книги / Системный подход в современной науке

на уровне здравого смысла, возникает потребность в системной эпи­ стемологии, по мысли Бертапанфи, глубоко отличающейся от эписте­ мологии логического позитивизма и эмпиризма. Свою концепцию «системы» он расценил как новую парадигму науки и даже как «но­ вую философию природы». Суть последней в организмическом взгляде на мир «как на большую организацию».

Теория систем связала изменения систем во времени с их устой­ чивостью, т. е. с реакцией системы на деформацию. Понятие «устой­ чивости» Берталанфи назвал центральным в динамической теории. В свою очередь, динамическая теория систем была увязана им с тео­ рией управления, призванной обосновать появление свойства устой­ чивости. «Управление, по существу, означает, что система, которая не является асимптотически устойчивой, делается таковой путем вве­ дения соответствующего противодействия, нейтрализующего нару­ шение устойчивости в системе»18. Модернизируя свою концепцию, Берталанфи использовал теорию управления и кибернетику. Разли­ чая внутреннее и внешнее описание системы, указывая на то, что последнее функционально, т. е. поведение системы описывается по ее воздействию на среду, он дал следующее развернутое объясне­ ние: «При внешнем описании система принимается за «черный ящик», ее отношения со средой и другими системами графически изображаются в виде блок-схем и диаграмм. Описание системы про­ изводится в терминах входов и выходов; при этом общей нормой та­ кого описания является перенос функций, связывающих вход и вы­ ход. Обычно они предполагаются линейными и представлены дис­ кретными наборами значений (решения «да — нет» в теории инфор­ мации; машина Тьюринга). Это — язык техники управления; внешнее описание производится обычно в терминах коммуникации (обмена информацией между системой и средой и внутри системы) и управ­ ления функциями системы с учетом наличия среды (обратная связь), если употреблять винеровское определение кибернетики»19. Таким образом, теория систем оказалась наполненной новым содержанием и стала более инструментальной. Однако при этом она потеряла в своей независимости от той или другой науки, нарушила свой ста­ тус нейтральности, равноудапенности от любой конкретной научной дисциплины. Теория систем заявила о себе как о новой картине ми­ ра, противостоящей физикалистской, она воспринималась как новая методология, открывающая путь к модернизации мышления. Однако под напором информационно-кибернетической парадигмы общая

теория систем Берталанфи приобрела значение методологической опоры современной картины мира — в основе своей физикалистской.

Этот новый акцент теории систем отвечал изменившемуся под мощным влиянием молекулярной биологии облику системы наук оживом. Не случайно Г Моровиц разделил теоретическую биологию на формальную теорию, физическую теорию и теорию систем. В пер­ вом случае исследуется данная биологическая ситуация и формули­ руется постулат или система постулатов, которые выдвигаются как математические утверждения, часто в форме дифференциальных или интегральных уравнений. Полученные в результате манипуляций

споследними следствия сравниваются, когда это возможно, с резуль­ татами экспериментов. Формальная теория достигла успехов в эко­ логии и особенно в генетике. Физическая теория тесно увязывается

смолекулярной биологией, где исследователь исходит из идей кине­ тики, статистической механики, термодинамики. Теорию систем Мо­ ровиц квалифицировал как «специальный случай формального под­ хода биологическим проблемам», опирающегося на теорию инфор­ мации, теорию игр, исследования операций, теорию «сетей и техни­ ку вычислительных машин»20.

Правда, сам Берталанфи вынужден был отметить, что, хотя теория систем открывает новые горизонты, «ее связь с эмпирическими фак­ тами пока еще остается весьма скудной»21. Положительно оценивая прогностические возможности теории систем, К. Боулдинг, в свою очередь, указывал на «нежелание науки допустить даже незначитель­ ный прогресс в области систематизации и ее стремление закрыть дверь перед проблемами и предметами исследования, которые не мо­ гут быть легко втиснуты в простые механические схемы»22. Несколь­ ко иначе оценил ситуацию Э. Шредингер, справедливо напомнивший, что мы унаследовали от наших предков «острое стремление к цель­ ному, всеобъемлющему знанию». Одновременно он указал на реаль­ ную трудность естествознания: наука начала приобретать надежный материал, позволяющий «свести в единое целое все до сих пор изве­ стное», но в то же самое время «становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем одной небольшой специ­ альной частью науки»23. Выход из этого положения Шредингер видел

ррискованной решимости осуществить синтез фактов и теорий, взя­ тых из разных областей, не боясь показаться невеждой.

Возможность индуктивных обобщений, дедуктивных предсказа­ ний и их эмпирической проверки в биологии Т. Уотермэн связывал не

только с информацией о большем числе компонентов системы и их взаимоотношениях. Он считал, что «гипотезы и обобщения относи­ тельно организации живых систем составляют важную часть методо­ логии» и что «должна быть постулирована какая-то общая организа­ ционная схема, играющая роль каркаса...»24. Уотермэн приветство­ вал появление биологов «нового склада», способных применять и разрабатывать «методы, выводимые более формальным путем», опираясь на теорию информации, кибернетику, теорию игр и теорию решений. Подчас история теоретической биологии вообще ограничи­ валась развитием математической и физико-химической биологии.

Так, Г Моровиц в своем историческом очерке упоминает труд Д.А. Борелли «De Motu Animalium» (1680), содержащий анализ дви­ жения животных с точки зрения механики в духе строгого геометри­ ческого подхода. К ранним работам он отнес также трактаты Г. Гельмгольца об ощущении тонов (1863) и о физиологической оп­ тике (1867), где биологические проблемы анализировались в поняти­ ях математической физики. Историю современной теоретической биологии Моровиц открывает трудом д’Арси Уэнтворта Томпсона о росте и форме (1917). Кредо Томпсона гласило: «...проблемы фор­ мы — это в первую очередь математические проблемы, проблемы роста — в основе своей физические проблемы, и морфолог ipso facto является представителем физической науки. Он мог бы заимствовать у этой всеобъемлющей науки... точку зрения, с которой физики под­ ходят к своим проблемам, количественные методы, с помощью кото­ рых она их разрешает, и здравые ограничения, в рамках которых ве­ дется вся работа в ее области. Он должен был бы осознать, что нет такой отрасли математики, какой бы она ни была абстрактной, кото­ рая не могла бы найти когда-нибудь применения к явлениям реаль­ ного мира»25. Называя Томпсона одним из предтеч современной те­ оретической биологии, Моровиц подчеркивает, что вслед за Э. Брюкке, Э. Дю-Буа-Реймоном, Г. Гельмгольцем и К. Людвигом, стремив­ шимися поставить физиологию на химико-физический фундамент и «придать ей равный научный ранг с физикой», в отношении мор­ фологии и морфогенеза это стремился проделать Томпсон26.

В 1925 г. А. Лотка в труде «Элементы физической биологии» про­ вел идею, согласно которой законы химической динамики структури­ рованной системы управляют ее эволюцией, включающей живые ор­ ганизмы. Лотка интересовали биологические системы, а не жизнен­ ные процессы в организме. Биологию он рассматривал как частную

область познания тайн Вселенной, эволюцию как частный случай не­ обратимого преобразования, жизнь как грандиозный химический процесс. В качестве математического аппарата Лотка использовал дифференциальные и интегральные уравнения и системы диффе­ ренциальных уравнений. По мнению Моровица, книга Лотка «сыгра­ ла большую роль в подготовке того развития теоретической биоло­ гии, которое имело место в 40-х и 50-х годах»27. Один из аспектов ра­ боты Лотка, а именно изучение экологических отношений, развивал В. Вольтерра, опубликовавший в 1931 г. «Лекции по математической теории борьбы за существование», а в 1935 г., совместно с Умберто д’Акона, — «Биологические ассоциации с точки зрения математики».

Моровиц сослался на мнение В.А. Костицина, который в кратком очерке истории теоретической биологии напомнил в своей «Матема­ тической биологии» (1937 г.), что естественные науки давно пользу­ ются статистическим методом, однако заслуга полного обновления этого метода и основания новой науки — биометрии принадлежит К. Пирсону. В 1845 г. Ферхульст впервые вывел уравнения для слу­ чая замкнутой популяции. Позже отдельные биологические вопросы время от времени рассматривались с применением аналитического метода, но лишь Лотка и независимо от него Вольтерра применили этот метод к более общим проблемам. В англо-саксонских странах работы Лотка вызвали к жизни биолого-математическое направле­ ние. Исследования Вольтерра положили начало аналогичному движе­ нию в континентальной Европе. Исследования Р. Пирля, посвящен­ ные закономерностям увеличения численности популяций, послужи­ ли основой современной демографии. Вклад в математическую тео­ рию отбора внес Дж. Б. Холдейн.

Общий подход к математическому анализу экологических проблем сводился в 30-х годах и отчасти позже к следующему: «...Брали какоелибо словесное утверждение относительно популяции и ее изменений при определенных условиях и записывали его в виде уравнения, обыч­ но линейного дифференциального уравнения первого порядка; иногда использовали нелинейные уравнения и производные высших поряд­ ков. Затем проблему формулировали в виде системы дифференциаль­ ных уравнений, вводя определенные граничные условия. Полученные решения составляли основу трактовки рассматриваемой проблемы»2^. Найденные функции могли быть затем сравнены с данными экспери­ ментов и наблюдений над популяциями. Однако в биологии, как вынуж­ ден был признать Моровиц, «лишь немногие области испытали на се­

бе влияние теоретических математических исследований в столь силь­ ной степени, как экология»29. Наравне с последней стоят только мате­ матические исследования в области популяционной генетики. Ее ста­ новление связывается с трудами Холдейна «Математическая теория естественного и искусственного отбора» (1924), Р. Фишера «Генетиче­ ская теория естественного отбора» (1930) и «Теория инбридинга» (1949). С. Райта «Адаптация и селекция» (1949).

В 1937 г., одновременно с попыткой Берталанфи публично изло­ жить свою общую теорию систем, Дж. Вуджер в монографии «Аксио­ матический метод в биологии» предпринял попытку сформулировать биологические проблемы при помощи символической логики. Свою цель он усматривал в создании точного и полностью контролируемо­ го языка, позволяющего систематизировать биологические знания. Моровиц выделил как в высшей степени важное для теоретической биологии утверждение Вуджера, согласно которому «мы в настоящее время не знаем, какие формальные и математические методы будут полезными в биологии», и «не должны предполагать заранее, что ма­ тематический аппарат, традиционно применяемый в физике, автома­ тически окажется подходящим для биологии»30.

В 1938 г. появился труд Н. Рашевского «Математическая биофи­ зика, призванный решить именно эту задачу. Цель Рашевского со­ стояла в том, чтобы заложить основы математической биологии, ана­ логичной по своим методам математической физике. Стремясь вез­ де, где это возможно, искать физическую интерпретацию, он посту­ лировал, что математическая биофизика должна начинать с элемен­ тарной живой единицы — клетки. Выделение конкретного объекта сразу же обнажило глубокие различия в подходах физики и биоло­ гии. В физике математическое описание начинается с исследования идеализированных систем, которые могут не иметь аналогов в реаль­ ном мире. Понимая, что против такого подхода можно выдвинуть воз­ ражение, что подобные системы не имеют ничего общего с живой клеткой и никакие заключения относительно них не могут быть авто­ матически перенесены на реальные системы, Рашевский напомнил: «Тем не менее именно этот подход применяли и всегда применяют в физике. Физик занимается детальным математическим исследова­ нием таких нереальных вещей, как «материальные точки», «абсолют­ но твердые тела», «идеальные жидкости» и т. п. В природе подобных вещей не существует. Однако же физик не только изучает их, но и применяет свои выводы к реальным вещам»31. Это дает практи­

ческие результаты, поскольку в известных пределах реальные вещи имеют свойства, общие с воображаемыми идеальными объектами. Однако описанный подход имеет ограничения. Охватить в математи­ ческом аспекте сразу всю сложность реальной природной системы способен, по словам Рашевского, только сверхчеловек. Обыкновен­ ным смертным остается, соблюдая скромность, подходить к реально­ сти асимптотически, путем постепенного приближения.

Комментируя изложенные соображения Рашевского, Моровиц спустя 30 лет вновь констатировал, что между математической био­ физикой и классической биологией (по его терминологии — «естест­ венной истории») продолжает существовать разрыв. «Оппозиция по отношению к теоретической биологии со стороны биологов, ориенти­ рованных на «естественную историю», в значительной части проис­ текает из того, что им чужд подход, сформулированный в этом отрыв­ ке (из труда Рашевского. — Э.М.). Биолог, отдавший много сил изу­ чению того или иного аспекта природы во всем его богатстве и пол­ ноте, часто не испытывает особой симпатии к идеализированной си­ стеме, неспособной отобразить детали, на выяснение которых он за­ тратил столько усилий»32. Считая, что такого рода затруднения неиз­ бежны при столь различных подходах к одному и тому же биологиче­ скому материалу, выражая надежду, что приверженцы разных точек зрения сумеют оценить результаты друг друга, Моровиц ввел мате­ матическую биофизику в структуру теоретической биологии. Приме­ чательно, что при этом он поставил рядом школы Н. Рашевского и Л. фон Берталанфи.

Математическая биофизика заставила сравнить две системы — живую и неживую материю — на уровне квантовой механики, чтобы понять, почему живое явственно отличается от неживого. Не разде­ ляя оптимизма молекулярных биологов, полагавших, что «биология объяснима в рамках обычных физических законов» и что «поэтому приложение физической теории к живой материи не требует особых усилий», Г. Патти писал: «Если бы даже оказалось, что живая мате­ рия тождественна неживой при описании их на языке физики, могли бы мы утверждать, что полностью понимаем жизнь в рамках физи­ ческих законов? Мне кажется, что нет...»33. Выделив способность к эволюции в качестве самого общего свойства живой материи, от­ личающего ее от неживого, он следующим образом сформулировал основной вопрос: можно ли понять процесс биологической эволюции на базе основных законов физики?

Попытка дать определение наследственной передачи и естествен­ ного отбора на языке физики сталкивается, как показал Патти, с су­ щественными трудностями. Так, передача по наследству осуществ­ ляется при участии кода и требует выбора из ряда альтернатив, а не просто проявления физических законов движения на ряд начальных условий. Уравнения движения задают группу преобразований множе­ ства состояний системы, тогда как в процессе наследования участ­ вует выбор, что связано с невзаимнооднозначным отображением. «Именно поэтому такие основные генетические понятия, как память, описание и код, нельзя выразить непосредственно в терминах эле­ ментарных физических законов»34. Элементарные физические зако­ ны симметричны по отношению ко времени, тогда как временные от­ ношения между памятью о признаке и его фенотипическим выраже­ нием несимметричны. Термодинамические или статистические тео­ рии не приводят к представлению о неизбежности биологической эволюции, обеспечивающей возрастание сложности живых систем. Поэтому при описании процессов наследования в рамках законов фи­ зики «необходимо не только преодолеть трудность объяснения не­ обратимых явлений на основе обратимых законов, но и, кроме того, показать, что необратимость наследственных процессов приводит к явлению эволюции живой материи, а не к полному термодинамиче­ скому равновесию неживой материи»35. Предстоит также решить, ка­ кую физическую теорию можно использовать, чтобы объяснить вы­ сокую надежность проявления наследственной информации в виде классических признаков и описать реализацию информации, запи­ санной на квантовомеханическом уровне в форме взаимодействия между фенотипом и средой в рамках естественного отбора на уров­ не классической механики. Чтобы создать «общую теорию биоло­ гии», основанную на законах физики, следует досконально изучить, по убеждению Патти, коренное противоречие между двумя основны­ ми допущениями: «живая и неживая формы материи подчиняются од­ ним и тем же физическим законам» и «живая материя отличается от неживой лишь способностью к эволюции»36. Напоминая, что такие физики, как Бор, Эльзассер, Бергере, полагают, что должны сущест­ вовать особые биологические законы, Патти тем не менее не согла­ сился с утверждением, что жизненные процессы не могут быть выве­ дены из физических законов.

Если Рашевский избрал объектом исследования клетку, то Патти оперировал молекулярным уровнем организации живого. Исходя из

того, что понятия кодирования и надежности необходимы на всех уровнях биологической организации — клеточном, морфогенетичес­ ком, эволюционном, высшей нервной деятельности, Патти высказал предположение, что «в основе уникального различия между живой и неживой материей лежат не идеализированные классические мо­ дели макромолекул, матричной репликации или регуляции обмена веществ, а количественная надежность молекулярных кодов, кото­ рые могут связывать содержание квантовомеханического описания с его классическим фенотипическим выражением»37. Именно с опи­ санием надежных молекулярных процессов наследования в терминах квантовой механики он связывал развитие теоретической биологии и создание более прочной гносеологической основы самой физичес­ кой теории.

Близкую позицию занимал К.Х. Уоддингтон, также задавшийся вопросом: «нужна ли еще какая-нибудь «теоретическая биология» кроме той, что содержится или, как можно надеяться, будет вскоре содержаться во все расширяющихся рамках молекулярной биоло­ гии»?38 Он был уверен, что на все проблемы биологии ответы «долж­ ны быть в конечном счете сформулированы в молекулярных терми­ нах», но считал, что большие успехи в анализе простых элементов еще не решают дела. Биология нуждается в теории перехода от про­ стого к сложному, способной связать сложные биологические систе­ мы с элементарными единицами.

Стратегия системного подхода, ориентированная на физику, пока непривела к общей теории биологии. Молекулярная биология, несмо­ тря на свою близость к физике и химии, не располагала данными, позволяющими построить теорию живой материи, обнимающую все уровни организации живого и процесс эволюции. Помочь здесь био­ логии физика была не в силах. Как заметил Уоддингтон, «сами фи­ зические науки далеки от завершения, так что самый правоверный сторонник сводимости не сможет сказать биологам, к чему они долж­ ны свести свои живые системы»39.

Большего успеха достигла стратегия системного подхода, ориен­ тированная на биоценологию и биосферологию. Эта стратегия вела к постижению живой природы как закономерно организованной це­ лостной планетной системы. На стыке геохимии, биологии и учения о биосфере В.И. Вернадский создал теорию живой материи. Чтобы Придать идее целостности и организованности живой материи мак­ симально биологическую форму, он еще в 1928 г. ввел понятие «био­

ценоз планеты». Согласно теории живой материи Вернадского, по­ следняя организована как динамически устойчивая система. Эту ус­ тойчивость обеспечивает биоценотический тип организации живого вещества. Жизнь в биосфере впервые появилась в форме биоцено­ зов, в виде совокупности форм, отвечающей геохимическим функци­ ям жизни. Детализируя представление о биоценозе планеты, Вернад­ ский оценил структуру живой материи с таксономической, экологиче­ ской, энергетической и исторической точек зрения. Понятие органи­ зованности живого вещества он связывал с учением о материи и энергетике. Теория эволюции живой материи была призвана объ­ яснить известную направленность эволюции в сторону появления в биосфере разума и воли человека.

Законы экологической организации и эволюции живого покрова Земли раскрывает концепция геомериды В.Н. Беклемишева. Изуче­ ние всех уровней экологической организации привело ученого к вы­ воду, что жизнь организована в планетном масштабе, биоценозы включены в единую систему биосферы и объединены общим процес­ сом круговорота форм, вещества и энергии. Эволюция живой мате­ рии рассматривалась им как процесс развития многоуровневой сис­ темы, объединяющей организм, популяцию, вид, надвидовые таксо­ ны и экосистемы.

К учению о биосфере тесно примыкает концепция биогеоценотического покрова В.Н. Сукачева. Биоценоз и биогеоценоз ученый рас­ сматривал как элементарную клеточку биосферы. Строение биоце­ ноза таково, что позволяет ослаблять борьбу за существование и от­ крывает возможность сосуществовать в ограниченном пространстве большому числу индивидуумов. Достигается этот эффект благодаря сложному видовому составу большинства сообществ и физиологиче­ ской и экологической специфичности входящих в них видов. Новые виды вырабатываются в соответствии с условиями сообщества, за­ кономерности видообразования взаимосвязаны с закономерностями эволюции биоценоза.

Построение полнокровной концепции эволюции биосферы пред­ полагает теоретическое обобщение данных о филогении растений, о филофлорогенезе и об эволюции растительного покрова Земли.

Эту задачу решил А.Н. Криштофович. Согласно его теории, расти­ тельность на Земле развивалась многопланово, созидая в ходе сво­ ей эволюции разнообразные формы и флоры. Изменения раститель­ ного покрова происходят очень быстро и сводятся к миграциям и экс­

пансии целых формаций или отдельных растительных форм. Наибо­ лее мощными факторами эволюции растительности служат климати­ ческие изменения и геологические процессы (орогенез). Появление растительности новых зон, формаций и сообществ определяется не филогенией, не процессом морфологической эволюции, а отбором, перемещением и изменением численных отношений отдельных рас­ тений, сменой стаций. В ходе эволюции флор увеличивалось разно­ образие их состава и степень организованности. Эволюция расти­ тельности протекала направленно.

В.П. Вернадский постулировал, что уже значительная часть архей­ ской эры была охвачена жизнью. Открытие венда как этапа эволю­ ции биосферы наполнило прогноз Вернадского реальным содержа­ нием. Концепция венда Б.С. Соколова рассматривает вендскую био­ ту как этап непрерывного и направленного развития живого вещест­ ва на Земле. Согласно предложенной им схеме развития органичес­ кого мира, ранее 4 млрд лет назад существовали простейшие эобионтные системы, способные к воспроизведению в условиях гетеро­ трофного питания. Речь идет по существу об образовании первичной биосферы. Вендская биота характеризуется разнообразием фауны бесскелетных и впервые содержит разнообразные растения. В венде обнаруживаются зачатки цефапизации. На всех континентах остатки вендской фауны занимают однотипное стратиграфическое положе­ ние, имеют общий облик и характеризуются рядом космополитичес­ ких родов и видов.

Изучение венда позволило проникнуть в истоки эволюции эколо­ гических систем. Палеоэкология обогатилась данными о разнообра­ зии и смене экосистем на ранних этапах истории Земли. Начинают вырисовываться контуры эволюции биоты как целостной экосисте­ мы — геомериды, биоценоза планеты.

Введение в теорию живой материи теории информации привело к заключению, что в ходе эволюции живое становилось все более жи­ вым, изменялась организованность живого и возрастала мера его ор­ ганизованности — запас информации. Консервация информации в форме молекулярных, морфологических и биоценотических струк­ тур рассматривается как важнейшая особенность эволюции живого. Преобразование информации определяется законами связи и взаи­ модействия организмов друг с другом и с неорганической средой40.

Создание общей теории систем Л. фон Берталанфи отражало мощную тенденцию к построению единого естествознания и универ­