Принципы теории систем в экологии



2.6Принципы теории систем в экологии.

Экологическая система — главный объект экологии. Существуют некоторые общие принципы, позволяющие составить единую основу для изучения технических, биологических и социальных систем.

Согласно общей теории систем под системой понимается некая мыслимая или реальная совокупность частей (элементов) со связями (взаимодействиями) между ними. Здесь рассматриваются только реальные материальные системы.

Некоторые общие свойства систем:

1. Свойства системы невозможно понять лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно связь или взаимодействие между частями системы. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Независимое рассмотрение законов человеческого общества и законов биоэкологии не позволяет судить о характере взаимоотношений человека и живой природы. Степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы.

2. Каждая система имеет определенную структуру. Она не может состоять из абсолютно идентичных элементов; для любой системы справедлив принцип необходимого разнообразия элементов. Нижний предел разнообразия — не менее двух элементов, верхний — бесконечность. Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему, и может быть измерено. В экологии оно обычно оценивается по показателю К.Шеннона:

гдеV индекс разнообразия,

pi нормированная относительная численность i-го вида организмов в совокупности п видов (pi = 1).

3. Выделение системы делит ее мир на две части — саму систему и ее среду. При этом сила связей элементов внутри системы больше, чем с элементами среды. По характеру связей, в частности, по типу обмена веществом и энергией со средой выделяют следующие системы:

— изолированные системы (никакой обмен не возможен);

— замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен);

— открытые системы (возможен обмен и веществом, и энергией). В природе реально существуют только открытые системы. Системы, между внутренними элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем. Любая живая система — от вируса до биосферы — представляет собой открытую динамическую систему.



4. Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними определяет ее устойчивость, способность к самоподдержанию.Внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее силу ее внутренних связей и способность к адаптации, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой («принцип велосипеда»).

5. Действие системы во времени называют поведением системы. Изменение поведения под влиянием внешних условий обозначают как реакцию системы, а более или менее стойкие изменения реакций системы — как ее приспособление, или адаптацию. Адаптивные изменения структуры и связей системы во времени рассматривают как ее развитие, или эволюцию. Возникновение и существование всех материальных систем обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии — образования подсистем в структуре системы. При этом наблюдается определенная последовательность становления эмерджентных свойств (качеств) системы —устойчивости, управляемости и самоорганизации. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких адаптации, при которых проток энергии через систему и ее потенциальная эффективность увеличиваются.

6. С возрастанием иерархического уровня системы возрастает и сложность ее структуры и поведения. Сложность системы определяется числом п связей между ее элементами:

Hn = lgn

Обычно системы, имеющие до тысячи связей (0 n< 3), относятся к простым; до миллиона связей (3 n< 6) -к сложным; свыше миллиона (Hn> 6) — к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны.

Другой критерий сложности связан с характером поведения системы. Если система способна к акту решения, т.е. к выбору альтернатив поведения (в том числе и в результате случайного изменения), то такая решающая система считается сложной. Следствием увеличения сложности систем в ходе их эволюции является ускорение эволюции, все более быстрое прохождение ее стадий, равноценных по качественным сдвигам.

7. Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. От выбора того или иного направления развития в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира веществ, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть обусловлен случайным импульсом.

8. Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, называемого соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических (причинно-следственных) или математических (функциональных) отношений.

2.7 Системный подход и системный анализ.

«Общая теория систем» и «системный подход» — это не синонимы. Общая теория систем является наукой, формулирующей закономерности и принципы, общие для самых различных областей познания; системный подходявляется методологией, в основе которой лежит исследование объектов как систем.Теория систем привела к появлению общего системного подхода.

Системный подход — направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объекта как системы: целостного комплекса взаимосвязанных элементов (И. В. Блауберг, В. Н. Садовский, Э. Г. Юдин); совокупности взаимодействующих объектов (Л. фон Берталанфи); совокупности сущностей и отношений (Холл А. Д., Фейджин Р. И., поздний Берталанфи).

И. В. Блауберг, В. Н. Садовский, Э. Г. Юдин выделили следующие принципы системного подхода:

1)описание части с учетом ее места в целом;

2) проявление частями разных свойств и характеристик в зависимости от уровня (отношения) расположения части в целом;

3) зависимость элемента от среды;

4) взаимозависимость и взаимосвязь части и целого (часть обусловливает целое и наоборот);

5) в объекте действует не только механическая причинность, но и система причинных связей, которая выступает как целесообразность;

6) источник преобразования целого (системы) лежит внутри него.

Системный анализ — совокупность методов и средств, используемых при исследовании и конструировании сложных и сверхсложных объектов, прежде всего методов выработки, принятия и обоснования решений при проектировании, создании и управлении системами. В литературе понятие системного анализа иногда отождествляется с понятием системного подхода, но такая обобщенная трактовка системного анализа вряд ли оправдана.Теоретическую и методологическую основу системного анализа составляют системный подход и общая теория систем.

Системный анализ применяется главным образом к исследованию искусственных (возникших при участии человека) систем, причем в таких системах важная роль принадлежит деятельности человека. Процедуры и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределенности по каждому из вариантов и сопоставление вариантов по тем или иным критериям эффективности. Согласно принципам системного анализа, возникающая перед обществом та или иная сложная проблема (прежде всего проблема управления) должна быть рассмотрена как нечто целое, как система во взаимодействии всех ее компонентов. Для принятия решения об управлении этой системой необходимо определить ее цель, цели ее отдельных подсистем и множество альтернатив достижения этих целей, которые сопоставляются по определенным критериям эффективности. Центральной процедурой в системном анализе является построение обобщенной модели (или моделей), отображающей все факторы и взаимосвязи реальной ситуации, которые могут проявиться в процессе осуществления решения. Полученная модель исследуется с целью выяснения близости результата применения того или иного из альтернативных вариантов действий к желаемому, сравнительных затрат ресурсов по каждому из вариантов, степени чувствительности модели к различным нежелательным внешним воздействиям.

Системный анализ опирается на ряд прикладных математических дисциплин и методов. Техническая основа системного анализа — современные компьютеры и информационные системы. В системном анализе широко используются методы системной динамики, теории игр, программирования, имитационного моделирования и т. д. Важной особенностью системного анализа является единство используемых в нем средств и методов исследования.

Набор концепций, методов, решений принято называть «системным анализом» и правомерно использование его в экологии – науке, являющейся по существу также системной.Эффективное становление методологии системного подхода стало возможным только в середине 60-х годов 20 в. В это время в распоряжение экологов поступили мощные ЭВМ и были разработаны методы моделирования сложных динамических систем, главным образом в аэрокосмических и технических исследованиях, которые и получили название системного анализа. Первые работы в этой области были проведены Ляпуновым (1966, 1968), Винбергом, Анисимовым (1966), Полетаевым (1966), а в зарубежных исследованиях Уаттом (1966), Одумом (1967) и др.

Применение системного анализа предполагает реализацию следующих этапов исследований:

1. Выделенные элементы первоначально берутся сами по себе, вне исследуемого целого, в том виде, в каком они существуют в качестве самостоятельного материального образования.

2. Исследуется структура устойчивых связей, возникающих между элементами в результате их взаимодействия.

3. Структура становится системой координат для дальнейших исследований.

Таким образом, поведение каждого элемента целостного объекта, его воздействие на другие элементы следует объяснять не из него самого, а из структуры целого, учитывая расположение всех других элементов, их взаимосвязь, качественные и количественные характеристики.

2.8 Общие свойства систем.

См. 2.6.

1) Целостность — система есть абстрактная сущность, обладающая целостностью и определенная в своих границах. Целостность системы подразумевает, что в некотором существенном аспекте «сила» или «ценность» связей элементов внутри системы выше, чем сила или ценность связей элементов системы с элементами внешних систем или среды.

2) Синергичность, эмерджентность — появление у системы свойств, не присущих элементам системы; принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов (неаддитивность). Возможности системы превосходят сумму возможностей составляющих её частей; общая производительность или функциональность системы лучше, чем у простой суммы элементов.

3) Иерархичность — каждый компонент системы может рассматриваться как система; сама система также может рассматриваться как элемент некоторой надсистемы (суперсистемы).

2.9 Главные системные постулаты экологии.

Современная экология располагает обширной аксиоматикой, относящейся ко всем уровням организации природных систем. Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила заимствованы из смежных дисциплин и опираются на фундаментальные законы естествознания. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения экологических систем, их способности к самоподдержанию и авторегуляции.

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. Мириады бактерий в почве, воде, в телах растений и животных создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования всего живого.

Принцип Ле Шателье — Брауна — при, внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Разработанный первоначально для условий химического равновесия, этот принцип стал применяться для описания поведения самых различных самоподдерживающихся систем. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экологических систем к авторегуляции.

В мире действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе ив обществе. Он связан с законом физико-химического единства живого вещества, законом развития системы за счет окружающей ее среды и законом постоянства количества живого вещества, сформулированных В.И.Вернадским: любая система можетразвиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; изолированное саморазвитие невозможно. Значительное увеличение числа каких-либо организмов за относительно короткий промежуток времени может происходить только за счет уменьшения числа других организмов. Это правило распространяется и на число видов организмов. Живые системы характеризуются наиболее разнообразными, разветвленными и интенсивными взаимопереходами вещества, энергии и информации. Они образуют экологические сети взаимосвязей. Богатство связей относится не только к локальным экосистемам. Глобальные круговороты веществ, ветры, океанские течения, реки, миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов — все это в той или иной степени связывает пространственно удаленные природные комплексы и придает биосфере признаки единой коммуникативной системы.

Существуют важные для экологии следствия всеобщей связи, закона динамического равновесия и принципа Ле Шателье — Брауна.

Закон цепных реакций. Любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых взаимосвязей и новой системной иерархии. Поскольку взаимодействие между компонентами системы при их изменении, как правило, существенно нелинейно, то слабое изменение одного из параметров системы может вызвать сильные отклонения других параметров или привести к изменению всей системы в целом.

Закон оптимальности. Любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах.

Правило максимального «давления жизни». Вместе с этим в живой природе действует правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако давление жизни ограничено емкостью среды, межвидовыми взаимоотношениями, взаимоприспособленностью различных групп организмов. Эту закономерность иногда обозначают как закон сопротивления среды жизни, или закон ограниченного роста Ч.Дарвина. Дарвину принадлежит также экологическая аксиома адаптированности: каждый биологический вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования, которая позднее получила название экологической ниши. Очевидна связь этого положения с законом оптимальности.

Законы экодинамики. Помимо константности количества живого вещества в живой природе наблюдается постоянное сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько изменяется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голдсмит (1981) обозначил как законы экодинамики. Первый из них — закон сохранения структуры биосферы, второй — закон стремления к климаксу, т.е. к достижению экологической зрелости и равновесности экосистем.

Существуют и другие, более частные системные обобщения в экологии. Во многих руководствах часто цитируют аксиомы известного американского ученого Б. Коммонера (1974), названные автором «законами экологии»:«все связано со всем»,«все должно куда-то деваться»,«природа знает лучше»,«ничто не дается даром».Хотя они больше относятся к основам природопользования, в них находят отражение некоторые важные постулаты экологии.

2.10 Причинные связи и системное поведение.

Среди форм взаимоотношений между организмами разных видов в природе главное место занимают взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «пища — потребитель пищи», или «ресурс — эксплуататор». Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура прямых и обратных связей. Примером могут быть взаимовлияния численности особей в популяциях хищника (X) и его жертвы (Ж):

Принцип велосипеда экология

Они связаны и положительной, и отрицательной причинными зависимостями. Знаки (+, -)в данном случае обозначают однонаправленность (+) или противонаправленность (-) изменений. Чем больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность их возрастает (положительная прямая связь, +). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь, -). Если речь идет об одном виде хищника и одном виде жертвы, хищник не в состоянии уничтожить всех жертв, поскольку при снижении плотности жертв затраты энергии наих поиск и охоту начинают превышать энергетическую ценность пойманной жертвы.

В целом такой контур имеет отрицательный знак (-): «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около какого-то более или менее стабильного уровня. Каждый из связанных таким образом членов системы становится причиной своего собственного поведения во времени.

Рассмотрим поведение более сложного контура (рис.1).В экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты: растворенные в воде минеральные питательные вещества (обозначим их как М); потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других животных (Ж); отмершие остатки организмов и продукты их жизнедеятельности — детрит (Д) и разлагающие детрит до минеральных веществ бактерии (Б).

Допустим, что под влиянием внешнего фактора, например, благоприятной температуры или попадания в водоем органики началось усиленное развитие водорослей — фитопланктона. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту количества животных — от зоопланктона до рыб. Вызванное этим повышенное выедание фитопланктона приводит через какое-то время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур в целом имеет отрицательный знак. Система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов.

Принцип велосипеда экология

Рис.1. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоема

Но если в водоем попадает слишком большое количество биогенных элементов (например, систематически сбрасываются стоки завода минеральных удобрений), происходит нарушение цикла. Начинается бурный рост водорослей, толщина их слоя резко увеличивается, снижается поступление света в нижние слои водоема, замедляются процессы фотосинтеза. Одновременно усиливается гниение большой массы отмерших клеток. На их разложение уходит весь растворенный в воде кислород и тогда погибают не только животные, но и разлагающие детрит бактерии. Цепь разрывается. Если вредные для водоема стоки не прекратить, то природный механизм самоочищения придет в упадок.

Необходимо подчеркнуть исключительное значение отрицательных обратных связей для любых систем, в которых осуществляется регуляция. На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей.

В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, к «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы.

Так, в любом растительном сообществе плодородие почвы, урожай растений, количество отмерших остатков растений — детрита и количество образующегося из него гумуса образуют контур положительных связей. Система находится в неустойчивом равновесии, так как достаточно изъятия части урожая растений без последующего возврата в почву необходимого количества питательных веществ, чтобы начался процесс деградации почвы и снижения продуктивности растений.

На контурах положительной обратной связи основаны те механизмы современной экономики, когда рост производства поддерживается усилиями маркетинга, диктатом предложения, навязчивой рекламой, которая искусственно провоцирует новые потребности и спрос.

В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков. Необходимо подчеркнуть, что поведение сложных авторегуляторных систем в большей степени определяется наличием контуров обратной связи, чем силой каждой отдельной связи. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить силу связи, гораздо важнее добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы изменить знак контура системы.

2.11 Модель взаимосвязей в экосфере.

«Простой» контур взаимодействий «природа — человек»:

+

П Ч (–)

При условии равновесности он был бы не отличим от пары «жертва — хищник». Будучи системой с отрицательной обратной связью (-), она должна быть и самоподдерживающейся, авторегуляторной. В том смысле, что человек (эксплуататор), пользуясь природой как ресурсом, неизбежно ограничивает и тем самым угнетает сам себя через посредство угнетения природы. Это важное заключение, но вряд ли можно ограничиться таким уровнем анализа. В действительности в настоящее время эта система не равновесна и не устойчива: сильная отрицательная связь Ч ——-П не уравновешивается слабой положительной связью Ч +——— П.

Принцип велосипеда экология

Схема взаимосвязей между главными компонентами экосферы



«Природа» представлена современной биосферой и подразделена на биоту биосферы — совокупность всех живых организмов биосферы и на их среду, включая среду человека. Выделение среды в отдельный блок, как бы равноправный с другими элементами, в данном случае сделано лишь для удобства формального рассмотрения. В действительности все элементы системы находятся в одной общей среде. Подсистема «человек» выделена как техносфера и подразделена на собственно человека, людей, человечество и на человеческое хозяйство — экономику, производство, технику.



Техника, в ее широком понимании, — это совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. Она опосредует взаимодействия человека и природы. В ходе технического освоения природы человек использует все более изощренные технологии — совокупность методов, применяемых при изготовлении продукции. Подобно тому, как биота биосферы представляет собой совокупность биоценозов, так и современное человеческое хозяйство можно представить как совокупность техноценозов.

Непосредственное воздействие на природу оказывают именно материальные техногенные потоки. Но чтобы понять причины, источники, механизмы техногенного давления на природу, необходимо рассматривать все человеческое хозяйство в контексте взаимодействия экономики человека и экономики природы.

Контур техносферы имеет положительный знак, поскольку взаимозависимость между людьми и их хозяйством, техникой положительна: человечество растет и наращивает производство ресурсов для своего дальнейшего роста, т.е. прямая и обратная связи положительны. На протяжении всей новой истории и особенно в XX в. эта система находилась и продолжает находиться в состоянии экспоненциального роста, который лишь частично сдерживается дефицитом ресурсов и лимитирующими факторами среды. Контур биосферы имеет отрицательный знак, так как взаимодействия между организмами и средой в природе в целом превосходно уравновешены: биота биосферы обладает средообразующей функцией и точно контролирует свойства собственной среды (связь +), а условия среды (в основном ограниченность количества вещества, которое может быть использовано биотой) лимитируют увеличение массы биоты (связь -).

Взаимоотношения между человеческим хозяйством, техникой и биотой биосферы образуют контур отрицательной обратной связи: биота, включая продуцентов сельского хозяйства, является важным ресурсом производства и потребления (связь +), а изъятие части этого ресурса обедняет и угнетает биоту (связь -). Влияние производства и техники на биосферу опосредовано также их общей средой, причем здесь не уравновешены сильная отрицательная и слабая положительная обратная связь. Воздействие людей на биоту и среду практически полностью опосредовано производством и техникой. Прямое взаимодействие людей и среды характеризуется практически односторонней положительной обратной связью. Наконец, в связи «биота — люди» сочетаются относительно слабые как положительные влияния биоты (информационное значение биоты для науки и искусства), так и негативные влияния (природные яды, возбудители и переносчики заболеваний).

Как уже отмечено, в целом система экосферы обладает свойствами контура с отрицательной обратной связью и должна быть способной к авторегуляции. Благополучие человечества обусловлено двумя сильными положительными связями: одной — со стороны экономики, другой — со стороны экологической среды. Сами люди отдают явное предпочтение первой из них — получению произведенных ценностей. Поскольку число людей и их потребности растут, увеличиваются и масштабы экономики. Это увеличение до сих пор происходит намного быстрее, чем растет коэффициент полезного действия (кпд) экономики, т.е. отношение количества произведенной пользы (ценностей) к количеству использованных для этого веществ и энергии. Следовательно, рост экономики сопровождается и ростом его вредного действия — увеличением негативного техногенного давления на природу и окружающую среду, а через них и на человека.








sitemap
sitemap