книги / Системный подход в современной науке
..pdfет богатство возможностей, предоставляемых этим подходом. Им же подчеркнуто значение системного подхода для географии как «свое образного стиля мышления»7.
Со временем основным понятием системного подхода в геогра фии стало понятие «территориальная система», получившее множе ство модификаций, таких, как «геосистема», «территориальная сис тема населения», «единая транспортная система», «территориальная рекреационная система», «геотехсистема» и др. В последнее время началось формирование геоэкспертных систем, которые призваны сыграть важную роль в обеспечении особо сложных и прогностичес ких работ.
В заключение необходимо добавить, что системный подход наи более эффективен при решении сложных задач анализа и синтеза, когда изучаемый объект имеет многосторонние внутренние и внеш ние взаимосвязи. Системный подход содействует интеграции геогра фии с экологией и кибернетикой, с теорией и практикой долгосроч ного прогнозирования и территориального управления.
ПРИМЕЧАНИЯ
* Выполнена при финансовой поддержке РФФИ, Проект № 01 -06-80040 РФФИ 31.08.2000 г.
"I Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды: Слов.-справ.
M., 1992. С. 239-240.
2 Реймерс Н.Ф. Природопользование. Слов.-справ. M., 1990. С. 599.
3 Реймерс Н.Ф. Начала экологических знаний. Учеб, пособие. M., 1993. С. 56. 4 Максаковский В.П. Географическая культура. Учебное пособие для студен
тов вузов. M., 1998. С. 199.
5 Преображенский В.С. Поиск в географии. M., 1986. С. 54.
6 Системные исследования природы // Вопросы географии. 1977, № 104.
7 Солнцев В.Н. О трудности внедрения системного подхода в физическую ге ографию // Вопросы географии. 1977, № 104. С. 20.
М.И. Штеренберг
НАЧАЛА СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ
1. Критический анализ состояния проблемы
В силу того, что до сих пор в теории, называемой ОТС, не найдено глубинных общих закономерностей, она зиждется на разнообразных аналогиях, лишь расширяя их круг. Безуспешные попытки выйти из круга породили пессимизм у многих ученых, работающих в этой обла сти. Симптомами этого являются либо попытки разработать аппарат развития теории на основе математики или теории симметрии, либо предложения вообще отказаться от построения содержательной тео рии систем (СТС) и рассматривать ОТС просто как формальную тео рию, или как метатеорию, или, вообще, как некий системный подход.
В последние десятилетия появились новые попытки решить дан ную проблему, не приведшие пока к ощутимым практическим резуль татам. На причинах этого здесь остановимся лишь вкратце.
Синергетика. Здесь неудачи обусловлены некорректным пост роением самих начал теории, а также отсутствием определений ее ключевых понятий — порядка, хаоса, организации и самоорганиза ции, тем более в операциональном виде. Отсутствует также класси фикация бифуркаций, что приводит к смешению информации с ор динарными возмущениями чисто физической природы и т. д. Отсю да следует ряд явных несоответствий реальности. Так, например, из смешения понятий упорядочнности и организации следует, в част ности, что замерзший труп упорядоченнее (организованнее) живого организма, а памятник — оригинала.
Системокванты — якобы оригинальное направление исследова ния, активно разрабатываемое с 1979 г. К.В. Судаковым и его шко лой1. Под ними понимаются временно возникающие относительно не зависимые структуры, сходные на разных уровнях строения материи. Но именно эта идея была высказана У.Р. Эшби и заслужила высокую оценку редактора перевода работы П.К. Анохина. Во введении к пе реводу этой книги в 1962 г. П.К. Анохин пишет: «Здесь я не могу не
отметить очень хорошего анализа соотношения «систем с частично постоянной функцией» (т. е. структур, обусловливающих возникно вение «системоквантов». — М.Ш.) и «систем с полной функцией». Рассматривая случаи «независимых состояний» в пределах большой системы, автор, в сущности, намечает канву для понимания органи зации сложных систем в пределах целого организма»2. Более того, в той же работе У.Р. Эшби указывает и условие разбиения систем на «системокванты» — постоянство переменных на их границах. Здесь же отметим, однако, что и У.Р. Эшби в своей глубокой и оригиналь ной работе оставляет эту проблему решенной лишь отчасти, посколь ку он отказывается рассматривать физический механизм, обуслов ливающий постоянство переменных.
Далее, К.В. Судаков опирается на попытки ряда ученых предста вить процессы восприятия, памяти, мышления, оценки времени и про странства на основании голографических свойств мозга. Как извест но, принцип голографии — получение интерференционной картины за счет взаимодействия двух лучей, представляющих собой две час ти одного луча, расщепленного призмой, одна из которых отражена от некоторого предмета (предметный луч). При освещении этой кар тины исходным (опорным) лучом возникает изображение предмета. Если на один кадр нанести несколько интерференционных картин, то каждая из них при освещении «своим» опорным лучом даст изоб ражение только «своего» предмета. Другая особенность голографи ческого изображения заключается в том, что даже небольшая часть его дает полное изображение объекта. С целью согласования резуль татов экспериментов с идеей голографической структуры памяти, К.В. Судаков приводит результаты опытов Н.Ю. Беленкова. Послед ний осуществлял свои опыты, выключая замораживанием различные участки коры больших полушарий. Им было установлено, что любая, даже весьма малая часть незамороженной коры не лишает животное способности к обучению.
В то же время, как это следует из экспериментов, в основе памя ти лежат продукты биохимического синтеза. «Сущность этого фено мена, — пишет Р.И. Кругликов, — как известно, состоит в том, что вве дение животным-реципиентам определенных химических субстратов (РНК, пептидов. — М.Ш.), получаемых из мозга животных-доноров, приводит к тому, что у животных-реципиентов «с места» возникает и проявляется или чрезвычайно быстро вырабатывается навык, выра батывавшийся у животных-доноров»3. Да и сами эксперименты
Н.Ю. Беленкова не дают повода к «голографическим» выводам. Так, после включения в действие всего мозга, в том числе «разморожен ных» структур, вместо «голографического» воспроизводства рефлек са обученной частью коры поведение животного становится дезорга низованным. С точки зрения голографии, подобный результат не объясним. Действительно, «пустые» или занятые другой голограммой «размороженные» части мозга не должны реагировать на опорный луч, а голограмма обученной части должна реагировать в соответст вии с усвоенным рефлексом. Подобные факты вызывают сомнение в адекватности «голографического принципа организации» реально сти. В то же время опыты Н.Ю. Беленкова могут быть интерпретиро ваны совсем по иному, особенно если учесть, что выключение части мозга из обучения вызывает, согласно результатам его эксперимен тов, в прямой зависимости ухудшение обучаемости животного, что опять-таки не согласуется с идеей голограммы. Отмечено, что при каждом удачном решении в процессе выработки рефлекса происхо дит синтез «молекул памяти». Так как выработка рефлекса происхо дит после целого ряда удачных решений, то естественно предполо жить, что это связано с накоплением определенного количества «мо лекул памяти». В случае выключения части мозга их накопление до критической величины происходит только в работающей части и идет примерно во столько же раз медленнее, во сколько раз выключенная часть больше оставшейся, что и вызывает необходимость увеличения числа повторов при обучении. Что же касается распределения «моле кул памяти» по всей коре больших полушарий, то это, очевидно, свя зано не с голограммой, а с проблемой надежности. Их одновременная активация может вызываться некоторой структурой — возможно, ре тикулярной формацией. Примером подобного диффузного распреде ления информации по системе является распределение по всему ор ганизму его генома, сосредоточенного в ядре каждой клетки. Это обеспечивает, в частности, способность практически любого вида тка ни к порождению новых клеток и регенерации. Также равномерно по всему кровяному руслу распределяются и гормоны, газы, антитела и т. п. О том же говорят и результаты других исследований. Так, в из вестных опытах нейрофизиолога В. Пенфилда раздражение височных участков коры вызывало детальное воспоминание по всем органам чувств картин прошлого. Для этого не требовался опорный луч с оп ределенными, но неизвестными экспериментатору характеристика ми, а просто ток слабой силы. При этом яркость воспоминаний гово
рила о вовлеченности всей коры в процесс воспоминания, хотя раз дражение было лишь местным4. Но все эти факты, конечно, не име ют никакого отношения к голографии.
В итоге, в настоящее же время ОТС фактически является не чем иным, как новым названием теории моделирования, существовавшей задолго до присвоения ОТС ее названия. В теории моделирования, как и ныне в ОТС, результаты, полученные в виде идей, схем, мате матических выражений и т. д., переносились на объекты или области, изучение которых представлялось либо более сложным, либо просто невозможным по тем или иным причинам. Таковы, например, резуль таты исследования динамики крупных сооружений или аэродинамики проектируемых самолетов на малых моделях, гидродинамических процессов с помощью электрических моделей, психики или физиоло гии человека посредством экспериментов на животных и т. д.
Нерешенность проблемы Берталанфи связана с отсутствием на чал теоретической биологии, в которой нет определения жизни, и с колоссальной сложностью даже примитивнейшего организма. Повидимому, это понимает И. Пригожин, который пишет, что «многие биологи почувствовали, что единственно подходящим языком для об суждения ситуации является язык теории систем, в частности, идеи, основанные на теории автоматов»5. Иными словами, Пригожиным предлагается путь редукционизма, часто и успешно применяемый в науке, ибо автоматы представляют собой чрезвычайно упрощенные модели организмов. Но именно поэтому в них более явно могут вы ступать основополагающие принципы живого, заложенные в них их авторами на подсознательном уровне эвристическим путем. И это, как очевидно предполагает Пригожин, может создать предпосылки для приложения математического аппарата к биологии. Ибо, как пи шет С.Г Смирнов: «До тех пор, пока в биологии не будет выработа на широкая и четкая система понятий и законов, отражающих явле ния живой природы адекватно... не следует ожидать серьезных ре зультатов от математической биологии»6.
2.Начала теории организации
исамоорганизации
Как отмечал известный науковед Т. Кун, решение проблем, представляющихся не решаемыми с позиций традиционных подхо
дов, обычно лежит в стороне от магистральных путей науки. Для вы хода на новый путь начнем с уточнения терминологии. Так как лю бые организмы являют собой некую особую разновидность того, что наука именует системами, выясним, что следует понимать под сло вом «система». Если мы примем наиболее распространенное опре деление ее, которое говорит о том, что система — это связная со вокупность ее элементов (частей), проявляющих себя как единое целое, то нам придется тогда признать, что система у нас одна: это Вселенная. Но ум наш, различая связи различного качества, выде ляет из этой всеобъемлющей системы подсистемы, которые тоже являются системами и т. д. Таким образом, нам придется признать, что выбор систем субъективен. Эта субъективность особенно про является в том случае, когда в качестве системы выбираются явле ния ментального порядка, например, система взглядов или система знаний. Но это связано вообще с характером любых определений. Действительно, любое определение есть определение слова через слова. Поэтому никакое определение не имело бы смысла, если бы не было опорных слов, слов, основывающихся на чувствах или ощу щениях, понимаемых разными людьми примерно одинаково. Напри мер, такие слова, как «длина» или «больше» и «меньше». Тогда по нятие «большая длина» уже будет определенным. Понятие «систе ма» является опорным словом и выбирается по тому или иному мен тальному критерию. Отсюда следует, что определение жизни может быть дано, если будет найден критерий, отличающий ее от других явлений. С другой стороны, дать определение какого-либо класса однотипных систем означает отнести его к более широкому классу и обозначить критерий отличия от других классов, входящих в этот широкий класс.
Теперь перейдем к некоторым удивительным фактам, которых во круг нас множество. Рассмотрим, например, изомеры, т. е. молекулы одинакового химического состава, но имеющих различное располо жение атомов или атомных групп. Известный немецкий биофизик М. Эйген подсчитал, что изомеров только у одной молекулы ДНК ки шечной палочки может быть ю 1000000. Число это невообразимо ог ромно. Достаточно сказать, что число атомов в наблюдаемой Мета галактике (а в ней миллиарды галактик) имеет величину порядка «всего лишь» Ю80.
Если же мы перейдем к более высоким уровням материи, то про странства для комбинаторики окажутся на каждой ступени подъема
все больше и больше. Ведь из молекул одного вида, например во ды, может быть построено огромное разнообразие макросистем — снежинок, града, все разновидности ледников, ручьев, рек, морей, океанов и облаков. Но из разных элементов может быть построено еще большее разнообразие систем. В реальности же этого не на блюдается. Скажем, минералы, образующие подпочвенный слой земли, состоят в основном из молекул окиси кремния, воды и окиси алюминия. Но разнообразие их опять же абсолютно мизерно по срав нению с теоретически возможным. То же наблюдается и в отноше нии пород, образованных из минералов, слоев планеты, возможно го и реального разнообразия животных и растений, хотя однотипных систем каждого класса множество. Уже на уровне молекул исполь зование возможного разнообразия в реальности ничтожно. Так, раз нообразие неорганических молекул составляет на Земле величину порядка 105, органических — в разнообразных видах живого — по рядка 106, всех, включая вещества, синтезированные искусственно, порядка 107.
С этих фактов мы и начнем свой путь непосредственно к анализу принципиальных особенностей жизни. Первой вехой на этом пути бу дет вывод о том, что каждый вид систем — атомов, молекул, ми нералов, пород, слоев, растений, животных, планет и т .п . — дол жен обладать совершенно уникальными свойствами, позволив шими им существовать, в то время как другие их разновидности, представляющие подавляющее большинство, оказываются к этому не способными. Что же за таинственные свойства, обеспечивающие существование систем в условиях жесточайшего отбора? Ответ на вопрос может быть неожиданным: система в течение всей своей жиз ни должна быть микрокосмосом. Это означает, что она должна отра жать в себе весь Космос, уравновешивая воздействие всех его сис тем на себя, что на каждое силовое воздействие Космоса система должна отвечать либо противодействием, если оно разрушающее (например, испаряющее воздействие Солнца на камень), или исполь зовать его, если оно способствует существованию системы (то же из лучение Солнца, используемое растениями для фотосинтеза). Имен но это объединяет весь наиболее широкий класс существующих систем, возникающих естественным способом.
Данный вывод позволяет выявить критерий для классификации всего многообразия существующих систем. Очевидно, что таким
критерием классификации можно считать способ, которым сис
темы обеспечивают свое существование. Обратимся к одному из наиболее общих разделов современной физики — термодинамике. С ее точки зрения любая система может находиться в двух основных состояниях: стабильном или лабильном. Примером стабильной сис темы является кристалл или даже простой камень. Мы не можем учесть всех воздействий ближнего и дальнего Космоса, которые от ражает микрокосмос камня. Но и то, что мы знаем, говорит о совер шенно уникальных его свойствах. Он противостоит и испаряющему действию Солнца, и стремящейся раздавить его силе земного тяго тения, растворяющему действию воды и химическому воздействию веществ в воздухе, воде и почве. Более того, сцепление молекул в нем столь уникально организовано, что при умеренных усилиях сжа тия или растяжения в нем возникают силы, равные по величине и об ратные по направлению силам, на него воздействующим. Отсюда становится понятным, почему из огромного теоретически возможно го числа минералов в условиях Земли лишь немногие смогли стать реальным микрокосмосом — простыми камнями. Стабильным спосо бом сохраняется множество систем — от атомов до небесных тел, ме няются лишь силы, образующие связи между элементами, — нуклон ные, электромагнитные, гравитационные.
Уже давно рядом авторов (П.К. Анохин, Н.А. Бернштейн) отмеча лось, что отличительным признаком жизни является ее способность к опережающему реагированию. Однако при этом не ставился во прос: каким физическим условиям должна отвечать система, спо собная к такому реагированию? Поэтому поиск определения жизни начнем с константации того факта, что опережающее реагирование возможно, если система способна реагировать не на само важное для ее существования событие, а на опережающий его малоэнергетичный признак — сигнал (звук, запах, свет и т. п.). При этом такая реакция протекает адекватно не самому сигналу, а событию, призна ком которого он является. Но при этом, в свою очередь, возникает вопрос: каким физическим условиям должна удовлетворять система для обеспечения подобной реакции? Очевидно, что для такого реа гирования она должна с необходимостью отвечать следующим тре бованиям.
1. Термодинамическому, т. е. она должна обладать структурами, которые способны удерживать без потерь энергию высокого потен циала, необходимую для совершения работы по сохранению организ ма. Это требование удовлетворяется широко распространенными
в природе метастабильными состояниями, в которых энергия высо кого потенциала защищена от выравнивания потенциальными барье рами. Именно последним обязано своим существованием разнооб разие устойчивых изотопов таблицы Менделеева и даже все разно образие мира в целом.
2. Информационному. Это требование сводится к необходимос ти обладания структурами, регулирующими процесс высвобождения этой энергии в ответ на сигнал, представляющий собой слабый, но специфический энергетический импульс. Этому условию отвеча ют органические и минеральные катализаторы. Они могут быть вве дены в контакт с веществом за счет слабого воздействия, например, механического, либо благодаря их активации в результате добавки к ферменту кофермента. Аналогично работают выключатели элект росети и т. п., т. е. структур, называемых нами стрейторами (от анг лийского straight — прямой). Стрейторы способны при получении сиг нала снижать (а в пределе и устранять) или, наоборот, восстанавли вать потенциальный барьер метастабильного состояния. Стрейторные реакции обладают высокой селективностью: например, в то вре мя как нагревание ускоряет множество химических реакций, катали затор ускоряет только одну из них или всего несколько.
3. Преобразовательному. Это требование обусловливает необ ходимость обладания структурами, преобразующими выделившуюся энергию высокого потенциала в работу, направленную на сохранение организма. Эта роль может принадлежать, например, молекуле фер мента, которая помимо выполнения каталитической функции совме стно с мембраной способна определять направление реакции, либо кинематической части станка, преобразующей вращения двигателя в конкретную работу. Свойство преобразования энергии присуще всем материальным объектам, с ней взаимодействующими.
В соответствии с этой простейшей структурой — сигнальным эле ментом (сокращенно сиэлом) — определяются исходные элементар ные понятия теории систем.
Информация. В теории информации за единицу последней при нимается воздействие, обусловливающее единичный выбор. Оче видно, что такой единицей оказывается сигнал, который осуществля ет подобную операцию и всегда специфичен относительно сиэла, вхо дящего в состав организма или автомата. Сказанное позволяет по нять необоснованность объяснения информации с использованием негэнтропийного принципа, согласно которому под ней понимается
любое воздействие на систему, обусловливающее то или иное ее со стояние. В соответствии с этим положением признается, что «инфор мацией» якобы наполнена вся Вселенная. Наше понимание природы сигнала (информации) позволяет внести ясность в еще одно ключе вое положение синергетики. Формально сигнал (информация) как ма лое возмущение, радикально изменяющее состояние системы, схо ден с бифуркацией. Принципиальное же его отличие заключается в том, что под воздействием сигнала происходит не переход си стемы из состояния хаоса в состояние упорядоченности, а пере ход от одного состояния организации к другому.
Знание. Сиэл — это элементарная структура, которая «знает», на какой сигнал и как реагировать.
Смысл. В структуре сиэла заключен и элементарный смысл ре акции.
В двух последних пунктах мы обнаруживаем связь основных по ложений ОТС с началами семиотики и семантики.
Управление. Сиэл являет собой элементарную структуру управ ления, в которой малая энергия информации управляет существенно более мощными энергетическими потоками.
Программа. Программа — это структура, способная под воздей ствием энергетического потока порождать сигналы для данного ор ганизма или автомата. Программа, подобно сигналу и информации, представляет собой понятие относительное. Так, неподвижный ланд шафт, порождающий сигналы для человека и многих животных, не является программой для лягушки, способной замечать лишь дви жущиеся предметы. Примерами программ могут служить ДНК и РНК, магнитные ленты, лазерные диски и т. п. Большинство программ, в том числе и те, которые содержатся в клетках организма, а также магнитные ленты, лазерные диски и т. п., способны порождать сигна лы, осуществляющие выбор программ более низкого ранга для вво да их в действие, изменять их или даже порождать новые под влия нием сигналов. При этом возникают и новые рефлексы, видеозаписи и т. п., являющиеся важными факторами, используемыми в процес сах запоминания и адаптации организованных систем. Единичным элементом программы явится та ее часть, которая генерирует еди
ничный сигнал.
Организация. Очевидно, что организованными называются сис темы, существование которых обеспечивается, в частности, за счет содержащихся в них сигнальных элементов; иными словами, это ор