Свойства сложных систем

Наиболее общей системной закономерностью является закон подобия части и целого: часть является миниатюрной копией целого, а потому все части одного уровня иерархии систем похожи друг на друга.

Этот закон известен из глубины веков. Так еще основатель тайного (герметического) учения (магии) Гермес Трисмегист сформулировал основы любого знания в форме «Изумрудной скрижали», которая гласит: «Истинно. Несомненно. Действительно. То, что находится внизу, подобно находящемуся наверху, и обратно, то, что находится наверху, подобно находящемуся внизу, ради выполнения чуда единства. И как все вещи были и произошли от одного, точно также все вещи начались в этой единственной вещи, посредством применения».

Античные мудрецы говорили, что «микрокосм есть отражение макрокосма». Говоря современным языком, человек как «маленькая Вселенная» голограммно несет в себе всю «маточную» универсальность и полноту «большой Вселенной».

В экологии принцип подобия части и целого представлен множеством частных законов, например, принципом экологического соответствия: строение организмов данного вида соответствует экологической нише, которую он занимает. Причем в аналогичных условиях формируются подобные друг другу экосистемы, имеющие одинаковый набор экологических ниш (явление экологического параллелизма). Принцип экологического соответствия тесно связан с принципом естественного отбора Ч. Дарвина: в условиях конкуренции наибольшие шансы на выживание имеют организмы, наилучшим образом адаптированные к окружающей среде.

В формулировке Мюллера и Геккеля частный случай закона подобия части и целого известен также как биогенетический закон: онтогенез (индивидуальное развитие особи) повторяет филогенез (историческое развитие вида). Ярким подтверждением данного закона является эмбриогенез: развитие эмбриона повторяет формы, через которые данный вид прошел в процессе своей эволюции. Для человека этот закон можно, вероятно, дополнить: ноогенез (формирование мышления) каждого человека повторяет антропогенез, то есть исторический процесс формирования мышления и мыслительного аппарата всего человечества (человека-разумного). Если учесть, что фазе эмбриогенеза, как этапу формирования многоклеточного существа, предшествует формирование одноклеточного существа (яйцеклетки), можно предположить, что формирование человека повторяет весь ход эволюции Вселенной (по крайней мере, начиная с синтеза биомолекул).

В более общей формулировке этот закон читается как системогенетический закон (Н.Ф. Реймерс): природные (а возможно, и все) системы в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и нередко в закономерно измененной и обобщенной форме эволюционный путь развития данного вида систем. Этому закону подчиняются, например, минералогические процессы, которые в короткие интервалы времени как бы повторяют (в измененном виде, со своими «акцентами») общую историю геологического развития Земли (геогенетический закон Д.В. Рундквиста).

Именно системогенетический закон рождает, как следствие, закон последовательности прохождения фаз развития: фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном 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. Поэтому когда-то на стадии эмбриона у каждого из нас были жабры, которые достаточно быстро атрофировались. Они нам не нужны, но выбросить этот этап из эмбриогенеза невозможно.

Вообще, если какая-то часть (подсистема) не подобна системе в целом, то она входит в дисгармонию с другими подсистемами и с системой в целом. Такое состояние является неустойчивым, и поэтому такая подсистема либо изменяется и входит в гармонию с целостностью (адаптируется), либо разрушается. Длительно и устойчиво существуют только системы, несущие в себе подобие с метасистемами, в состав которых они входят. Именно это состояние несет в себе гармонию.

Под гармонией понимается наиболее оптимальное сочетание противоречивых сторон в едином целом. По определению одного из пифагорейцев, Филолая, гармония есть «согласие разногласного». Это такое сосуществование нескольких подсистем в рамках единого целого, при котором достигается минимальное количество противоречий (конфликтов, противостояний, напряжений). В физике подобное состояние называется энергетически наиболее выгодным. Это состояние с наименьшей потенциальной энергией взаимодействия подсистем. В экологии это состояние с наименьшим количеством конкурентных отношений. Как это ни парадоксально, конкуренция - это довольно редкое явление в природе, и оно характерно лишь для некоторых довольно кратковременных промежутков времени, когда в экосистеме возникает какое-либо возмущение. Например, появление нового вида животных, как это было с кроликами в Австралии - это всегда вызывает переходные процессы, направленные на уменьшение конкуренции. При этом какие-то виды должны уступить другим, то есть либо измениться и занять другую экологическую нишу, либо уйти из данной экосистемы, либо погибнуть. Виды, занимающие разные экологические ниши практически не конкурируют.

В состоянии гармонии заложена изначальная противоречивость мира. Многочисленные исследования показывают, что состояние гармонии достигается, когда количество предсказуемого (подчинение системным законам) в поведении элементов системы и непредсказуемого (свободы выбора) соотносятся друг с другом в «золотой пропорции» ( = 0,618). Вообще «золотая пропорция» это есть такое деление единого целого на две части, при котором меньшая часть (ассоциированная со свободой выбора) относится к большей (ассоциированной с системными законами) так же, как большая часть относится к целому. Именно в меньшей части в полной мере сохраняется подобие с целым, то есть она в свою очередь может быть поделена на аналогичные составляющие свободы и закономерности.

Только те элементы системы, которые несут в себе «золотое» соотношение между «свободой выбора» и закономерностью могут устойчиво существовать длительное время, то есть обладают живучестью. Любое отклонение от «золотой пропорции» ведет к саморазрушению данной подсистемы. Это относится к системам любой природы, в том числе и идеальной. Например, статистические исследования произведений классиков литературы показывают, что количество неожиданного, нового, авангардного в их произведениях соотносятся с законами жанра (например, законы стихосложения, рифма, ритмичность и т.п.) в пропорции, тяготеющей к «золотому сечению».

Особенно характерно подчинение закону гармонии для биосистем, которые буквально «напичканы» золотыми пропорциями. Не случайно магическим символом жизни считается пентаграмма (пятиконечная звезда), в которой можно насчитать более двухсот золотых сечений. Вообще пятеричная симметрия характерна для биосистем. Например, в неживой природе практически не используются кристаллические структуры с пятеричной симметрией, в то же время вирусы, как известно, могут кристаллизоваться, и эти кристаллы имеют пятеричную симметрию (типа футбольного мяча, скроенного из правильных пятиугольников).

Человек (и не только человек) умеет интуитивно чувствовать гармонию. Его притягивает то, что несет в себе гармонию, и отталкивает дисгармония. Гармоничные структуры мы называем словом «красота». Красивое тело построено по закону золотого сечения. Красивое здание несет в своих формах золотую пропорцию. И наоборот, здания, в которых эти пропорции не соблюдены, вызывают ощущение уродства. В красивом (гармоничном) сочетании звуков заложена золотая пропорция (звукоряд Пифагора). По закону золотого сечения построена Солнечная система (закон Боде). Пятеричную симметрию имеет планета Земля, кора которой выложена из пятиугольных плит (уже это должно натолкнуть нас на мысль, что Земля есть живое существо).

Есть основания думать, что весь мир построен по принципу золотой пропорции. Совсем недавно российский ученый А. Злобин, анализируя расположение камней Стоунхенжа, вывел интересную формулу, связывающую между собой три наиболее фундаментальные константы: , где = 3,14159..., e = 2,718..., = 1,618... (одно из чисел золотого сечения, всего их два, второе число = 0,618..., оба они получаются как корни квадратного уравнения + = 1). Самое поразительное, что = 1,007939... – есть атомный вес водорода (можно проверить по таблице Менделеева). Дробная часть этого числа характеризует относительное количество содержания во Вселенной тяжелых изотопов водорода, то есть атомов водорода, ядра которых содержат более одного нуклона. Повидимому, в этом соотношении заложено, в каких дозах нарушается симметрия во Вселенной, или, по крайней мере, в нашей области Вселенной.

Механистический подход достаточно удачно вскрывает закономерную сторону мироздания, где царит порядок и симметрия. Но вторую, асимметричную сторону мира, для которой характерна «свобода выбора», непредсказуемость, которая ассоциируется у нас с понятием «жизнь», механистическая наука осмыслить не в состоянии. Это основная причина того, что, идя путем редукционизма, даже разобрав организм на отдельные клеточки, клетки - на молекулы, молекулы – на атомы, атомы – на элементарные частицы, мы до сих пор не можем понять сути феномена жизни, мы не в состоянии воспроизвести ни одного живого организма.

Подобие части и целого не означает их идентичности. Наоборот, еще в античные времена была сформулирована аксиома: целое больше суммы его частей. Сейчас она читается как аксиома эмерджентности (от английского слова эмердженс - возникновение, появление нового): целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у частей-подсистем и не равно сумме элементов, не объединенных системообразующими связями.

Зачастую, исходя из свойств отдельных компонентов системы, невозможно предсказать свойства системы как целого. Например, водород и кислород, соединяясь, дают воду, то есть вещество, совершенно непохожее на исходные газы. Особенно сильна эмерджентность в высокоорганизованных биосистемах, таких как теплокровные животные. Здесь появляются такие непостижимые эмерджентные свойства, как образное отражение окружающего мира, психика, разум и т.п.

Особенно заметны эмерджентные свойства при исследовании социальных систем, например, муравейник, пчелиный улей, птичья стая, толпа и т.п. Такие системы обладают качествами, присущими только всей целостности и не сводимыми к сумме качеств существ, образующих эту целостность. Так, если во время сезонных перелетов одна из птиц отбивается от стаи, то она не сможет уже долететь до места назначения, так как одна птица «не знает» куда лететь, даже если это “опытная” птица. Этим знанием обладает только стая в целом, даже если она состоит из птиц, которые раньше никогда в тех местах не бывали. Птицы, объединенные в стаю, теряют частично свою маневренность (стая более массивна и неповоротлива, чем птицы в отдельности, известны случаи, когда, не сумев сманеврировать, стая птиц врезалась в землю). Аналогично человек в толпе теряет часть своей свободы и позволяет увлечь себя «голосу толпы», чему впоследствии может сам немало удивляться. Для выхода из толпы нужно затратить определенную энергию по преодолению системообразующей силы, это удается далеко не каждому.

Эмерджентность невозможно разложить на составляющие, ее можно лишь принять как данность и необходимо изучать непосредственно. Это есть нечто изначально целостное, неделимое, присущее только всей системе в целом и никакому элементу системы в отдельности. То есть к эмерджентности неприменим принцип редукционизма. Именно поэтому в эмерджентности наиболее ясно проявляется ограниченность механистического подхода к пониманию сложных систем.

Не менее интересно и свойство иерархичности систем. Иерархия переводится как расположение ступенчатым рядом. Иерархичность есть одно из основных свойств систем, в соответствии с которым любая система сама может являться элементом более общей системы, в то же время каждый элемент системы сам в свою очередь может быть системой.

Математически точно доказано, что иерархические системы быстрее возникают из составляющих их частей, чем неиерархические системы, имеющие такое же число элементов. Примером может служить история компьютерного программирования: современную сложную компьютерную систему практически невозможно создать без использования различных методов структурирования данных и программного кода. Они также более пластичны к нарушениям. То есть, если разложить иерархическую систему на подсистемы, то последние могут продолжать взаимодействовать и снова организуются, достигая более высокого уровня сложности.

Современный уровень знаний позволяет представить иерархию природных систем в виде следующей цепочки: элементарные частицы - атомы - молекулы - клетки - многоклеточные - экосистемы - биосфера - космическое тело - звездная система - галактика - скопление галактик - Вселенная. Между уровнями приведенной иерархии биосистем не существует четких границ или разрывов. Между двумя любыми соседними уровнями имеется масса промежуточных переходных форм, например, молекула - макромолекула (полимер) - сложномолекулярный комплекс (вирус) - коацерватная капля - клетка. По большому счету, четкой границы нет даже между отдельным организмом и экосистемой: организм, изолированный от популяции и от экосистемы, не может жить долго, так же как изолированный орган не может жить долго без тела, в котором он изначально зародился. Особенно явно это можно наблюдать на примере социальных существ, например, пчел: пчела, изолированная от улья, не жизнеспособна. В принципе, то же самое можно сказать и про человека.

В настоящее время при исследовании феномена жизни сложилась определенная традиция: в учет принимается только ограниченная область системной иерархии, в лучшем случае от вируса до биосферы. Выходя за рамки сложившихся традиций, мы в дальнейшем будем рассматривать также и системы более низкого уровня, относимые, в частности, к микромиру, а также системы более высокого иерархического уровня - мегамир: звездные системы, галактики, метагалактика. Только в этом случае удается понять наиболее полно феномен жизни, так как в мире нет ничего изолированного, все многообразие как живой, так и неживой природы неразрывно связано воедино.

На основе сказанного можно сформулировать три наиболее основополагающих принципа системного подхода:

• дедуктивность - постулируются осуществимые модели, а уже из них в виде теорем выводятся законы, позволяющие существовать таким моделям (в традиционной науке, которая до сих пор тяготеет к механицизму, все наоборот: «если явление противоречит теории, тем хуже для явления, которое отныне считается антинаучным»);
• рекуррентность - свойства системы данного уровня иерархии выводятся исходя из постулируемых свойств и связей элементов системы (тем самым узаконивается постулируемая эмерджентность);
• телеологичность - признается существование целесообразности в организации природных систем, изучать которые можно на основе теорий, построенных из простейших моделей этих систем, отдавая в качестве «платы» за простоту моделей их приближенность,