Внутреннее развитие систем

Если мир систем функционально аналогичен, на чем настаивал Л. фон Берталанфи*, то помимо общих закономерностей сложения систем должны существовать общие правила их развития — как эволюционного, так и индивидуального. Прежде всего это совершенно очевидный закон вектора развития: развитие однонаправленно. Нельзя прожить жизнь наоборот — от смерти к рождению, от старости к юности, нельзя повернуть историю государства вспять, невозможно в том же направлении развернуть эволюцию планеты, жизни на ней. Эта невозвратность сформулирована в виде закона необратимости эволюции Л. Долло, на этот раз лишь для живого: организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков. Очевидно, что эта закономерность универсальна.
Столь же всеобща тенденция всего сущего к усложнению организации и дифференциации функций и подсистем. Изначально эта закономерность (в другой интерпретации и в несколько других словах) была сформулирована (или стала широко известной) в виде закона усложнения системной организации (организмов) К. Ф. Рулье: историческое развитие живых организмов (а также всех иных природных и социальных систем) приводит к усложнению их организации путем нарастающей дифференциации функций и органов (подсистем), выполняющих эти функции. Весь ход эволюции живого и развития социальных структур подтверждает этот закон. Движущими механизмами и причинами такого усложнения служит необходимость приспособления к непрерывно меняющимся условиям функционирования систем. При этом условия делаются все более жесткими. В рамках развития жизни на Земле и истории человечества все труднее достаются ресурсы. Но в то же время и живое, и человечество стремятся к достижению относительной независимости от условий среды обитания путем усложнения организации. Это усложнение за пределы разумной (системной) достаточности, на что будет обращено внимание в последнем разделе этой главы, а также при обсуждении закона Копа и Депере (разд. 3.4), в конечном итоге ведет систему к гибели.
Вместе с тем в рамках эволюции крупных космических систем (например, Солнечной), очевидно, действует закон неограниченности прогресса: развитие от простого к сложному зволюционно неограничено. Абсолютизировать эту закономерность не стоит. Это приводит к шапкозакидательским настроениям. Прогресс неограничен лишь при очень значительных усилиях и саморегуляции как ведущем факторе развития. Он требует постоянных жертв, число которых также ограничено пределами разумной достаточности, а длительность «неограниченности» все же лимитирована эволюционными рамками. Для Земли это время существования самой планеты. Так что можно говорить лишь о квазинеограниченности прогресса любых систем Земли.
В сфере закономерностей развития есть как бы два ряда — эволюционно-исторический и собственного развития индивидуальных систем, т. е. филогенетический и онтогенетический в биологической трактовке.
Логично искать связи между историко-эволюционными процессами и ходом онтогенеза любой системной совокупности. Эта связь наиболее часто прослеживается в мире живого. В 1864 г. Ф. Мюллер установил, а через 2 года Э. Геккель сформулировал биогенетический закон: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида, т. е. индивид в своем развитии повторяет (в сокращенном и закономерно измененном виде) историческое (эволюционное) развитие своего вида.
Нас сейчас не интересуют все тонкости и подробности проявления биогенетического закона. Важнее найти его аналоги среди большого числа типов систем, особенно абиотических. И действительно, Д. В. Рундквистом сформулирован геогенетический закон: минералогические процессы в короткие интервалы времени как бы повторяют (в измененном виде, со своими «акцентами») общую историю геологического развития, или, другими словами, геологические процессы развития однонаправлены во всех масштабах геоэволюции (общей эволюции Земли, в рамках геологического мегацикла, тектоно-магматического цикла и т. д.). Вновь нас могут не интересовать подробности. Важно само обобщение.
Если проследить линии индивидуального развития множества типов систем, то нетрудно убедиться в том, что биогенетический и геогенетический законы имеют много аналогов. Сходным образом развиваются экосистемы в ряду сукцессии, происходит познание мира ребенком, идет развитие техники и так далее. Закрепленность пути индивидуального развития совершенно очевидна — путь от старости к молодости, а не наоборот, заказан и закреплен эволюционно-исторической «памятью» системы. Функциональные изменения следуют проверенным длинной серией проб и ошибок путем. Отсюда закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном (исторически, эволюционно, геохимически и физиолого-биохимически обусловленном) порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием. Насильно убрать какую-то из фаз развития практически невозможно. Иногда доступно ее несколько сократить во времени. Нельзя существенно отклонить и направление развития. Можно лишь его задержать, даже отсечь какие-то последующие фазы (например, случай неотении), но не качественно изменить. Доступно и некоторое ускорение процесса путем регуляции внутренних взаимосвязей.
Очевидно, существует общий системогенетический закон: природные (а возможно и все) системы в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и нередко в закономерно измененной и обобщенной форме эволюционный путь развития своей системной структуры. Если это так, то возникает щекотливый вопрос: как же находятся пути в самой эволюции? Ведь-до прохождения текущей, а тем более последующей фазы развития эти пути не могут быть закреплены иначе как через божественный план. Но так лишь с первого взгляда. На самом же деле наблюдается одновременное движение всех движений в иерархии систем от бесконечно большого Космоса до бесконечно малых элементарных частиц. Каждая подсистема следует за своей системой, вернее, развитие надсистемы определяет многие ограничения в развитии входящих в нее подсистем. Такой процесс «подталкивания», направления развития характерен для всего системного мира как в сверхдлинных отрезках эволюционного времени, так и в сравнительно коротких сроках индивидуального развития. Всюду есть взаимоотношения в иерархии систем — эволюция эволюции и развитие развитии. Процессы-организаторы и их механизмы как бы подталкивают развитие по определенным руслам, и как в реке ниже лежащая масса воды пройдет раньше выше лежащей, так и в процессах развития предыдущие стадии не могут идти позже за ними следующих. Такова логическая модель действия системогенетического закона. Принципы управления остаются все теми же — целое ограничивает число степеней свободы своих частей, то же делают части по отношению друг к другу и к целому.
Системогенетический закон в отличие от биогенетического своего предшественника позволяет прогнозировать будущее развитие. Вернее, не сам закон, а одно из его следствий. Если развитие относительно детерминировано воздействием иерархии надсистем, а отчасти и подсистем в прошлом (подсистемы, изменяясь, не могут не влиять на целое, пример тому мутации), то характер процессов не изменится и в будущем, во всяком случае ближайшем (в масштабе характерного времени систем). И хотя принцип «развитие есть движение движений во всей иерархии значимых систем» не позволяет создать одной безальтернативной модели, все же можно прогнозировать вероятный ход событий. Если же рассматривается процесс, описываемый системогенетическим законом, в начальных (не в конечных) фазах развития, точность прогноза резко возрастает: никогда бабочка не вылетит из яйца или из гусеницы, только из куколки.
Отсечение надсистемой и межсистемными отношениями многих вероятных путей развития подсистем, детерминированность их развития предполагает наличие единого русла изменений, их одновременности и сопряженности. На это обратили внимание еще биологи первой трети прошлого века. В 1830 г. Ж. Кювье сформулировал закон анатомической (или структурной) корреляции. Его современное звучание: в организме, как в целостной системе, все его части соответствуют друг другу как по строению (закон соподчинения органов), так и по функциям (закон соподчинения функций). Изменение одной части организма или отдельной функции неизбежно влечет за собой изменение других частей и функций. Рогам соответствуют копыта, а не хищные зубы, травоядность, а не плотоядность. Но и в любой системе имеется согласование частей, иначе она бы шла вразнос, не было бы никакого единства. Очевидно, действует закон согласования строения и ритмики (функций) частей (подсистем), или закон синхронизации и гармонизации системных составляющих: в системе как самоорганизующемся единстве индивидуальные характеристики подсистем согласованы между собой. Одно из важнейших следствий этого закона в том, что выпадение одного из звеньев системы меняет структуру и функции других, сопряженных с этим законом, или полностью изменяет целое. Выпадение атома из молекулы делает молекулу совсем иной; эволюционное изменение одного из функциональных органов меняет весь строй организма и т. д.
Поскольку имеется корреляция между органами и функциями, а развитие есть движение многих движений, в системе одновременно должны присутствовать подсистемы бурно прогрессирующие, стабильные и регрессирующие. Система как правило, развивается неравномерно. Это также подметили биологи, и Дж. Хаксли в 30-х гг. нашего столетия сформулировал закон аллометрии — неравномерности роста частей тела в процессе развития организма. Автор закона аллометрии считал такую неравномерность развития аномалией, даже патологией. Однако неравномерное развитие подсистем внутри одной системы весьма обычно. Так развиваются — сезонно и в многолетнем ряду — организмы в биоценозе, так совершенствуются технические устройства, так идет развитие экономики стран и так далее, и тому подобное. Видимо, закон неравномерности развития систем, или, лучше, закон разновременности развития (изменения) подсистем в больших системах может быть сформулирован в таком виде: системы одного уровня иерархии (как правило, подсистемы системы более высокого уровня организации) развиваются не строго синхронно — в то время, когда одни из них достигли более высокого уровня развития, другие еще остаются в менее развитом состоянии. Связь обсуждаемого закона с законом необходимого разнообразия (разд. 3.2.1) лежит на поверхности и не требует комментариев.
Подосновой законов внутреннего строения и развития систем как логических гомологии должны быть какие-то относительно элементарные физические явления, прежде всего энергетические. Обратимся к ним.

Термодинамика систем

Очевидно, в жизни экологических систем действуют общие термодинамические принципы и законысохранения энергии, вещества, информации. Наиболее существенны из них, видимо, следующие, формулировки которых приближены к экологическим нуждам.
Наиболее очевиден закон (принцип) энергетической проводимости: поток энергии, вещества и информации в системе как целом должен быть сквозным, охватывающим всю систему или косвенно отзывающимся в ней. Иначе система не будет иметь свойства единства. Это закон (принцип) не следует понимать слишком упрощенно и ограничиваться короткими интервалами времени. Очевидно, для любой, в том числе и экологической, системы определенного уровня иерархии длительность прохождения потока энергии, вещества и информации будет специфичной. Больше всего расчетов сделано для воды. Водообмен в биологической особи занимает часы, влаги в атмосфере (следовательно, и в аэробиосфере) — 8 дней, свободных континентальных поверхностных вод — от 16 дней в реках до 17 лет в озерах; подземные воды обновляются за 1400 лет, а воды океана за 2500 лет. Очевидно, существует характерное время транзита энергии и обмена веществ во всех природных системах мира.
Ю. Н. Куражсковский (Введение в экологию и природопользование. Ростов-на-Дону: Ростовское кн. изд-во, КПК «Кристалл», 1990. 157 с.) на с. 25 назвал закон (принцип) энергетической проводимости законом сохранения жизни: «Второй экологический закон — закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии и информации. Прекращение движения в этом потоке прекращает жизнь». Это верно. Однако движение энергии, вещества и информации необходимо не только для живого и систем с его участием, но, видимо, и для более широкого класса систем, например, многих абиотических, шире — космических, особенно на определенных этапах их существования. Даже неэксплуатируемые здания скорее приходят в негодность, чем заселенные. Видимо, это закон функционирования не только жизни, но и всех динамических систем. Само же движение энергии, вещества и информации подчинено группе закономерностей, часть которых упомянута ниже.
Закон сохранения массы: сумма массы вещества системы и массы эквивалентной энергии, полученной или отданной той же системой, постоянна. Первоначальная формулировка этого закона — масса (вес) веществ до химической реакции равна массе (весу) веществ после химической реакции, а более расширительно — масса поступающего в систему вещества минус масса выходящего из системы вещества равна массе накапливаемого в системе вещества. Если накопления или убывания вещества в системе не наблюдается, она находится в устойчивом, гоме-остатическом состоянии. Близкий к этому закон сохранения энергии, или первый принцип (закон, начало) термодинамики, гласит: любые изменения в изолированной системе оставляют ее общую энергию постоянной; или: при всех макроскопических процессах энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.
В экологии особенно значим второй принцип (начало, или закон) термодинамики, имеющий множество формулировок и смысловых оттенков. Три важнейших для экологии: 1) энергетические процессы могут идти самопроизвольно только при условии перехода энергии из концентрированной формы в рассеянную; 2) потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводят к невозможности стопроцентного перехода одного вида энергии (кинетической) в другую (потенциальную) и наоборот; результат — невозможно создать вечный двигатель 2-го рода; 3) закон возрастания энтропии: в замкнутой (изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.
В открытых системах, согласно теореме сохранения упорядоченности в них, сформулированной И. Р. Пригожиным (1955), энтропия не возрастает — она в открытых системах падает до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля. При этом в системе вещество распределяется неравномерно и организуется таким образом, что местами энтропия возрастает, а в других местах резко снижается. В целом же, используя поток энергии, система не теряет упорядоченности. Деятельность же живых систем всегда негэнтропийна, пока сохраняется их свойство системности: таково индивидуальное развитие организмов, средообразующая их роль в биосфере и другие процессы в открытых системах.

Рис. 3.1. Обобщенная схема системы с механизмами накопления энергии, обратной связи и гомеостаза, обеспечивающими максимизацию потребляемой энергии, т. е. повышение шансов системы на самосохранение (Одум Г., Одум Г. Энергетический базис человека и природы. М.: Прогресс, 1978)

Все системы, с которыми приходится иметь дело экологии, негэнтропийны, упорядочены таким образом, что, по известному меткому выражению Ю. Одума, как бы «откачивают из сообщества неупорядоченность».
Это происходит до тех пор и постольку, поскольку действует принцип Ле Шателье — Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Поскольку в биосфере механизм осуществления принципа Ле Шателье — Брауна основывается на функционировании систем живого, оно, это функционирование, как постулировал В. И. Вернадский, служит основным регулятором общеземных процессов.

Как показано в ряде работ, и прежде всего В. Г. Горшкова*, действие принципа Ле Шателье — Брауна в рамках биосферы в наши дни глубоко нарушено. Если в конце прошлого века еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы в ответ на возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего века это явление не обнаруживается. Наоборот, биота выбрасывает углекислый газ, а биомасса ее автоматически снижается. Поскольку биосфера имеет лишь одно устойчивое состояние, единственным способом восстановить действие принципа Ле Шателье — Брауна будет сокращение площадей антропогенно измененных земель**.
Важное значение для экологических и биолого-эволюционных процессов имеет общефизический закон минимума диссипации (рассеивания) энергии Л. Онсагера, или принцип экономии энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии (или минимум роста энтропии). Очевидна прямая связь обсуждаемого закона и закона оптимальности (разд. 3.2.1).
Не менее тесно связан с другими энергетическими постулатами закон максимизации энергии и информации: наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффектному использованию энергии и информации; максимальное поступление вещества как такового не гарантирует система успеха в конкурентной группе других аналогичных систем. Первоначально закон энергии и информации был сформулирован (Г. и Э. Одумы) как закон максимизации только энергии: в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом (рис. 3.1). «С этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; 2) затрачивает накопленную энергию на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает кругооборот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов» (Г. Одум, Э. Одум. Энергетический базис человека и природы. М.: Прогресс, 1978. С. 72 — 73).
Закон максимизации энергии и информации имеет более обобщенную и краткую формулировку в виде принципа максимизации мощи: системы с мощной энергетикой вытесняют системы с более низкой энергетической «мощью». Вероятно, следует добавить «как правило», так как иногда низкоэнергетические системы имеют преимущества в силу меньшего воздействия на среду и лучшего соответствия столь же низкому энергетическому потенциалу этой среды. Видимо, следует более точно учитывать закон оптимальности (разд. 3.2.1). Например, многие примитивные и низкоэнергетические виды живого в относительно стабильной среде остаются неизменными и вполне конкурентоспособными на протяжении миллионов лет, хотя вокруг имеются так или иначе конкурирующие более, казалось бы, энергетически совершенные и более высоко организованные виды.
Обобщающим выводом из серии закономерностей энергетического ряда может служить правило основного обмена: любая большая динамическая система в стационарном состоянии использует приход энергии, вещества и информации главным образом для своего самоподдержания и саморазвития. Таково соотношение основного метаболизма и производимой организмом работы, таково положение в экосистемах и хозяйстве. Это правило нередко не учитывают и сетуют, что де государственный аппарат работает лишь на себя, промышленность делает то же и т. д. Иной ситуации при системном застое и быть не может...
В главе 2 приведена таблица «системы систем» и разобрана иерархия экосистем. Очевидно, законы сложения систем, их внутреннего развития и энергетики должны подводить к формированию закономерностей построения иерархии системного мира — взаимоотношений прежде всего на одном иерархическом уровне, так сказать, в третьем измерении таблицы (см. табл. 2.1). Если каждый новый уровень организации, отраженный этой таблицей, возникает как дупликация целостных подсистем, то более элементарный процесс можно ожидать и в рамках одного уровня иерархии системных образований, и тут имеется уже достаточное число системных законов, некоторые из которых в приложении к конкретным структурам оказались полу- или полностью забытыми. В канве науки сохранились лишь основные.

Иерархия систем

Глава 2 была фактически целиком посвящена иерархии систем, прежде всего биосферы и входящего в нее живого. Общие принципы формирования иерархии: 1) дублирование относительно разнокачественных структур, составляющих в своей организованной совокупности нечто новое, т. е. наличие свойства эмерджентности (древние говорили: целое больше суммы его частей) и 2) определенность функциональной цели организации в рамках связей со средой и внутренних возможностей системы. Сам принцип иерархической организации, или принцип интегративных уровней, в биологии и экологии принимается как аксиома или эмпирически наблюдаемый факт (разд. 3.10). Столь же аксиоматически утверждается и проявление эмерджентности с переходом от одного уровня иерархии к другому. Эмерджентность — наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам, элементам и (несистемным) блокам, а также сумме элементов и блоков, не объединенных системообразующими связями. Свойство цели как функциональное состояние и закономерность построения системы, достигаемая путем возникновения обратных связей, создает некое поле взаимодействий. Это поле не может быть бесконечным по способу организации, так как любая система существует в рамках ее характерного времени и пространства (размера).
Размер системы, или характерный размер системы,— это пространственная ее протяженность (объем, площадь) или масса, а также минимальное (максимальное) число подсистем, позволяющее системе существовать и функционировать с осуществлением саморегуляции и самовосстановления в рамках своего характерного времени. Системное время (характерное, или собственное, время системы) — это время, рассматриваемое в рамках периода существования данной системы и/или происходящих в ней процессов. Эти процессы ограничены термодинамикой системы, ее функциональными особенностями. Сочетание цели системы, ее характерного времени и пространства создает предпосылки для действия закона оптимальности, разобранного в разд. 3.2.1. В то же самое время, поскольку системы с одной и той же функциональной целью, формируемой обратными связями, располагаются на одном уровне иерархии и поэтому ограничены однотипным характерным временем и пространством, их построение подчинено одному ряду внутренних закономерностей. Это — смысловое «третье измерение» табл. 2.1, упомянутое в главе 2.
Ограничение числа и форм взаимодействия подсистем одного системного уровня ограничивает «фантазию природы», укладывает ее в строго лимитированный закономерный ряд образований. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева (свойства химических элементов, проявляющиеся в простых веществах и соединениях, находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов) был первой формализацией «третьего измерения» таблицы «системы систем» (см. табл. 2.1). Тот же характер имеет закон гомологических рядов и наследственной изменчивости Н. И. Вавилова. (Родственные виды, роды, семейства и др. систематические категории обладают закономерно возникающими гомологичными генами и порядками генов в хромосомах, сходство которых тем полнее, чем эволюционно ближе сравниваемые таксоны. Гомология генов у родственных форм проявляется в сходстве рядов их наследственной изменчивости. Циклы изменчивости проходят через все роды и виды, составляющие семейство). Менее известен и признан периодический закон географической зональности А. А. Григорьева — М. И. Будыко: со сменой физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Периодический закон географической зональности: IR — радиационный индекс сухости (отношение радиационного баланса к количеству тепла, необходимому для испарения годовой суммы осадков). Диаметры кружков пропорциональны биологической продуктивности ландшафтов

Периодическое повторение свойств в рядах систем одного иерархического уровня, видимо, общий закон мироздания. Он был сформулирован как закон периодичности строения системных совокупностей, или системо-периодический закон. Формулировка первого варианта: конкретные природные системы одного подуровня (уровня) организации составляют периодический или повторяющийся ряд морфологически аналогичных структур в пределах верхних и нижних системных пространственно-временных границ, за которыми существование систем данного подуровня делается невозможным (они переходят в неустойчивое состояние или превращаются в иную системную структуру, в том числе другого уровня организации)*. Более обобщающая формулировка дана мною в словаре-справочнике «Природопользование»: принципы структурного построения и управления однородных природных систем в иерархическом соподчинении и особенно сложении таких же природных систем одного уровня организации (иерархии) повторяются с некоторой правильностью в зависимости от действия единого (комплекса) системообразующего фактора (факторов)**. Конкретные примеры иерархии экосистем приведены в главе 2.

Периодичность систем природы не исчерпывается приведенными выше частными законами периодического строения элементов, гомологических рядов и географической зональности. Она проявляется в строении космических тел, прохождении геологических эпох, сукцессионных стадий развития экосистем и во многих других случаях.
Системопериодический закон можно считать всеобщей закономерностью, действующей во всем системном мире, в том числе в системах с участием живого — экосистемах. Поскольку они всегда составлены живым и средой, окружающей это живое, очевидно, следует обратиться к группе связей, определяющих основные принципы взаимоотношений системы с окружающей ее средой.