Теория устойчивого развития геосистем

Следующие механизмы можно  отнести к активным стабилизаторам состояния. Активность их заключается  в том, что внешнее воздействие  включает программу, следуя которой  система ослабляет влияние возмущения. Среди таких механизмов основную роль играет отрицательная обратная связь (Эшби, 1959). Многочисленные регуляторы отрицательной обратной связи —  основа гомеостатических свойств живых  организмов, позволяющих им сохранять  содержание воды и множества химических веществ в тканях, состав крови, температуру тела и т.п.

2.3. Механизмы сохранения  типа функционирования

Для природных и социальных систем в некоторых случаях оказывается  важнее всего сохранить нормальный порядок процессов, поддерживающих существование открытых систем, обмен  веществ. Для решения этой задачи может быть принесена в жертву стабильность состояния и неизменная структура системы. Можно наметить три или четыре механизма, выполняющих  эту функцию, хотя в действительности число их, возможно, больше. Сюда мы отнесем надежность, эластичность, "разбегание" по экологическим  нишам и "разбегание" в географическом пространстве.

Надежность — технический  термин, предполагающий, что система  выполняет некоторую заданную извне  функцию. Основным средством повышения надежности технических устройств является дублирование элементов (подсистем), выполняющих одни и те же функции. Тогда при выходе из строя ("отказе") элемента система продолжает действовать так же, как и раньше, опираясь на сохранившиеся аналогичные элементы. 
 Наиболее ярко дублирование функций проявляется на организменном уровне системной иерархии. Множество половых и соматических клеток в любой момент готовы заменить друг друга.

Эластичность систем (Holling, 1973) предполагает возможность замены одного элемента системы, оказавшегося неэффективным в изменившихся условиях, другим, более подходящим. Луговые степи Курского заповедника сильно меняют свой флористический состав в зависимости от того, сухой или влажный, теплый или прохладный выдался летний сезон. При этом продукция травостоя, утилизация приходящей солнечной радиации существенно не меняется (Дроздов, Злотин, 1974).

Рассредоточение подсистем (видов растений, животных) по разным экологическим нишам — нормальный процесс формирования многовидовых сообществ (Пузаченко, 1975). В ходе взаимной адаптации видов их конкуренция за ресурсы питания (взаимный шум) минимизируется и таким образом происходит стабилизация процессов обмена и состояния биоценоза.

Рассредоточение во времени  обусловливается теми же причинами  и приводит, например, к хорошо известному в геоботанике эффекту сезонной смены аспектов растительного покрова. 
Структурные перестройки систем во всех перечисленных случаях направлены на наиболее полное использование экологического или географического пространства и времени и в конечном счете на оптимизацию процессов функционирования эко- или геосистем.

2.4. Механизмы сохранения структуры.

В тех случаях, когда  инвариантом оказывается структура  систем, на ее сохранение продолжают работать все рассмотренные выше механизмы  стабилизации состояния. Для сохранения нормального функционирования, как  можно было убедиться, структура  иногда приносится в жертву: происходит замена части элементов, включая  доминирующие, строение системы становится более рыхлым (связи ослабляются). Однако эти структурные перестройки  относятся к определенному уровню иерархии систем и, пока их размах не слишком  велик, они служат лишь укреплению и  сохранению структуры систем более  высокого уровня.

Ниже предлагается рассмотреть  семь механизмов, служащих в основном сохранению структуры систем, часто  путем компенсационного изменения  существенных параметров состояния. Это  механизмы включения резервных  программ, временного перехода в закрытое состояние, двигательная адаптация, преобразование окружающей среды, накопление резервов, симбиоз и адаптивная эволюция. Большинство  из них предполагает участие регуляторов, организованных по принципу обратной связи.

Механизм включения резервных (спящих) программ характерен для систем с развитым саморегулированием: живых, социальных и технических. Сигналом для запуска программ служит сильное  отклонение состояния системы от нормы, превышающее заранее определенный порог и угрожающее существованию  системы.

Двигательная адаптация  как один из механизмов сохранения структуры в некоторой степени  свойственна растительным организмам (гелиотропизм) и бактериям, но в  основном эта способность принадлежит  животным. Под двигательной адаптацией понимается активный переход, передвижение организма из среды с худшими  условиями в более благоприятную  обстановку. Сюда можно включить и  уход от опасности, и поиски пищи, и  перемещение к теплу или, наоборот, к прохладе.

Еще более специфичным  механизмом, характерным для человека и в определенной степени для  животных, является более или менее  сознательное преобразование внешней  среды в свою пользу. В мире животных классическими стали примеры  построек термитов, муравьев и бобров, выкапывание нор, сооружение гнезд  птицами.

Еще ярче способность сохранять  себя, включаясь в комплексную  систему более высокого ранга, проявляется  в симбиозе, комменсализме, объединении  в стаи и разновидные сообщества. Комплексные системы, состоящие  из более чем одного организма, получают дополнительную жизнеспособность и устойчивость к возмущениям по сравнению с разрозненными организмами, когда между ними существует положительная обратная связь, взаимная польза.

Накопление резервов вещества, энергии и информации "на черный день" еще один метод повышения  жизнеспособности живых систем. Нет, вероятно, ни одного живого организма, который бы не содержал в себе хотя бы минимальный запас воды и питательных  веществ, позволяющий существовать в перерывах между усвоением  питательных веществ. В некоторых  случаях нормальный ритм существования  требует создания значительных их запасов, например, для обитателей пустынь, субарктической зоны, особенно для птиц, совершающих длинные сезонные перелеты.

Среди прочих механизмов сохранения структуры или, может быть, основных особенностей структуры, особняком  стоит адаптационная эволюция. Здесь  максимально реализуется принцип "измениться чтобы сохраниться". При изменении климатических, геоморфологических, геохимических условий жизни в каком-либо экотопе согласованность форм жизни с абиотической средой неизбежно нарушается. Если изменения совершаются не слишком быстро, то наиболее действенным средством восстановления равновесия системы становится ведущий отбор (Шмальгауэен, 1968). Эволюция может внести более или менее радикальные изменения в строение и функционирование организмов, вплоть до появления признаков, характеризующих новые классы и типы живых организмов. Тем не менее можно считать, что этот процесс направлен на сохранение, причем в большей мере, чем на изменение всей ценной информации, накопленной в ходе эволюции. Условием сохранения старых структур становится их приспособление к новым условиям и добавление к ним некоторых новых механизмов.

2.5. Механизмы сохранения  траектории движения.

Программу устойчивого  развития содержит в себе каждый действующий  контур обратной связи. Чрезвычайно  трудно остановить процесс кристаллизации переохлажденной воды, развитие оврага или тропического циклона. Устойчивость развития этих диссипативных структур (Пригожин, Стенгерс, 1986) определяется положительной обратной связью, действующей по формуле: "еще больше, чем достигнуто". С отрицательной обратной связью осуществляется так называемый эквифинальный процесс, идущий с замедлением, как при выработке почвенного профиля. 
Процесс, идущий под контролем обратной связи, но не приводящий к возникновению системы с новой структурой, можно было бы назвать саморегулированием "от достигнутого". Как показано на примере растительных сукцессий, в более сложных случаях развитие системы может иметь результатом ее самоотрицание и замену другой системой, причем это может происходить неоднократно. Усложнение заключается в том, что в игру вмешивается элемент случайности, выбор из некоторого набора вариантов, а траектория включает точки бифуркации (Пригожин, Стенгерс, 1986). Механизмы обратной связи, саморегулирование начинают работать в таких случаях в сочетании с механизмами самоорганизации. При участии самоорганизации креод в определенной степени размывается, "трубка" становится шире, ход развития менее определенным. Тем не менее общий регулятор процесса и в этих случаях сохраняет его общую направленность как инвариант "от простого к сложному" или "от менее жизнеспособного к более жизнеспособному", "от менее организованного к более организованному". К таким процессам мы можем отнести биологическую эволюцию и эволюцию геосистем на нашей планете, развитие городов, развитие отдельных культур человечества и всей цивилизации как единой системы.

2.6. Факторы устойчивости.

Наряду с механизмами  устойчивости геосистем целесообразно  выделять факторы устойчивости, условия, при которых эти механизмы  действуют. Разные механизмы требуют  неодинаковых условий. В тех случаях, когда стабильность состояний не связана с процессами саморегулирования, когда включены механизмы инерционного типа, благоприятными считаются условия  спокойной, защищенной от внешних влияний  среды с минимальным притоком вещества, энергии и информации.

Механизмы саморегулирования  и особенно самоорганизации менее  зависимы от состояния окружающей среды, но зато требуют изобилия энергетических и вещественных ресурсов для того, чтобы поддерживать систему на удалении от термодинамического равновесия. Для  активного сохранения инварианта любого вида необходимы затраты энергии  и материальной структуры, организованные определенным образом.

Циклическую организацию  движения вещества следует отнести  не к механизмам, а к факторам устойчивости.

Для механизма накопления, названного здесь резервированием  вещества, энергии и информации, важнейшим фактором следует считать  разнообразие условий внешней физико-географической среды, позволяющей сконцентрировать на ограниченной территории множество  видов организмов. Чтобы механизмы  саморегулирования и особенно механизмы  эволюционные могли проявиться, необходимо еще одно условие — не слишком  большая скорость возмущающих процессов. Если характерное время регулятора больше, чем время, за которое происходит нарастание возмущения от начала до максимальной фазы, механизм стабилизации не успевает прореагировать, инвариант системы  не сохраняется.

 

 

 

Заключение 

Многокомпонентность геосистем, нечеткость их границ, иерархическая структура, наличие разнообразных (как линейных, так и нелинейных) связей между элементами предопределяют необычайную сложность их как объекта исследования. Все это, а также гносеологическая неоднозначность трактовок самого понятия «устойчивость» вызывают большое разнообразие подходов и методов к оценке устойчивости геосистем. Ученые понимают, что универсальная количественная оценка устойчивости требует получения и анализа огромного фактического материала и на практике еще долгое время будут преобладать эмпирические подходы. Понятно также, что оценка устойчивости конкретных геосистем в первую очередь должна опираться на анализ их структуры и динамики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы