Система. Простые и сложные системы. Классификация систем

СИСТЕМНАЯ ЭКОЛОГИЯ (ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ЭКОЛОГИИ)

Методические указания для студентов специальности «Биоэкология»

Печатается в авторской редакции в соответствии с представленным оригинал-макетом

Подписано в печать 12.10.04. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 2,42.

Тираж 250 экз. Заказ № 1835.

Издательство Мордовского университета

Типография Издательства Мордовского университета

430000, г. Саранск, ул. Советская, 24

Введение. Становление и развитие системных идей в экологии

Впечатляющие успехи в развитии науки и техники на какое-то время создали ил­люзию полной независимости человека от природы, подвластности всего окружающего человеку. В последнее время на смену таким представлениям приходит общественное осознание кровной заинтересованности человечества во всем, что происходит в окру­жающем его мире живого, познание необходимости не «покорения природы», а разум­ной ее эксплуатации. Характерной чертой новой системы взглядов на взаимоотношения человека с природой является понимание возможности необратимых последствий на­шей деятельности и вытекающая отсюда острая потребность в прогнозировании, пред­сказании непосредственных и более отдаленных результатов нашего вмешательства в «естественный порядок вещей».

Существует несколько подходов к предсказанию поведения сложных систем: ис­пользование интуиции и богатого опыта исследователя, сравнение с данными экспери­ментов, проделанных на тождественных или похожих системах, и, наконец, математиче­ское моделирование. В экологических исследованиях должны использоваться — и ис­пользуются — все возможные подходы. Однако в наше время масштабы и характер вмешательства человека в природные экосистемы столь беспрецедентны, что интуиция исследователя сплошь и рядом отказывает. Возможности же экспериментирования с природными экосистемами по понятным причинам более чем ограниченны. Отсюда яс­ными становятся важность и актуальность математического моделирования в экологии.

Курс «Системной экологии» имеет целью обобщить полученные студентами за годы обучения в вузе знания по экологии на основе системного подхода к теоретиче­ским вопросам общей экологии и применения системного анализа к решению экологи­ческих проблем, дать с единых позиций характеристику всех основных компонентов экосистем, описать их взаимосвязи друг с другом и с внешней средой.

Задача системной экологии состоит в описании принципов, упрощений и абст­ракций, к которым необходимо научиться сводить многообразие реального мира при­роды, прежде чем приступить к построению его математических моделей. В этом слу­чае моделирование следует считать специфическим методом системной экологии, с помощью которого исследуются законы функционирования и развития экосистем во времени и пространстве.

Вообще говоря, системный подход не является строго методологической концеп­цией: он выполняет эвристические функции, ориентируя конкретные экологические ис­следования в двух основных направлениях. Во-первых, его содержательные принципы позволяют фиксировать недостаточность старых, традиционных методов изучения эко­систем для постановки и решения новых задач их целостного исследования. Во-вторых, понятия и принципы конструктивного системного подхода помогают создавать новые программы изучения, ориентированные на раскрытие сущности процессов трансфор­мации энергии, передачи вещества и информации в экосистемах.

Эффективное осуществление методологии системного подхода стало возможным только в середине 60-х гг., когда в распоряжение экологов поступили мощные ЭВМ и были разработаны методы моделирования сложных динамических систем, главным об­разом в аэрокосмических и технических исследованиях, которые в совокупности полу­чили название системного анализа.

Именно к этому периоду относится появление первых публикаций по математи­ческому моделированию динамики экосистем (биогеоценозов) в нашей стране (Ляпу­нов, 1966, 1968; Полетаев, 1966; Винберг, Анисимов, 1966; Эман, 1966) и за рубежом (Olson, 1963 - Watt (ed.), 1966; Van Dyne, 1966, 1969; Davidson, Clymer, 1966; Holling, 1966; Levins, 1966; King, Paulik, 1967; Odum, 1967). Начиная с этого времени примене­ние в экологии системного анализа все более расширялось, что сопровождалось усо­вершенствованием моделей и приемов моделирования, а также обратным влиянием мо­делирования на стратегию и тактику экологических исследований и даже методо­логические установки экологов.

Успехи в изучении и моделировании экосистем, способствовали окончательному утверждению системной парадигмы, опирающейся на концепцию экосистемы.

? Вопросы к семинару ?

1) Каковы цели и задачи системной экологии? Что можно принять за метод сис­темной экологии?

2) Что такое системный подход и когда он появился?

3) История формирования системных идей в экологии.

Тема 1. Основы теории систем и системного анализа Системы и закономерности их формирования и развития

Система. Простые и сложные системы. Классификация систем

«Система» (от греч. systema - целое, составленное из частей) считается одним из ключевых философско-методологических и специальных научных понятий. Система -совокупность элементов со связями между ними. Элемент системы из-за иерархической структуры мира сам оказывается системой со своими элементами. Фиксация системы делит мир на две части - на систему и среду. При этом подчеркивается большая сила связей элементов внутри системы по сравнению с силой связей с элементами среды.

Для идентификации систем необходимо задать еще один критерий, который Ю.А. Урманцев назвал «законом композиции». Выбор закона композиции даст возмож­ность объединить те же объекты в разные системы.

Каждая система определяется некоторой структурой (элементы и взаимосвязи между ними) и поведением (изменение системы во времени).

Сложность системы на «структурном уровне» задается числом ее элементов и связей между ними. Дать определение «сложности» в этом случае чрезвычайно трудно: исследователь сталкивается с так называемым «эффектом кучи» (один шар - не куча, два шара - не куча, три - не куча, а вот сто шаров - куча, девяносто девять - куча; так где же граница между «кучей» и «не кучей»?).

Определить, что такое «сложная система на «поведенческом уровне» представля­ется более реалистичным.

Б.С. Флейшман (1978, 1982) предложил пять принципов усложняюиегося пове­дения систем, представленных на рис. 1.

Рис. 1. Принципы усложнения систем на поведенческом уровне

Системы, включающие в себя в качестве хотя бы одной подсистемы решающую систему (поведению которой присущ акт решения), называют сложными (системы 3-5 уровней; такие системы изучает системология). Классификация систем представлена на рисунке 2.