Экология: биология взаимодействия. 1.10. Свойства сложных систем

Українська / Русский

1.09. Динамическая типология биосистем

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает

1.11. (дополнение) Универсальные свойства биосистем

1.10. Свойства сложных систем

Когда я гляжу на корову, пасущуюся на лугу, все, что я вижу — лишь бешенная пляска электронов.
Автор неизвестен (квинтэссенция мировоззрения редукционистов от биологии)

Можно ли при изучении столь сложных систем, как те, которые изучает биология, обойтись только редукционистским подходом? Можно ли обойтись без него?

«Задача определения объекта науки — отделение его от объектов остальных наук. В случае биологии этому мешали многочисленные философские предрассудки, до сих пор окончательно не преодоленные. Я говорю о сведении более сложных форм к более простым и тенденции считать эти простые формы более «истинными», «реальными», чем более сложные. Первое — сведение сложного к простому — вполне законный, более того, необходимый научный прием. Второе — тенденция считать продукты абстракции, простые формы более реальными, чем вещи, из которых они были абстрагированы, — дурная философия, философский реализм понятий, который любят критиковать у средневековых схоластов, но не видят у себя. Тогда электроны, атомы, молекулы, химические процессы считают истинной реальностью, организму же, из них построенному, достается уже существенно меньше реальности, он всего лишь «эпифеномен», внешнее проявление своих кирпичиков» (Я.Н. Данько, 2001).

На протяжении нескольких веков успехи биологии были связаны в основном с редукционистским подходом (см. пункт 1.6). Сейчас редукционистская методология в большой мере исчерпала свои возможности.

Одно из проявлений кризиса редукционистской методологии — невозможность поэлементного, мозаичного описания сложных систем, характеризующихся богатством внутренних взаимосвязей.

Целостность биосистем связана не с наличием у них целых оболочек, а с взаимозависимостью их частей. В XX веке несколько крупных ученых (например, советский зоолог и эволюционист Иван Иванович Шмальгаузен, а также французский ученый и священник Пьер Тейяр де Шарден) поняли, что целостность любой системы связана с накоплением функциональных отличий между ее частями.

Простые системы могут быть описаны достаточно легко. Для этого нужно задать совокупность исходных элементов, для каждого из которых указать его роль в общих свойствах целого. Однако даже когда речь идет о не очень сложных технических системах, на первый план выходят их целостные свойства, обусловленные взаимодействием частей. Когда же мы рассматриваем, к примеру, свойства организма, его мозаичное описание оказывается невозможным. Имеющиеся в распоряжении человека вычислительные средства, математический аппарат и даже попросту его логика годятся лишь для решения принципиально более простых задач.

Чем более целостна система, тем сложнее ее мозаичное описание. Мозг столь сложен, потому что объединен множеством связей (нейрон мозга человека может иметь 100 тысяч синапсов). Возможно, что человеческий мозг является самым сложно организованным объектом во Вселенной (по крайней мере, конкурировать с ним мог бы лишь мозг более развитого существа). Экосистемы менее целостны, и их эмергентные свойства не столь неожиданны. Тем не менее, даже достаточно простые системы способны проявлять неожиданные эмергентные, вызванные неразложимым на отдельные элементы взаимодействием частей системы, свойства. Примером может быть предложенная в 1979 году Дж. Лавлоком умозрительная модель глобальной регуляции, получившая название «Маргаритковый мир» (рис. 1.9.1).

Рис. 1.9.1. Этапы развития «Маргариткового мира» по Дж. Лавлоку

Модель Лавлока основана на предположении, что звезды того же класса, что и Солнце, со временем повышают светимость. Сейчас Солнце должно светиться на 40% сильнее, чем 4,6 млрд. лет назад. Это означает, что температура на планетах таких звезд, как Солнце, должна расти. Но в истории земной биосферы не видно проявлений такого разогрева. Дело в том, что если планеты населены, организмы могут модифицировать влияние излучения звезды.

В модели рассматривается планета, находящаяся возле разогревающейся со временем звезды. На планете — единственный вид жизни, маргаритки, представленные двумя формами — черной и белой. Они живут лишь в определенном диапазоне температур. При температуре ниже оптимальной имеют преимущество черные маргаритки (они лучше нагреваются), а при температуре выше оптимальной — белые. Эти цветы при благоприятных температурных условиях могут покрывать всю поверхность планеты. Черные маргаритки темнее поверхности планеты (и, распространяясь, увеличивают нагревание планеты светом звезды), а белые — светлее (и способствуют охлаждению планеты).

Как только на экваторе температура достигает приемлемого для маргариток значения, там селятся черные растения, ускоряющие разогрев планеты. После того, как вся планета окажется покрыта цветами, температура будет оставаться постоянной, а в ответ на изменения светимости звезды будет лишь меняться соотношение двух форм маргариток. Чем больше будет поток энергии от звезды, тем выше будет доля белых маргариток, и тем меньше будет нагреваться поверхность планеты. Пока хоть где-то на планете будут сохраняться условия для существования маргариток, они будут изменять свойства среды в желательном для себя направлении.

«Итак, даже такая суперпримитивная биосфера, состоящая из единственного вида растений, которые всего-то и умеют, что варьировать цвет своих лепестков, способна создавать эффект вполне космического характера — глобально менять температуру поверхности планеты. Однако более существенен не факт изменения температуры, а то, что планета превращается в гомеостат, и поддерживает свою температуру постоянной вопреки внешним изменениям (светимости Солнца). Замечательно и то, что система как целое работает с отрицательной обратной связью, хотя каждый из ее элементов — с положительной; это является характерной особенностью именно живых систем (вспомним, например, систему хищник-жертва)» (К.Ю. Еськов, 1999).

Эмергентные свойства «Маргариткового мира» возникают, как кажется, «из ничего». Задумайтесь: земная биосфера намного сложнее и имеет намного больше степеней свободы!

 

Дополнительные материалы:

Учебная модель: Маргаритковый мир

Колонка: Цепочка следов антилопы

 

 

Українська / Русский

1.09. Динамическая типология биосистем

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает

1.11. (дополнение) Универсальные свойства биосистем