Теория систем и системный подход / Sistemniy podkhod v sovremennoy nauke 2004
.pdfна уровне здравого смысла, возникает потребность в системной эпи стемологии, по мысли Бертапанфи, глубоко отличающейся от эписте мологии логического позитивизма и эмпиризма. Свою концепцию «системы» он расценил как новую парадигму науки и даже как «но вую философию природы». Суть последней в организмическом взгляде на мир «как на большую организацию».
Теория систем связала изменения систем во времени с их устой чивостью, т. е. с реакцией системы на деформацию. Понятие «устой чивости» Берталанфи назвал центральным в динамической теории. В свою очередь, динамическая теория систем была увязана им с тео рией управления, призванной обосновать появление свойства устой чивости. «Управление, по существу, означает, что система, которая не является асимптотически устойчивой, делается таковой путем вве дения соответствующего противодействия, нейтрализующего нару шение устойчивости в системе»18. Модернизируя свою концепцию, Берталанфи использовал теорию управления и кибернетику. Разли чая внутреннее и внешнее описание системы, указывая на то, что последнее функционально, т. е. поведение системы описывается по ее воздействию на среду, он дал следующее развернутое объясне ние: «При внешнем описании система принимается за «черный ящик», ее отношения со средой и другими системами графически изображаются в виде блок-схем и диаграмм. Описание системы про изводится в терминах входов и выходов; при этом общей нормой та кого описания является перенос функций, связывающих вход и вы ход. Обычно они предполагаются линейными и представлены дис кретными наборами значений (решения «да — нет» в теории инфор мации; машина Тьюринга). Это — язык техники управления; внешнее описание производится обычно в терминах коммуникации (обмена информацией между системой и средой и внутри системы) и управ ления функциями системы с учетом наличия среды (обратная связь), если употреблять винеровское определение кибернетики»19. Таким образом, теория систем оказалась наполненной новым содержанием и стала более инструментальной. Однако при этом она потеряла в своей независимости от той или другой науки, нарушила свой ста тус нейтральности, равноудапенности от любой конкретной научной дисциплины. Теория систем заявила о себе как о новой картине ми ра, противостоящей физикалистской, она воспринималась как новая методология, открывающая путь к модернизации мышления. Однако под напором информационно-кибернетической парадигмы общая
теория систем Берталанфи приобрела значение методологической опоры современной картины мира — в основе своей физикалистской.
Этот новый акцент теории систем отвечал изменившемуся под мощным влиянием молекулярной биологии облику системы наук оживом. Не случайно Г Моровиц разделил теоретическую биологию на формальную теорию, физическую теорию и теорию систем. В пер вом случае исследуется данная биологическая ситуация и формули руется постулат или система постулатов, которые выдвигаются как математические утверждения, часто в форме дифференциальных или интегральных уравнений. Полученные в результате манипуляций
споследними следствия сравниваются, когда это возможно, с резуль татами экспериментов. Формальная теория достигла успехов в эко логии и особенно в генетике. Физическая теория тесно увязывается
смолекулярной биологией, где исследователь исходит из идей кине тики, статистической механики, термодинамики. Теорию систем Мо ровиц квалифицировал как «специальный случай формального под хода биологическим проблемам», опирающегося на теорию инфор мации, теорию игр, исследования операций, теорию «сетей и техни ку вычислительных машин»20.
Правда, сам Берталанфи вынужден был отметить, что, хотя теория систем открывает новые горизонты, «ее связь с эмпирическими фак тами пока еще остается весьма скудной»21. Положительно оценивая прогностические возможности теории систем, К. Боулдинг, в свою очередь, указывал на «нежелание науки допустить даже незначитель ный прогресс в области систематизации и ее стремление закрыть дверь перед проблемами и предметами исследования, которые не мо гут быть легко втиснуты в простые механические схемы»22. Несколь ко иначе оценил ситуацию Э. Шредингер, справедливо напомнивший, что мы унаследовали от наших предков «острое стремление к цель ному, всеобъемлющему знанию». Одновременно он указал на реаль ную трудность естествознания: наука начала приобретать надежный материал, позволяющий «свести в единое целое все до сих пор изве стное», но в то же самое время «становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем одной небольшой специ альной частью науки»23. Выход из этого положения Шредингер видел
ррискованной решимости осуществить синтез фактов и теорий, взя тых из разных областей, не боясь показаться невеждой.
Возможность индуктивных обобщений, дедуктивных предсказа ний и их эмпирической проверки в биологии Т. Уотермэн связывал не
только с информацией о большем числе компонентов системы и их взаимоотношениях. Он считал, что «гипотезы и обобщения относи тельно организации живых систем составляют важную часть методо логии» и что «должна быть постулирована какая-то общая организа ционная схема, играющая роль каркаса...»24. Уотермэн приветство вал появление биологов «нового склада», способных применять и разрабатывать «методы, выводимые более формальным путем», опираясь на теорию информации, кибернетику, теорию игр и теорию решений. Подчас история теоретической биологии вообще ограничи валась развитием математической и физико-химической биологии.
Так, Г Моровиц в своем историческом очерке упоминает труд Д.А. Борелли «De Motu Animalium» (1680), содержащий анализ дви жения животных с точки зрения механики в духе строгого геометри ческого подхода. К ранним работам он отнес также трактаты Г. Гельмгольца об ощущении тонов (1863) и о физиологической оп тике (1867), где биологические проблемы анализировались в поняти ях математической физики. Историю современной теоретической биологии Моровиц открывает трудом д’Арси Уэнтворта Томпсона о росте и форме (1917). Кредо Томпсона гласило: «...проблемы фор мы — это в первую очередь математические проблемы, проблемы роста — в основе своей физические проблемы, и морфолог ipso facto является представителем физической науки. Он мог бы заимствовать у этой всеобъемлющей науки... точку зрения, с которой физики под ходят к своим проблемам, количественные методы, с помощью кото рых она их разрешает, и здравые ограничения, в рамках которых ве дется вся работа в ее области. Он должен был бы осознать, что нет такой отрасли математики, какой бы она ни была абстрактной, кото рая не могла бы найти когда-нибудь применения к явлениям реаль ного мира»25. Называя Томпсона одним из предтеч современной те оретической биологии, Моровиц подчеркивает, что вслед за Э. Брюкке, Э. Дю-Буа-Реймоном, Г. Гельмгольцем и К. Людвигом, стремив шимися поставить физиологию на химико-физический фундамент и «придать ей равный научный ранг с физикой», в отношении мор фологии и морфогенеза это стремился проделать Томпсон26.
В 1925 г. А. Лотка в труде «Элементы физической биологии» про вел идею, согласно которой законы химической динамики структури рованной системы управляют ее эволюцией, включающей живые ор ганизмы. Лотка интересовали биологические системы, а не жизнен ные процессы в организме. Биологию он рассматривал как частную
область познания тайн Вселенной, эволюцию как частный случай не обратимого преобразования, жизнь как грандиозный химический процесс. В качестве математического аппарата Лотка использовал дифференциальные и интегральные уравнения и системы диффе ренциальных уравнений. По мнению Моровица, книга Лотка «сыгра ла большую роль в подготовке того развития теоретической биоло гии, которое имело место в 40-х и 50-х годах»27. Один из аспектов ра боты Лотка, а именно изучение экологических отношений, развивал В. Вольтерра, опубликовавший в 1931 г. «Лекции по математической теории борьбы за существование», а в 1935 г., совместно с Умберто д’Акона, — «Биологические ассоциации с точки зрения математики».
Моровиц сослался на мнение В.А. Костицина, который в кратком очерке истории теоретической биологии напомнил в своей «Матема тической биологии» (1937 г.), что естественные науки давно пользу ются статистическим методом, однако заслуга полного обновления этого метода и основания новой науки — биометрии принадлежит К. Пирсону. В 1845 г. Ферхульст впервые вывел уравнения для слу чая замкнутой популяции. Позже отдельные биологические вопросы время от времени рассматривались с применением аналитического метода, но лишь Лотка и независимо от него Вольтерра применили этот метод к более общим проблемам. В англо-саксонских странах работы Лотка вызвали к жизни биолого-математическое направле ние. Исследования Вольтерра положили начало аналогичному движе нию в континентальной Европе. Исследования Р. Пирля, посвящен ные закономерностям увеличения численности популяций, послужи ли основой современной демографии. Вклад в математическую тео рию отбора внес Дж. Б. Холдейн.
Общий подход к математическому анализу экологических проблем сводился в 30-х годах и отчасти позже к следующему: «...Брали какоелибо словесное утверждение относительно популяции и ее изменений при определенных условиях и записывали его в виде уравнения, обыч но линейного дифференциального уравнения первого порядка; иногда использовали нелинейные уравнения и производные высших поряд ков. Затем проблему формулировали в виде системы дифференциаль ных уравнений, вводя определенные граничные условия. Полученные решения составляли основу трактовки рассматриваемой проблемы»2^. Найденные функции могли быть затем сравнены с данными экспери ментов и наблюдений над популяциями. Однако в биологии, как вынуж ден был признать Моровиц, «лишь немногие области испытали на се
бе влияние теоретических математических исследований в столь силь ной степени, как экология»29. Наравне с последней стоят только мате матические исследования в области популяционной генетики. Ее ста новление связывается с трудами Холдейна «Математическая теория естественного и искусственного отбора» (1924), Р. Фишера «Генетиче ская теория естественного отбора» (1930) и «Теория инбридинга» (1949). С. Райта «Адаптация и селекция» (1949).
В 1937 г., одновременно с попыткой Берталанфи публично изло жить свою общую теорию систем, Дж. Вуджер в монографии «Аксио матический метод в биологии» предпринял попытку сформулировать биологические проблемы при помощи символической логики. Свою цель он усматривал в создании точного и полностью контролируемо го языка, позволяющего систематизировать биологические знания. Моровиц выделил как в высшей степени важное для теоретической биологии утверждение Вуджера, согласно которому «мы в настоящее время не знаем, какие формальные и математические методы будут полезными в биологии», и «не должны предполагать заранее, что ма тематический аппарат, традиционно применяемый в физике, автома тически окажется подходящим для биологии»30.
В 1938 г. появился труд Н. Рашевского «Математическая биофи зика, призванный решить именно эту задачу. Цель Рашевского со стояла в том, чтобы заложить основы математической биологии, ана логичной по своим методам математической физике. Стремясь вез де, где это возможно, искать физическую интерпретацию, он посту лировал, что математическая биофизика должна начинать с элемен тарной живой единицы — клетки. Выделение конкретного объекта сразу же обнажило глубокие различия в подходах физики и биоло гии. В физике математическое описание начинается с исследования идеализированных систем, которые могут не иметь аналогов в реаль ном мире. Понимая, что против такого подхода можно выдвинуть воз ражение, что подобные системы не имеют ничего общего с живой клеткой и никакие заключения относительно них не могут быть авто матически перенесены на реальные системы, Рашевский напомнил: «Тем не менее именно этот подход применяли и всегда применяют в физике. Физик занимается детальным математическим исследова нием таких нереальных вещей, как «материальные точки», «абсолют но твердые тела», «идеальные жидкости» и т. п. В природе подобных вещей не существует. Однако же физик не только изучает их, но и применяет свои выводы к реальным вещам»31. Это дает практи
ческие результаты, поскольку в известных пределах реальные вещи имеют свойства, общие с воображаемыми идеальными объектами. Однако описанный подход имеет ограничения. Охватить в математи ческом аспекте сразу всю сложность реальной природной системы способен, по словам Рашевского, только сверхчеловек. Обыкновен ным смертным остается, соблюдая скромность, подходить к реально сти асимптотически, путем постепенного приближения.
Комментируя изложенные соображения Рашевского, Моровиц спустя 30 лет вновь констатировал, что между математической био физикой и классической биологией (по его терминологии — «естест венной истории») продолжает существовать разрыв. «Оппозиция по отношению к теоретической биологии со стороны биологов, ориенти рованных на «естественную историю», в значительной части проис текает из того, что им чужд подход, сформулированный в этом отрыв ке (из труда Рашевского. — Э.М.). Биолог, отдавший много сил изу чению того или иного аспекта природы во всем его богатстве и пол ноте, часто не испытывает особой симпатии к идеализированной си стеме, неспособной отобразить детали, на выяснение которых он за тратил столько усилий»32. Считая, что такого рода затруднения неиз бежны при столь различных подходах к одному и тому же биологиче скому материалу, выражая надежду, что приверженцы разных точек зрения сумеют оценить результаты друг друга, Моровиц ввел мате матическую биофизику в структуру теоретической биологии. Приме чательно, что при этом он поставил рядом школы Н. Рашевского и Л. фон Берталанфи.
Математическая биофизика заставила сравнить две системы — живую и неживую материю — на уровне квантовой механики, чтобы понять, почему живое явственно отличается от неживого. Не разде ляя оптимизма молекулярных биологов, полагавших, что «биология объяснима в рамках обычных физических законов» и что «поэтому приложение физической теории к живой материи не требует особых усилий», Г. Патти писал: «Если бы даже оказалось, что живая мате рия тождественна неживой при описании их на языке физики, могли бы мы утверждать, что полностью понимаем жизнь в рамках физи ческих законов? Мне кажется, что нет...»33. Выделив способность к эволюции в качестве самого общего свойства живой материи, от личающего ее от неживого, он следующим образом сформулировал основной вопрос: можно ли понять процесс биологической эволюции на базе основных законов физики?
Попытка дать определение наследственной передачи и естествен ного отбора на языке физики сталкивается, как показал Патти, с су щественными трудностями. Так, передача по наследству осуществ ляется при участии кода и требует выбора из ряда альтернатив, а не просто проявления физических законов движения на ряд начальных условий. Уравнения движения задают группу преобразований множе ства состояний системы, тогда как в процессе наследования участ вует выбор, что связано с невзаимнооднозначным отображением. «Именно поэтому такие основные генетические понятия, как память, описание и код, нельзя выразить непосредственно в терминах эле ментарных физических законов»34. Элементарные физические зако ны симметричны по отношению ко времени, тогда как временные от ношения между памятью о признаке и его фенотипическим выраже нием несимметричны. Термодинамические или статистические тео рии не приводят к представлению о неизбежности биологической эволюции, обеспечивающей возрастание сложности живых систем. Поэтому при описании процессов наследования в рамках законов фи зики «необходимо не только преодолеть трудность объяснения не обратимых явлений на основе обратимых законов, но и, кроме того, показать, что необратимость наследственных процессов приводит к явлению эволюции живой материи, а не к полному термодинамиче скому равновесию неживой материи»35. Предстоит также решить, ка кую физическую теорию можно использовать, чтобы объяснить вы сокую надежность проявления наследственной информации в виде классических признаков и описать реализацию информации, запи санной на квантовомеханическом уровне в форме взаимодействия между фенотипом и средой в рамках естественного отбора на уров не классической механики. Чтобы создать «общую теорию биоло гии», основанную на законах физики, следует досконально изучить, по убеждению Патти, коренное противоречие между двумя основны ми допущениями: «живая и неживая формы материи подчиняются од ним и тем же физическим законам» и «живая материя отличается от неживой лишь способностью к эволюции»36. Напоминая, что такие физики, как Бор, Эльзассер, Бергере, полагают, что должны сущест вовать особые биологические законы, Патти тем не менее не согла сился с утверждением, что жизненные процессы не могут быть выве дены из физических законов.
Если Рашевский избрал объектом исследования клетку, то Патти оперировал молекулярным уровнем организации живого. Исходя из
того, что понятия кодирования и надежности необходимы на всех уровнях биологической организации — клеточном, морфогенетичес ком, эволюционном, высшей нервной деятельности, Патти высказал предположение, что «в основе уникального различия между живой и неживой материей лежат не идеализированные классические мо дели макромолекул, матричной репликации или регуляции обмена веществ, а количественная надежность молекулярных кодов, кото рые могут связывать содержание квантовомеханического описания с его классическим фенотипическим выражением»37. Именно с опи санием надежных молекулярных процессов наследования в терминах квантовой механики он связывал развитие теоретической биологии и создание более прочной гносеологической основы самой физичес кой теории.
Близкую позицию занимал К.Х. Уоддингтон, также задавшийся вопросом: «нужна ли еще какая-нибудь «теоретическая биология» кроме той, что содержится или, как можно надеяться, будет вскоре содержаться во все расширяющихся рамках молекулярной биоло гии»?38 Он был уверен, что на все проблемы биологии ответы «долж ны быть в конечном счете сформулированы в молекулярных терми нах», но считал, что большие успехи в анализе простых элементов еще не решают дела. Биология нуждается в теории перехода от про стого к сложному, способной связать сложные биологические систе мы с элементарными единицами.
Стратегия системного подхода, ориентированная на физику, пока непривела к общей теории биологии. Молекулярная биология, несмо тря на свою близость к физике и химии, не располагала данными, позволяющими построить теорию живой материи, обнимающую все уровни организации живого и процесс эволюции. Помочь здесь био логии физика была не в силах. Как заметил Уоддингтон, «сами фи зические науки далеки от завершения, так что самый правоверный сторонник сводимости не сможет сказать биологам, к чему они долж ны свести свои живые системы»39.
Большего успеха достигла стратегия системного подхода, ориен тированная на биоценологию и биосферологию. Эта стратегия вела к постижению живой природы как закономерно организованной це лостной планетной системы. На стыке геохимии, биологии и учения о биосфере В.И. Вернадский создал теорию живой материи. Чтобы Придать идее целостности и организованности живой материи мак симально биологическую форму, он еще в 1928 г. ввел понятие «био
ценоз планеты». Согласно теории живой материи Вернадского, по следняя организована как динамически устойчивая система. Эту ус тойчивость обеспечивает биоценотический тип организации живого вещества. Жизнь в биосфере впервые появилась в форме биоцено зов, в виде совокупности форм, отвечающей геохимическим функци ям жизни. Детализируя представление о биоценозе планеты, Вернад ский оценил структуру живой материи с таксономической, экологиче ской, энергетической и исторической точек зрения. Понятие органи зованности живого вещества он связывал с учением о материи и энергетике. Теория эволюции живой материи была призвана объ яснить известную направленность эволюции в сторону появления в биосфере разума и воли человека.
Законы экологической организации и эволюции живого покрова Земли раскрывает концепция геомериды В.Н. Беклемишева. Изуче ние всех уровней экологической организации привело ученого к вы воду, что жизнь организована в планетном масштабе, биоценозы включены в единую систему биосферы и объединены общим процес сом круговорота форм, вещества и энергии. Эволюция живой мате рии рассматривалась им как процесс развития многоуровневой сис темы, объединяющей организм, популяцию, вид, надвидовые таксо ны и экосистемы.
К учению о биосфере тесно примыкает концепция биогеоценотического покрова В.Н. Сукачева. Биоценоз и биогеоценоз ученый рас сматривал как элементарную клеточку биосферы. Строение биоце ноза таково, что позволяет ослаблять борьбу за существование и от крывает возможность сосуществовать в ограниченном пространстве большому числу индивидуумов. Достигается этот эффект благодаря сложному видовому составу большинства сообществ и физиологиче ской и экологической специфичности входящих в них видов. Новые виды вырабатываются в соответствии с условиями сообщества, за кономерности видообразования взаимосвязаны с закономерностями эволюции биоценоза.
Построение полнокровной концепции эволюции биосферы пред полагает теоретическое обобщение данных о филогении растений, о филофлорогенезе и об эволюции растительного покрова Земли.
Эту задачу решил А.Н. Криштофович. Согласно его теории, расти тельность на Земле развивалась многопланово, созидая в ходе сво ей эволюции разнообразные формы и флоры. Изменения раститель ного покрова происходят очень быстро и сводятся к миграциям и экс
пансии целых формаций или отдельных растительных форм. Наибо лее мощными факторами эволюции растительности служат климати ческие изменения и геологические процессы (орогенез). Появление растительности новых зон, формаций и сообществ определяется не филогенией, не процессом морфологической эволюции, а отбором, перемещением и изменением численных отношений отдельных рас тений, сменой стаций. В ходе эволюции флор увеличивалось разно образие их состава и степень организованности. Эволюция расти тельности протекала направленно.
В.П. Вернадский постулировал, что уже значительная часть архей ской эры была охвачена жизнью. Открытие венда как этапа эволю ции биосферы наполнило прогноз Вернадского реальным содержа нием. Концепция венда Б.С. Соколова рассматривает вендскую био ту как этап непрерывного и направленного развития живого вещест ва на Земле. Согласно предложенной им схеме развития органичес кого мира, ранее 4 млрд лет назад существовали простейшие эобионтные системы, способные к воспроизведению в условиях гетеро трофного питания. Речь идет по существу об образовании первичной биосферы. Вендская биота характеризуется разнообразием фауны бесскелетных и впервые содержит разнообразные растения. В венде обнаруживаются зачатки цефапизации. На всех континентах остатки вендской фауны занимают однотипное стратиграфическое положе ние, имеют общий облик и характеризуются рядом космополитичес ких родов и видов.
Изучение венда позволило проникнуть в истоки эволюции эколо гических систем. Палеоэкология обогатилась данными о разнообра зии и смене экосистем на ранних этапах истории Земли. Начинают вырисовываться контуры эволюции биоты как целостной экосисте мы — геомериды, биоценоза планеты.
Введение в теорию живой материи теории информации привело к заключению, что в ходе эволюции живое становилось все более жи вым, изменялась организованность живого и возрастала мера его ор ганизованности — запас информации. Консервация информации в форме молекулярных, морфологических и биоценотических струк тур рассматривается как важнейшая особенность эволюции живого. Преобразование информации определяется законами связи и взаи модействия организмов друг с другом и с неорганической средой40.
Создание общей теории систем Л. фон Берталанфи отражало мощную тенденцию к построению единого естествознания и универ