Особенности поведения сложных систем

Сохранение целостности системы при постоянно меняющихся внешних условиях можно представить как достижение некоего равновесия со сре­дой ее обитания. Это равновесие в общем случае подвижно. Устойчи­вость подвижного равновесия выражается в обобщенном принципе Ле Шателье – законе адаптации, согласно этому закону всякая система стремится измениться таким образом, чтобы свести к минимуму эффект внешнего воздействия.

При этом, если интегральные показатели системы при отсутствии изменений внешней среды остаются постоянными, то это состояние гомеостаза. Если же они колеблются около некоего среднего положения, оставаясь вопределенных рамках, это - состояние гомеокинеза.

Наиболее часто в природе встречается гомеокинез, ибо даже в от­сутствии резких изменений, интегральные показатели систем колеблются во времени случайным образом. Такие колебания незначительны, поэто­му часто при описании систем используются средние характеристики ин­тегральных показателей на некотором отрезке времени. Для внешнего наблюдателя система находится в состоянии гомеостаза, конечно с не­которой долей условности.

Примером выраженного состояния гомеостаза могут быть сформиро­вавшиеся зональные геоэкосистемы, содержащие биотические и абиоти­ческие компоненты, находящиеся в квазистационарном состоянии, имею­щие определенный почвенный покров, растительные соообщества, типы режимов функционирования.

Гомеокинез и гомеостаз возможны только при сохранении системы как единого целого с соответственным сохранением ее структуры. Приэтом важен интересующий наблюдателя интервал времени.

Рассматривая систему как целостный объект, имеющий к тому же некие цели своего функционирования, выделим самую главную из них - самосохранение. Для функционирующих биологических систем это очевид­но и не нуждается в особых доказательствах. Для других систем это не всегда столь очевидно, однако внимательное рассмотрение их поведениявсегда в итоге приведет к аналогичным выводам. Система потому и не сводима к сумме своих элементов, что при редукции до этого уровня, она будет попросту разрушенной. Выделите почву и растительность из экоситемы - без постоянного притока органического вещества, кру­говорота питательных элементов, водообмена почвенный покров дегради­рует, превращаясь в конечном итоге в материнскую породу. Раститель­ность, лишившись питательного субстрата и одной из сред обитания, погибнет.

В соответствии с законом адаптации реакции системы на внешнее воздействие в первую очередь направлены на то, чтобы уменьшить неб­лагоприятные последствия этого воздействия. Живые организмы, их сооб­щества (или экосистемы), в природе могут существовать в пределах не­коего диапазона внешних условий и внутренних параметров, характери­зующих сам организм. Для того чтобы выжить организм должен сохранить свою стабильность (гомеостаз). Изменения внешней среды, выходящие за границы гомеостаза, в прямом смысле слова неблагоприятны для орга­низма. Последствия этих неблагоприятных воздействий организм стре­мится свести к минимуму.

Что значит выжить для биосистемы? Это - сохраниться именно в качестве биологической системы, а не некой массы органических ве­ществ. Данное стремление осуществляется с помощью отрицательных об­ратных связей - реакций организма на изменение среды, способствующих уменьшению влияния этих изменений. Помимо отрицательных обратных связей, существуют и положительные обратные связи. Последние вызыва­ют изменения в системах по типу цепной реакции. Однако очевидно, что положительные обратные связи встречаются редко. Иначе системы просто не могли бы существовать физически, меняя свои параметры от самого небольшого воздействия.

Сейчас развернулась дискуссия о возможности глобального потепле­ния климата и роли углекислого газа в формировании парникового эф­фекта. Работами О.Г.Сорохтина показан преимущественный конвекционный перенос тепла в тропосфере. При повышении температуры происходит по­вышенное испарение влаги, растет альбедо, что приводит к изменению радиационного баланса и понижению температуры. Отрицательная обрат­ная связь приводит к стабилизации. При этом делается очень интерес­ный вывод о том, что изменение температурного режима обуславливает динамику углекислоты в атмосфере, играет роль запас углерода в миро­вом океане и в гумидных ландшафтах умеренного климата, а не наобо­рот. Отсюда опасения "парникового эффекта" не всегда состоятельны.

Эффектив­ность обратных связей определяет целостность системы. Следовательно, сложные системы целостнее. Они более четко выделяются при исследова­нии. Другим важным свойством сложных систем является не плавное, а скачкообразное изменение их поведения.

Рассмотрим в чем же причина подобного поведения. Через механиз­мы обратных связей система стабилизирует свою внутреннюю среду. Нап­ример, температура воздуха может сильно меняться, но теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела. Возможности обратных связей не безграничны. Рано или поздно наступает состояние, которое в биологии называется срывом адаптации. Система либо гибнет, либо вынуждена существенно измениться, чтобы соответствовать новым усло­виям.

Но что такое существенные изменения?Это появление новых связей между компонентами, изменение характеристик сохранившихся каналов массоэнергообмена. В конечном итоге это изменение интегральных показателей состояния. Причем данные показатели меняются резко, скачком, что вполне объяснимо, ибо до момента срыва они были практически постоянны. Постоянными будут они и в новом состоянии. Поэтому переход между состояниями должен быть резким, как переход со ступени на ступень.

В экологии примером таких смен состояния является, в частности, замена лесных растительных сообществ на степные или наоборот. Оче­видно, что функционирование экосистем лесов и степей существенно различно.

Состояние системы - эторежим ее функционирования, когда ин­тегральные показатели находятся в гомеостазе (или гомеокинезе) с ок­ружающей средой, а обобщенная структура системы остается неизменной во времени и пространстве. Состояний системы не может быть бесконеч­но много и они не могут быть произвольны. Действительно, каждому ди­апазону внешних воздействий соответствует свое определенное состоя­ние. Коль скоро общий диапазон внешних воздействий, в рамках которых система может существовать как таковая, ограничен, то и количество состояний ограничено.

Минимальный отрезок времени, в течении которого происходит сме­на состояний системы называется характерным временем развития систе­мы.

Смена состояний системы сопровождается не только обязательными изменениями ее интегральных показателей, но иногда и структурными перестройками разного масштаба. При этом система может сохранить ряд своих наиболее важных характеристик, она остается целостной и про­должает входить в качестве определенного компонента в ту же систему более высокого уровня, в какую она входила ранее. Большинство компо­нентов системы сохраняются. Физические и иные потери могут наблю­даться только на уровне элементов системы если она гетерогенная.

Подобная смена состояний называется кризисом. Кризис не ведет к разрушению системы, но ведет к ее существенной перестройке или пере­настройке на новые условия существования. Фактически для большинства систем кризис есть механизм обновления, некий экстраординарный меха­низм адаптации к новым условиям.

Более глубокие изменения системы называются катастрофой. Ка­тастрофу уже трудно назвать механизмом адаптации. Радикальные изме­нения навязываются системе извне. Возможности адаптации в данном случае позволяют лишь сохранить систему как таковую. Катастрофа ха­рактеризуется радикальным изменением структуры системы. При этом от­дельные компоненты исчезают. На их месте могут появляться новые, хо­тя этого может и не происходить. Идет повсеместное уничтожение ста­рых и появление новых элементов. Морфология системы изменяется. Она уже видится внешнему наблюдателю существенно иначе. Интегральные по­казатели системы меняются значительно и резко. К экологической катастрофе приводит радикальное преобразование природы; того или иного региона (бассейн Арала, Среднее Приобье, район Чере­повца, Братска и другие).

Еще более радикальные изменения системы называются катаклизмом. Катаклизм есть по существу разрушение системы. Подавляющее большинс­тво звеньев ее структуры разрушается. Исчезает основная часть компонентов и элементов. Воссоздание системы после катаклизма по сути яв­ляется построением новой системы с использованием элементов старой, исчезнувшей. Может происходить поглощение остатков старой системы существующей другой суперсистемой.

В соответствии с идеологией сис­темного анализа с точки зрения категорий цели, катаклизм есть "неже­лательное" для системы явление. Однако, следует помнить, что и ка­тастрофа, и тем более кризис - прежде всего глубокие изменения сис­темы, имеющие как отрицательные, так и положительные последствия для той же системы. Замена тундры на тропики в случае глобального потеп­ления климата, строго говоря, экологическая катастрофа для тундры. Однако это не катастрофа в общепринятом понимании ни для экосистемы, ни для человека, если не брать глобальные превращения. Экосистема остается экосистемой. Глубокие изменения в ней соответствуют извест­ной в экологии концепции представления экосистемы, как некой квазис­тационарной структуры при переменных вещественно-энергетических но­сителях. Это является частным случаем более общей характеристики жи­вого, а именно, эквифинальности - способности живых систем к сохране­нию результата при решительном изменении путей его достижения. Реа­лизуется общесистемный принцип "выживания через кризис ".

Итак, сложные системы ведут себя дискретно. Им присущи некие квазистационарные состояния, когда их реакции на изменения окружаю­щей среды просты, однообразны. При моделировании поведение сложной системы, находящейся в квазистационарном состоянии, можно описать очень простыми, зачастую линейными, системами обыкновенных дифферен­циальных уравнений или использовать уравнения математической физики. Отдельного серьезного рассмотрения требуют методы математической ки­бернетики, распознавания образов, самонастраивающихся моделей, диск­ретной математики, теории автоматов, в которых наиболее ярко реали­зуется принцип дискретности состояний.

Прогнозировать поведение системы, находящейся в квазистационар­ном состоянии, сравнительно просто. Главным является предвидение смены состояний в результате кризисов, катастроф и катаклизмов. Это не является "мгновенным" процессом.

Поведение сложной системы можно сравнить с движением неупругого шарика, скатывающегося по лестнице с очень широкими и низкими ступе­нями. Во-первых, в состоянии покоя (если движение прекращается) ша­рик может находиться только на одной из ступеней, но не между ними.

Во-вторых, если движение происходит, шарик, как бы быстро он не ка- j тился, движется в пределах ступеней гораздо более длительное время, * чем перескакивая со ступени на ступень, и в-третьих, с одной ступени шарик может перекатиться только на соседнюю. Последнее означает, что из одного фиксированного состояния система не может перескочить в любое произвольное состояние, а только в одно из близких, "сосед­них", предсказуемых состояний.

Интересно, что подобная детерминированность эволюции системы, невозможность без слома системы пройти по некой произвольной траек­тории развития, является в известной степени "научным обоснованием" некоторых положений восточной философии. Например, утверждения ки­тайского мыслителя Лао-цзы, что "все может быть сделано при помощи недеяния". Зная общую направленность эволюции системы, можно утверж­дать, что она сама пройдет в свое время через строго определенные состояния и даже мощнейшие воздействия не смогут изменить такой ха­рактер ее эволюции. Если не ставить задачу ввести систему в некое неестественное "гипотетическое" состояние, то через все свои естест­венно обусловленные состояния она пройдет сама.

Это не значит, что в природе может наблюдаться только такое по­ведение сложных систем. При постоянном однонаправленном изменении внешних условий система может не задерживаться долго даже на "ступе­нях" отдельных состояний, а "проскакивать" их, но именно их, а не некие произвольные состояния, подстраиваясь к непрерывно меняющейся среде. Подчеркнем, что такой режим внешних воздействий не меняет об­щий характер эволюции системы, но он ускоряет ее темп. Следующим этапом может быть объединения состояний в классы по неким признакам и рассмотрение движения системы в новых структурах, согласно приве­денному выше алгоритму.

Наблюдаемая часто "задержка" системы в определенных состояниях воспринимается внешним наблюдателем, как невозможность, неэффектив­ность воздействия на систему определенными методами. Известным при­мером такого положения в экономике является насыщенность производс­твенными фондами (трудовыми и иными ресурсами). Это происходит тог­да, когда экономическая система вошла в определенное состояние. Сде­лать систему восприимчивой к дополнительным вливаниям ресурсов можно только путем структурной перестройки производства. После оно обычно становится эластичным по отношению к дополнительным капитальным вло­жениям.

Часто для внешнего наблюдателя наиболее важным представляется прогнозирование или управление прежде всего процессом смены состоя­ний. Следовательно время смены состояний представляется существенной характеристикой системы. Зачастую прогнозировать реальную картину смены состояний затруднительно. Можно сказать лишь, что идет процесс перехода от состояния А к состоянию Б, который завершиться не ранее момента времени t_t, и не позднее момента времени t.