Стратегія сталого розвитку природи та суспільства. Матеріали курсу

Подождите немного. Документ загружается.

завдяки гомеостазу вдається забезпечити передумови незворотності та

спрямованості перебігу фізико-хімічних процесів. Роль стаціонарності та

гомеостазу в процесах існування і розвитку систем стає добре зрозумілою на

прикладі живих організмів.

Власне, гомеостаз - це те, що робить будь-яке ціле, складене з частин (а

саме такий первісний зміст терміна «система»), системою, що

самоорганізується.

Стаціонарність і гомеостаз системи забезпечують її стійкість і

самобутність.

Будь-який рух чи зміна можливі тільки там, де є різниця потенціалів:

гравітаційних, фізичних, хімічних. Де існує відмінність: рівнів висоти,

температур, тисків, хімічних характеристик, електромагнітних потенціалів.

Саме нерівноважність є рушійною силою будь-яких процесів, а отже, змін.

Не менш важливо, щоб ця нерівноважність була стійкою. Тобто, щоб

різниця потенціалів відтворювалася постійно. Причому важливо, щоб самі

значення різниці потенціалів істотно не змінювалися. Саме за таких

характеристик створюються найбільш сприятливі умови усталеності процесів,

що протікають, їх безперервності, незворотності, спрямованості й ефективності

з погляду витрат енергії.

Усе це в кінцевому рахунку визначає швидкість перебігу процесів і

темпи змін, що відбуваються. За відсутності подібних умов, тобто за постійної

зміни різниці потенціалів можливі не тільки коливання темпів перебігу

процесів, але навіть повна зміна їх спрямованості, за якої розвиток блокується

взагалі.

Стаціонарність означає виконання триєдиної функції: створити різницю

потенціалів між системою і зовнішнім середовищем; постійно утримувати її

протягом певного часу; зберігати при цьому незмінний рівень потенціалів.

Термін «гомеостаз(ис)» запропонував У. Кеннон у 1929 році для

характеристики станів і процесів, що забезпечують стійкість організму. Однак

ідея про існування фізіологічних механізмів, спрямованих на підтримання

сталості внутрішнього середовища організму, була висловлена ще в другій

половині XIX ст. К. Бернаром. Він розглядав стабільність фізико-хімічних умов

у внутрішньому середовищі як основу свободи і незалежності живих організмів

у зовнішньому середовищі, яке зазнає постійних змін.

Виникнення життя на Землі, поява одноклітинних організмів були

пов'язані з формуванням і безупинною підтримкою в клітині протягом усього

життя специфічних фізико-хімічних умов, які відрізняються від умов

навколишнього середовища. У багатоклітинних організмів з'являється

внутрішнє середовище, у якому перебувають клітини різних органів і тканин,

відбувається розвиток і удосконалення механізмів гомеостазу. У ході еволюції

формуються спеціалізовані органи кровообігу, дихання, травлення, виділення й

ін., що беруть участь у підтриманні гомеостазу.

Виникнення на Землі живих організмів, які досконало опанували

техніку управління гоместазом, стало колосальним поштовхом у розвитку

природи планети, який різко прискорив темпи еволюційних процесів.

Р о з д і л 5

Механізми стійкості систем

5.1. Зміст і функції системи

Зміст системи. Як уже зазначалося в попередніх розділах, можливість

існування систем, що самоорганізуються, ґрунтується на їх здатності

підтримувати динамічну відносну постійність складу і властивостей системи

(гомеостаз). Вона потрібна для підтримання необхідної різниці потенціалів: по-

перше, між системою і зовнішнім середовищем; по-друге, між окремими час-

тинами системи. Саме завдяки цій здатності відкриті системи, що

самоорганізуються, дістали назву стаціонарних. Замислимося тепер над тими

чинниками, які забезпечують системі стан її гомеостазу та здійснення інших

функцій.

Будь-яка система має матеріально-інформаційну природу, формуючись в

єдності матеріальної та інформаційної основ.

Матеріальна основа - це сукупність об'єднаних в системне ціле

матеріальних елементів, що дозволяють здійснювати комплекс функцій,

необхідних для існування і розвитку системи. Основне призначення матеріальної

основи силове, тобто виконання роботи для здійснення метаболізму (речовинно-

енергетично-інформаційного обміну).

На рівні біологічного організму тварин матеріальну основу можуть

складати: скелет, тканини, рідини організму, шкірний покрив, ін.

На рівні виробничого підприємства — це матеріальні активи

підприємства, тобто основні і оборотні засоби (будівлі, споруди, передавальні

пристрої, силові установки, технологічне устаткування, інструмент, сировина і

матеріали тощо). Крім того, функції матеріальної основи виконують трудові

чинники, які, як ми переконаємося далі, одночасно є і носіями інформаційної

основи.

Інформаційна основа - це нематеріальна сутність, що пов'язує в системне

ціле матеріальні елементи системи і забезпечує в просторі та часі

впорядкованість системи (включаючи її стійкість і адекватну мінливість).

Основне призначення інформаційної основи - управління процесами роботи, що

виконується системою для здійснення метаболізму.

На рівні біологічного організму тварин інформаційну основу складають:

генетичний код; система взаємозв'язку окремих органів; рефлекси, що реалі-

зуються нервовою системою; безумовні та умовні інстинкти, які визначають

поведінку тварин, ін.

На рівні виробничого підприємства: статут підприємства; нематеріальні

активи (права майнової та інтелектуальної власності, імідж фірми, товарні знаки,

ін.); технологічні схеми; ноу-хау; бази даних; взаємозв'язки між окремими

ланками підприємства; економічні відносини всередині і за межами фірми;

знання і навички працівників; правова основа; традиції і звички людей і т.ін.

Інформаційна основа забезпечується функціонуванням комплексу

матеріальних і нематеріальних засобів збору, обробки, передачі, фіксації і

відтворення інформації. Інформаційна основа реалізує три найважливіші групи

функцій: а) формує пам'ять системи та її підсистем; б) проводить збір, обробку і

аналіз первинної інформації; в) здійснює виробництво нової інформації.

Інформаційна основа може функціонувати лише в єдності з

матеріальними засобами (матеріальною основою), які забезпечують функції

виконання необхідної роботи зі збору та переробки інформації.

Таким чином, метаболізм - це не тільки обмін речовиною та енергією, але

й обмін інформацією. Він необхідний такою ж мірою, як і обмін матеріальними

субстанціями. Інформаційний обмін відбувається як між системою і зовнішнім

середовищем, так і між різними елементами (підсистемами) системи. Останні

неначе «переговорюються» між собою. Подібні інформаційні контакти можливі

лише за умови, по-перше, наявності в підсистем певної пам'яті (тобто здатності

фіксувати і відтворювати інформацію), а по-друге, використанні ними певного

інформаційного коду, тобто своєрідної «мови», яка є «зрозумілою» для всіх

елементів системи.

Без подібного «спілкування» окремих частин системи були б неможливі

ані феномен відкритості з властивими йому функціями метаболізму, ані феномен

стаціонарності з властивими йому функціями підтримання гомеостазу. Отже, не

існувало б і саме явище функціонування відкритих стаціонарних систем з їхніми

властивостями самоорганізації і саморозвитку.

Подібний інформаційний обмін неодмінно має існувати між окремими

частинками в атомі, між окремими атомами в молекулі, між окремими

молекулами в клітині, між окремими клітинами в організмі. І взагалі між

окремими компонентами будь-якої цілісної множини, що називається системою:

чи то екосистема, людське суспільство, сонячна система або галактика.

Будь-яка матеріальна система настільки ж інформаційна, наскільки і

матеріальна.

У ході еволюції природи змінюється і співвідношення між матеріальною

та інформаційною складовими обміну, а відповідно, і між матеріальною та

інформаційною основами. Є підстави вважати, що ці зміни відбуваються на

користь інформаційної складової. Особливо це стає помітним на прикладі

розвитку людської сутності і пов'язаних з нею суспільних відносин.

Діяльність, яку здійснює система, умовно можна розділити на два види:

роботу внутрішнього обміну і роботу зовнішнього обміну.

Основне завдання внутрішнього обміну полягає у вилученні вільної

енергії (або негативної ентропії) з речовинно-енергетично-інформаційних

потоків, що імпортуються системою із зовнішнього середовища. Основним

завданням зовнішнього обміну є здійснення процесів метаболізму із зовнішнім

середовищем.

Функції системи. Для виконання зазначених завдань система повинна

здійснювати комплекс взаємозв'язаних функцій, головними з яких є:

• збір, зберігання і відтворення інформації;

• утримання просторового взаємозв'язку (тобто структури) окремих

складових (підсистем) системи;

• підтримання в часі порядку процесів, що відбуваються в системі,

зокрема, синхронізація діяльності окремих ланок;

• здійснення процесів трансформації речовинно-енергетично-

інформаційних потоків (далі - потоків) з метою вилучення вільної енергії;

• транспортування зазначених потоків всередині системи;

• відновлення (репродукція) функціональних підсистем, що

втрачають свої властивості в результаті «спрацювання» або під дією

проникаючих з потоками в систему шкідливих агентів (тобто йдеться про

своєрідний «капітальний і поточний ремонт» компонентів системи);

• вилучення із зовнішнього середовища речовин, енергії та

інформації («негативна ентропія»);

• видалення в зовнішнє середовище відходів діяльності системи

(«позитивна ентропія»);

• захист системи від негативної дії зовнішнього середовища;

• корегування (підлаштування) діяльності окремих підсистем залежно

від параметрів потоків, що потрапляють в систему і циркулюють у ній; таке

підлаштування, зокрема, необхідне при відхиленні параметрів потоків від

оптимальних значень, а крім того, при зміні властивостей самої системи (напри-

клад, її тимчасового розрегулювання).

Чим ефективніше виконується кожна із зазначених функцій, тим

ефективніша діяльність усієї системи, тим вища можливість накопичення

системою «вільної енергії». Ефективність у даному випадку може бути визначена

співвідношенням кількості енергії, корисно використаної безпосередньо на

реалізацію даної функції, і загальними витратами енергії. Це і є своєрідний ККД.

У свою чергу, ефективність системи і її підсистем буде тим вища, чим нижчими

будуть втрати (дисипація) енергії. У даному випадку узагальнююче поняття

«енергії» передбачає всі види використовуваних системою матеріальних,

енергетичних та інформаційних ресурсів.

Зазначені функції реалізуються на основі діяльності відповідних

підсистем. Кожна підсистема формується з матеріальної та інформаційної основ.

У кожній підсистемі можна виділити три ключові функціональні блоки, які

умовно можна назвати:

1) робочий;

2) репродуктивний;

3) корегуючий.

Робочий блок пов'язаний із здійсненням функцій просторово-часового

управління потоками та їх трансформацією з метою вилучення вільної енергії.

Фактично цей блок реалізує основну мету функціонування системи.

Робочий блок виконує надзвичайно важливу роль у забезпеченні

ефективності діяльності системи, визначаючи склад і зміст двох інших блоків. Це

добре видно на прикладі економічних систем. Недосконалі технології

обумовлюють величезні витрати на виробництво одиниці продукції і постійно

високі витрати на ремонт засобів виробництва, а також нескінченне «латання

дір» з метою доведення технологічного режиму до стандартного рівня. І навпаки,

відлагоджена технологія забезпечує низькі виробничі витрати, мінімальні

витрати на поточний ремонт (не кажучи вже про капітальний ремонт) і

практично не виходить за межі «коридору» регламентних умов.

Репродуктивний блок — це матеріально-інформаційні засоби, що

відповідають за репродуктивні функції відповідної підсистеми, тобто, по суті, за

відтворення «робочого блоку». Часто дуже важко розмежувати згадані два блоки,

тим більше, що розміщуються вони в єдиному «тілі» системи і нерідко в тих

самих органах. Та все ж це два різні елементи, що виконують різні функції. Хоча

часто процес репродукції (особливо в живих організмах) виглядає як процес

самовідтворення клітин, зазначені два види діяльності звичайно управляються з

різних «пультів». Зокрема, за репродуктивні функції клітин організму від-

повідають окремі органели.

Блок корегування призначений для управління станом (режимом)

системи. Фактично він виконує оперативні диспетчерські функції. Річ у тім, що

основні підсистеми здатні ефективно функціонувати в дуже вузьких інтервалах

оптимальних значень. Будь-яке відхилення від даних значень потребує

компенсаційної діяльності, яка називається механізмами зворотного зв'язку.

Від діяльності блоку корегування залежать умови стійкості системи, а

часто і взагалі її цілісності та існування.

Як правило, зазначені відхилення в режимі функціонування системи

пов'язані зі змінами умов зовнішнього середовища.

Наприклад, можуть істотно змінюватися температура, тиск,

електромагнітна зарядженість, речовинний склад тощо. Ця мінливість не

підвладна системі. Усунути її система не може. В усякому разі, в адекватно

короткі періоди часу, тобто настільки швидко, щоб це полегшило стан системи.

(Пізніше ми переконаємося, що система намагається робити і це.) Отже, вона

повинна змінюватися сама. Але вона не може миттєво змінювати і основні

параметри свого гомеостазу, своєї динамічної рівноваги. Адже система

пристосувалася існувати саме при даному діапазоні різниць енергетичних

потенціалів (наприклад, температурі тіла, кров'яному тиску). Саме цей діапазон

забезпечує основні життєві параметри існування системи.

Зауважимо тут, що система дійсно не може варіювати (в істотних межах)

параметри існуючого гомеостазу. Але вона може за певних обставин повністю

змінити рівень самого гомеостазу, підвищивши або знизивши його.

Цю проблему природа вирішила з властивою їй геніальністю, створивши

механізми зворотного зв'язку.

5.2. Характеристики стійкості системи

При дослідженні проблем розвитку надзвичайно важливим моментом є

вивчення характеристик стійкості систем. Це дозволяє глибше зрозуміти багато

особливостей і межі впливу на системи.

Серед основних характеристик стійкості систем можна назвати:

витривалість, стійкість, опірність, толерантність, адаптивність.

Витривалість - це здатність системи зберігати свої функціональні

особливості або можливості їх відновлення при відхиленні умов зовнішнього

середовища від оптимальних для неї параметрів. Іншими словами, йдеться про

збереження будь-яких форм існування системи (включаючи латентні — тобто

пригнічені, приховані), що дозволяють уникнути необоротного припинення

функціонування системи (тобто руйнування, смерті). Таким чином, витривалість

- це здатність системи уникати необоротного припинення функціонування під

впливом зовнішніх чинників.

Деякі біологічні організми здатні витримувати надзвичайно несприятливі

умови зовнішнього середовища. Це їм вдається завдяки дії механізмів позитив-

ного зворотного зв'язку. У результаті організм вводиться в стан гіпобіозу

(глибокого уповільнення життєдіяльності, стану сплячки у тварин) або анабіозу -

повного, але оборотного завмирання всіх життєвих процесів, як це має місце у

спор, насіння і багатьох нижчих тварин.

Як аналоги поняття витривалість по відношенню до різних типів систем

використовуються й інші терміни. Зокрема, стосовно біологічних організмів

часто говорять «живучість». У техніці користуються поняттями «надійність», а в

суднобудуванні - «плавучість» (і навіть «живучість»).

Іноді як синонім витривалості використовується термін толерантність.

Ці поняття, дійсно, дуже близькі за значенням. Гадаємо все ж таки, що їх

смислове значення дещо різниться.

Толерантність (від лат. tоlеrапtіа - терпіння) характеризує здатність

сприймати ті чи інші несприятливі параметри зовнішнього середовища.

Найчастіше цей термін застосовується при бажанні виразити відношення до

конкретних чинників середовища. Наприклад, організми можуть бути толерантні

до охолоджування, нагрівання, висихання, голоду, дефіциту кисню і т. ін. Це

означає, що вони можуть витримувати помітні відхилення даних параметрів убік

несприятливих значень.

Птахи можуть витримувати температуру тіла до +46,6 °С, ссавці —

більше +42 °С, тихоходки (безхребетні, що поєднують риси черв'яків і

членистоногих) виживають при охолодженні тіла до -190 °С (температури

середовища можуть бути, відповідно, вище і нижче). Рослини можуть бути

вологостійкими, посухостійкими, морозостійкими і т. ін. (Реймерс, 1990).

Проте толерантність з легкої руки біологів несе і ще одне значення, яке

виходить за межі смислового поля витривалості. У біології бути толерантним

(терпимим) - це означає не чинити опору (зокрема, агресивного) якому-небудь

впливаючому чиннику. Найчастіше витривалість на основі толерантності перед-

бачає саме дію пасивних механізмів системи у відповідь на вплив несприятливих

чинників (звичайно на основі механізмів позитивного зворотного зв'язку). Але ж

можлива і реакція, протилежна толерантності, тобто на основі активної протидії

(найчастіше за рахунок механізмів негативного зворотного зв'язку), спрямованої

на пригнічення (нейтралізацію, пом'якшення, зниження) діючих чинників.

Подібна реакція називається резистентністю.

Резистентність (від лат. rеsіstеrе - протистояти, чинити опір)

характеризує здатність протидіяти впливу негативних чинників зовнішнього

середовища або пригнічувати їх вплив.

Зокрема, завдяки хорошому імунітету організм людини може активно

пригнічувати інфекційну атаку ззовні. Наявність активних антитіл обумовлює

також несприйнятливість до певних шкідливих агентів або отрут.

Сумарна дія ефектів толерантності і резистентності визначає

витривалість системи. Слід зауважити, що явище толерантності ґрунтується,

головним чином, на реалізації механізмів позитивного зворотного зв'язку і

трансформації рівня гомеостазу, а феномену резистентності - на реалізації

механізмів негативного зворотного зв'язку і підтриманні стабільного рівня

гомеостазу.

Толерантність і резистентність у багатьох випадках не є

альтернативними. У тому чи іншому співвідношенні вони зустрічаються у всіх

організмів, часто доповнюючи один одного. Одна й та сама рослина чи тварина

може бути толерантною щодо одного чинника і резистентною щодо іншого.