CC BY
226
Е.С. Волкова, О.Г. Невидимова
УСТОЙЧИВОСТЬ В ПРИРОДЕ И ОБЩЕСТВЕ: СИСТЕМНО-СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД
Рассматриваются некоторые методологические аспекты системно-синергетического подхода к исследованию устойчивости. Выделены основные закономерности и особенности принципа саморегулирования как механизма структурной устойчивости в геоморфологических и социальных системах.
Проблема устойчивости поставлена самим ходом развития естествознания и на современном этапе приобрела острое экологическое звучание. Во взаимоотношениях между природой и обществом, в условиях углубляющегося противоречия между целями и способами их существования, набирают обороты негативные тенденции, которые характеризуются нарушением элементов сохранения и устойчивости многих природных систем. Подобные изменения происходят и в геосфере, являющейся ареной, или, по выражению А. Д. Арманда [1. С. 5], испытательным полигоном для процессов эволюции, и в социосистемах, существование и развитие которых обусловлено как человеческой деятельностью, так и природными факторами. На первый план выходит изучение устойчивости не только природных объектов как таковых, но и роли человека или социального образования в их функционировании.
Состояние устойчивости является одним из важнейших условий существования материального мира с его возрастающей сложностью эволюционирующих формообразований. Эволюция - это не только движение к новому, непрерывное и неповторимое, но и выбор оптимального существования в активно изменяющейся среде, постоянный поиск компромиссов между устойчивостью и изменчивостью. Поэтому знание истоков, закономерностей и механизмов устойчивости имеет чрезвычайную значимость как в идейнометодологическом, так и в прикладном аспектах. Как своеобразный сплав особенностей различных уровней познания мира категория устойчивости демонстрирует полидисциплинарный характер, что проявляется, прежде всего, в многоплановости подходов к исследованию проблемы устойчивости. Все это затрудняет также и определение научного статуса самого понятия. Не потеряла актуальности мысль Беллмана, приведенная почти шестьдесят лет назад, что устойчивость есть слово с большой перегрузкой и неустоявшимся определением [2. С. 4].
Устойчивость, стабильность, инертность, надежность, упругость, гомеостаз, динамическое, статическое равновесие - вот далеко не полный перечень терминов, используемых для характеристики категории устойчивости [2-6]. Причем эти дефиниции в зависимости от принадлежности к определенной области научного знания зачастую переплетаются, демонстрируя различные типы устойчивости и иерархии самого понятия. Так, например, в географических и экологических науках наибольшие дискуссии вызывает применение терминов гомеостаз, устойчивость, стабильность, равновесие. В ряде случаев эти понятия интерпретируются как синонимы, в других - уровни их применения различаются. Однако для всех научных направлений объективное содержание феномена устойчивости состоит в способности сохранять объектом
свои свойства и параметры режимов в условиях действующих внутренних и внешних возмущений. Безусловно, эта формулировка, если и рассматривается в качестве определения устойчивости, то только как отражение того круга проблем, который входит в компетенцию анализируемой категории.
Методологические подходы. Начиная с работ И. Ньютона устойчивость была связана с идеей жесткой детерминации поведения системы средой. Первые механистические решения проблемы устойчивости отождествляли устойчивость с пассивностью и неподвижностью на основе закона инерции [7]. Вслед за исследованием переноса движения от одного тела к другому в смысле Ньютона наука подошла к исследованию сущностных характеристик объекта, рассматривая устойчивость уже как момент движения. Такая интерпретация представляла собой качественный скачок и позволяла увидеть любое явление как способное к бесконечному многообразию свойств и проявлений, а устойчивость как отражение способа сохранения объекта. Основным содержанием этой трактовки устойчивости является идея о том, что устойчивость обусловлена интенсивным внутренним движением, отражаемым физикой в понятии энергетического барьера. Именно на этом этапе, этапе физической или неклассической концептуальной системы, появляется первая, математически строгая формулировка устойчивости, которую дал, как известно, А.М. Ляпунов в 1892 г. для систем с одной траекторией движения. В соответствии с формулировкой А.М. Ляпунова траектория будет называться устойчивой, если для сколь угодно малого предельного отклонения, определяющего коридор устойчивости, можно указать такие ограничения для возмущений, при которых система не выйдет из этого коридора [8].
Следующий подход базируется на концепции устойчивости как сопротивлении и имеет в основе общий подход механики к проблеме устойчивости, где термином «устойчивое равновесие» обозначается состояние равновесия, которое сохраняется, несмотря на попытки его изменить. Понятием «устойчивое равновесие» оперирует и термодинамика в ее классическом варианте [9]. Признаком этого состояния здесь также является наличие противодействия внешним возмущениям и флуктуациям, нарушающим равновесие, что, следовательно, обусловливает устойчивость как характеристику способа существования объекта. Частнонаучными модификациями приведенной концепции являются принцип Ле Шателье, закон Вальтерра, принцип изо-стазии в геологии и т. п.
Отметим, что указанные методологические подходы дают первоначальное и общее знание о механизмах устойчивости; на уровне теоретических идеальных конструкций это имеет немаловажную научноисследовательскую ценность, однако для обоснования
принципов устойчивости сложных природных и общественных образований этого явно недостаточно.
Системно-синергетический аспект. Возникшая потребность отражения способа сохранения сложных объектов предопределила формирование в естествознании принципиально новый методологический подход к устойчивости, в котором нет безусловной и абсолютной зависимости системы от среды. Концептуально поведение системы обусловливается уже не только внешними воздействиями, но и внутренними аспектами существования системы. В качестве интегрирующего параметра выступает целостность системы, анализируемая в рамках общей теории систем. Сохранение системы возможно только в том случае, когда изменения во внешней среде скомпенсированы внутренними изменениями. Устойчивость реализуется через изменения функций системы, которые определяются структурой элементов и связей. Поэтому сущность устойчивости в этом подходе характеризуется взаимосвязями элементов системы, способом соединения структур разного возраста и разного уровня развития в целостные образования. Такое решение проблемы устойчивости впервые позволило подойти к анализу взаимоотношений между природой и обществом. По-видимому, первой глобальной моделью «общество - природа» как единой системы различных взаимодействующих элементов была модель Дж. Форрестера [10]. Однако выйти на стационарный режим (стабилизацию) в рамках этой модели система принципиально не могла. Дж. Форрестору не удалось корректно обозначить, как достичь устойчивости в моделируемой им системе.
Новые возможности в этом плане открывает синергетика - современный этап развития системных исследований. Синергетика - теория самоорганизующихся систем - от изучения структуры системных объектов как способа их организации, обеспечивающего их целостность, перешла к рассмотрению того, как строение и функционирование сложных и сверхсложных систем проявляются в их развитии. Устойчивость, без которой невозможно существование и развитие системы, выступает как единство двух сторон: определяемости внешней средой (зависимости) и независимости от нее. То есть одной из основных характеристик, позволяющих идентифицировать систему, является внешняя среда; внешние по отношению к системе силы определяются как управляющие параметры. В общем случае в качестве внешней среды развития естественной системы выступают как природные условия Земли в целом, так и особенности этих условий, определяемые спецификой и пространственно-временным положением системы. Вследствие этого большое значение для выделения и характеристики устойчивых состояний имеет понятие границы. Граница системы - это форма внешнего проявления ее внутреннего содержания -структуры функциональных отношений системы; границы структуры меняются только в результате структурных переходов, вызванных существенными изменениями внешних условий и потери соответствующей устойчивости. В контексте синергетики устойчивость ассоциируется со способностью исследуемой системы воспроизводить некоторое свойство системы при наличии различных нерегулярных внешних воздействий.
Поэтому при рассмотрении и оценке устойчивости конкретной системы в первую очередь необходимо учитывать, сохранение каких свойств (параметров) системы наиболее важно и возмущения каких классов считаются допустимыми. В зависимости от ситуации, свойств системы и задач исследования это может быть состояние системы, тип функционирования, структура или траектория (направленность) саморазвития системы [11-13]. Представления об устойчивости структуры и устойчивости саморазвития в синергетике опираются на понятия саморегуляции и самоорганизации. Самоорганизация - процесс создания новой структуры -формирует и направляет эволюцию системы; устойчивость развития процесса определяется главным образом положительной обратной связью. Саморегуляция определяет тот уровень рассмотрения самоорганизующихся систем, который соотносится со структурной устойчивостью. Принцип саморегулирования является принципом существования самоорганизующихся систем на всех без исключения структурных уровнях и обусловливается отрицательной обратной связью. В процессах с отрицательной обратной связью продукты процесса уменьшают сам процесс. Таким образом, определение и характеристика обратных связей системы - положительных и отрицательных - позволяет судить о структурнофункциональном типе системы и о качественных и количественных изменениях траектории ее развития.
Концепция устойчивости в аспекте синергетики содержит представление о внутренней целевой программе, а в качестве цели - вещественно-энергетический предел развития системы в определенных внешних условиях, к которому она стремится, или заданное состояние ЗС. То есть заданное состояние - некоторый предел, обусловленный характеристическими свойствами как самой системы, так и внешней среды. Дисбаланс между заданным и текущим состоянием ТС может определять как различные стадии развития систем, так и степень их устойчивости. В социальных системах имеется специальный регулирующий орган для определения величины рассогласования между заданным и текущим состояниями системы. В природных системах функцию регулятора выполняют их собственные размеры, связанные обратными связями с процессом поступления вещества и энергии таким образом, что с увеличением размеров системы уменьшается количество подводимой в систему энергии.
Максимальное сопряжение заданного и текущего состояний определяет динамически подвижное равновесие или динамическую устойчивость. На этом этапе развития обратные связи в системе определенным образом трансформируются, наслаиваются друг на друга, процессы синхронизируются, пространственные и временные характеристики процессов оказываются неразрывно связанными, т. е. увеличивается целостность системы. Для динамического равновесия характерна стабилизация процессов, выход на асимптотический режим, когда система находится в режиме согласованного колебания, не выходящего по амплитуде и частоте за некоторые границы. Суммарное количество вещества и энергии внутри системы в течение времени меняется незначительно, в среднем оставаясь величиной постоянной. При этом устанавливается баланс (дина-
мическое равновесие) в количествах вещества и энергии, выделяемых системой в среду и потребляемых из среды. Система приобретает динамически равновесные размеры или, в терминах синергетики, характеристики аттрактора. Рассматриваемая ситуация в синергетике называется конвергентной, когда разнообразие режимов уменьшается до самого устойчивого в данных условиях, а внешние воздействия воспринимаются как помехи. Это означает, что система наилучшим образом приспособилась, адаптировалась к существующим условиям, реализовав все свои потенциальные возможности при данных управляющих параметрах. То есть целостные системы в этом состоянии обладают наибольшей устойчивостью к внешним воздействиям.
А.В. Поздняков [6, 14] определяет стремление к достижению динамического равновесия как целесообразное свойство системы, проявляющееся в процессе самоорганизации. Экстремумы в системе, находящейся в состоянии динамического равновесия, являются её характеристическими показателями и объективно выполняют роль ее аттракторов - целей системы. Реализация этого состояния возможна только при сохранении относительно постоянными управляющих параметров в течение времени, достаточного для полного развития данного процесса. Соответственно длительность этого состояния системы определяется длительностью сохранения условия ТС-ЗС.
Таким образом, опираясь на изложенные выше положения и рассматривая механизмы формирования и саморегуляции различных систем, можно констатировать, что любая целостная система обладает собственной целевой программой, обусловливающей внутреннюю устойчивость системы. Ярким примером рассматриваемой закономерности является развитие геоморфологических систем. В каждой конкретной геоморфологической системе есть набор собственных заданных величин, реализующихся (не нарушая данного качественного состояния) за характерное время развития системы, следовательно, существует своя специфическая целесообразность.
Устойчивость в геоморфологических системах. Заданными величинами в процессах геоморфодинами-ки являются характеристики размеров форм рельефа: высота, площадь поверхности склонов, крутизна склонов, объемы форм, которые достигают своих предельно возможных значений в определенных внешних и внутренних условиях. Регулируемые параметры в рельефе -это текущие значения величин, характеризующие размеры форм рельефа. Структура геоморфосистемы формируется в соответствии с внешними условиями. Если задан склон, то структура функциональных отношений, определяющих его развитие, представляется следующими свойствами (элементами системы): скорость выветривания пород, влагоудерживающая способность продуктов выветривания, мощность слоя грунтов, удельный вес, крутизна склона и т.д. Функциональные отношения между этими свойствами и есть структура процесса, являющаяся инвариантной в течение времени, пока внешние условия развития данной системы сохраняются постоянными. Структура процесса формирования поймы задается следующими параметрами: количество паводков, их высота, частота,
мутность воды, скорость течения и пр. Пойма, склон, овраг, водораздел или любая другая форма рельефа морфологически еще не выражены, а структура процессов, их создающих, уже существует. Зная ее, мы получаем возможность прогнозирования развития процесса, определяем аттрактивную цель его развития или заданное состояние геоморфосистемы. На рис. 1 показано, что геоморфологические образования являются системами с регуляцией, действующей на основе обратной отрицательной и обратной положительной связи.
Рис. 1. Принципиальная схема функционирования геоморфосистемы:
АТ, АМ, АЖ - внешние потоки, формирующие систему; Хзс - заданное состояние; Хтс - текущее состояние
Геоморфологическая система, функционирующая в некоторой внешней среде, характеризуется вектором
состояния X = (X ,X ,...х ) , определенным набором
1 2 П
переменных величин х, которые для различных геоморфологических систем могут быть компонентами поля скоростей, плотностью, координатами, характеризующими высоту, ширину, длину формы рельефа и т. д. Обратная отрицательная связь контролирует величину рассогласования между заданным состоянием Хзс и текущим состоянием Хтс, направляя систему к цели, которая формируется в соответствии со структурой функциональных отношений системы и условий среды. В начальный период развития системы количество вещества и энергии, изымаемых системой из среды для своего функционирования, максимально. Динамика резко нестабильна, поскольку идет накопление воплощенной в массу энергии. С ростом системы по мере уменьшения различий между текущим и заданным состояниями интенсивность развития системы затухает, процессы стабилизируются, система достигает максимальной устойчивости. Если система в данных внеш-
них условиях достигает своих предельных размеров, то её функции сводятся к переработке поступающих из среды вещества и энергии в другие их формы и выделению их во внешнюю среду в том же количестве. Рост системы прекращается, и она повторяет себя по содержанию и по форме. Самоподдержание достигнутого уровня развития и существование системы на данном этапе также обеспечиваются действием механизма саморегуляции. Эта закономерность наблюдается в развитии различных геоморфосистем.
Так, простым динамическим саморегулированием является и механизм ограничения эрозии аккумуляцией при условии полного насыщения потока в соответствии с его живой силой: расходом воды, уклоном русла, площадью поперечного сечения. Если живая сила потока превышает количество транспортируемых наносов (донная скорость превышает неразмывающую скорость), то недогруженный поток будет продолжать эрозию до наступления состояния равновесия; если, обратно, количество переносимых наносов превышает живую силу потока, то их излишек будет аккумулироваться в русле, а эрозия приостановится. Таким образом, в качестве регулятора выступает соотношение между живой силой потока и его насыщением наносами.
Устойчивость склоновой системы также связана с процессом саморегулирования, который поддерживается отрицательной связью, осуществляющейся, например, в форме влияния рыхлого чехла на темп выветривания коренного основания. Из-за суточных и годовых колебаний температур, изменения влажности и химико-биологических процессов начинается разрушение коренных пород, наиболее активно проходящее по каналам первичной трещиноватости. Образуется слой рыхлого материала мощностью, характеризующийся меньшей плотностью, чем исходные породы, и, соответственно, меньшей температуропроводностью, что приводит к увеличению с толщиной рыхлого слоя потери тепла. Это является причиной уменьшения амплитуды и частоты колебаний температуры на поверхности коренного основания, по сравнению с амплитудой на дневной поверхности, в результате чего уменьшается скорость разрушения основания и величина прироста толщины слоя рыхлого покрова. В отсутствие денудации этот процесс, замедляясь, будет происходить до тех пор, пока не образуется такая мощность рыхлого слоя, при которой колебания температуры не будут достигать поверхности коренного основания, т.е. продукты процесса выветривания уменьшают сам процесс выветривания.
Таким образом, саморегулирование позволяет считать системы в определенной мере автономными по отношению к внешней среде, т. е. они имеют возможность существовать относительно устойчиво в условиях колебаний параметров внешней среды, т. к. реагируют на них избирательно и по-разному. Это в полной мере относится не только ко всем природным, естественным образом формирующимся системам, но и к социальным эколого-экономическим системам (в дальнейшем СЭС).
Устойчивость в социально-экономических системах. Главный критерий устойчивости СЭС - не только сохранение равновесного состояния как способ-
ности возвращаться к нему в случае возмущающих воздействий, но и возможность эффективно использовать ресурсы своего дальнейшего развития, минимизируя потребление невозобновляемой части природных ресурсов. Иначе говоря, устойчивость социосистем, несмотря на зависимость от субьективных факторов развития общества, должна быть согласована с базовыми принципами устойчивого существования геосистем.
Основными условиями равновесного состояния СЭС являются, во-первых, ее способность принимать и накапливать поток вещества, энергии, информации; во-вторых, существование положительных и отрицательных обратных связей; в-третьих, наличие деятельного управляющего органа в механизме функционирования системы. Поскольку она является диссипативной структурой, т. е. способна обмениваться веществом, энергией и информацией с окружающей средой, она возникает и может существовать только за счет того, что тратит для поддержания своей жизнедеятельности поступающую извне энергию. Причем из окружающей среды система получает все ресурсы, необходимые для обеспечения собственного функционирования, а выделяет в среду несвойственные ей (среде) формы. Именно поэтому усугубляются негативные процессы в окружающей среде и трансформируются качественные и количественные характеристики природно-ресурсной базы, необходимой для развития экономических структур. В результате - снижение порога устойчивости в природных системах и, как следствие, негативные процессы в СЭС, ведущие к критическим значениям устойчивости.
Природно-ресурсный потенциал является той емкостью внешней среды, которая ограничивает социальноэкономическое развитие и определяет границы устойчивости системы. Здесь необходимо отметить, что границы геосистемы и региональной СЭС не всегда идентичны. Границы региональной СЭС формируются субъективно, исходя в основном из ее хозяйственной специализации, функций управления, эволюции системы расселения, политической воли. Границы же геосистемы определяются, в первую очередь, условиями природной среды, типом ландшафта, ее природноресурсным потенциалом.
Немаловажное значение для устойчивого функционирования социосистемы, так же как и в природных, имеет действие обратной отрицательной связи, регулирующей динамику социально-экономических объектов, механизм которой осуществляется через соотношения заданного и текущего состояния. Схема определения степени устойчивости, предлагаемая нами, предусматривает формирование заданного (аттрактивного) состояния по основным, характеризующим систему показателям в соответствии с экологической емкостью конкретной территории. Применительно к производственной деятельности экологическая емкость есть не что иное, как максимально возможная в данных ландшафтных условиях численность проживания людей, количество производственных организаций и связанной с ними инфраструктуры, не вызывающих своим существованием разрушения экосистем [14] .
Для выявления динамики функционирования региона, прежде всего, определяется оптимальная вели-
чина заданного состояния. Величина управляющих воздействий определяется относительной величиной Я= ЗС/ТС. При Я = 1 система работает в устойчивом режиме в соответствии с заданным состоянием, следовательно, вмешательство управляющего органа не требуется. Отклонение в любую сторону сопровождается соответствующим управляющим воздействием.
На рис. 2 представлена схема структуры функциональных отношений самоорганизующейся СЭС, где видно, что система является относительно замкнутой и саморегулирующейся. Саморегуляция осуществляется через отрицательную обратную связь: чем больше отклонение текущего состояния от заданного, чем больше нежелательных последствий испытывает человек, тем больше должна быть величина штрафных санкций, и наоборот, чем меньше величина отклонения, тем больше величина поощрительных санкций.
Рис. 2. Схема управления функционированием социально-экономической системы региона: ЗС - заданное состояние;
ТС - текущее состояние; ОУ - область устойчивости;
ОН - область неустойчивости
Таким образом, заданное состояние выступает в роли специально организуемого аттрактора, выводящего систему на установленный путь, где она стремится достичь его по своим главным параметрам: сохранение среды обитания, рост благосостояния населения. Благодаря тому, что в системе имеется блок, ответственный за разработку новых технологий производства и эксплуатации природных условий (понижающих ПДК, увеличивающих производительность труда, уменьшающих ресурсоемкость производства и пр.), заданное состояние (аттрактор) является подвижным, растущим. Поэтому такую систему мы называем управляемо самоорганизующейся.
Исходя из этого, для управления процессом взаимодействия человеческой деятельности с экосистемами в
оптимальном режиме нами предлагается создание специального управляющего органа, который должен осуществлять следующие функции: разрабатывать показатели заданного состояния; анализировать соотношение текущих показателей развития СЭС с заданным состоянием; изучать соотношение ЗС с лучшими мировыми и отечественными аналогами и постоянно его корректировать; выделять из специального фонда поощрительные дотации предприятиям и организациям (при низких показателях отклонения от заданного состояния) и, наоборот, вводить штрафные санкции, если величина показателя отклонения от заданного состояния выше некоторой установленной критической величины. Функции подобного органа может выполнять и административно-территориальный орган, занимающийся проблемами и перспективами экономического развития. Этот управляющий орган позволяет сравнивать заданное состояние с текущим и на основании научного анализа степени устойчивости строить принципы хозяйствования и природопользования.
Концепция устойчивости в современном естествознании связана с основными идеями системносинергетического подхода, ориентированными на исследование соотношения «саморегуляция - самоорганизация - эволюция» путём использования механизмов обратной связи. Принцип саморегулирования является принципом существования самоорганизующихся систем на всех без исключения структурных уровнях, т. е. соотносится со структурной устойчивостью.
Специфику устойчивости в системно-синергетической интерпретации выражает понятие целевой программы, которая воплощает целевые причины движения любой системы. Целевые программы обусловливают внутреннюю устойчивость системы; их исследование -проблема эволюционной теории самоорганизации, без привлечения которой нельзя объяснить и явление устойчивости. Структурой функциональных отношений определяется цель развития системы или заданное состояние, к которому она стремится и которое выступает, таким образом, в качестве аттрактора системы. При изменении внешних условий формируется новая структура и соответствующее ей заданное состояние. Это состояние характеризуется балансом вещества и энергии и представляет собой динамическое равновесие, стремление к которому и выступает как целесообразное свойство системы. Дисбаланс между заданным и текущим состоянием определяет как различные стадии развития систем, так и степень их устойчивости.
В геоморфологических системах функции регулятора для определения величины рассогласования между заданным и текущим состоянием системы выполняют их собственные размеры, связанные обратными связями с процессом поступления вещества и энергии таким образом, что с увеличением размера системы уменьшается количество подводимой в систему энергии. В социосистемах регулятором степени устойчивости функционирования элементов системы выступает управляющий орган, позволяющий сравнивать заданное состояние с текущим через сформированный набор показателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. АрмандА.Д. Самоорганизация и саморегулирование географических систем. М.: Наука, 1988. 261 с.
2. БеллманР. Теория устойчивости решений дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1954. 218 с.
3. Эшби У.Р. Введение в кибернетику. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1959. 403 с.
4. Арманд А.Д. Устойчивость (гомеостатичность) географических систем к различного типа внешним воздействиям // Устойчивость геосистем.
М.: Наука, 1983. С. 14-32.
5. Дашкевич З.В. К проблеме устойчивости геосистем // Изв. ВГО. 1984. Т. 116, вып. 2. С. 211-218.
6. Поздняков А.В. Динамическое равновесие рельефообразования. М.: Наука, 1988. 207 с.
7. Моисеев Н.Д. Очерки развития механики. М.: МГУ, 1961. 478 с.
8. ЛяпуновА.М. Общая задача об устойчивости движения. М.: Меркурий-Пресс, 2000. 386 с.
9. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций: Пер. с англ. М.: Мир, 1973. 280 с.
10. ФоррестерДж. Мировая динамика. М.: Наука, 1978. 273 с.
11. Механизмы устойчивости геосистем. М.: Наука, 1992. 206 с.
12. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. М.: Прогресс. 1986. 432 с.
13. Устойчивость геосистем. М.: Наука, 1983. 89 с.
14. Поздняков А.В. Стратегия российских реформ. Томск, 1998. 324 с.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 14 июня 2008 г.
