МАКСЮТА Д.І.
студент 1 курсу другого (магістерського) рівня вищої освіти
факультету фізики, математики та інформатики
Науковий керівник: Дудик М.В.
кандидат фізико-математичних наук, доцент, професор кафедри фізики та інтегративних технологій навчання природничих наук
Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини
МОДЕЛЮВАННЯ ЯВИЩА САМООРГАНІЗАЦІЇ ЖИВИХ СИСТЕМ ЗАСОБАМИ ПРОГРАМИ «ЖИТТЯ»
Існування життя у Всесвіті є однією з найбільших загадок природи. Саме явище життя може здатись таким, що суперечить деяким фундаментальним законам фізики, зокрема, другому началу термодинаміки, згідно з яким природні процеси у замкнутих системах відбуваються зі зростанням ентропії та ведуть до збільшення хаосу, в той час як живим системам притаманна упорядкованість і структурна організація.
У зв’язку з цим при вивченні природничо-наукових дисциплін важливим завданням є роз’яснення того факту, що в існуванні живих систем немає жодних протиріч. Зокрема, явище самоорганізації, притаманне живим організмам, може бути обґрунтоване на основі розгляду поведінки систем простих об’єктів, які підкоряються ряду елементарних правил взаємодії.
В інформатиці подібну проблему 1940-х роках розглядав відомий математик Джон фон Нейман, який намагався створити гіпотетичну машину, здатну відтворювати сама себе. Але запропонована фон Нейманом математична модель такої машини виявилась доволі складною. Працюючи над спрощенням її ідей, англійський математик Джон Конвей у 1970-х роках розробив правила, які стали правилами запропонованої ним гри «Життя». Ці правила у класичному варіанті полягають у наступному [1]. Ігрове поле розбито на квадрати, в які на початку гри у тому чи іншому порядку розміщують деяку кількість фішок – «живих клітин». Подальше розташування фішок відбувається всього лише за двома простими критеріями, які визначають “народження” або «смерть» фішок («клітин»):
- «народження»: нова фішка може з’явитись у будь-якій комірці з трьома і лише трьома сусідами;
- «смерть»: фішка зникає від самотності, якщо кількість сусідів стає менше двох, або ж від тісняви, якщо її оточує більше трьох сусідів.
Простота правил гри «Життя» сприяє її легкій алгоритмізації та програмній реалізації навіть на малопотужних комп’ютерах, але аналіз результатів її виконання приводить до досить вагомих пізнавальних висновків. Вони можуть служити хорошою ілюстрацією процесів, які демонструють можливість самоорганізації систем як наслідок виконання простих алгоритмів поведінки її об’єктів. Прості правила гри «Життя» призводять до величезної різноманітності форм, які можуть виникнути у грі, причому гра відбувається без безпосередньої участі в ньому гравця, який лише розставляє чи генерує початкову конфігурацію «живих» клітин, що потім взаємодіють згідно з правилами. Було виявлено, що еволюція деяких початкових конфігурацій приводить до розмноження зародкової структури, виникнення доволі складних стійких структур і навіть переміщення у просторі гральної дошки. Одна із знайдених початкових конфігурацій приводила до нерухомої структури, яка періодично породжувала рухомі фігури – «планери», внаслідок чого кількість живих клітин могла зростати необмежено.
Гра «Життя» є вдалою спробою Дж. Конвея довести існування простих самовідтворюваних систем. Вона демонструє вражаючу зовнішню подібність із розвитком популяцій примітивних організмів, вказує на можливість появи упорядкованих структур у системі взаємозалежних елементів в результаті кількох елементарних процесів, у тому числі виникнення та еволюцію живих організмів, здатних до самовідтворення. Гра «Життя» є наочною ілюстрацією явищ, які відносяться до класу процесів із самоорганізацією і складають предмет міждисциплінарної галузі науки – синергетики.
Список використаних джерел
- Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М.: Мир, 1987. 224 с.