3. 1. 3 Свойства открытых систем
Используя модель закрытой системы, термодинамика к концу XIX века изучила поведение тепловых систем вдали от состояния равновесия. Полученные ею выводы в определенных границах могут быть применены и ко всем другим системам — как природным, так и социальным. Однако любая реальная система является открытой (рис. 6), обменивается с окружающей средой ресурсами — веществом (М), энергией (W) и информацией (I). Между системой и окружающей средой всегда есть какая-то «полупрозрачная» граница, которая одновременно и обособляет систему, отгораживает ее, отделяет от окружающей среды, и в то же время обеспечивает возможность взаимодействия системы с окружением.
Например, внутренность клетки отделяется от межклеточной среды мембраной, живой организм отделяется от окружающей среды поверхностным покровом, государственные границы отделяют одно государство от другого. Во внешней среде может нарушиться равновесие, могут измениться ее параметры, а внутри устойчивой системы поддерживается стационарное равновесие (гомеостаз). И в то же время через мембрану извне поступают в клетку питательные вещества. С помощью анализаторов человек ощущает окружающий мир и реагирует на его воздействие: при понижении температуры одевает теплую одежду, в дождливую погоду укрывается зонтом. Через межгосударственные границы идут потоки материальных и духовных ценностей, и в то же время каждое государство имеет пограничную и таможенную службы, обеспечивающие внутреннее равновесие в стране.
1
вещество М1 М2
энергия W1 W2
2
информация I1 I2
3
Рис. 6 Открытая система
Обменные процессы с окружающей средой выступают важнейшим фактором развития открытой системы и определяют характер ее поведения.
Поступающие в нее ресурсы идут на жизнеобеспечение системы, ее самоупорядочение, развитие и поддержание устойчивости. Если их недостаточно, или поступают ресурсы не того качества, которое необходимо системе, она деградирует и неминуемо разрушится. Обменные процессы идут в двух направлениях: с одной стороны система получает ресурсы извне, с другой — происходит их диссипация (лат. dissipatio— рассеяние) в окружающее пространство. Система, использовав поступившие в нее ресурсы для своего переустройства (переструктуризации элементов, создания новых связей или для каких-то других своих нужд), отработанные остатки выбрасывает наружу. Но это ресурсы уже иного качества, отличного от поступивших в систему. Иногда говорят — более низкого. Но это не совсем точно, ибо не указывается, по какому параметру оценивается это качество. Например, тепловой баланс Земли устанавливается благодаря равенству потоков энергии, с одной стороны получаемой за счет своего внутреннего тепла и падающей на нее солнечной радиации, а с другой — рассеиваемой ею в окружающее пространство в процессе теплообмена. Но качество энергии в этих потоках разное: Земля получает от Солнца коротковолновое излучение, а рассеивает — длинноволновое. Это качественное изменение потоков энергии и обеспечивает протекание физико-химических процессов, которые определяют эволюцию биосферы.
Живые системы усваивают низкоэнтропийные ресурсы, а выбрасывают высокоэнтропийные. То, что рассеивается одной системой или выбрасывается как отходы, используется системами более низкого иерархического уровня для обеспечения своего устойчивого функционирования. Например, отходы одного производства могут стать ресурсом для другого, или отбросы жизнедеятельности одних организмов — пищей для других. Поступление ресурсов извне стимулирует поступательное развитие системы и обеспечивает переход ее на новую ступень (фазу) эволюции. Благодаря обменным процессам с окружающей средой (другими системами) может изменится внутренняя структура системы и функции отдельных элементов.
В иерархически связанных системах идет не только усложнение структуры и функций каждой из них, но и осуществляется взаимодействие на уровне прямой и обратной связей, благодаря чему у систем более высокого уровня появляется возможность управления процессами в системах более низкого уровня. Система, находящаяся на более высоком иерархическом уровне, управляет процессами самоорганизации системы, находящейся на более низком уровне. Однако поведение системы более низкого уровня, их «отзыв» на действия вышестоящих оказывает существенное влияние на состояние последних и характер их поведения. Этот механизм реализуется в иерархиях биологических, технологических, кибернетических, социальных и других систем.
Вследствие потерь и деградации ресурсов все открытые системы являются диссипативными. Скорость процесса диссипации напрямую зависит от свойств самой системы, но и во многом определяется свойствами окружающей среды. Например, нагретая вода с разной скоростью остывает в открытом стакане и термосе при одних и тех же внешних условиях; скорость остывания воды в одном и том же стакане будет зависеть от температуры окружающей среды.
Открытые диссипативные системы являются нелинейными. Это значит, что соотношение между величинами М1 — М2, W1 — W2, I1 — I2 не может быть адекватно описано с помощью линейных функций (простейшая линейная функция y= kx + b, графически изображается прямой линией), то есть между ними нет однозначной зависимости. Процессы, протекающие в таких системах, описываются с помощью нелинейных дифференциальных уравнений (пример дифференциального уравнения приведен при рассмотрении принципа периодичности). Это связано с тем, что значения М2, W2, I2 зависят от множества случайных событий как внутри самой системы (характера взаимодействия между отдельными ее элементами), так и случайных внешних воздействий.
Открытая развивающаяся система является неравновесной. Параметры, характеризующие состояние ее отдельных частей, существенно отличаются от их средних значений, характеризующих систему в целом (например, температуры отдельных органов живого организма отличаются от его средней температуры или экономические показатели отдельных предприятий, входящих в концерн, отличаются от средних показателей последнего). Любая система, если в нее не поступают ресурсы, в конце концов придет к состоянию, когда все параметры выравниваются. Оно называется равновесным и характеризуется максимумом энтропии и хаосом.
В устойчиво функционирующей системе между отдельными процессами устанавливается стационарное (лат. stationaris — неподвижный) или «текущее равновесие» — гомеостаз — относительное динамическое постоянство внутренних свойств систем и устойчивость основных функций ее элементов. Оно принципиально отличается от равновесного состояния, прежде всего тем, что «препятствует» росту энтропии. Например, сохранение состава внутриклеточной среды, функций клеточных органелл, характера биохимических процессов способствует устойчивости биологической системы. Внешнее воздействие может вывести ее из состояния стационарного равновесия. Но вследствие своей инерционности, она будет стремиться сохранить свое прежнее состояние, что вызывает появление в ней процессов, стремящихся ослабить внешнее воздействие. В результате взаимодействия этих противоположных тенденций и сохраняется состояние стационарного равновесия (работает принцип Ле Шателье — Брауна. ). Тем не менее, это равновесие подвижно и может смещаться в ту или другую сторону.