- 2 -

Москва 2010

Оглавление

• Введение - 3 -
• Классификация систем - 4 -
• Пространства способностей, возможностей и реализаций - 7 -
• Поведение и цель системы - 10 -
• Различие живых и неживых систем - 13 -
• Литература - 18 -

Введение

Окружающий нас мир состоит из разных систем: наша галактика -- система, отдельный атом -- система, организм -- система, автомобиль -- система. Каждый класс систем изучается определенной наукой, но все науки при исследовании систем решают в принципе один и тот же последовательный ряд задач возрастающей трудности, связанных с поведением систем. Первая задача -- описание поведения систем. Вторая -- объяснение поведения. Третья -- предсказание поведения. Четвертая -- управление поведением. Наконец, последняя -- создание систем с определенным поведением.

Классификация систем

В физике обычно систему определяют как совокупность тел, выделенных из окружающего пространства. В общей теории систем под системой имеется -в виду совокупность взаимодействующих элементов. Поскольку взаимодействующие элементы не обязательно должны быть материальными телами, последнее определение включает более обширный круг систем, чем первое: система идей, понятий, символов и пр.

Если говорить о классе материальных систем, то в принципе взаимодействие существует между любыми элементами Вселенной. Следовательно, согласно второму определению, строго говоря, системой является вся Вселенная в целом. Поэтому удобнее определить систему как совокупность взаимодействующих элементов, выделенных из среды.

Тем самым рассматриваемые взаимодействия делятся на две категории: внутренние (взаимодействия между выделенными из среды элементами системы) и внешние (взаимодействия между системой или ее элементами и средой). В зависимости от того, какие взаимодействия мы кладем в основу выделения системы, внутренние или внешние, получится тот или иной тип системы.

Если во взаимодействиях, которые мы кладем в основу выделения системы, доминирующую роль играют внешние взаимодействия, то мы имеем дело с системами популяцлонного типа -- эктосистемами. Такие системы детерминированы статистически. Они существуют в основном благодаря одинаковому взаимодействию элементов со средой: именно оно и объединяет элементы в систему.

Следовательно, система популяционного типа должна состоять, как правило, из однотипных элементов. Для однотипных же элементов характерны их взаимозаменяемость, конкурентные взаимоотношения между ними и, как следствие этого, отбор.

Примерами эктосистем могут служить: макроколичества газа, песчаные дюны, популяции клеток, организмов или звезд, серийная продукция завода или фабрики и т. д.

Наоборот, если мы выделили систему таким образом, что в ее организации доминирующую роль играют внутренние взаимодействия (между элементами), то мы имеем дело с системами организменного типа -- эндосистемами, с сильными связями между элементами и со слабыми -- между элементами и средой. Системы организменного типа, как правило, состоят из определенного числа разнотипных элементов, объединенных сильными взаимодействиями. Такие системы жестко детерминированы. Они характеризуются прежде всего не взаимозаменяемостью элементов, а их дополнительностью, поэтому вместо конкурентных взаимоотношений, господствующих между однотипными элементами популяционных систем, здесь доминируют коалиционные взаимоотношения между разнотипными элементами и, как следствие этого, в системах организменного типа действует правило слабого звена, а не отбора. Примерами эндосистем могут служить: отдельный атом, молекула, организм, солнечная система, машина и т. д,

Эти два крайних типа систем в основном совпадают с типами, выделенными А.А. Малиновским. По терминологии А.А. Малиновского, первый тип называется дискретным, или корпускулярным, а второй -- жестким. Мне представляется, что главной отличительной чертой выделенных типов являются внешние или внутренние взаимодействия, создающие систему, а не сила или жесткость связей. Кроме того, эти названия неточно передают основную суть выделенных систем: множественность связанных внешними взаимодействиями однотипных элементов (эктосистема) и определенное число разнотипных элементов, объединенных внутренними взаимодействиями (эндосистема).

Одна и та же система в зависимости от того, какие взаимоотношения, внутренние или внешние, мы кладем в основу, может выступать как организменная или как популяционная система. Например, если мы рассматриваем вид животных как совокупность отдельных особей, то имеем дело с системой популяционного типа, образуемой внешними взаимоотношениями однотипных элементов со средой (одна и та же пища, одни и те же опасности и т. д.). Если же рассматривать вид как совокупность двух полов, то это уже организменная система, построенная на внутренних коалиционных взаимоотношениях двух разнотипных элементов.

Помимо классификации систем по эндо- или эктовзаимодействиям, их удобно классифицировать также по характеру, физической природе взаимодействий (сил), образующих систему. Если в основу такой классификации положить формы движения материи, то можно говорить о механических, тепловых, электрических, химических, биологических, социальных, технических или экономических системах. Например, если какой-то шарик интересует нас с точки зрения того, что мы его бросаем, катаем и т. п., то мы имеем цело с механической системой; если мы интересуемся его теплоемкостью или электропроводностью, то он выступает как физическая система; если мы исследуем его химический состав, то это -- химическая система; наконец, если из этого шарика вылупляется птенец, то это уже биологическая система. Следовательно, здесь можно говорить о разных уровнях систем, и уровень системы определяется характером взаимодействия между ее элементами. При этом системы высших уровней состоят из систем более низких уровней. Так, любая социальная система в конечном счете тем или иным образом опирается на биологическую систему, любая биологическая система включает химические системы и т. д. Классификация систем по уровням в основном совпадает с распределением их по изучающим их наукам.

Системы можно классифицировать и по другим принципам: по числу элементов, -- на простые и сложные, по степени или характеру связи со средой -- на изолированные, закрытые или открытые системы, по типу процессов, проходящих в системе, -- на равновесные, стационарные, нестационарные, по типу организации -- на упорядоченные, регулируемые, управляемые, адаптирующиеся, самоорганизующиеся, самовоспроизводящиеся и т. д.

Оставив эти задачи другим исследователям, обсудим теперь понятия, характеризующие системы, но исторически возникшие в разных науках и потому требующие специального рассмотрения. К числу таких понятий относятся внешние и внутренние степени свободы.

Рассматривая системы более высоких уровней (тепловые, электрические и т. д.), мы должны ввести соответствующие этим формам движения степени свободы и запреты. Так, газ в цилиндре под поршнем не только расширяется или сжимается (если поршень не закреплен), но и охлаждается или нагревается, если нет тепловой изоляции, принимает или отдает электричество, если нет электроизоляции, и т. д. Картина, таким образом, слишком усложняется.

Пространства способностей, возможностей и реализаций

Под пространством способностей будем понимать совокупность внутренних степеней свободы системы, образующих некое многомерное пространство. Это -- перечень того, что система в состоянии делать, перечень внутренних потенциальных программ системы.

Под пространством возможностей будем понимать совокупность внешних степеней свободы, также образующих некое многомерное пространство. Это перечень того, что системе позволяют реализовать условия среды.

Точки, принадлежащие одновременно пространству возможностей (1) и пространству способностей (2), образуют третье многомерное пространство -- пространство реализаций (3), которое характеризует поведение системы (рис. 1).

Пространство способностей (внутренняя программа) системы образует некоторую матрицу, которая будет заполнена, если позволят условия среды. Например, пустая таблица Менделеева (без вписанных атомов) представляет изображение пространства способностей (матрицы) системы атомов. В зависимости от конкретных условий среды -- пространства возможностей -- эта матрица будет в той или иной степени заполнена. Для нашей планеты матрица заполнена на 92 клетки, а скажем, на Сириусе -- всего на 30 клеток. Вместе с тем не исключена возможность, что во Вселенной существуют места с такими условиями, где матрица заполнена еще больше, чем у нас, и устойчивы трансурановые элементы.

Понятия пространства способностей, возможностей и реализаций можно применять как к системе в целом, так и к ее подсистемам и элементам. Можно говорить о программе элементов и программе системы в целом.

При объединении элементов в систему претерпевает изменения и их программа: на какие-то ее пункты налагаются запреты, и одновременно появляется новая программа системы в целом, отсутствовавшая у элементов. Например, при объединении двух атомов в молекулу из шести степеней свободы (по три у каждого атома) остается только пять. Но при этом появляется новая программа -- вращательное движение. Здесь исчезнувшую степень свободы можно рассматривать как плату за новую программу. Аналогичную картину можно проследить при образовании из элементов более сложных систем.

При слабых взаимодействиях между элементами (популяционный тип систем) программы элементов складываются аддитивно, и система в целом представляет простую сумму свободных элементов. Эффект организации при этом минимален. По мере перехода к организменному типу систем число и ассортимент программ элементов уменьшается из-за потери элементами своих степеней свободы. Усиление взаимодействия между элементами сопровождается появлением новых программ -- программ системы в целом, число и ассортимент которых растет с усилением взаимодействия (эффект организации). И в этом случае исчезнувшие программы элементов можно рассматривать как плату за новую организацию, за новые программы системы.

Вероятно, для каждой системы должна существовать некая оптимальная сила взаимодействия между элементами, при которой интегралъный эффект организации, учитывающий программы как элементов, так и системы, будет максимален. Если взаимодействие слабее оптимального, то интегральный эффект организации не достигает максимума из-за чрезмерной свободы элементов.

Если же взаимодействие сильнее оптимального, то интегральный эффект организации опять меньше максимума, но уже из-за чрезмерной утраты свободы элементов.

Понятия- пространства способностей, возможностей и реализаций можно связать с широко применяемыми в кибернетике понятиями черного ящика (система), входа (пространство возможностей), внутреннего механизма ящика (пространство способностей), выхода (пространство реализаций, поведение системы).

Вместе с тем понятие пространства реализаций близко биологическому понятию экологической ниши. Экологическую нишу, понимая под ней совокупность диапазонов условий существования системы, можно характеризовать, во-первых, по числу факторов среды, к которым система чувствительна (мерность ниши); во-вторых. по протяженности диапазона существования системы по данному фактору (ширина ниши). Для физико-химических систем факторами среды являются температура, давление и набор концентраций химических веществ. Для живых систем к этому надо добавить концентрации паразитов, хищников, жертв, особей своего и всех других видов и т. д.

В таком понимании физико-химические фазовые диаграммы -- не что иное, как форма описания экологических ниш различных фаз. Например, экологическая ниша жидкой воды по температуре (при давлении в 1 атм) имеет ширину от 0 до 100°.

Чем выше уровень системы, тем многомернее, как правило, ее экологическая ниша, тем меньше ширина экологической ниши по различным факторам среды, тем чувствительнее и требовательнее система к условиям среды. Например, если взять человека как социальную систему, то экологическая ниша такой системы очень многомерна: помимо узких диапазонов температуры, давления, помимо пиши, воды, кислорода и пр., ему необходима масса других условий -- то, что называется духовной пищей. При рассмотрении человека как биологической системы (уровнем ниже) мерность ниши уменьшается, ряд требований отпадает. Еще более упрощается экологическая ниша для человека, когда мы рассматриваем его как безжизненную химическую систему. Наконец, если рассматривать того же человека как физическую систему, то для нее экологическая ниша, наверное, только двухмерна -- температура и давление в очень широких пределах. Следовательно, чем ниже уровень экологической ниши, тем фундаментальнее требования. Системы высших уровней не могут выйти за пределы экологических ниш всех нижележащих уровней.

Поведение и цель системы

Поведение системы определяется прежде всего ее программой, но из множества потенциально возможных программ реализуются только те, которые соответствуют данным конкретным условиям среды. В биологии часто спорят, что важнее -- наследственность или среда. Развитые соображения позволяют уточнить представления о соотношении этих факторов.

Очевидно, поведение системы определяется или программой, или средой в зависимости от того, внутренние или внешние запреты действуют в данном случае. Если рассматривается граница пространства реализаций и пространства возможностей, то определяющую роль играет среда, а на границе пространства реализаций и пространства способностей эта роль переходит к наследственности. Сходные внутренние программы в разных пространствах возможностей приводят к сходным проявлениям, относимым в биологии к гомологиям. Таковы, например, руки человека, крылья птиц и ласты тюленя. Наоборот, разные программы в сходных пространствах возможностей имеют сходные проявления, называемые биологами аналогиями: аналогичное строение глаза у таких разных классов, как млекопитающие и головоногие моллюски, или плавники у кита и рыб и т. д.

Следующее важное понятие, которое следует обобщить и применять ко всем системам, -- это условное понятие цели. Знание «цели» системы сильно облегчает объяснение и предсказание поведения системы. «Цель» четко выступает в поведении управляемых или регулируемых систем, но она может быть определена и для других систем. Разница в поведении систем, имеющих одинаковую «цель», вводится к разным способам достижения этой цели.

Это имеет важное значение при выявлении общих закономерностей. Пока мы ничего не знали о гравитации, трудно было видеть общее в поведении таких различных систем, как качающийся маятник, текущая река, вращающиеся вокруг Солнца планеты. Но как только удалось понять, что в основе их программ лежит одно и то же взаимодействие, найти для них общую «цель» -- стремление к минимуму потенциала в гравитационном поле, поведение этих систем стало легко объяснимо как реализация одной программы разными путями.

Таким образом, если мы ищем черты сходства между непохожими системами, то необходимо искать и формулировать «общие цели» для возможно более широкого круга систем. В качестве такой обобщенной, единой «цели» для всех систем может, например, выступать сохранение системой своего существования во времени. Действительно, такую «цель» можно признать и за кристаллом алмаза,, который «стремится» сохранить свое существование, противопоставляя разрушающим факторам среды свою твердость (кристаллическую структуру), и за живым организмом, который той же цели достигает размножением.

Факт исторического происхождения живых систем из неживых породил и порождает множество попыток найти общие принципы, лежащие в основе этих двух типов систем. Особенно широкую дискуссию вызвало отношение живых систем ко второму началу термодинамики. Начиная с А. Бергсона, говорившего об усилии жизни подняться по склону, по которому спускается вещество, наметилась тенденция рассматривать энтропию и жизнь как взаимно противоположные понятия.

Между тем можно показать, что по отношению к энтропии живые системы делают то же, что и некоторые машины, скажем холодильник: и животное и холодильник за счет поглощаемой энергии производят энтропию и негэнтропию одновременно, т. е. расщепляют некоторый средний уровень энтропии на более высокий и более низкий. Живые системы, потребляя энергию Солнца, производят потомство (более низкоэнтропийное состояние вещества) и выделения (богатые энтропией вещества). Аналогично и холодильник на основе потребления электрической энергии может производить, с одной стороны, лед (низкоэнтропийное состояние), а с другой -- пар (высокоэнтропийное).

Поэтому отношение к энтропии вряд ли может служить критерием отнесения системы к живым или неживым. Негэнтропия действительно является мерой упорядоченности, но тогда максимумом упорядоченности (минимумом энтропии) обладает правильный кристалл простого вещества при абсолютном нуле, а минимумом упорядоченности -- газ при высокой температуре. Значит, в энтропийной шкале живые системы не занимают исключительного положения, не являются «чемпионами», чего можно было бы ожидать, если бы энтропия действительно являлась определяющим фактором жизни. Негэнтропия -- лишь мера упорядоченности, т. е. удаления от беспорядка, хаоса, а от хаоса можно удаляться в разных направлениях, причем не все они приводят к жизни, упорядоченность, измеряемая негэнтропией не учитывает направления, т. е. «цели» системы. Только с учетом такой цели можно определить отношение различных систем к понятиям энтропии, упорядоченности, информации и организации.

С точки зрения термодинамики живые системы являются открытыми рабочими системами: они обмениваются со средой веществом, энергией, информацией. Сопоставим различные формы контакта со средой известных рабочих систем.

Различие живых и неживых систем

Живые системы подчиняются второму закону термодинамики. Но это не значит, что он может объяснить специфическое поведение, подобно тому как живые системы подчиняются закону гравитации, который также не может объяснить их специфического поведения. В целом при иерархическом строении систем законы низших уровней действуют для систем высших уровней, хотя и не определяют их специфическое поведение. Чем выше ранг закона, тем фундаментальнее и универсальнее сам этот закон; чем ниже уровень системы, тем выше ранг ее законов, и наоборот.

Для уяснения общего и различий между живыми и неживыми системами попытаемся нарисовать общую картину эволюции материальных систем.

Некогда существовала «популяция» элементарных частиц. Между ними осуществлялись процессы комбинаторики, а комбинации подвергались «отбору». Комбинаторика подчинялась степеням свободы и запретам, действующим для мира элементарных частиц. «Выживали» только такие комбинации, которые допускались средой. Это были процессы физической эволюции материи, результат ее -- система атомов таблицы Менделеева. Ее длительность порядка нескольких десятков миллиардов лет.

Процессы комбинаторики атомов дают начало химической эволюции, результат которой -- мир молекул. Какие-то комбинации атомов оказываются бесперспективными, а другие дают начало ветвящимся рядам. Так, атомы инертных газов не образуют молекул, многие другие атомы образуют двухатомные молекулы, кислороду удается образовать трехатомную молекулу, а углерод способен давать длинные цепи (алифатический ряд), кольца (ароматический ряд) и другие конфигурации, создающие большое разнообразие органических молекул. Длительность химической эволюции -- около 10 миллиардов лет.

Для определения границы жизни, если опираться на развитые здесь представления, необходимо найти ту существенную программу, которая имеется уже у самой простой из всех живых систем, но отсутствует еще у самой высокоорганизованной неживой системы. Иначе говоря, надо установить, появление какой программы сделало кристалл живым.

Если сравнить элементарную живую структуру -- молекулу ДНК или хромосому, -- по выражению Шредингера, одномерный, апериодический или живой кристалл, -- с кристаллом неживым, то мы обнаружим много общих программ. Оба они обладают дальним (кристаллическим) порядком, способны хранить и умножать присущую им организацию (информацию). Следовательно, даже способность создавать вещество с той же специфической организацией не является монополией «живых» кристаллов. Так, опустив в сосуд с расплавленной серой маленький кристалл (затравку) моноклинической серы, мы получим большое количество моноклинической серы, а если взять ромбическую серу, то и ее количество вырастет. В принципе это не отличается от «наследственной» передачи генетической информации у живых систем. Очевидно также, что ни «одномерность», ни «апериодичность» не имеют принципиального значения и не являются свойствами, присущими только «живым» системам.

Таким свойством является способность «живого кристалла» «отторгать» от себя вновь образованную структуру. Появление кристаллов с таким свойством явилось первым необходимым шагом для появления новой ветви химической эволюции, приведшей к возникновению жизни. Другими словами, поворотным пунктом здесь явилось появление структур, обладающих свойством дискретного самовоспроизводства.

Становясь на такую точку зрения, мы должны считать вирусы и фаги живыми. Более того, мы должны считать родоначальниками жизни на Земле те молекулы, которые обладали автокаталитическими свойствами, т. е. уже могли размножаться. Это было первым необходимым, но недостаточным шагом к появлению жизни, так как эти молекулы были все одинаковы и при изменении условий среды все погибали.

Следующим необходимым шагом было появление разнообразия -- дисперсии свойств. Возможность появления разнообразия связана со сложностью структуры: чем сложнее структура, тем большее разнообразие можно получить на ее основе. Поэтому на путь биологической эволюции могли стать лишь достаточно сложные структуры. В отличие от простых молекул у сложных возможны изомеры (молекулы с одинаковым составом, но разной структурой), число которых растет с ростом размеров молекулы. Физико-химические свойства изомеров заметно отличаются друг от друга. Если чистый изомер имеет вполне определенную температуру замерзания, то смесь изомеров замерзает в интервале температур. Совокупность таких молекул -- это уже «популяция» молекул, обладающая дисперсией свойств. К дисперсии свойств может привести не только разная химическая структура (первичная структура), но и разные конфигурации молекул с одинаковой химической структурой, называемые вторичной структурой (например, молекула может свернуться в клубок или в спираль).

Теперь представим, что среди самовоспроизводящихся молекул есть такие, которые способны создавать не только свои точные копии, но и копии, структурно отличающиеся от исходной молекулы. Такую программу можно назвать поливариантной редупликацией, в отличие от конвариантной редупликации с идентичными молекулами. Популяция молекул, обладающая такой программой, вступила на путь эволюции жизни. Она уже могла получать информацию об изменениях среды и сама меняться в нужном направлении.

Например, если такая популяция «жила» в жидкой среде, то при понижении температуры среды некоторые молекулы кристаллизовались и выпадали в осадок («умирали»). Оставшиеся, более легкоплавкие, продолжали редуплицироваться. Так как редупликация была поливариантной, то у самых легкоплавких молекул могли получаться еще более легкоплавкие «потомки». Таким образом, благодаря естественному отбору популяция уходила от вредного изменения среды, адаптировалась.

На стадии однотипных элементов, объединенных в эктосистему внешними взаимодействиями, конкурентные взаимоотношения толкают их на путь дифференциации, расширяющей экологическую нишу элементов. При наличии достаточной степени дифференциации возникают предпосылки коалиционных взаимоотношений (интеграции) между элементами. Укрепление последних приводит к дальнейшему углублению дифференциации и интеграции и постепенно превращает эктосистему в эндосистему (организм) с минимальными программами элементов и максимальными -- системы. Далее накапливаются одинаковые организмы (полимеризация новых элементов), а процессы дифференциации приводят к превращению полученной таким образом «чистой линии» в «популяцию организмов». Процессы интеграции в популяции превращают эту популяцию в организменную систему более высокого порядка, и т. д. Так были пройдены отрезки эволюции от популяции поливариантно редуплицирующих молекул до популяции поливариантно редуплипирующих одноклеточных организмов, затем к многоклеточному организму и к многоорганизменным сообществам (типа улья).

Следовательно, наблюдаемое нами богатство форм живых систем -- это различные стадии эволюции, в которых и сейчас идут процессы усиления взаимодействия между элементами систем. Происходит всеобщее укрепление связей, утрата степеней свободы элементов и появление новых программ в системах. Поэтому системы популяционного типа постепенно превращаются в системы организменного типа. В свою очередь однотипные организменные системы образуют популяционные системы на новом уровне организации.

Литература

2. Данилов Ю.А., Кадомцев Б.Б. Что такое синергетика// Нелинейные волны. Самоорганизация. М.: Наука, 1983.

3. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ, 1997. - 320 с.

4. Учебник для вузов (под ред. проф.В.Н. Лавриненко, проф.В.П.Ратникова: 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2006. - 79 с.