03 Структура систем. Учение Вернадского

Общие свойства сложных систем Учение Вернадского о биосфере

 

Существуют некоторые общие принципы единой платформы для изучения технических, биологических и социальных систем. Некоторые общие свойства систем:
1. Каждая система имеет определенную структуру, обусловленную формой пространственно-временных связей или взаимодействий между элементами системы. Систему можно назвать организованной, если ее существование либо необходимо для поддержания некоторой функциональной (выполняющей заданную работу) структуры, либо, напротив, зависит от деятельности такой структуры.
2. Согласно принципу необходимого разнообразия система не может состоять из элементов, лишенных индивидуальности, идентичных. Нижний предел разнообразия — не менее двух элементов («протон и электрон», «болт и гайка», «он и она»), верхний — бесконечность. Разнообразие отличается от числа разновидностей элементов. Неодинаковость частей системы определяет ее гетерогенность.
3. Свойства системы невозможно постичь лишь на основании свойств ее частей. «Познать части без знания целого так же невозможно, как познать целое без знания его частей». (Блез Паскаль). Решающее значение имеет именно взаимодействие между элементами. По отдельным деталям машины перед сборкой нельзя судить о ее действии. Совместный эффект от воздействия двух или более различных факторов почти всегда отличается от суммы их раздельных эффектов. Степень несводимости свойств системы к сумме свойств отдельных элементов, из которых она состоит, особое качество целостности определяет эмергентностъ системы, или синергию ее элементов.


4. Выделение системы делит ее мир на две части — саму систему и ее среду. По характеру связей, в частности, по возможности обмена веществом и энергией со средой в принципе мыслимы: изолированные системы (никакой обмен невозможен); замкнутые системы (невозможен обмен веществом); открытые системы (возможен обмен и веществом, и энергией). В природе существуют и в теории организации рассматриваются только открытые системы. Системы, между внутренними элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем.
5. Преобладание внутренних взаимодействий в системе над внешними и лабильность системы по отношению к внешним воздействиям определяет ее способность к самосохранению, благодаря качествам выносливости и устойчивости — постоянству важных параметров системы — ее гомеостазу. Гомеостаз динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой («принцип велосипеда»). Для этого необходимы проток и преобразование энергии в системе. Вероятность достижения главной цели системы — самосохранения (в том числе и путем самовоспроизведения) — определяется как ее потенциальная эффективность.
6. Действие системы во времени называют ее поведением. Вызванное внешним фактором изменение поведения обозначают как реакцию системы, а качественное изменение реакции системы, связанное с изменениями структуры и направленное на стабилизацию поведения, — как ее приспособление, или адаптацию. Закрепление адаптивных изменений структуры и связей системы во времени, при котором ее потенциальная эффективность увеличивается, рассматривается как развитие или эволюция системы. Возникновение и существование всех материальных систем в природе обусловлено эволюцией. Динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и образования подсистем. При этом усиливаются такие эмергентные свойства (качества) системы, как управляемость и самоорганизация.
7. Важной особенностью эволюции 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 продолжения пути в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира вещей, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы.
8. Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, т.е. 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) и/или математических (функциональных) отношений.
Остановимся подробнее на некоторых из этих свойств, имеющих наиболее непосредственное отношение к теории организации. Структура чаще всего рассматривается как упорядочение элементов системы, результат процесса организации. В прямом смысле структура — это строение системы. Вне систем структур не существует. Посредством структуры реализуются свойства, обеспечивающие желаемое функционирование системы. Структура характеризует систему со стороны ее строения, конструкции, пространственно-временного расположения частей, устойчивых взаимосвязей. Говоря о структуре, часто подразумевают большее: выделяют количество элементов, пространственное расположение, способ и характер их связи. Иногда употребляют понятие «структурные срезы», подразумевая горизонтальную структуру, вертикальную или штатную структуру, структуру планов и пр. В саморазвивающихся системах структура непрерывно меняется. В период организации систем структура усложняется, включаются новые связи, меняется пространственное расположение. При дезорганизации, напротив, связи ослабевают или исчезают, свойства элементов нарушаются, целостность системы уменьшается. Эмергентность как степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, по существу отрицает применимость редукции к сложным динамическим системам, к организациям. Сочетание двух или нескольких взаимодействующих элементов, свойств (качеств, потенциалов) любой системы в подавляющем большинстве случаев придает системе новое качество, отличающее систему от простой суммы независимых качеств ее элементов. Это свойство в теории организации обозначают термином синергия — совместное действие. Более подробно это свойство организации рассмотрено ниже. Развитие системы — процесс закономерного изменения, перехода из одного состояния в другое, более «совершенное», от простого к сложному, «от низшего к высшему». Здесь имеется в виду «прогрессивное» развитие — поступательное «улучшение» в процессе развития. Взятые в кавычки слова этих дефиниций отражают традиционное субъективное отношение к сущности развития. Для отдельных, даже очень больших систем и для больших промежутков времени по-настоящему объективны лишь смена качественных состояний и усложнение. Категории совершенства, низшего и высшего, худшего и лучшего слишком относительны и условны, чтобы характеризовать качество сложных систем в процессе развития. В мире человеческих организаций (компаний, консорциумов, политических партий, государств, этносов, человеческого сообщества в целом) правильнее говорить не столько о прогрессивном развитии, сколько об онтогенезе организаций, об истории их индивидуального развития — от зарождения до конца существования. При таком понимании развитие характеризуется взаимодействием прогрессивных и регрессивных изменений на протяжении всего жизненного цикла системы. Полный цикл развития любой конкретной системы включает пять основных этапов: возникновение, становление, зрелость, регрессивные изменения, ликвидация. Возникновение и становление — прогрессивная ветвь развития, процесс организации. Возникновение делится на два этапа: 1) скрытый, когда в недрах старого появляются и растут новые элементы, и 2) явный, когда новые элементы образуют новую структуру. На этапе становления система растет, расширяется, превращается в организованное целое. В процессе становления системы возникают и более или менее успешно разрешаются противоречия между новыми и старыми элементами системы, противоречия между самими новыми элементами, противоречия между процессами дифференциации и интеграции. При этом происходят закономерные изменения свойств организации как системы: возрастает разнообразие ее элементов и связей между ними, увеличивается сложность и эмергентность системы.
Зрелость — состояние системы, когда процессы организации и дезорганизации уравновешивают друг друга и когда перечисленные выше свойства достигают оптимального сочетания для установившихся внешних условий функционирования, обеспечивая высокую устойчивость, — это высшая точка жизненного цикла организации. В зрелом состоянии все передаточные функции системы работают в стабильном режиме. Признаки зрелой системы:
• множество элементов;
• единство главной цели для всех элементов;
• наличие связи между элементами;
• целостность и единство элементов;
• структура и иерархичность;
• относительная самостоятельность;
• наличие функции управления;
• длительная работа в стационарном режиме.
Каждая организация должна обладать всеми этими признаками системы. Выпадение хотя бы одного из них неизбежно приводит к нарушениям в деятельности организации.

Учение В. И. Вернадского о биосфере     1.      Характеристика главных типов веществ биосферы        По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает в себя живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия живых организмов (магматические горные породы); биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почвы); а также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеяные атомы. Все эти семь типов веществ геологически связаны между собой.      Косное вещество биосферы.         Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.    Атмосфера.    Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержится диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород – в результате фотосинтеза.   Гидросфера.    Вода – важнейший компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км3. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км3, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км3. Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов. Диоксида углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.    Литосфера.    Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества – продукты жизнедеятельности организмов.   Живые организмы (живое вещество).     Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х1012т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% – животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов – 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10 12 т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.      В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов – беспозвоночные и только 4% – позвоночные, из которых десятая часть – млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.    Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Суммарный результат его деятельности за геологический период времени огромен. По словам Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.    Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, – писал В. И. Вернадский, – имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему».    Это взаимодействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.    По мнению В. И. Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:   *     открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;   *     явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В. И. Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.     Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому В. И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.     Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 – 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.     Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:    *     изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;     *     в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего “в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно”;   *     только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина (1859 г.);    *     живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.       В. И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.     Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы “не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше”. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.    Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.    В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления о формах превращения вещества, путях биогенной миграции атомов, т.е. миграции химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.  2.      Процесс развития биосферы    Важнейшей частью учения Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов – цианобактерий и сине-зеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.     Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде всего – животные. Главными датами их развития являются выход на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появления человека.  В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:     1.      Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера.   2.      В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.   3.      Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью». (В. Вернадский)    4.      Грандиозный геологический эффект деятельности обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.   5.      Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.  Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноосфере, т. е. сфере разума.   В целом учение Вернадского о биосфере заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей природной среды.

Share

Leave a Reply