Система. Общие свойства и параметры систем

Основы общей экологии

Рассматривая предмет экологии, мы столкнулись с понятием “система”. Оно лежит в основе экологии. Экосистема – главный объект изучения экологии. В этом разделе мы обсудим понятия, относящиеся к сложным системам вообще, а следующий посвятим экосистемам. Существуют общие принципы для изучения технических, биологических и социальных систем.

Система – это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами) системы. Дословно система в переводе с греческого означает “целое, составленное из частей”. В общепринятом смысле под системой понимают совокупность явлений, находящихся в определенных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность. Мы будем рассматривать только реальные материальные системы. По Р. Шеннону, система определяется как “совокупность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции”.

1.1.1. Общие свойства систем

1. Структура и поведение.

Любая система характеризуется своей структурой и поведением. Структура - это внутренняя форма организации системы, выступающая как единство устойчивости взаимосвязей между ее элементами. Поведение определяет внешнюю сторону системы, в соответствии с которой она может входить в качестве элемента в состав других систем более высокого уровня.

2. Подобие части и целого.

Часть – копия целого, а потому все части одного уровня иерархии систем похожи друг на друга.

Это наиболее общая системная закономерность. Следует особо отметить, что подобие части и целого не означает их идентичности. Если какая-то часть (подсистема) не подобна системе в целом, то она входит в дисгармонию с другими подсистемами и с системой в целом. Такое состояние называется неустойчивым, и поэтому такая подсистема либо изменяется и входит в гармонию с целостностью, либо разрушается. Длительно и устойчиво существуют только системы, несущие в себе подобие системам, в состав которых они входят.

3. Эмерджентность.

Система характеризуется возникновением интегральных свойств, не сводимых к сумме свойств составляющих систему элементов, не характерных для данных элементов и применимых только ко всей системе в целом.

Это свойство системы называется эмерджентностью (от англ. emergence – возникновение, появление нового). Аксиома эмерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у частей – подсистем, и не равно сумме элементов, объединенных системообразующими связями.

Зачастую, исходя из свойств отдельных компонентов системы, невозможно предсказать свойства системы как целого (например, водород и кислород, соединяясь дают воду, т.е. вещество, совершенно непохожее на исходные газы). Особенно сильна эмерджентность в высокоорганизованных биосистемах, таких, как теплокровные животные (проявление эмерджентности – образное отражение окружающего мира - психика, разум).

4. Принцип необходимого разнообразия элементов.

Система не может состоять из абсолютно идентичных элементов. Никакая система не может быть организована из элементов, лишенных индивидуальности. Нижний предел разнообразия - не менее 2 элементов (болт и гайка, белок и нуклеиновая кислота), верхний – бесконечность.

5. Иерархичность.

Иерархия (перевод с греч.) - “расположение ступенчатым рядом”. Иерархичность есть одно из основных свойств систем, в соответствии с которым любая система сама может являться элементом более общей системы. Иерархичные системы быстрее возникают из составляющих их частей по сравнению с иерархическими системами, имеющими то же число элементов, они более пластичны к нарушениям.

6.Устойчивость.

Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними воздействиями определяет ее устойчивость и способность к самосохранению. Внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее энергетику ее внутренних взаимодействий, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость (как стационарное состояние) динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой внешней циклической работой. Для этого необходимы поток и преобразование энергии в системе.

7. Связи между элементами системы.

Каждая система характеризуется наличием связей между ее элементами. Следствием внутрисистемных связей является эмерджентность. Различают прямые и обратные связи. Если один элемент воздействует на другой без ответной реакции, то такая связь – прямая. Ответная реакция на воздействующий элемент называется обратной связью.

8. Эволюционная природа систем.

Возникновение и существование всех систем обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких отклонений от стационарного состояния, при которых поток энергии через систему возрастает. Следствием увеличения сложности и разнообразия является ускорение эволюции.

1.1.2. Классификация систем

По виду обмена веществом и/или энергией с окружающей средой различают: а) изолированные системы (никакой обмен невозможен); б) замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен в любой форме); в) открытые системы (возможен любой обмен веществом и энергией).

Системы, элементы которых взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации, называют динамическими. Динамические системы являются принципиально открытыми. Любая живая система – динамическая, следовательно, открытая.

1.1.3. Параметры систем

1. Сложность структуры

Определяется числом n элементов системы и числом m связей между ними. Сложность системы С определяется логарифмом числа связей

С = Lg m.

Вследствие чего системы условно классифицируют по сложности следующим образом:

0 < С < 3 (системы, имеющие до тысячи состояний) – простые;

3 < С < 6 (системы, имеющие до миллиона состояний) – сложные;

С > 6 (системы, имеющие свыше миллиона состояний) – очень сложные.

Все реальные природные системы очень сложны.

Другой критерий сложности системы связан с ее поведением, реакцией на внешнее воздействие. Если система способна к выбору альтернатив поведения (акту решения) (в т.ч. и с помощью случайных механизмов), то такая решающая система – сложная.

2. Разнообразие состава

Оценивается двумя способами

а) показатель Симпсона ,

где p_i – относительная численность (частота встречаемости) i-го вида элементов в совокупности n видов (Sp_i=1);

б) формула Шеннона .

3. Организация системы

Оценивается как .

По этому параметру системы делятся на 3 группы:

1) 0<R<0,1 - вероятностная, неустойчивая система;

2) 0,3<R<1 – детерминированная, консервативная, жесткая, устойчивая;

3) 0,1<R<0<0,3 – промежуточные, квазидетерминированные системы (биологические индивидуумы, организмы, виды).

Большинство природных систем имеет вероятностный или квазидетерминированный характер. Системы 3-го типа имеют системную иерархию структур и функций с выделенной внутренней системой управления (это может быть центральная нервная система, в социумах – государственная администрация).

Природные (вероятностные) системы состоят из большого числа отдельных, разнообразных индивидов, но способны к самоподдержанию без центральных регуляторов, т.е. к авторегуляции.