, что достаточно использовать многие идеи и конструктивные решения, заложенные в живых системах и можно будет создавать принципиально новые технические конструкции. Однако такой путь оказался тупиковым. Метод простой аналогии без разработки глубокой теоретической основы, лежащей за рамками чисто технической проблематики не мог привести к существенным результатам. Такой теоретической основой стала разработка проблемы самоорганизации новой междисциплинарной областью знания - синергетикой. Идеи синергетики, возникшие в конце 60-х - начале 70-х годов были дальнейшим продолжением исследований в области термодинамики неравновесных процессов, нелинейной динамики систем, химической кинетики и самоорганизации биологических макромолекул. Новое, что внесла синергетика - это представление о механизмах самоорганизации в различных естественных и искусственных системах. Возникновение новой системы в процессе самоорганизации всегда связано с формированием новой структурной информации.Таким образом появление новой научной парадигмы повлекло за собой и новое представление о дальнейшем развитии технического прогресса. Это отразилось в формировании эволюционного, по-сути, биологического подхода к анлизу техническиих систем, в переходе от метода аналогии к использованию фундаментальных закономерностей, лежащих в основе процессов самоорганизации и функционирования систем любой природы. Таков переход от концепции бионики к идеям экобионики
. Существует, безусловно, преемственная связь между бионикой и экобионикой. Экобионика опирается на идеи бионики, хотя существенно отличается от нее. Экобионика, как теоретическая и практическая система концепций разработки новой техники, во многом должна опираться на теоретический аппарат синергетики. В то же время она должна быть включена в технетику как часть теории технических систем. Новая техника должна вписываться в биосоциальные структуры биосферы. Такая задача не может быть решена без исследования процессов самоорганизации как в естественных, так и в искусственных системах. Экобионика, являясь комплексной системой знаний в области техники, биологии, экологии и синергетики, становится точкой роста целостного восприятия мира и формирования новой философии. Экобионика становится одним из наиболее важных элементов теории ноосферы. Поскольку именно новая техника, согласованная с физическими и биосоциальными процессами становится той ступенью, которая позволит выйти из кризиса и подняться в область ноосферы. Процесс формирования ноосферы, как высшей формы организации биосферы, должен пройти несколько этапов. Мы сейчас, по-видимому, находимся на самом начальном этапе. Перестройка биосферы, связанная с формированием ее в ноосферу, пронизывает все уровни организации биосферы. В настоящий момент эта перестройка носит кризисный характер. Однако в дальнейшем врастание искусственных систем в естественные должно привести к устойчивости этого симбиоза, к появлению нового качества, связанного с большей адаптивной способностью биосферы противостоять вредным возмущениям.Этот процесс носит самоорганизующийся характер и человечество является центральным механизмом самоорганизации. В связи с этим можно выделить следующие уровни самоорганизации биосферы в ноосферу тесно связанные с идеями экобионики.
Уровень микробиологический, связанный с созданием адаптационных механизмов и их поддержкой при взаимодействии человека и микробиологической инфраструктуры биосферы. Здесь можно выделить создание биотехнологических цепочек, которые естественно встраиваются в природные процессы обмена веществ, энергии и информации биосферы.
Уровень организационный. Создание экологически замкнутых биосферных структур, обладающих автономностью и определенными целевыми установками. Каждый техноценоз должен быть очень хорошо согласован с деятельностью биогеоценоза в рамках которого он создается.
Уровень техногенный. Разработка технических систем, создаваемых на прнципах самоорганизации. Такие системы должны иметь определенные свойства живых систем, а их “жизнедеятельность” должна органично включаться в биосферные процессы.
Уровень биосоциальный. Разработка и согласование технических и социально-технических структур в единые экологические и биосоциальные комплексы.
Уровень биосферный. Создание глобального биосферного мониторинга с разработкой соответствующих адаптивных механизмов управления и самоорганизации. Для обеспечения таких механизмов необходима разработка принципиально новых систем переработки информации и воздействия на биосферу. Эти механизмы должны быть более “мягкими” чем существующие, но, вместе с тем достаточно эффективными.
Уровень космический. Обеспечение космического самовоспроизведения бисферы. При этом должна быть выработана новая “космическая этика”. Создание новых биосфер не должно быть сопряжено с разрушением существующих. Экспансия Земной биосферы должна быть хорошо согласована с общекосмическими процессами.
Перечисленные уровни самоорганизации биосферы в ноосферу дают возможность сформулировать те области деятельности, которые связаны с экобионикой и могут быть реализованы уже в настоящее время.
1) Следует выработать основные принципы концепции экобионики:
1.1) Разработка теории экобионических систем должна опираться на методологическую основу общей теории систем и синергетику;
1.2) Теория экобионических систем должна создаваться как часть общей теории биосферы.
1.3) Экобионические системы должны быть подобны биологическим системам и быть способными встраиваться и функционировать как части биологических систем.
1.4) Экобионические технологические процессы должны проектироваться как подсистемы экологических систем (биогеоценозов) с учетом их особенностей и безопасности.
1.5) Для этого предполагается также создание автономных биосферных блоков и заповедников, расположенных в соответствующих климатических и природных условиях.
1.6) Дальнейшая экспансия человека в космос должна учитывать особенности биосфер других планетных систем, руководствуясь принципом: “Не навреди”. В то же время она должна давать возможность создания биосферных систем типа Земной на искусственных и естественных объектах планетных систем.
1.7) Теория управления экобионическими системами должна ориентироваться на создание управляемых градиентов потоков вещества, энергии и информации, таким образом, чтобы учитывались внутренние структурные и динамические свойства управляемых систем (принцип управляемой самоогрганизации). Это отличается от традиционных методов управления, основанных на непосредственном воздействии на управляемые системы.
1.8) Создание экобионических систем должно опираться на исследование как структурных, так и динамических (нелинейных) свойств систем, а также должна учитывать иерархичность и гетерархичность связей между подсистемами путем создания динамических моделей и проведения имитационного моделирования.
2) Результаты исследования философских и психологических аспектов создания экобионических систем можно сформулировать следующим образом:
3) Исследования экологических и биологических проблем разработки экобионических систем, отражены в следующих направлениях:
В заключении хотелось бы вновь обратиться к философской проблематике концепции техники. Она была отражена в различных работах крупнейших современных философов: Хосе Ортега-и-Гассета
Представленная работа выполнялась в рамках проекта Российского Фонда Фундаментальных Исследований по гранту “Экобионика - концепция технологического развития человечества
XXI века”, № 97-06-80406.
Литература
9. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. - М.: Мир, 1973.
10. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979.
Вып. 3. "Ценологические исследования". Ред. и сост. Б.И. Кудрин. - М.:
Центр системных исследований, 1997.