Аруцев Олександр Артемович, Єрмолаєв Борис Валерійович, Кутателадзе Іраклій Отарович, Слуцький Михайло Семенович
Розвиток - це необоротна, спрямована, закономірна зміна матерії і свідомості, їх універсальну властивість; в результаті розвитку виникає новий якісний стан об'єкта - його складу або структури. Розвиток - загальний принцип пояснення природи, суспільства і пізнання, як історично протікають подій.
Розрізняють дві форми розвитку, між якими існує діалектичний зв'язок: еволюційну, пов'язану з поступовими кількісними змінами об'єкта (еволюція), і революційну, що характеризується якісними змінами у структурі об'єкта (революція). Виділяють прогресивну, висхідну лінію розвитку (прогрес) і регресивну, спадну лінію (регрес). Прогрес - спрямований розвиток, для якого характерний перехід від нижчого до вищого, від менш досконалого до більш досконалого.
Розвиток, як би повторює вже пройдені ступені, але повторює їх інакше, на вищій базі, так би мовити, по спіралі, а не по прямій лінії; розвиток стрибкоподібне, катастрофічне, революційне перетворення кількості в якість; внутрішні імпульси до розвитку, що даються протиріччям, зіштовхування різних сил і тенденцій, діють на дане тіло або в межах даного явища; безперервний зв'язок всіх сторін кожного явища, зв'язок, що дає єдиний, закономірний світовий процес руху, - такі деякі риси діалектики, як більш змістовного вчення про розвиток (А.К. Айламазян, Є. В. Стась).
Основною особливістю, що відрізняє розвиток від інших динамічних процесів, наприклад, від процесу зростання, є якісна зміна у часі змінних, що характеризують стан системи, що розвивається (для процесу росту зазвичай говорять лише про кількісний зміні цих змінних). Причому якісна зміна носить стрибкоподібний характер. Поступове монотонне зміна деякого параметра протягом помітного часу супроводжується відповідним поступовим зміною стану системи, але в певний момент відбувається розрив поступовості: стан системи змінюється стрибком, система переходить на новий якісний рівень, кількість переходить в якість. Потім повторюється все заново, але вже на новому якісному рівні (А. І. Яблонський).
У вивченні розвитку матерії сучасною наукою зроблені такі серйозні кроки, що зараз можна з повним правом говорити про перетворення ідеї розвитку, еволюції в норму наукового мислення для цілого ряду галузей знання.
Термін "еволюція" має кілька значень, однак найчастіше він використовується як синонім розвитку. Так, І. І. Шмальгаузен визначає еволюцію як закономірний процес історичного розвитку організму. Іноді термін "еволюція" використовують в більш вузькому сенсі, розуміючи її як одну з форм розвитку, яка протиставляється революції.
Еволюція і революція розглядаються як взаємообумовлені сторони розвитку, виступаючи проти абсолютизації будь-якої з них. У будь-яких процесах розвитку природно наявність чергуються ділянок: еволюційних і революційних.
Еволюція в широкому сенсі - уявлення про зміни в природі і в суспільстві, їх спрямованості, порядку, закономірності; певний стан будь-якої системи розглядається як результат більш-менш тривалих змін її попереднього стану; в більш вузькому сенсі - уявлення про повільному поступове кількісній зміні .
Еволюція в біології - це необоротна історичний розвиток живої природи. Визначається мінливістю, спадковістю і природним відбором організмів. Супроводжується пристосуванням їх до умов існування, освітою видів, перетворенням біогеоценозів і біосфери в цілому.
Еволюційна ідея зародилася і розвинулася в XIX ст. в якості опозиції поданням про незмінність світу, але свого апогею вона досягла в нашому столітті, і її прийняття можна вважати досягненням XX ст.
У минулому столітті ідея незмінність органічного світу знайшла своє яскраве вираження в особі Ж. Кюв'є. Кюв'є виходив зі своєї теорії сталості та незмінності видів і її двох основних принципів - принципу кореляцій і принципу умов існування. Незмінність виду входила, згідно Кюв'є, в організованість, упорядкованість природи. Його теорію катастроф, чи зміну фаун і флор, в даній органічної області можна назвати теорією еволюції при незмінності видів, теорією порушення гармонії природи тільки в результаті катастрофічних подій загальземного масштабу.
Теорія типів, теорія гармонії природи і теорія незмінності видів чудово відповідали один з одним і становили фундамент природознавства першої половини XIX ст.
Пізнавальна цінність цих уявлень про стійкість органічного світу була величезна. Уявлення про незмінність видів лягли в основу їх класифікації. Теорія типів дозволяла робити прогнози. Геніальна еволюційна ідея Ламарка, на півстоліття випередив свій час, не знайшла відгуку почасти тому, що, озброївшись на сталість виду, він направив свою полеміку і проти його реальності.
Ч. Дарвін вперше обгрунтував еволюцію і переконав своїх сучасників саме тому, що він поєднував визнання реальності виду з науковою теорією його змінності.
У XX ст. ідею гармонії природи змінила ідея еволюції. Принцип гармонії природи, теорія типів і уявлення про сталість виду відсунулися в свідомості людей на задній план, а багатьом здавалися спростованими. З плином часу, однак, повне обгрунтування еволюційної ідеї породило свою протилежність. У науці XX ст. знову відродилася ідея стійкості. І з тим же благородним завзяттям, з яким людська думка руйнувала теорію типів і теорію незмінності видів, вона кинулася на пошуки механізмів підтримки стійкості.
В. І. Вернадський зумів розкрити на рівні біосфери в цілому взаємодія еволюційного процесу та ідеї стійкості живої природи. У 1928 р. В. І. Вернадський писав: "У геохімічному аспекті, входячи як частина в мало що змінюється, що коливається близько незмінного середнього стану біосферу, життя, узята як ціле, представляється стійкою і незмінною в геологічному часі. У складній організованості біосфери відбувалися в межах живої речовини тільки перегрупування хімічних елементів, а не корінні зміни їх складу та кількості - перегрупування, не відбивалися на сталості та незмінності геологічних - в даному випадку геохімічних процесів, в яких ці живі речовини брали участь.
Стійкість видових форм протягом мільйонів років, мільйонів поколінь, може, навіть складає найхарактернішу рису живих форм ".
За сформованим загальну думку, вершиною творчості Вернадського є вчення про біосферу та про еволюційний перехід її під впливом людського розуму в новий стан - ноосферу: "Маса живої речовини, її енергія і ступінь організованості в геологічній історії Землі безупинно еволюціонували, ніколи не повертаючись до попереднього стану . Перетворення в поверхневій оболонці планети під впливом діяльності людини стали природним етапом цієї еволюції. Вся біосфера, змінившись корінним чином, повинна перейти в новий якісний стан, сферу дії людського розуму ".
Перекладаючи теорію Дарвіна на мову кібернетики, І. І. Шмальгаузен показав, що саме перетворення органічних форм закономірно здійснюється в рамках відносно стабільного механізму, що лежить на биогеоценотическом рівні організації життя і діє за статистичному принципом. Це і є вищий синтез ідеї еволюції органічних форм з ідеєю стійкості та ідеєю сталості геохімічної функції життя в біосфері. Так воєдино виявилися злитими і разом з тим піднятими на новий сучасний рівень концепції Кюв'є, Дарвіна, Вернадського.
Основні напрямки пошуку в еволюційній теорії - це розробка цілісних концепцій, більш адекватно відображають системний характер досліджуваних явищ.
Загальновизнаним є теза про рух як атрибут матерії, і постає питання, чи можна вважати атрибутом матерії розвиток. Ці проблеми жваво дискутуються, і на сьогодні загальновизнаною точки зору немає. Існує точка зору, що рух - більш загальний момент, а розвиток - окремий випадок руху, тобто розвиток не є атрибутом матерії. Інша точка зору наполягає на атрибутивний характер розвитку. Вирішення питання про атрибутивного характеру розвитку пов'язано з тим змістом, який вкладається в поняття "розвиток". Зазвичай виділяють три підходи:
- Розвиток як кругообіг;
- Розвиток як необоротне якісна зміна;
- Розвиток як нескінченний рух від нижчого до вищого.
Ці підходи справедливі, коли мова йде не про матерії взагалі, а про будь-якому матеріальному освіті.
До матерії в цілому, матерії як такої поняття розвитку застосовно, але не в тому сенсі, в якому ми говоримо про розвиток окремих предметних областей. Матерія як об'єктивна реальність - це саме вся сукупність речей і явищ оточуючого нас світу. Вона безперервно розвивається, і цей розвиток не означає нічого іншого, крім безперервного розвитку всіх її конкретних проявів. Матерія є гранично загальна філософська категорія, а природознавство завжди мало і буде мати справу з "матерією на даному рівні проникнення в неї". Єдино відомої нам матерії ми сьогодні можемо приписувати розвиток не тільки на підставі загально філософських міркувань, а й на основі досить апробованих природничо-наукових теорій.
Теза про розвиток як атрибут матерії до недавнього часу важко було узгодити з даними природознавства, де єдиний закон, який включає спрямованість змін, що відбуваються, - це другий початок термодинаміки, що говорить скоріше про тенденції до деградації. Друге начало є одним з природничих виразів принципу розвитку, що визначає еволюцію матерії. Оскільки принцип збільшення ентропії відображає незворотність всіх реальних процесів і тим самим означає необоротне зміна всіх відомих форм матерії, тобто їх перехід в якісь інші форми, для яких вже будуть недійсні існуючі закони, то його можна вважати природничих вираженням філософського принципу розвитку.
Другий початок має той самий статус, що і перший початок (закон збереження енергії), і його дія не суперечить розвитку Всесвіту. Навпаки, сам принцип розвитку знаходить своє природно-наукове обгрунтування у другому початку термодинаміки. Принцип зростання ентропії розглядається як одна з природничих конкретизацій принципу розвитку, що відображає утворення нових матеріальних форм та структурних рівнів в неорганічної природи.
Однією з фундаментальних рис сучасного природознавства і разом з тим напрямів його діалектізаціі є все більш глибоке і органічне проникнення в систему наук про природу еволюційних ідей, які нерозривно пов'язані з концепцією ієрархії якісно своєрідних структурних рівнів матеріальної організації, які виступають як ступені, етапи еволюції природних об'єктів. Якщо всього лише кілька десятиліть тому дослідження еволюційних процесів в різних областях природознавства були досить слабо пов'язані між собою, то зараз становище змінилося радикальним чином: виявляються контури єдиного (у різноманітті своїх конкретних проявів) процесу еволюції охоплених дослідженнями областей природи.
Практика сучасної науково-дослідної діяльності висуває нові завдання у розумінні еволюційних процесів, тому формується якийсь шар знань, не має статусу окремої науки, але становить важливий компонент культури мислення сучасного науковця. Цей шар знання є як би проміжним між філософією, діалектикою як загальною теорією розвитку і конкретно-науковими еволюційними концепціями, що відображають специфічні закономірності еволюції живих організмів, хімічних систем, земної кори, планет і зірок.
Можна, мабуть, говорити про декілька взаємопов'язаних і супідрядних поняттях еволюції в рамках природничо-наукової картини світу. Найбільш загальним з них і застосовним практично в межах всієї доступної дослідженню області природи, неживої і живої, слід вважати поняття еволюції як незворотної зміни структури природних об'єктів.
У класичному природознавстві, і, перш за все в природознавстві минулого століття, вчення про принципи структурної організації матерії було представлено класичним атомизмом. Саме на атомізму замикалися теоретичні узагальнення, що беруть початок у кожній з наук. Ідеї атомізму служили основою для синтезу знань і його своєрідною точкою опори. У наші дні під впливом бурхливого розвитку всіх галузей природознавства класичний атомізм піддається інтенсивним перетворенням. Найбільш суттєвими і широко значущими змінами в наших уявленнях про принципи структурної організації матерії є ті зміни, які виражаються в нинішньому розвитку системних уявлень.
Загальна схема ієрархічного ступеневої будови матерії, пов'язана з визнанням існування відносно самостійних і стійких рівнів, вузлових точок в ряду поділів матерії, зберігає свою силу і евристичні значення. Відповідно до цієї схеми дискретні об'єкти певного рівня матерії, вступаючи у специфічні взаємодії, служать вихідними при утворенні і розвитку принципово нових типів об'єктів з іншими властивостями і формами взаємодії. При цьому велика стійкість і самостійність вихідних, щодо елементарних об'єктів обумовлює повторювані і зберігаються властивості, відносини і закономірності об'єктів вищого рівня.
Це положення єдине для систем різної природи.
Будь-яка складна система, що виникла в процесі еволюції за методом проб і помилок, повинна мати ієрархічну організацію. Дійсно, не маючи можливості перебрати всі мислимі з'єднання з декількох елементів, а знайшовши наукову комбінацію, розмножує її і використовує - як ціле - в якості елемента, який можна повністю пов'язати з невеликим числом інших таких же елементів. Так виникає ієрархія. Це поняття грає величезну роль. Фактично будь-яка складна система, як виникла природно, так і створена людиною, може вважатися організованою, тільки якщо вона заснована на певній ієрархії або переплетенні кількох ієрархій. Ми не знаємо організованих систем, влаштованих інакше.
Концептуальні форми вираження ідеї структурних рівнів матерії різноманітні. Певний розвиток ідея рівнів отримала в ході аналізу концептуального апарату фундаментальних, щодо завершених фізичних теорій, теорії еволюції живих організмів.
Одна з актуальних проблем, яку ставить вивчення ієрархії структурних рівнів природи, полягає у пошуках меж цієї ієрархії як в мегасвіті, так і в мікросвіті. Ієрархічність рівнів відображається в ієрархічності класифікаційних понять, характерних для описових теорій різних наук. З наявністю певних рівнів матерії пов'язано існування низки самостійних наукових дисциплін.
Рівні стають такими спіралями тільки при всебічному розвитку наступності, без якої можуть бути лише хаотичні зміни кругообігів змін. Тому "розвиток розвитку" можливо тільки на основі збагачення форм спадкоємності, яка дозволяє в тій чи іншій мірі зберегти досягнуті перетворення, щоб включати їх в лінії процесів еволюції, а також онтогенезу. Виникнення нового без наступності приречене було б щоразу починати розвиток з "самого початку".
У ході прогресу число взаємозв'язаних рівнів зростає і об'єкти стають все більш багаторівневими. Об'єкти кожному наступному рівні виникають і розвиваються внаслідок об'єднання та диференціації певних множин об'єктів попереднього ступеня. Системи стають все більш багаторівневими. Складність системи зростає не тільки тому, що зростає число рівнів. Істотне значення набуває розвиток нових взаємозв'язків між рівнями і з середовищем, загальною для таких об'єктів і об'єднань. У цих взаємозв'язках все більшого значення отримує інформація.
1. Інформаційна концепція розвитку систем
Поняття розвитку неживої і живої природи розглядається як необоротне спрямована зміна структури об'єктів природи, оскільки структура відображає рівень організації матерії.
Структура - це внутрішня організація системи, яка сприяє зв'язку складових систему елементів, що визначає існування її як цілого і її якісні особливості. Структура визначає впорядкованість елементів об'єкта. Елементами є будь-які явища, процеси, а також будь-які властивості і відносини, що знаходяться в якій-небудь взаємного зв'язку і співвідношенні один з одним.
Структура є упорядкованість (композицій) елементів, що зберігається (інваріантна) щодо певних змін (перетворень).
Структура - це відносно стійкий, упорядкований спосіб зв'язку елементів, що надає їх взаємодії в рамках внутрішньо розчленованого об'єкта цілісний характер.
Найважливіша властивість структури - її відносна стійкість, що розуміється як збереження в зміні. Однак структура містить певну динамічність, окремі тимчасові моменти, являє собою процес розгортання в часі і в просторі нових властивостей елементів.
Структура - це загальний, якісно певний і відносно стійкий порядок внутрішніх відносин між підсистемами тієї чи іншої системи. Поняття "рівень організації" на відміну від поняття "структура" включає, крім того, подання про зміну структур та її послідовності в ході історичного розвитку системи з моменту її виникнення. У той час як зміна структури може бути випадковим і не завжди має спрямований характер, зміна рівня організації відбувається необхідним чином. Системи, які досягли відповідного рівня організації і мають певну структуру, набувають здатність використовувати інформацію для того, щоб за допомогою управління зберегти незмінним (або підвищувати) свій рівень організації та сприяти стабільності (або зменшення) своєї ентропії.
Що таке організація? Посилаючись на основоположників теорії організації Федорова і Богданова, Моісеєв дає таке визначення: "Організація досліджуваного об'єкта (системи) - це сукупність консервативних, повільно змінюються (в окремому випадку постійних, незмінних) характеристик об'єкта.
Для визначення організації потрібно виділити ці характеристики об'єкта (системи) ".
Під організацією системи будемо розуміти зміну структури системи, яке забезпечує узгоджена поведінка, або функціонування системи, яке визначається зовнішніми умовами.
Якщо під зміною організованості розуміти зміну способу з'єднання (або зв'язку) підсистем, що утворюють систему, то явище самоорганізації можна визначити як таке неминуча зміна системи та її функцій, яке відбувається поза будь-яких додаткових впливів, внаслідок взаємодії системи з умовами існування і наближається до деякого щодо стійкого стану.
Під самоорганізацією будемо розуміти зміну структури, що забезпечує узгодженість поведінки завдяки наявності внутрішніх зв'язків та зв'язків із зовнішнім середовищем.
Самоорганізація - це природничо вираз процесу саморуху матерії. Здатність до самоорганізації володіють системи живої та неживої природи, а також штучні системи. Конкретна конфігурація структури існує тільки в строго визначених умовах і в певний момент "руху" складної системи. Динаміка розвитку систем призводить до послідовного зміни їх структур.
Закономірне зміна структури системи відповідно історичних змін співвідношень з зовнішнім середовищем і називається еволюцією.
Зміна структури складної системи в процесі її взаємодії з навколишнім середовищем - це прояв властивості відкритості як зростання можливостей виходу до нового. З іншого боку, зміна структури складної системи забезпечує розширення життєвих умов, пов'язане з ускладненням організації і підвищенням життєдіяльності, тобто придбанням пристосувань більш загального значення, що дозволяють встановити зв'язки з новими сторонами зовнішнього середовища.
Самоорганізація характеризується виникненням внутрішньо узгодженого функціонування за рахунок внутрішніх зв'язків та зв'язків із зовнішнім середовищем. Причому поняття функція і структура системи тісно взаємопов'язані; система організується, тобто змінює структуру заради виконання функції.
Питання про взаємовідносини структури і функції - один з давніх і традиційних в біології. Аристотель, задаючи питання "заради чого існує орган?", Відповідав: "заради виконання певної мети", тобто функції. Для біологічних об'єктів поняття функції та цілі ідентичні. Так, під функцією розуміється, наприклад, фізіологічне відправлення.
Розглядаючи структуру і функцію, перевагу віддають первинності у зміні функції. Однак найбільш правильно розглядати діалектичний взаємозв'язок і взаємозумовленість їх змін в процесі еволюції (зміна середовища вимагає зміни функції; а вона, у свою чергу, впливає на зміну структури).
Рослинний і тваринний світ дає безліч переконливих прикладів такої взаємозумовленості.
Так, вихід рослин на сушу ознаменувався придбанням комплексу морфофізіологічних нововведень, захисних покривів, провідної системи, диференціацією тіла на органи і т.д. Завдяки цим змінам, перш за все, було досягнуто зменшення втрати води від випаровування та посилення її руху по рослині. Тут важко сказати, що чому передувало, морфологічні або фізіологічні зміни. У той же час очевидно, що "замовлення" на зменшення негативних наслідків нестачі води спричинив за собою відбір рослин на розвиток захисних покривів і провідної системи в наземних умовах.
У даному випадку мова йде про процес самоорганізації, де можна виділити причину і наслідок, вказати зв'язку їх із зовнішнім середовищем: зовнішнє середовище змінює функцію, функція змінює структуру. У міру ускладнення внутрішньої організації функціональні можливості організмів посилюються.
Функціональні особливості змінюються трохи швидше, ніж структурні. Одним із прикладів впливу функціональних перетворень на структуру рослини можуть служити листя і перетворення структури черешка зміною його функції: в аркуша після тривалої самостійного життя в укорененном стані перебудовуються історично сформовані функції; при цьому держак набуває функцій стебла, посилюється його проводить і механічна активність.
Структура і функція - невід'ємні властивості живої природи, вони пов'язані в онто-і філогенезі. Будь-який орган має множинністю функцій. Якщо з множин функцій, наприклад, кореня рослин (проведення речовин або їх запасені, освіта придаткових бруньок, прикріплення, синтез і т.п.) одна виявиться головною, то будівля його в філогенезі зміниться по нової функції. З іншого боку, прояв будь-якої функції рослин одного і того ж виду змінюється кількісно, причому відмінності часто спадково обумовлені. На цій основі може відбуватися відбір по ступені вираження даної властивості. Наприклад, в одних рослин за таким принципом посилилася присмоктує функція коренів (паразити), в інших - опорні функції.
Взаємозв'язок зміни структури і функції в онто-і філогенезі сприяє підвищенню виживаності та конкурентоспроможності. Для рослин функція - єдине фізіологічне відправлення, необхідне для виживання і розмноження рослин в онтогенезі (наприклад, фотосинтез, дихання, рух). Відбір спрямований на пошуки найбільш ефективних механізмів, що реалізують необхідну функцію, тобто на пошуки архітектур системи.
Саме в структурі біологічно активної речовини еволюція закодувала його здатність виконувати строго певну біологічну функцію.
Функціональна роль біологічних молекул задається їх просторової структурою - розташуванням у просторі входять в структуру атомів. Можна навести безліч інших прикладів.
Для вивчення процесу розвитку необхідно знати характер зміни структур у часі, їх динамічні параметри. Треба також уміти розкривати закономірності взаємозв'язку між структурою і проявляється системою функцією.
До недавнього часу природознавство та інші науки могли обходитися без цілісного, системного підходу до своїх об'єктів вивчення, без урахування колективних ефектів і дослідження процесів утворення стійких структур і самоорганізації. В даний час проблеми самоорганізації, що вивчаються в синергетики, набувають актуальний характер в багатьох науках, починаючи від фізики і кінчаючи екологією.
Завдання синергетики - з'ясування законів побудови організації, виникнення упорядкованості. На відміну від кібернетики тут акцент робиться не на процесах управління та обміну інформацією, а на принципах побудови організації, її виникнення, розвитку та самоусложненія (Г. Хакен).
Питання про оптимальну впорядкованості та організації особливо гостро стоїть при дослідженнях глобальних проблем - енергетичних, екологічних, багатьох інших, які потребують залучення величезних ресурсів.
Філософсько-методологічний аналіз проблем глобального еволюціонізму неминуче призводить до постановки фундаментального питання: чи існують закони еволюційного процесу, що представляють собою певну конкретизацію діалектичної концепцій розвитку і в той же час загальні для всіх структурних рівнів природної дійсності?
Хоча ця проблема в даний час ще далека від вирішення, все ж є певні підстави допускати існування законів і закономірностей прогресивного розвитку в природі, що охоплюють всі основні етапи - космогонічний, геологічний, біологічний, разом із специфічними законами і закономірностями, властивими кожному з них. Це можуть бути, по-перше, частнонаучние закони або закономірності, які можливо екстраполювати на цілісні процеси еволюції природного дійсності (скажімо, закон зростання ентропії або певні "біоаналогіі", що мають досить загальне значення).
По-друге, ідея глобального еволюціонізму отримує підтримку з боку загальнонаукових концепцій. Так, що почалася в останні роки розробка генетичних аспектів загальної теорії систем дозволяє припускати, що деякі сформульовані в її рамках закономірності можуть мати дуже широкою сферою застосування, зокрема, охоплювати певні риси еволюції всієї досліджуваної природної дійсності. Вивченню процесів еволюції неживої і живої природи, а також прогресу суспільства може сприяти подальша розробка концепції самоорганізації.
Нарешті, по-третє, можливо припустити, що існують такі типи досить загальних еволюційних законів і закономірностей, які будуть виявлені на основі комплексного аналізу процесів розвитку в масштабах всієї системи наук про природу. Поки, звичайно, передчасно обговорювати питання, чи будуть закони, сформульовані спочатку в рамках загальнонаукової картини світу, включатися далі в таку форму організації теоретичного знання, якою є теорія (система теорій), або в іншу, до цих пір мало досліджену форму міждисциплінарного та загальнонаукового знання - вчення (прикладом якої може служити вчення В. І. Вернадського про біосферу), або ж входити і до складу систем теорій, і до складу навчань різного ступеня спільності. В усякому разі, очевидно, що потреби як теоретичного, так і світоглядного плану будуть стимулювати подальше обгрунтування ідеї глобального еволюціонізму.
Інформаційна концепція розвитку систем будь-якої природи, в основі якої лежать категорії інформатики - інформація, ентропія, інформаційні процеси та їх зв'язок з еволюційними процесами, мабуть, може розглядатися як одна з природничих конкретизації загальної теорії розвитку.
2. Особливості опису складних систем
Ті практичні завдання, які сьогодні вирішуються, вимагають глибокого вивчення окремих об'єктів і явищ природи. Велика кількість завдань пов'язані з дослідженням складних систем, таких, які включають безліч елементів, кожен з яких представляє собою досить складну систему, і ці системи тісно взаємопов'язані з зовнішнім середовищем. Вивчення таких систем в природних умовах обмежене їх складністю, а іноді буває неможливим з огляду на те, що не можна провести натурний експеримент або повторити той чи інший експеримент. У цих умовах деколи єдиним можливим методом дослідження є моделювання (фізичне, логічне, математичне). Без моделі немає пізнання. Будь-яка гіпотеза - це модель. І правильність гіпотези про майбутній стан об'єкта залежить від того, наскільки правильно визначили параметри досліджуваного об'єкта та їх взаємозв'язку між собою і зовнішнім середовищем. Однак науковий опис ніколи не охоплює всіх деталей, воно завжди виділяє суттєві елементи структур і зв'язків. Тому такий опис містить узагальнену модель явищ. В даний час термін "загальна теорія систем" за пропозицією Л. Берталанфі трактується в широкому і вузькому сенсі. Загальна теорія систем, що розуміється в широкому сенсі, охоплює комплекс математичних та інженерних дисциплін, починаючи з кібернетики і закінчуючи інженерною психологією. Більш вузьке тлумачення терміна пов'язане з вибором класу математичних моделей для опису систем і рівня їх абстрактного опису.
Аналогічна ситуація складається і з теорією розвитку складних систем. Її також можна розуміти в широкому і вузькому сенсі. У широкому сенсі теорія розвитку складних систем - це природничо конкретизація загальної теорії розвитку - матеріалістичної діалектики. У рамках цієї ж теорії повинні бути об'єднані основні положення про поведінку складних систем, розроблені в різних областях наукового знання, в результаті чого може бути побудована концептуальна модель процесів розвитку складних систем різної природи. Більш вузьке розуміння теорії розвитку передбачає побудову математичних моделей розвитку конкретних систем (біологічних, екологічних, економічних, соціальних тощо). У цьому випадку об'єкт дослідження виділяється і аналізується конкретної наукової дисципліною.
Особливість простих систем - в практично взаємної незалежності їх властивостей, що дозволяє дослідити кожне з них окремо в умовах класичного лабораторного експерименту; особливість складних систем полягає в істотній взаємозв'язку їх властивостей (іноді вона навіть застосовується як визначення складної системи).
Будемо вважати систему складною, якщо вона складається з великої кількості взаємопов'язаних і взаємодіючих між собою елементів, кожен з яких може бути представлений у вигляді системи. В якості змісту теорії розвитку складних систем можна розглядати сукупність методологічних підходів, що дозволяють будувати моделі процесів розвитку складних систем, використовуючи досягнення різних наук, а також методи аналізу одержуваних моделей.
Звичайне для теорії простих систем вимога адекватності моделі оригіналу для моделей складних систем призводить до непомірного зростання їх розмірності, що приводить до їх нездійсненності. Ситуація для побудови теорії здається безнадійною, вона дійсно виявляється такою, якщо не зробити певного розумного відступу від непомірних вимог адекватності теорії і разом з тим не відступати від вимог її об'єктивності.
Математичні моделі будь-яких систем можуть бути двох типів - емпіричні і теоретичні. Емпіричні моделі - це математичні вирази, апроксимуючі (з використанням тих чи інших критеріїв наближення) експериментальні дані про залежність параметрів стану системи від значень параметрів впливають на них факторів. Для емпіричних математичних моделей не вимагається одержання жодних уявлень про будову і внутрішньому механізмі зв'язків у системі. Разом з тим задача про знаходження математичного виразу емпіричної моделі по заданому масиву спостережень в межах обраної точності опису явища не однозначна. Існує нескінченна безліч математичних виразів, апроксимуючих в межах даної точності одні й ті ж досвідчені дані про залежність параметрів.
Теоретичні моделі систем будуються на основі синтезу узагальнених уявлень про окремі складають їх процесах та явищах, грунтуючись на фундаментальних законах, що описують поведінку речовини, енергії, інформації. Теоретична модель описує абстрактну систему, і для початкового виведення її співвідношень не потрібно даних про спостереження за параметрами конкретної системи. Модель будується на основі узагальнення апріорних уявлень про структуру системи і механізму зв'язків між слагающими її елементами.
Поряд з емпіричними і теоретичними використовуються і напівемпіричні моделі. Для них математичні вирази виходять теоретичним шляхом з точністю до емпірично одержуваних констант, або в загальній системі співвідношень моделей поряд з теоретичними висловлюваннями використовуються і емпіричні.
Побудова емпіричних моделей - єдино можливий спосіб моделювання тих елементів системи, для яких не можна побудувати в даний час теоретичних моделей через відсутність відомостей про їх внутрішньому механізмі. Питання, пов'язані з побудовою емпіричних моделей, відносяться до області обробки спостережень або, точніше, до математичної теорії планування експерименту.
Для деяких систем єдина можливість оцінити правильність теоретичної моделі полягає в проведенні чисельних експериментів з використанням математичних моделей. Поведінка моделі не повинно суперечити загальним уявленням про закономірності поведінки процесів.
Теоретична модель описує не конкретну систему, а клас систем. Тому перевірка теоретичної моделі можлива при дослідженні конкретних частково або повністю спостережуваних систем. Потім перевірену таким чином теоретичну модель можна застосовувати для опису і вивчення конкретних неспостережуваних систем, що відносяться до того ж або до більш вузькому класу.
Строго обгрунтувати вираз "моделі відносяться до одного і того ж класу" трохи важко. Ми будемо розглядати клас систем, що розвиваються, до якого можуть ставитися системи штучні, живої та неживої природи, соціальні і т.п.
Між емпіричними, напівемпіричні і теоретичними моделями не існує різкої межі. Будь-які математичні моделі, в кінцевому рахунку, виражаються через параметри, які визначаються експериментальним шляхом. Усі відмінності між трьома згаданими типами моделей зводяться до ступеня спільності уявлень, що відносяться до даної моделі, а саме: або вони відносяться безпосередньо до досліджуваного конкретного об'єкта, або пов'язані з класом таких об'єктів, або ж, нарешті, пов'язані з класом явищ, що спостерігаються в природі
Більшість процесів настільки складно, що при сучасному стані науки дуже рідко вдається створити їх універсальну теорію, що діє у всі часи і на всіх ділянках розглянутого процесу. Замість цього потрібно за допомогою експериментів і спостережень постаратися зрозуміти провідні (визначальні) чинники, які визначають поведінку системи. Виділивши ці фактори, слід абстрагуватися від інших, менш суттєвих, побудувати більш просту математичну модель, яка враховує лише виділені фактори. До зовнішніх факторів будемо відносити такі, які впливають на параметри досліджуваної моделі, але самі на досліджуваному часовому відрізку не відчувають зворотного впливу.
Відомо, що матеріальна єдність світу знаходить своє відображення у взаємозв'язку цілого і його частин. До недавнього часу в природознавстві переважаючим був підхід, згідно з яким частина завжди розглядалася як більш просте, ніж ціле. Новий напрямок - синергетика описує процеси, в яких ціле володіє такими властивостями, яких немає у його частин. Вона розглядає навколишній матеріальний світ як безліч локалізованих процесів різної складності і ставить завдання відшукати єдину основу організації світу як для простих, так і для складних його структур. У той же час синергетика не стверджує, що ціле складніше частини, вона вказує на те, що ціле і частина мають різні властивості і в силу цього відмінні один від одного.
У синергетики робиться спроба описати розвиток світу у відповідності з його внутрішніми законами розвитку, спираючись при цьому на результати всього комплексу природних наук. Для нашого аналізу є важливим те, що одним з основних понять синергетики є поняття нелінійності.
Не тільки в процесі наукового пізнання, а й у своїй повсякденній практиці ми фактично стикаємося з різними проявами нелінійних закономірностей. Поведінка нелінійних систем принципово відрізняється від поведінки лінійних. Найбільш характерна особливість - порушення в них принципів суперпозиції. У нелінійних системах результат кожного з впливів в присутності іншого виявляється іншим, ніж у випадку відсутності останнього.
Математичні дослідження природи лінійності і нелінійності так чи інакше обумовлювалися потребами розвитку фізики. Постановка задачі про нелінійності пов'язана з іменами Релея, Д'Аламбера, Пуанкаре, які досліджували математичну модель струни і інші моделі за допомогою диференціальних рівнянь.
У 30-ті роки XX ст. на перше місце в області звичайних диференціальних рівнянь встають проблеми якісної теорії. Значний вплив на її розвиток справляють потреби фізики, особливо нелінійної теорії коливань. Фізикам Андронову і Мандельштама належить тут цілий ряд важливих математичних ідей і розробок. Мандельштам першим звернув увагу на необхідність вироблення у фізиці нового "нелінійного мислення". До його робіт існували лише окремі приватні підходи до аналізу окремих нелінійностей в різних фізичних задачах. Роль Мандельштама полягає в тому, що він чітко зрозумів загальність нелінійних явищ, зумів побачити, що можливості лінійної теорії принципово обмежені, що за її межами лежить величезне коло явищ, що потребують розробки нових нелінійних методів аналізу.
Виникають питання: яка роль нелінійності, навіщо необхідно розробляти нелінійні моделі, якщо велика кількість фізичних процесів можна пояснити за допомогою лінійних моделей або ж звести нелінійні задачі до лінійним? Відповідь на ці питання полягає в наступному: лінійні задачі розглядають лише зростання, перебігу процесів, нелінійність ж описує фазу їх стабілізації, можливість існування декількох типів структур. У той же час нелінійність висловлює тенденцію різних фізичних процесів до нестійкості, тенденцію переходу до хаотичного руху. Таким чином, поєднання лінійності та нелінійності (навіть поки що далеко не діалектичне) дає більш адекватне відображення реальних процесів, так як з їх допомогою виражається єдність стійкості й мінливості, що є ядром суті всякого руху.
Рішення численних проблем, що виникають при описі переходу від регулярного до стохастическому руху, пов'язують із розвитком стохастичної або хаотичної динаміки.
Вдалося показати, що за допомогою рівнянь, запропонованих Х. Лоренцо, яких систем рівнянь, що включають дивні атрактори, можливо опис поведінки деяких типів плазмових хвиль, хімічних реакцій у відкритих системах, циклів сонячної активності. закономірностей зміни чисельності біологічних співтовариств, дослідження питань, пов'язаних з генерацією лазерів в деякому діапазоні параметрів.
Синергетика, використовуючи єдність лінійності і нелінійності, висловлює в теорії ті аспекти матеріальної єдності світу, які пов'язані із загальними властивостями саморозвитку складних систем. Нелінійні рівняння, що становлять основу цієї теорії, дозволяють за допомогою досить простих моделей описувати самі різні матеріальні процеси. Причому, навіть не вирішуючи цих рівнянь, можна виробити уявлення про якісно нових рисах тих процесів, які цими рівняннями описуються.
Теорія опису складних хаотичних процесів М. Фейгенбаума представляє інтерес, бо автор, по суті, виходить з визнання матеріальної єдності світу і намагається знайти те загальне, що притаманне хаотичним процесам різної природи. Ця теорія показує, що поведінка всіх дисипативних систем поблизу переходу до хаотичного руху носить універсальний характер. Теорія дає можливість описати поведінку тієї чи іншої системи за межами можливості інших математичних уявлень.
Для виявлення найбільш загальних закономірностей поведінки потрібні макромоделі, які мають найбільш високий рівень узагальнення. Можливо, такою моделлю може бути модель процесу розвитку, побудована на основі інформаційної концепції.
Побудова такої моделі проводилося в кілька етапів: концептуальна модель, модель процесу самоорганізації; власне математична модель, тобто рівняння, що описує поведінку системи; машинна модель, що реалізує алгоритм вирішення цього рівняння.
3. Концептуальна модель розвитку
Найбільш важливий етап процесу розробки моделі полягає у виборі структури моделі системи. Навряд чи можна вважати доцільним починати дослідження відразу з докладною математичної моделі ще до того, як висунуті основні гіпотези і досягнуто більш глибоке розуміння механізму роботи системи.
Розробка моделі системи починається з найменш структурізованние і найбільш широко вживаних понять, і на їх основі аксіоматичних чином розвивається подальша математична модель.
Методичні аспекти вивчення розвитку складних систем невідривно від самої теорії розвитку. Завдання полягає в тому, щоб для певного класу систем, а саме відкритих динамічних самоорганізуються, конкретизувати загальні закономірності розвитку, формалізувати їх, побудувати модель розвитку.
Ідея розвитку нерозривно пов'язана з концепцією ієрархії структурних рівнів природи, що виступають як ступені, етапи розвитку природних об'єктів. Це положення єдине для систем різної природи. Згідно зі схемою ієрархічного ступеневої будови матерії, окремі об'єкти певного рівня матерії, вступаючи у специфічні взаємодії, служать вихідними утвореннями у розвитку принципово нових типів об'єктів з іншими властивостями і формами взаємодії. При цьому основним вихідним положенням є наявність наступності. Якщо немає наступності, то ми будемо спостерігати не процес розвитку, а лише хаотичні зміни кругообігів. Нове завжди народжується в надрах старого.
Розвиток неживої і живої природи розглядається як необоротне зміна структури об'єктів природи. Важлива проблема в теорії розвитку - виявлення об'єктивних критеріїв прогресу, які визначають перехід системи від одного рівня розвитку до іншого, більш високого.
Однією з природничих конкретизацій принципу розвитку є принцип зростання ентропії, що відображає утворення нових матеріальних форм та структурних рівнів. Рівняння Больцмана для ентропії часто розглядають як математичний вираз закону еволюції. Однак ця математична модель процесу розвитку має такими серйозними недоліками. Вона показує лише напрям еволюції і не враховує того факту, що розвиваються системи - це системи відкриті, які можуть зменшувати свою ентропію за рахунок збільшення ентропії у зовнішньому середовищі.
З позицій нерівноважної термодинаміки розвиток трактується як послідовність переходів ієрархії структур зростаючої складності. Перехід на новий рівень розвитку йде від безладу до порядку через нестійкість. У нерівноважних ситуаціях поява порядку можливо тільки при наявності зовнішніх потоків (матеріально-енергетичних або інформаційних), що утримують систему далеко від рівноваги. При відсутності цих потоків (ізоляції системи) в подібних ситуаціях розвиваються дисипативні руйнування структури, розсіювання (дисипація) енергії або інформації, в результаті чого системи деградують до рівноважного стану. Взаємодія з середовищем створює потенційні можливості для виникнення нестійких станів і появи слідом за нестійкістю нової, більш впорядкованої структури.
Що виникає в процесі розвитку нестійкість створює можливість стрибкоподібного переходу системи в новий стан. Стрибок можна розглядати як реакцію системи на обурення з метою його компенсації, тільки система повертається не в старе стан, а переходить у нове, тобто "Розвиток через нестійкість" забезпечує стійкість на більш високому рівні. При цьому сама стійкість розуміється не як стійкість рівноважних структур типу кристалічних утворень, а як динамічна стійкість відкритих систем за рахунок самоорганізації, авторегуляції, здійснювана для досить складних систем в основному шляхом інформаційного обміну (В. Ебелінг).
Спокійний еволюційний етап розвитку характеризується наявністю відповідних механізмів, що стабілізують даний стан системи і ліквідують будь-яке відхилення від нього (повертають систему до цього стану). З плином часу ці механізми послаблюються через кількісного зростання відповідних параметрів середовища або системи, в силу чого вони вже не можуть здійснювати стабілізацію системи. Настає кризовий стан. Нове вступає в протиріччя зі старим, і, як вирішення цього протиріччя, відбувається стрибкоподібний перехід системи в новий стійкий стан.
Розвиток - це насамперед необоротне зміна. Тому дуже стійка, тобто абсолютно стійка, система до розвитку не здатна, бо вона придушує будь-які відхилення від свого гіперустойчівого стану і при будь-якій флуктуації повертається в своє рівноважне стан. Для переходу в новий стан система повинна стати в якийсь момент нестійкою. Але перманентна нестійкість - це інша крайність, яка також шкідлива для системи, як гіперустойчівость, бо вона виключає "пам'ять" системи, адаптивне закріплення корисних для виживання в даному середовищі характеристик системи.
Таким чином, хоча мають право на існування тільки стійкі системи (нестійкі відразу елімінуються), але розвиваються тільки ті з існуючих систем, які здатні (на час) ставати нестійкими під впливом відповідних факторів. Такий тип поведінки характерний для відкритих систем, які можуть знаходитися в стаціонарних станах, далеких від рівноваги.
Така поведінка ми спостерігаємо у біологічних, екологічних, економічних, соціальних систем. В даний час основні положення нерівноважної термодинаміки про розвиток складних систем стали практично загальнонауковими.
Спираючись на таке уявлення про розвиток складних систем, можна виділити два основних параметри, що характеризують процес розвитку. Це стійкість системи і міра її організованості.
Розвиток - це єдиний цілісний процес, який може розглядатися лише по відношенню до системи, так як цей процес є результатом кооперативного дії елементів системи. Якщо ми хочемо дослідити процес розвитку окремого елемента, то повинні представити цей елемент у вигляді системи, провівши розбиття його на елементи і виділивши зовнішнє середовище. Мірою організованості системи може служити ентропія, що розуміється в широкому сенсі. Стан системи визначається розподілом її елементів, що володіють даною ознакою, мірою їх впорядкованості. Ентропія системи може бути визначена для різних рівнів агрегування її елементів.
З викладених вище міркувань випливає, що для визначення стану і тенденцій розвитку системи необхідно знати, в якому стані знаходиться система (усталеному або нестійкому) і як при цьому змінюється ентропія системи.
Еволюційний етап розвитку, характеризується стійкістю системи та збільшенням ентропії. Зростання ентропії може бути викликаний не тільки зростанням числа елементів, але і порушенням зв'язків, упорядкованості системи. У цьому випадку порушення зв'язків може привести до того, що система перестане виконувати покладені на неї функції, вона буде неспроможна до цього в силу своєї неорганізованості. Отже, зростання ентропії не завжди свідчить про те, що система підвищує свій запас стійкості. Поблизу точки біфуркації випадкові флуктуації можуть змінити траєкторію руху системи. У залежності від зовнішніх і внутрішніх умов система або деградує, або переходить на новий якісний рівень розвитку. Період зародження і формування нової системи пов'язаний з втратою стійкості і виникненням дисипативної структури, яка зберігається тільки завдяки обміну енергією, речовиною, інформацією з зовнішнім середовищем. Період зародження нової системи характеризується збільшенням дисипації. При дотриманні певних умов у системі можуть виникнути процеси впорядкування структури, в результаті чого ентропія буде зменшуватися і система перейде в новий стійкий стан. На цьому один цикл розвитку закінчується, починається наступний - еволюція нової системи. Деградація системи розглядається у двох аспектах.
У першому випадку різко зростає ентропія, система втрачає стійкість, але переходу в новий стійкий стан не відбувається. У даному випадку відсутні регулюючі механізми (внутрішні та зовнішні), виникає лавиноподібне зростання ентропії внаслідок зростання кількості нових елементів-ознак і відсутності когерентного їх поведінки. Система дезорганизуется і не може виконувати свої функції.
У другому випадку ентропія зменшується за рахунок кількісних змін в системі. Система в силу своєї гіперустойчівості втрачає здатність до адаптації і при наявності відповідних зовнішніх впливів може зруйнуватися, тобто стійкість окремих підсистем ще не визначає стійкість системи в цілому.
Стійкість розвиваються систем ми пов'язуємо зі структурною стійкістю і функціонуванням системи. У даному випадку система, яка не володіє здібностями до адаптації, не може функціонувати в мінливих зовнішніх умовах (А. К. Айламазян).
У залежності від значень керуючого параметра система може знаходитися у великому числі стійких і нестійких режимів. Траєкторія розвитку системи характеризується чергуванням стійких областей, де домінують детерміністичні закони, і нестійких областей поблизу точок біфуркації, де перед системою відкривається можливість вибору одного з декількох варіантів майбутнього.
І детерминистический характер рівнянь, що описують поведінку системи, які дають змогу вирахувати наперед набір можливих станів, визначити їх відносну стійкість, і випадкові флуктуації, "вибирають" одне з декількох можливих станів поблизу точки біфуркації, найтіснішим чином взаємопов'язані. Ця суміш необхідності та випадковості і складає "історію" системи.
Модель пов'язує конкретний етап розвитку системи зі знаком похідної ентропії і стійкістю системи. Модель показує, що система будь-якої складності може проходити при відповідних умовах всі етапи розвитку.
Пропонована концептуальна модель розвитку базується на одній з основних категорій інформатики - ентропії як міри порядку в системі. Тому излагаемую концепцію розвитку систем назвемо інформаційної та висунемо гіпотезу про те, що вона може бути застосовна до систем неживої і живої природи, штучним, соціальним та іншим системам.