Понятие о причинных связях

Взаимодействие между элементами систе­мы может иметь различную природу и вы­ражаться разными функциями.

Эти взаимодействия характеризуются Обратными связями. Существуют обратные связи с различным знаком действия – положительные и отрицательные. Элементы и подсистемы, связанные положительной обратной связью, склонны, если их не ограничивают другие связи, взаимно усиливать друг друга, создавая неустойчивость в системе.

Например, повышение температуры на Земле ведёт к таянию полярных и горных льдов, уменьшению альбедо и поглощению большого количества поступающей от Солнца. энергии. Это вызывает дальнейшее повышение температуры, ускоренное сокращение площади ледников – отражение солнечной энергии и т. д. Если бы не другие факторы, Земля бы существовала только либо как ледяная, либо как раскалённая, наподобие Венеры, безжизненная планета.

Отрицательные обратные связи обеспечивают способность систем к стабилизации состояния. Поэтому численность хищника, отрицательно действует на численность жертвы, стабилизирует её и, значит, себя самоё, хотя связь хищник - жертва имеет положительный знак: увеличение численности жертвы позволяет хищнику также увеличить численность

Сочетание отрицательных и положительных связей в ряде случаев создаёт в системах колебательные режимы.

Причинные связи

Среди форм отношений между элементами различных систем в жи­вой природе и человеческом обществе одно из главных мест занимают парные взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «ресурс 1 потребитель ресурса». В природе потребление растением минераль­ных питательных веществ из почвы и воздуха, поедание травы травояд­ным животным, отношения хищника и его жертвы, паразитизм и т. п. Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура обратных связей. Классическим примером такого контура может быть модель взаимовлияния численности особей в популяциях хищника (Х) и его жертвы (Ж).

Чем больше численность жертвы, тем больше пищи для хищника и тем больше его численность при прочих равных условиях (положительная прямая связь). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв, таким образом, численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь).

В целом контур имеет отрицательный знак («плюс и минус дают минус»). Это означает, что система авторегуляторна, т.е. способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около ка­кого-то более или менее стабильного соотношения численностей.

Рассмотрим поведение более сложного контура.

Такая система может стабильно функционировать длительное время. Умеренное возмущение гасится в ней авторегуляторным, взаимодействием всех элементов системы с использованием меха­низма обратных связей. Допустим, например, что под влиянием повышенной температуры или попадания в водоем удобрений уси­лилось развитие фитопланктона и водных растений. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту биомассы животных - от зоопланктона до рыб. Повышенное выедание планктона через какое-то время ограничивает этот рост. Увеличение биомассы обитателей водоема ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное размножение. Ускоряются деструкция органики и разложение ее до минеральных продуктов. Цикл замыкается, и восстанавливаются прежние соотношения между звеньями пищевой цепи.

Если же внешнее возмущение слишком велико (например, в во­доем попадает избыточное количество биогенных элементов - со­единений азота и фосфора), то происходит эвтрофирование, т.е. «перекармливание», водоема. В этом случае бурное развитие фитопланктона и водных растений (так называемое «цветение» водоема) нарушает авторегуляцию: гниение большой массы отмерших растений отравляет воду, в ней резко падает содержание кислорода, наступают заморные явления, ­погибают многие беспозвоночные и рыбы. Наиболее негативную роль при этом играют сине-зеленые водоросли.

Необходимо подчеркнуть исключительное значение отрица­тельных обратных связей и отрицательных контуров для любых сис­тем, в. которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций организма и поддержания по­стоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, т.е. гом.ео­стаз любой авторегуляторной системы. Все без исключения экологи­ческие системы включают контуры отрицательных обратных связей.

В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а напротив, генерируют деста­билизацию системы, приводя ее либо к угнетению и гибели, либо к ускоренному росту, за которым, как правило, опять же следуют срыв и разрушение системы. Так, наращивая производство и при­менение пестицидов, мы через какое-то время сталкиваемся с по­вышением устойчивости вредителей к ядам и их усиленным раз­множением из-за того, что оказались отравленными их естествен­ные враги в природе - птицы. Приходится разрабатывать новые препараты и снова увеличивать их производство, хотя ясно, что по­беда может быть только временной. (3)