Лекции 2. Системный подход как методологическая основа курса «Экология береговой зоны»

С понятием береговая зона мы определились, теперь необходимо выяснить, каким образом географы, экологи изучают эти области Земли. Как следует, береговые зоны формируются в местах пересечения четырех геосфер. Если изучать отдельно дно, сушу прибрежную, атмосферу, водную толщу – целостной картины не получится.

«Физическая география изучает современное устройство наружной земной оболочки, являющейся ареной органической жизни, и те явления, которые в ней происходят под влиянием силы тяжести, тепла, света, магнетизма и электричества. Наружная оболочка Земли состоит из нескольких сферических оболочек, а именно твёрдой или литосферы, жидкой или гидросферы, газообразной или атмосферы, к которым присоединяется ещё четвертая – биосфера. Все эти оболочки в значительной мере проникают одна в другую и своим взаимодействием обусловливают как наружный облик Земли, так и все явления на Земле. Изучение этого взаимодействия составляет одну из важнейших задач физической географии. Это один из основных предметов естествознания, тем более что он трактует о среде, в которой вращается жизнь человека и других организмов» (Броунов П.И., 1917 г.). Взаимодействие между географическими сферами значительно конкретизируется в современных представлениях о геосистемах.

Геосистемы – это земные пространства всех размерностей, где отдельные компоненты природы находятся в системной связи друг с другом, и как определенная цельность взаимодействуют с Космической сферой и человеческим обществом. Таким образом, исследования берегов как зон наиболее активного взаимодействия геосфер должно методологически основываться на системном подходе.

Несколько слоя о понятии система. В литературе существует более сорока определений этого термина, каждое из которых ориентировано на ту или иную область знаний. Один из основателей общей теории систем Людвиг Берталанффи (50-60-е гг. XX в.) дал весьма краткое и емкое определение: «Система есть комплекс взаимодействующих элементов», из которого следуют два главных признака системы:

1. система состоит из дробных частей (элементов);

2. эти элементы представляют собой не случайную совокупность, соседство, а каким-то образом между собой взаимодействуют, т.е. между ними существуют определенные связи.

Первые попытки внедрить системный подход в географию были предприняты Виктором Борисовичем Сочавой в 60-70-е гг. 20 в. В результате этого науки приобрели возможность более тесного взаимного общения с другими науками на основе общей терминологии, что позволило проникнуть в географические науки представлений и методов, разработанных в математике, физике и биологии (например, принцип дополнительности, устойчивости, саморегуляции). Кроме того, географические науки получили стройную схему познания геосистем с учетом наличия в них элементов (природных компонентов, морфологических частей), обладающих иерархичностью (ПК разных рангов), а также взаимосвязей (процессов) как между этими элементами, так и между геосистемами в целом. Особую роль сыграл системный подход в привлечении внимания географов к познанию функционирования геосистем, т.е. взаимосвязей между ее элементами, а также между геосистемой и средой, в которой она находится.

Концентрирование внимания на изучении взаимосвязей дало толчок к широкому применению и совершенствованию стационарных, полустационарных, геохимических, геофизических, математических методов исследования, методов их моделирования и создания геоинформационных систем. Были разработаны новые приемы обработки собранных материалов, в том числе с использованием компьютерных технологий. Внедрение системного подхода ускорило понимание географами того обстоятельства, что антропогенное воздействие приводит к образованию новых геосистем – природно-антропогенных и геотехнических.

ТО Системный подход в географии – направление методологического научного познания в географии, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем; ориентирует исследование на раскрытие целостности географического объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину.

Иерархия экосистем – структурное и функциональное соподчинение экосистем различного уровня организации в ряду: биогеоценоз (экосистема) – биогеоценотический комплекс (биокомплекс) – ландшафт – биом (ландшафтная провинция) – природный пояс (биозона) – биогеографическая область – подсферы биосферы, или экосистемы суши и океана, атмосферы, глубин Земли (т.е. террабиосфера, гидробиосфера, аэробиосфера и литобиосфера) – биосфера в целом. Экосистемы каждого уровня организации имеют свой круговорот веществ.

Система (от греч. «составленный») – множество взаимосвязанных объектов, организованных некоторым образом в единое целое, противопоставляемое среде. Подсистема – система, являющаяся частью другой системы. Надсистема – более крупная система, частью которой является рассматриваемая система.

Любой неэлементарный объект можно рассмотреть как подсистему целого (к которому рассматриваемый, объект относится), выделив в нём отдельные части и определив взаимодействия этих частей, служащих какой-либо функции.

Сформировалось три взаимоисключающих представлении о структуре системы (Мамай, 1999 ):

1. Структура, системы есть единство составляющих ее элементов или составных частей (Н.Л. Беручашвили);

2. Структура системы есть набор взаимосвязей (т.е. процессов) системы. Наиболее яркими представителями этой точки зрения в географии являются В.Б. Сочава, А.Д. Арманд, В.Н. Солнцев, А.Ю. Ретеюм.

3. Структура системы есть совокупность как составных частей, так и взаимосвязей между ними (В.А. Николаев, И.И. Мамай и др).

Свойства систем

I. Связанные с целями и функциями:

- свойства системы всегда гораздо больше и богаче, чем просто сумма свойств её элементов.

- устойчивость. .

- системами можно управлять.

- синергичность – однонаправленность (или целенаправленность) действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы.

- приоритет интересов системы более широкого (глобального) уровня перед интересами её компонентов.

- эмерджентность (лат.: «выбивающийся», англ.: «возникновение нового») – цели (функции) компонентов системы не всегда совпадают с целями (функциями) системы.

- мультипликативность – как позитивные, так и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения.

- целенаправленность.

- альтернативность путей функционирования и развития.

II. Связанные со структурой.

- целостность – первичность целого по отношению к частям.

- неаддитивность – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов.

- структурность – возможна декомпозиция системы на компоненты, установление связей между ними.

- иерархичность – каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы.

III. Связанные с ресурсами и особенностями взаимодействия со средой:

- коммуникативность – существование сложной системы коммуникаций со средой в виде иерархии.

- взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды.

- адаптивность – стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития).

VI. Другие:

- итеративность – наличие системообразующих, системосохраняющих факторов.

- эквифинальность способность системы достигать состояний независящих от исходных условий и определяющихся только параметрами системы.

- наследственность.

Также: развитие, порядок, самоорганизация.

Типы систем

Закрытые системы – изолированные системы, у которых отсутствует какой-либо обмен энергией, материей и информацией с окружающей, средой. Для закрытых систем характерно увеличение беспорядка (второй закон термодинамики).

Открытые системы, в отличие от закрытых, обмениваются энергией, материей или информацией с окружающей средой. В открытых системах могут происходить явления самоорганизации, усложнения или спонтанного возникновения порядка.

Кроме, того, различают термодинамические системы, диссипативные системы, динамические системы, живые системы, социальные системы.

В физике понятие открытая система обозначает систему, которая обменивается веществом и энергией с внешним по отношению к системе миром, в отличие от закрытой системы, в которую и из которой ни вещество, ни энергия не могут войти или выйти. С понятием закрытой системы тесно связано понятие энтропии (теория систем).

Эмерджентносгь (от англ. эмердженс – возникновение, появление нового) – в теории Систем: наличие у какой-либо, системы особых свойств, неприсущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями.

В биологии и экологии понятие эмерджентности можно выразить так:

одно дерево – не лес, скопление отдельных клеток – не организм.

Например, свойства биологического вида или биологической популяции не представляют собой свойства отдельных особей, понятия рождаемость, смертность, неприменимы к отдельной особи, но применимы к популяции, виду в целом.

В классификации систем эмерджеитность может являться, основой их систематики как критериальный признак системы.

Динамическая система – математическая абстракция, предназначенная для описания и изучения систем, эволюционирующих с течением времени. Примером могут служить механические системы (движущиеся группы тел) или физические процессы.

Основные понятии

Реальным физическим системам, моделируемым математическим понятием «динамической системы», приписывается важное свойство детерминированности: зная состояние системы в начальный момент времени мы можем однозначно предсказать все ее дальнейшее поведение. Фазовым пространством динамической системы называется множество всех ее возможных состояний в фиксированный момент времени. Обычно состояние системы задается некоторым набором чисел (фазовых координат) и представляет собой область в многомерном пространстве или многообразие. Эволюция системы представляется как движение точки фазового пространства. Кривая, описываемая этой точкой называется фазовой кривой или фазовой траекторией. В качестве примера рассмотрим механическую систему, состоящую из груза (материальной точки), движущегося по неподвижному стержню. Допустим, что трение и внешние силы отсутствуют. Положение груза задается одним вещественным числом – его координатой в некоторой фиксированной системе отсчета. Однако знание одной только координаты не задает полностью состояние динамической системы, поскольку не позволяет предсказать ее поведение в будущем. С другой стороны, зная координату и скорость в начальный момент времени, мы можем это сделать, вспомнив второй закон Ныотона (в данном случае скорость постоянна). Говорят, что фазовое пространство такой системы двумерно. Если бы грузов было два, состояние системы описывалось бы четырьмя числами (две координаты и две скорости) и система имела бы четырехмерное фазовое пространство. Важно отметить, что каждая точка фазового пространства задает состояние всей системы.

Закон необходимости разнообразия (Эшби)

При создании проблеморазрешающей системы необходимо, чтобы эта система имела большее разнообразие, чем разнообразие решаемой проблемы или была способна создать такое разнообразие.