Общесистемные обобщения 3. 2

Реймерс Н. Ф.Экология (теории, законы, правила принципы и гипотезы)—
М.: Журнал «Россия Молодая», 1994 —

 

Очень краткое определение экологической системы (экосистемы) — пространственно ограниченное взаимодействие организмов и окружающей их среды. Ограничение может быть физико-химическим (например, граница капли воды, пруда, озера, острова, пределов биосферы Земли в целом) или связанным с круговоротом веществ, интенсивность которого внутри экосистемы выше, чем между нею и внешним миром. В последнем случае границы экосистемы размыты, имеется более или менее широкая переходная полоса.

Вместе с тем она — лишь разновидность этих природных систем, а следовательно, должна управляться в соответствии с характерными для них функциональными законами. Именно с них, очевидно, необходимо начать обзор закономерностей, характерных для биотических образований или с участием живого. Ниже эти закономерности сгруппированы в 5 блоков: сложение систем, внутреннее их развитие, термодинамика, иерархия и отношения система — среда..
В изложении сформулированных закономерностей почти нет ссылок на литературные источники, а авторство, как было уже сказано в начале книги, указывается лишь тогда, когда оно «канонизировано» в учебниках и специальных словарях. Такой подход связан с тем, что море экологической литературы мира буквально необозримо, а момент, когда был сформулирован тот или другой постулат, довольно трудно уловить. Многие закономерности были выявлены повторно, нередко многократно.

 

 

Трудно выделить наиболее общую закономерность сложения систем. Пожалуй, ею может служить закон подобия части и целого, или биоголографический закон, связываемый китайцами с именем их соотечественника Zhang Yingging*, но, безусловно, уходящий корнями глубоко в века: часть является миниатюрной копией целого, а потому все части одного уровня иерархии систем похожи друг на друга. Примеры: модель атома и солнечной системы; человеческое существо — миниатюрная копия мироздания; организм, состоящий из многих клеток и одноклеточный, при этом каждая клетка генетически как-то представляет модель целого многоклеточного организма.

Закон подобия части и целого не абсолютен. Электрон никак не может быть моделью организма, а отдельные гены аналогичны и даже идентичны у очень далеко систематически отстоящих друг от друга видов. Однако такие противоречия встречаются, как правило, при сравнении очень иерархически удаленных структур, главным образом элементарных и очень сложных. С известными поправками можно согласиться, что части обычно физиономически отражают основные свойства целого и аналогичны между собой.

Закон подобия части и целого отнюдь не означает их абсолютной идентичности. Наоборот, еще в античное время была сформулирована аксиома: целое больше суммы его частей, или аксиома эмерджентности: целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей-подсистем и не равно сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. При сложении системного целого образующаяся интеграция подчиняется иным (хотя возможно, и подобным) законам формирования, функционирования и эволюции. Образно говоря, одно дерево еще не лес, как и группа деревьев, а механическое сосредоточение химических элементов, молекул органических веществ, даже тканей и органов, не дает организма. Для леса необходимо сочетание всех его экологических компонентов, составляющих именно его экосистему, образование круговоротов веществ, регуляция потока энергии, в том числе образование собственного биоклимата, и т. д. Для организма требуется «энтелехия» системной целостности, обмена веществ и других свойств биосистемы.
При всей очевидности аксиомы эмерджентности ее не всегда осознают в практической деятельности.

Совершенно очевидно, что никакая система не может сформироваться из абсолютно идентичных элементов. Отсюда вытекает закон необходимого разнообразия. Даже в кристаллической решетке положение атомов в ней делает их функционально различными. Сельскохозяйственная монокультура вообще лишь метафорическое понятие, если это не стерильная гидро- или аэропоника одного клона растений. В любой монокультуре участвуют сотни видов дробянок, грибов, растений (сорняки) и животных (почвенные, вредители и др.). Для каждого типа систем необходимое разнообразие количественно различно и часто строго фиксировано. Нижний предел — не менее двух элементов (белки и нуклеиновые кислоты, «он» и «она» и т. п.), верхний предел — бесконечность.

Системные образования состоят из подсистем. Их необходимое число и разнокачественность также более или менее постоянны. Для простейших систем это очевидно (два атома О₂ дают кислород, три — озон), но для более сложных ясность этого принципа теряется. Например, каково должно быть число и разнокачественность функциональных составляющих биотического сообщества? В общем виде ответ несколько неожиданный: столько, сколько необходимо для его формирования, обычно много, но не строго фиксированно и различно в зависимости от географического и топографического места, среды жизни и других факторов. И эта неопределенность отражается в законе (правиле) полноты составляющих: число функциональных составляющих системы и связей между ними должно быть оптимальным — без недостатка или избытка в зависимости от условий среды или типа системы.

Жесткие системы* имеют более фиксированный (иногда абсолютно) лимит составляющих. Например, молекула вещества в любых условиях, оставаясь сама собой, сложена определенным числом атомов. Строго говоря, четкие лимиты характерны для всех систем, но экологические их модификации часто не теряют функциональных черт и при довольно большом разбросе числа составляющих. Для них характерны естественные колебания даже количества входящих видов. Размах колебаний ограничен законом необходимого разнообразия.

При всех колебаниях числа составляющих оно подчиняется действию закона избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации: многие динамические системы стремятся к относительной избыточности основных своих составляющих при минимуме вариантов организации. Избыточность числа элементов нередко служит непременным условием существования системы, ее качественно-количественной саморегуляции и стабилизации надежности, обеспечивает ее квазиравновесное состояние. В то же время число вариантов организации жестко лимитировано. Природа часто «повторяется», ее «фантазия», если говорить не о числе и разнообразии однотипных элементов, а о количестве самих типов организации, очень ограничена. Отсюда многочисленные структурные аналогии и гомологии, однопорядковые формы организации общественных процессов и т. п.
Стремятся к избыточности, например, демографические (в широком понимании термина) и экономические процессы, а также их следствия (распашка земель, урбанизация и др.). Однако имеется и стратегия самоограничения, направленная на замену количественного роста качественным усовершенствованием: забота о потомстве, большая его жизненность, интенсификация производства и т. д.

Принцип перехода избыточности в самоограничение может быть сформулирован в следующих словах: избыточность системных элементов может быть заменена повышением качества этих составляющих (индивидуальной надежности) или их агрегации, в том числе в функциональные надсистемы (ср. ниже правило конструктивной эмерджентности и закон перехода в подсистему). Фактически все мироздание, начиная от «Большого взрыва» при формировании нашей Галактики, подтверждает справедливость этого принципа.

Фиксированное число разнокачественных элементов возникает, очевидно, под давлением объективных причин. Всякое объединение не случайно, если оно не вызвано антропогенными внешними обстоятельствами. Движущим механизмом служит «выгода» большей надежности при объединении — действие правила конструктивной эмерджентности: надежная система может быть сложена из ненадежных элементов или из подсистем, не способных к индивидуальному существованию. Примеры этого правила чрезвычайно многообразны. Природа очень часто прибегает к услугам правила конструктивной эмерджентности. Достаточно вспомнить колониальные организмы (например, кораллы) и общественных насекомых (муравьев, пчел, термитов). Иерархическое строение природных систем также результат действия обсуждаемого правила. И для этого случая можно сформулировать закон (правило) перехода в подсистему, или принцип кооперативности: саморазвитие любой взаимосвязанной совокупности, ее формирование в систему приводят к включению ее как подсистемы в образующуюся или существующую надсистему: относительно однородные системные единицы образуют общее целое. Примеры столь множественны и общеизвестны, что едва ли их стоит приводить. «Кооперативный эффект» проявляется на всех уровнях организации материи, и его часто называют системным, или системообразующим, эффектом. Фундамент возникновения кооперативного эффекта — значительный вещественно-энергетический и информационный выигрыш.

Это преимущество постепенно растет согласно закону (принципу) увеличения степени идеальности (Г. В. Лейбница), или «эффекту чеширского кота» (Льюиса Кэррола): гармоничность отношений между частями системы историко-эволюционно возрастает (кот уже исчез, а улыбка его еще видна). Этот принцип практически не имеет исключений, будь то отношения типа хищник — жертва или хозяин — паразит, морфолого-физиологическая корреляция органов в индивиде, взаимоотношение государств в мировом сообществе.
Эмпирические наблюдения подводят к формулировке аксиомы, или закона системного сепаратизма: разнокачественные составляющие системы всегда структурно независимы. Между ними существует функциональная связь, может быть взимопроникновение элементов, но это не лишает целостностей, входящих в систему, структурной самостоятельности при общности «цели» — сложения и саморегуляции общей системы.

 

Например, организм состоит из органов. Каждый из них «не заинтересован» в ухудшении работы другого органа или в уменьшении его размеров. Наоборот, в составе системы организма каждый орган тесно связан с другими гуморально и общей судьбой. Вместе с тем, печень не может быть частью сердца, но лишь функциональной составляющей пищеварительной системы. Таковы же взаимоотношения в любых системах, в том числе в социальном их ряде, хотя это не всегда осознается. Границы могут быть не столь четки, как в организме между органами (хотя и в нем они достаточно размыты). Например, государства в истории неоднократно укрупнялись, входя друг в друга, и разукрупнялись. Однако в конечном итоге империи распадались в силу действия закона оптимальности (см. ниже) размеров и неизбежного сепаратизма наций и народов, этносов. Это не противоречит экономическому и даже политическому объединению государств на основе «гуморальной» связи мирового рынка. Общемировое единое государство как структурно гомогенное образование также невозможно, как не может быть высшего организма из аморфного клеточного вещества, недифференцированных тканей и т. п. «Плавильный котел» наций возможен лишь как юридическое, но не физическое состояние, если речь не идет о тысячелетиях.

Итоговым обобщением и развитием перечисленных закономерностей сложения систем служит закон оптимальности: с наибольшей эффективностью любая система функционирует в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах (или: никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности). Размер системы должен соответствовать выполняемым ею функциям. Обычно такой размер называют характерным размером системы. Ясно, что для того, чтобы рождать живых детенышей и кормить их молоком, самка млекопитающего не может быть ни микроскопической, ни гигантской; чтобы летать, птица не может быть слишком большой и т. п. Менее ясно, что в любую эпоху размер национальных государств строго ограничен, и империи, страдающие «синдромом динозавра», обречены на распадение. И в то же время, исходя из закона перехода в подсистему, государства не могут не кооперироваться, в том числе в области природопользования. Это им дает возможность использовать преимущества конструктивной эмерджентности.

Для перехода к обсуждению законов внутреннего развития систем важна формулировка правила системно-динамической комплементарности, или закона баланса консервативности и изменчивости: любая саморазвивающаяся система состоит из двух рядов структур (подсистем), один из которых сохраняет и закрепляет ее строение и функциональные особенности, а другой способствует видоизменению и даже саморазрушению системы с образованием новой функционально-морфологической специфики, как правило, соответствующей обновляющейся среде существования системы. Чем жестче организована система, тем сильнее в ней механизмы консервации, прямолинейней и непосредственней их действие. При этом большее значение имеют внешние для системы, а не внутренние для нее факторы развития. Примеры взаимодействующих рядов структур — наследственность и изменчивость с их аппаратами, организмы-эдификаторы в экосистемах и «вредители» в них, консервативные и радикальные партии в общественном развитии и т. п.
Жесткие системы, вернее, квазисистемы типа механических устройств и тоталитарно-автократических политических общественных структур лишены свойства и механизмов самоподдержания (вместо них действуют жесткие связи и механизмы принуждения) и потому обречены на постепенное разрушение, тем более скорое, чем агрессивнее для них окружающая среда. При этом сначала выходят из строя отдельные части, а затем наступает момент полной деструкции такой квазисистемы без возможности для нее не только самовосстановления, но и искусственного ремонта (однако может быть создан из тех же или подобных частей еще более жесткий аналог). Подобные явления наблюдаются и в тех случаях, когда среда (физическая, историческая и т. д.) не соответствует функционально-структурным особенностям системы. В этом случае происходит вымирание, смена функций и другие аналогичные процессы, охватывающие не только исчезающие системы, но и связанные с ними функциональные совокупности и их иерархию (например, один вид никогда индивидуально не исчезает, с ним вместе меняется вся пищевая цепь, сеть, а затем консорция, синузия, биоценоз, экосистема и, отчасти, их иерархия в целом; аналогичные процессы идут в общественных процессах в случае изменения политической системы в одном государстве или их группе).

 

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