Основные понятия и определения. Система – это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами) системы

СИСТЕМА – это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами) системы.

СИСТЕМА определяется как совокупность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции (Р. Шеннон, 1978г.).

ИЕРАРХИИ материального мира – упорядоченные последовательности соподчинения и усложнения.

Иерархии подразделяются на физические (физико-химические), биологические, социальные и технические.

Некоторые общие свойства систем.

Свойства системы невозможно постичь лишь на основании свойств составляющих ее частей. Решающее значение имеет именно взаимодействие между элементами. По отдельным деталям машины перед сборкой нельзя в полной мере судить о ее действии. Степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы (emergent – анг. – внезапно возникающий – концепция, рассматривающая развитие как скачкообразный процесс, при котором возникновение новых, высших качеств обусловлено не столько свойствами отдельных элементов, сколько их взаимосвязями).

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 двух элементов (болт и гайка, белок и нуклеиновая кислота, он и она и т.д.), верхний – бесконечность. Разнообразие микроскопических свойств частей системы, наличие в ней разных фазовых состояний вещества определяет гетерогенность системы.

Устойчивость и способность к самосохранению – преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними.

По виду обмена веществом и / или энергией с окружающей средой различают:

- изолированные системы – никакой обмен невозможен;

- замкнутые системы – невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен в любой форме;

- открытые системы – возможен любой обмен веществом и энергией.

Системы, элементы которых взаимосвязаны переносами (потоками) вещества, энергии и информации, носят название динамических. Динамические системы являются принципиально открытыми. Любая живая система представляет собой динамическую (т.е. открытую) систему.

Принцип эволюции: возникновение и существование всех систем обусловлены эволюций. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии – образования подсистем в структуре системы (кооперативный, системообразующий принцип).

Некоторые параметры систем.

Сложность структуры системы определяется числом n ее элементов и числом m связей между ними. Если в какой–то системе исследуется число частных дискретных состояний, то сложность системы Н_m определяется логарифмом числа связей:

Н_m = lg m.

Системы условно классифицируются по сложности следующим образом: системы имеющие до тысячи состояний (0 < H_m < 3), относятся к простым, до миллиона состояний (3< H_m < 6) – к сложным, свыше миллиона (H_m > 6) – к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны. Даже в структуре единичного вируса число биологически значимых молекулярных состояний на несколько порядков больше.

По другим критериям оценки сложности, если система способна к акту решения, т.е. к выбору альтернатив поведения (в том числе и с помощью случайного механизма), то такая решающая система считается сложной. Сложной будет и любая система, включающая в себя в качестве подсистемы хотя бы одну решающую систему.

Разнообразие состава или взаимосвязей в системе оценивается по показателю Симпсона как:

D = 1 -

или по формуле К. Шеннона:

H = - ,

где D, Н – индексы разнообразия, р_i – нормированная относительная численность i – го вида элементов в совокупности n видов ( р_i = 1).

Оценка относительной организации системы, зависящей от сложности разнообразия состава, рассчитываются по формуле:

R = 1 -

По этому параметру системы разделяются на три группы.

Если R мала (0< R < 0,1), система считается вероятностной, неустойчивой, обладающей малой жесткостью и способной гибко изменить свои состояния. Если R сравнительно велика (0,3 < R < 1), то система считается детерминированной, т.е. кооперативной, жесткой, устойчивой. Промежуточное положение занимают квазидетерминированные системы (0,1 < R < 0,3). Большинство природных систем имеет вероятностный и квазидетерминированный характер.

Системные законы макроэкологии.

Современная экология располагает совокупностью правил и законов для иллюстрации которых используются аксиомы – поговорки американского эколога Б. Коммонера:

- все связано со всем;

- все должно куда-то деваться;

- ничто не дается даром;

- природа знает лучше;

- на всех не хватит.

О всеобщей связи вещей и явлений в природе и человеческом обществе. (все связано со всем). Всеохватность связей входит в само понятие системы и может быть продемонстрирована на любом системном уровне.

В мире живых существ тотальность связей проявляется особенно ярко, потому что при физико-химическом единстве всего живого, живые системы характеризуются наиболее разнообразными, разветвленными и интенсивными взаимопереходами вещества, энергии и информации. Они образуют экологические сети взаимосвязей. Можно отметить несколько важных для экологии следствий всеобщей связи:

- закон больших чисел – совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер;

- принцип Ле - Шателье – при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается (способность экологической системы к авторегуляции);

- любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формированию новых взаимосвязей;

- любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах (закон оптимальности);

- любые системные изменения в природе оказывают прямое или опосредованное воздействие на человека – от состояния индивидуализма до состояния сложных общественных отношений.

О законах сохранения (все должно куда-то деваться).

В отличие от человеческого производства и быта живая природа в целом почти безотходна, в ней нет такой вещи, как мусор (продуценты – консументы – редуценты).

Продуценты - автотрофные организмы, (в основном – зеленые растения), образующие первичную продукцию органических веществ.

Консументы – гетеротрофные организмы (в основном животные), потребляющие органическое вещество других организмов – растений (растительноядные – фитофаги) и животных (плотоядные – зоофаги).

Редуценты – гетеротрофные организмы (бактерии и грибы), завершающие распад органических соединений до простых неорганических веществ – воды, диоксида углерода, сероводорода и солей.

Наличие этих трех видов организмов позволяет биосфере всегда соблюдать количественный баланс масс и равенство скоростей синтеза и распада. Это означает высокую степень замкнутости кругооборота вещества в биосфере.

Ксенобиотики (от греческ. ксенос – чужой) – чуждые химизму живых организмов стойкие синтетические соединения. Дезактивация рассеянных ядовитых вещей в большинстве случаев невозможна.

Экологическая интерпретация законов сохранения:

- Закон развития системы за счет окружающей среды – любая природная или общественная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно (пример: встречающиеся до сих пор «дикие племена» – развиваются в контакте с окружающей природой, но находятся в информационном вакууме);

- Закон неустранимости отходов или побочных воздействий производства – в любом хозяйственном цикле образующиеся отходы и возникающие эффекты неустранимы, они могут быть лишь переведены из одной формы в другую или перемещены в пространстве, а их действие может быть растянуто во времени. Этот закон исключает принципиальную возможность безотходного производства и потребления в современном обществе.

О цене развития (ничто не дается даром).

Эволюция систем осуществляется в сторону усложнения и совершенствования организации. Развитие происходит за счет не только окружающей среды, но и собственных качественных ресурсов: любое новое приобретение в эволюции системы обязательно сопровождается утратой какой-то части прежнего достояния и возникновением новых, все более сложных проблем. Отсюда следуют:

- закон необратимости эволюции (однонаправленность развития): большие системы эволюционируют только в одном направлении – от простого с сложному; инволюция, регресс могут относиться только к отдельным частям или к отдельным периодам развития системы;

- правило (закон) ускорения эволюции: с ростом сложности организации системы темпы эволюции возрастают (за большее число степеней свободы и богатство выбора человеку приходится платить необычайно возросшей напряженностью жизни, остротой борьбы за существование, постоянным риском гибели).

В экономике природы, как и в экономике человека не существует бесплатных ресурсов: пространство, энергия, солнечный свет, вода, кислород, какими бы «неисчерпаемыми» ни казались их запасы на Земле, неукоснительно оплачиваются любой расходующей их системой. Оплачиваются полнотой и скоростью возврата, оборота ценностей, замкнутостью материальных круговоротов – биогенных элементов, энергоносителей, пищи, денег, здоровья.

Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничто не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения, все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю не избежать, он может быть только отсрочен. Нынешний кризис окружающей среды говорит о том, что отсрочка очень затянулась.

О главном критерии эволюционного отбора (природа знает лучше). Это утверждение не столь очевидно, но очень важно для понимания взаимоотношений человека и природы. Оно имеет два аспекта: бионический и эволюционный.

Бионика – наука о применении принципов действия живых систем и биологических процессов для решения инженерных задач – лишь переводит гениальные находки и идеи природы на язык человеческой техники и решает их другими средствами, «с другого конца». Чтобы убедиться в этом, достаточно сопоставить полные технико-экономические параметры в таких гомологических парах: автомобиль-лошадь, подводная лодка-дельфин, солнечная батарея-зеленый лист растения, гидравлический компрессор-сердце, компьютер-человеческий мозг.

Превосходство живого в полной мере относится и к экологическим системам. Это касается не только более высокой устойчивости природных экосистем по сравнению с искусственными. Принцип «природа знает лучше» определяет прежде всего то, что может и что не должно иметь место в биосфере.

Все в природе – от простых молекул до человека – должно было пройти очень жестокий конкурс на вакансию в биосфере (в деловой жизни применимо выражение «найти свое место в жизни», «свою нишу» и т.д.). По подсчетам ученых, сегодня планету населяет лишь одна тысячная часть испытанных эволюцией видов растений и животных.

Главный критерий этого отбора – вписанность в глобальный биотический кругооборот, увеличение его эффективности, заполненность всех экологических ниш, исключение «мертвых зон» в сети природных взаимосвязей.

У любого вещества, выработанного организмами, должен существовать разлагающий его фермент. Все продукты распада должны вновь вовлекаться в круговорот. Такова жизнь. С каждым биологическим видом, который нарушал этот закон, уменьшая замкнутость биотического круговорота, эволюция рано или поздно беспощадно расставалась, находя организмы – «заместители», способные восстановить замкнутость экологических циклов (возможно, к таким «заместителям» относятся и мутанты).

Человеческая индустриальная цивилизация очень быстро и грубо нарушает замкнутость биологического круговорота в глобальном масштабе, что не может остаться безнаказанным. В этой критической ситуации должен быть найден компромисс и выработаны условия его принятия. Поэтому Б. Коммонер через 2 года после выхода его книги «Замыкающийся круг», внес поправку в формулировку закона:

Природа знает лучше, ЧТО делать, а люди должны решать, КАК сделать это возможно лучше.

Закон ограниченности ресурсов (на всех не хватит).

В природе действует правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Репродуктивный потенциал многих организмов так велик, что если бы на какое-то время были сняты ограничения размножения и остановлено вымирание, то произошел бы «биологический взрыв» космического масштаба: за считанные часы масса живого вещества превысила бы массу земного шара. Это не происходит из-за ограничений по веществу: масса питательных веществ для всех форм жизни на Земле конечна и ограничена.

Это означает, что общее количество живого вещества всех организмов планеты сравнительно мало изменяется, во всяком случае в пределах больших отрезков времени. Эта закономерность сформирована В.И. Вернадским в виде закона константности количества живого вещества: количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа.

Значительное увеличение численности и массы каких-либо организмов в глобальном масштабе может происходить только за счет уменьшения численности и массы других организмов.

Противоречие между скоростью размножения и ограниченностью ресурсов питания применительно к человеческому народонаселению впервые сформировал Т.Р. Мальтус (1798г.). Этим он обосновал неизбежность социальной конкуренции. Ч. Дарвин заимствовал у Мальтуса понятия «борьба за существование» для объяснения механизма естественного отбора.

«На всех не хватит» – источник всех форм конкуренции, соперничества и антагонизма в природе и в обществе. Внутри популяций или между популяциями различных растений или животных предметом конкуренции чаще всего бывает пища, пространство (и в буквальном и в переносном смысле – место под солнцем), убежище или половой партнер. В человеческом обществе все это сохраняет свое значение, но украшается разнообразными социальными, экономическими, этическими и эстетическими «надстройками», часто играющими самостоятельную роль. Классовая борьба, расизм, межрегиональные и межнациональные конфликты, межрелигиозные конфликты - все они есть ничто иное, как уродливые рудименты внутривидовой конкуренции, принимающей иногда более жестокие формы, чем у зверей. Существенное различие в том, что в природе в результате конкурентной борьбы остается лучшее, а в человеческом обществе это отнюдь не гарантировано, скорее наоборот.

Причинные связи.

Взаимодействие между элементами системы может иметь различную природу и выражаться различными функциями. Поведение экологической системы часто определяется не столько функциональными характеристиками связей, сколько их причинной направленностью. Основные типы поведения, наблюдаемые в системах, можно определить в виде графика базовой функции, где на оси абсцисс откладывается время, а на оси ординат – существенные факторы динамики системы. График базовой динамики имеет бесчисленное количество интерпретаций, равное количеству взаимосвязей в живой природе и обществе в целом.

Сети взаимодействий и контуры обратных связей.

В реальных системах известные зависимости образуют сложенные цепи и сети причинных связей. Многие цепи причинных связей образуют замкнутые кольца или контуры обратных связей.

Простейшим примером такого контура может быть модель взаимовлияния численностей популяций хищника и жертвы.

Контуры, имеющие общий отрицательный знак, способны к самоподдерживанию и саморегулированию.

Контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, но и генерируют дестабилизацию системы.

В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков. При рассмотрении контуров с большим числом связей существует важное правило: при четном количестве последовательных отрицательных связей в контуре он становится контуром положительной обратной связи (закон «отрицание отрицания»).

Мания-структура. Система, которая наносит или своими действиями заставляет другие системы наносить вред окружающей среде, очень похожа на системы, например, заставляющие людей курить, становиться наркоманами, использовать все больше пестицидов в с/х, создавать все больше и больше оружия, чтобы обеспечить безопасность. Такие порочные структуры некоторые авторы называют «мания» – структурами, имея в виду их сходство с явлением пристрастия человека, что объективно наносит ему вред, и последствия чего он в большинстве случаев осознает.

Нет никого, кто сознательно хотел бы губить природу и нарушать окружающую среду, но наносимый им ущерб все время возрастает.

Как возникают мания-системы? Предположим, что появление каких-то проблем приводит к ухудшению состояния системы. Назовем его здоровьем системы. Подлинное здоровье системы нам в большинстве случаев неизвестно, мы о нем можем судить лишь по некоторым наблюдениям и измерениям. Для улучшения здоровья системы выполняются некоторые действия, противодействующие влиянию негативных факторов, и частично или полностью здоровье системы восстанавливается. По существу речь идет о регулируемом контуре. Под регулируемым контуром – здоровьем системы – можно подразумевать состояние самых различных систем (обеспечение механизма смазкой, организма – пищей, больного – лекарством, ребенка – заботой, государства - хорошим правительством).

Но часто бывает, что регулируемым параметром становится не действительное, а воспринимаемое по внешним признакам, кажущееся состояние системы. В силу особенностей человеческой психологии оно постепенно все легче принимается за желаемое, тогда ослабляется или вообще отпадает необходимость противодействия. а на фоне кажущегося благополучия действительное состояние системы ухудшается. Здесь вступает в действие логика самообмана, результат действия замыкается не на подлинное, а на кажущееся здоровье системы. Это и есть согласно Д. Медоузу «мания»-структура.

Система «Человек-Экономика-Биота-Среда» (ЧЭБС).

Простейший контур взаимодействия «человек-природа». При условии равновесия он не отличим от пары «хищник-жертва», «эксплуататор-ресурс». Человек (эксплуататор) неизбежно угнетает сам себя через посредство угнетения природы (ресурса). Для того, чтобы избежать этого, человек вынужден соизмерять свой «аппетит» с ресурсами природы.

Природа подразделяется на биоту и на их среду, включая человека.

Биота – любая пространственная совокупность всех живых организмов, безотносительно к категории сообщества (например, биота экосистемы, биота суши, биота океана, биота биосферы).

Биосфера – глобальная экосистема, особая активная оболочка Земли, состав, строение и энергетика которой определяется деятельностью живых организмов.

Биотические факторы – все формы воздействия организмов друг на друга.

Биотический круговорот – круговорот биогенных элементов и вовлекаемых им других веществ в экосистемах, в биосфере между их биотическими и абиотическими компонентами. Важнейшей чертой биосферного биотического круговорота является высокая степень замкнутости.

Абиотические факторы – факторы неживой природы (космические, геофизические, климатические, пространственные, временные и т.п.), оказывающие прямое или косвенное влияние на живые организмы.

Система «Человек» подразделяется на собственно человека (людей) и на человеческое хозяйство – экономику.