Інформаційна концепція розвитку систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інформаційна концепція розвитку систем

Динаміка розвитку систем приводить до послідовної зміни їхніх структур. Закономірна зміна структури системи відповідно до історичних змін співвідношень із зовнішнім середовищем і називається еволюцією. Зміна структури складної системи в процесі її взаємодії з навколишнім середовищем - це прояв властивості відкритості як зростання можливостей виходу до нового. З іншого боку, зміна структури складної системи забезпечує розширення життєвих умов, пов'язане з ускладненням організації та підвищенням життєдіяльності, тобто набуттям пристосувань більш загального значення, що дозволяють встановити зв'язки з новими сторонами зовнішнього середовища. Самоорганізація характеризується виникненням внутрішньо погодженого функціонування за рахунок внутрішніх зв'язків і зв'язків із зовнішнім середовищем. Причому поняття функція і структура системи тісно взаємопов'язані; система зорганізується, тобто змінює структуру, заради виконання функції.

Питання про взаємозв'язок структури і функції - одне з найдавніших і традиційних у біології. Аристотель, ставлячи питання "заради чого існує орган?", відповідав: "заради виконання певної мети", тобто функції. Для біологічних об'єктів поняття функції і мети ідентичні. Так, під функцією розуміється, наприклад, фізіологічне відправлення.

Розглядаючи структуру і функцію, перевагу віддають первинності в зміні функції. Однак найбільш правильно розглядати діалектичний взаємозв'язок і взаємозумовленість їхніх змін у процесі еволюції (зміна середовища вимагає зміни функції; а вона, у свою чергу, впливає на зміну структури). еволюція структура організація

Рослинний і тваринний світ дає безліч переконливих прикладів такої взаємозумовленості. Так, вихід рослин на сушу ознаменувався набуттям комплексу морфофізіологічних нововведень, захисних покривів, провідної системи, диференціацією тіла на органи і т. д. Завдяки цим змінам, насамперед, було досягнуте зменшення втрати води від випаровування і посилення її руху по рослині. Тут важко сказати, що чому передувало, морфологічні чи фізіологічні зміни. У той же час очевидно, що "замовлення" на зменшення негативних наслідків нестачі води спричинив за собою добір рослин на розвиток захисних покривів і провідної системи в наземних умовах. У даному випадку мова йде про процес самоорганізації, де можна виділити причину і наслідок, вказати їхній зв'язок із зовнішнім середовищем: зовнішнє середовище змінює функцію, функція змінює структуру.

В міру ускладнення внутрішньої організації функціональні можливості організмів посилюються. Функціональні особливості змінюються трохи швидше, ніж структурні. Одним з прикладів впливу функціональних перетворень на структуру рослини можуть служити листки і перетворення структури черешка зміною його функції: у листка після тривалого самостійного життя в укоріненому стані перебудовуються історично сформовані функції; при цьому черешок здобуває функції стебла, посилюється його провідна і механічна активність.

Структура і функція - невід'ємні властивості живої природи, вони пов'язані в онто- і філогенезі. Будь-який орган має багато функцій. Якщо з багатьох функцій, наприклад, кореня рослин (проведення речовин або їх запасання, утворення придаткових бруньок, прикріплення, синтез і т. под.) одна виявиться головною, то будова його у філогенезі зміниться згідно з новою функцією. З іншого боку, прояв будь-якої функції рослин того самого виду міняється кількісно, причому відмінності часто спадково обумовлені. На цій основі може відбуватися добір за ступенем вираження даної властивості. Наприклад, в одних рослин за таким принципом посилилася присмоктувальна функція коренів (паразити), в інших - опорні функції.

Взаємозв'язок зміни структури і функції в онто- і філогенезі сприяє підвищенню виживання і конкурентоздатності. Для рослин функція - єдине фізіологічне відправлення, необхідне для виживання і розмноження рослин в онтогенезі (наприклад, фотосинтез, дихання, рух). Добір спрямований на пошуки найбільш ефективних механізмів, що реалізують необхідну функцію, тобто на пошуки архітектур системи. Саме в структурі біологічно активної речовини еволюція закодувала його здатність виконувати строго визначену біологічну функцію. Функціональна роль біологічних молекул задається їхньою просторовою структурою - розташуванням у просторі атомів, що входять у структуру.

Можна навести безліч інших прикладів. Для вивчення процесу розвитку необхідно знати характер зміни структур у часі, їхні динамічні параметри. Треба також уміти розкривати закономірності взаємозв'язку між структурою і функцією, що виявляється в системі.

Донедавна природознавство й інші науки могли обходитися без цілісного, системного підходу до своїх об'єктів вивчення, без урахування колективних ефектів і дослідження процесів утворення стійких структур і самоорганізації. У даний час проблеми самоорганізації, досліджувані в синергетиці, здобувають актуальний характер у багатьох науках, починаючи від фізики і кінчаючи екологією. Завдання синергетики - з'ясування законів побудови організації, виникнення упорядкованості. На відміну від кібернетики тут акцент робиться не на процесах керування й обміну інформацією, а на принципах побудови організації, її виникнення, розвитку і самоускладнення (Г. Хакен).

Питання про оптимальну впорядкованість і організацію особливо гостро стоїть при дослідженнях глобальних проблем - енергетичних, екологічних" багатьох інших, вони потребують залучення величезних ресурсів. Філософсько-методологічний аналіз проблем глобального еволюціонізму неминуче приводить до постановки фундаментального питання: чи існують закони еволюційного процесу, що являють собою певну конкретизацію діалектичної концепції розвитку і в той же час загальні для всіх структурних рівнів природної дійсності?

Хоча ця проблема в даний час ще далека від вирішення, усе-таки є певні підстави допускати існування законів і закономірностей прогресивного розвитку в природі, які охоплюють всі основні етапи - космогонічний, геологічний, біологічний, поряд зі специфічними законами і закономірностями, властивими кожному з них.

Це можуть бути, по-перше, закони або закономірності окремих наук, які можна екстраполювати на цілісні процеси еволюції природної дійсності (скажімо, закон зростання ентропії або певні "біоаналогії", що мають досить загальне значення).

По-друге, ідея глобального еволюціонізму одержує підтримку з боку загальнонаукових концепцій. Так, розробка генетичних аспектів загальної теорії систем, що почалася в останні роки, дозволяє припускати, що деякі сформульовані в її рамках закономірності можуть мати дуже широку сферу застосування, зокрема охоплювати певні риси еволюції всієї досліджуваної природної дійсності. Вивченню процесів еволюції неживої і живої природи, а також прогресу суспільства може сприяти подальша розробка концепції самоорганізації.

Нарешті, по-третє, можна припустити, що існують такі типи досить загальних еволюційних законів і закономірностей, що будуть виявлені на основі комплексного аналізу процесів розвитку в масштабах усієї системи наук про природу.

Поки що, звичайно, передчасно обговорювати питання, чи будуть закони, сформульовані спочатку в рамках загальнонаукової картини світу, включатися далі в таку форму організації теоретичного знання, як теорія (система теорій), чи в іншу, дотепер мало досліджену форму міждисциплінарного і загальнонаукового знання - вчення (прикладом якої може служити вчення В. І. Вернадського про біосферу), чи входити і до складу систем теорій, і до складу вчень різного ступеня спільності. У всякому разі, очевидно, що потреби як теоретичного, так і світоглядного плану будуть стимулювати подальше обгрунтування ідеї глобального еволюціонізму.

Інформаційна концепція розвитку систем будь-якої природи, в основі якої лежать категорії інформатики - інформація, ентропія, інформаційні процеси і їхній зв'язок з еволюційними процесами, очевидно, може розглядатися як одна з природничонаукових конкретизацій загальної теорії розвитку.

Концептуальна модель розвитку

Найбільш важливий етап процесу розробки моделі полягає у виборі структури моделі системи. Навряд чи можна вважати за доцільне починати дослідження з докладної математичної моделі, ще до того, як висунуті основні гіпотези і досягнуте більш глибоке розуміння механізму роботи системи. Розробка моделі системи починається з найменш структуризованих і найширше застосовуваних понять, а на їхній основі аксіоматичним способом розвивається подальша математична модель. Методичні аспекти вивчення розвитку складних систем невідривні від самої теорії розвитку.

Завдання полягає в тому, щоб для певного класу систем, а саме відкритих динамічних, таких, що самоорганізуються, конкретизувати загальні закономірності розвитку, формалізувати їх, побудувати модель розвитку. Ідея розвитку нерозривно пов'язана з концепцією ієрархії структурних рівнів природи, що виступають як ступені, етапи розвитку природних об'єктів. Це положення єдине для систем різної природи. Відповідно до схеми ієрархічної ступеневої будови матерії, окремі об'єкти певного рівня матерії, вступаючи в специфічні взаємодії, служать вихідними утвореннями в розвитку принципово нових типів об'єктів з іншими властивостями і формами взаємодії. При цьому основним вихідним положенням є наявність наступності. Якщо немає наступності, то ми будемо спостерігати не процес розвитку, а лише хаотичні зміни круговоротів. Нове завжди народжується в надрах старого. Розвиток неживої і живої природи розглядається як необоротна зміна структури об'єктів природи. Важлива проблема в теорії розвитку - виявлення об'єктивних критеріїв прогресу, що визначають перехід системи від одного рівня розвитку до іншого, більш високого.

Однією з природничонаукових конкретизацій принципу розвитку є принцип зростання ентропії, що відбиває утворення нових матеріальних форм і структурних рівнів. Рівняння Больцмана для ентропії часто розглядають як математичне вираження закону еволюції. Однак ця математична модель процесу розвитку має такі серйозні недоліки.

Вона показує лише напрямок еволюції і не враховує того факту, що системи, які розвиваються, - це системи відкриті, котрі можуть зменшувати свою ентропію за рахунок збільшення ентропії в зовнішньому середовищі. З позицій нерівноважної термодинаміки розвиток трактується як послідовність переходів ієрархії структур зростаючої складності. Перехід на новий рівень розвитку йде від безладдя до порядку через нестійкість. У нерівноважних ситуаціях поява порядку можлива тільки за наявності зовнішніх потоків (матеріально-енергетичних або інформаційних), що утримують систему далеко від рівноваги. За відсутності цих потоків (ізоляції системи) у подібних ситуаціях розвиваються дисипативні руйнування структури, розсіювання (дисипація) енергії або інформації, у результаті чого системи деградують до рівноважного стану.

Взаємодія із середовищем створює потенційні можливості для виникнення нестійких станів і появи слідом за нестійкістю нової, більш упорядкованої структури. Нестійкість, що виникає у процесі розвитку, створює можливість стрибкоподібного переходу системи до нового стану. Стрибок можна розглядати як реакцію системи на збурювання з метою його компенсації, тільки система повертається не до старого стану, а переходить до нового, тобто "розвиток через нестійкість" забезпечує стійкість на більш високому рівні. При цьому саму стійкість розуміють не як стійкість рівноважних структур типу кристалічних утворень, а як динамічну стійкість відкритих систем за рахунок самоорганізації, авторегуляції, здійснювану для досить складних систем в основному шляхом інформаційного обміну (В. Ебелінг).

Спокійний еволюційний етап розвитку характеризується наявністю відповідних механізмів, що стабілізують даний стан системи і ліквідують будь-яке відхилення від нього (повертають систему до цього стану). З часом ці механізми послаблюються через кількісне зростання відповідних параметрів або середовища системи, у силу чого вони вже не можуть здійснювати стабілізацію системи. Настає кризовий стан. Нове вступає в протиріччя зі старим, і, як результат цього протиріччя, відбувається стрибкоподібний перехід системи до нового стійкого стану.

Розвиток - це насамперед необоротна зміна. Тому занадто стійка, тобто абсолютно стійка, система до розвитку не здатна, тому що вона придушує будь-які відхилення від свого гіперстійкого стану і при будь-якій флуктуації повертається у свій рівноважний стан. Для переходу до нового стану система повинна стати в якийсь момент нестійкою. Але перманентна нестійкість - це інша крайність, що також шкідлива для системи, як гіперстійкість, тому що вона виключає "пам'ять" системи, адаптивне закріплення корисних для виживання в даному середовищі характеристик системи.

Таким чином, хоча мають право на існування тільки стійкі системи (нестійкі відразу елімінуються), але розвиваються тільки ті з існуючих систем, що здатні (на деякий час) ставати нестійкими під впливом відповідних факторів. Такий тип поведінки характерний для відкритих систем, що можуть знаходитися в стаціонарних станах, далеких від рівноваги. Таку поведінку ми спостерігаємо в біологічних, екологічних, економічних, соціальних системах.

У даний час основні положення нерівноважної термодинаміки про розвиток складних систем стали практично загальнонауковими. Спираючись на таке уявлення про розвиток складних систем, можна виділити два основні параметри, що характеризують процес розвитку. Це стійкість системи і міра її організованості.

Розвиток - це єдиний цілісний процес, що може розглядатися тільки стосовно системи, тому що цей процес є результатом кооперативної дії елементів системи. Якщо ми хочемо досліджувати процес розвитку окремого елемента, то повинні зобразити цей елемент у вигляді системи, провівши розбивання його на елементи і виділивши зовнішнє середовище.

Мірою організованості системи може служити ентропія, що розуміється в широкому смислі. Стан системи визначається розподілом її елементів, що мають дану ознаку, мірою їхньої впорядкованості. Ентропія системи може бути визначена д ля різних рівнів агрегування її елементів.

З викладених вище міркувань випливає, що для визначення стану і тенденцій розвитку системи необхідно знати, у якому стані знаходиться система (стійкому чи нестійкому) і як при цьому міняється ентропія системи. Еволюційний етап розвитку характеризується стійкістю системи і збільшенням ентропії. Зростання ентропії може бути викликано не тільки зростанням числа елементів, але й порушенням зв'язків, упорядкованості системи. У цьому випадку порушення зв'язків може призвести до того, що система перестане виконувати покладені на неї функції, вона буде нездатна до цього в силу своєї неорганізованості. Отже, зростання ентропії не завжди свідчить про те, що система підвищує свій запас стійкості. Поблизу точки біфуркації випадкові флуктуації можуть змінити траєкторію руху системи.

Залежно від зовнішніх і внутрішніх умов система або деградує, або переходить на новий якісний рівень розвитку. Період зародження і формування нової системи пов'язаний із втратою стійкості і виникненням дисипативної структури, що зберігається тільки завдяки обміну енергією, речовиною, інформацією із зовнішнім середовищем. Період зародження нової системи характеризується збільшенням дисипації. При дотриманні певних умов у системі можуть виникнути процеси впорядкування структури, в результаті чого ентропія буде зменшуватися і система перейде до нового стійкого стану. На цьому один цикл розвитку закінчується, починається наступний - еволюція нової системи.

Деградація системи розглядається в двох аспектах. У першому випадку різко зростає ентропія, система втрачає стійкість, але перехід до нового стійкого стану не відбувається. У даному випадку відсутні регулюючі механізми (внутрішні і зовнішні), виникає лавиноподібне зростання ентропії внаслідок зростання числа нових елементів-ознак і відсутності когерентної поведінки з їхнього боку. Система дезорганізується і не може виконувати свої функції.

У другому випадку ентропія зменшується за рахунок кількісних змін у системі. Система в силу своєї гіперстійкості втрачає здатність до адаптації і за наявності відповідних зовнішніх впливів може зруйнуватися, тобто стійкість окремих підсистем ще не визначає стійкість системи в цілому. Стійкість систем, що розвиваються, ми пов'язуємо зі структурною стійкістю і функціонуванням системи. У даному випадку система, яка не має здатності до адаптації, не може функціонувати в мінливих зовнішніх умовах (А.К. Айламазян).

Залежно від значень керуючого параметра система може знаходитися у великому числі стійких і нестійких режимів. Траєкторія розвитку системи характеризується чергуванням стійких ділянок, де домінують детерміністичні закони, і нестійких ділянок поблизу точок біфуркації, де перед системою відкривається можливість вибору одного з кількох варіантів майбутнього. І детерміністичний характер рівнянь, що описують поведінку системи і дозволяють обчислити заздалегідь набір можливих станів, визначити їхню відносну стійкість, і випадкові флуктуації, які "вибирають" один з кількох можливих станів поблизу точки біфуркації, найтіснішим чином взаємозалежні. Ця суміш необхідності й випадковості становить "історію" системи. Модель пов'язує конкретний етап розвитку системи зі знаком похідної ентропії і стійкістю системи. Модель показує, що система будь-якої складності за відповідних умов може проходити всі етапи розвитку.

Пропонована концептуальна модель розвитку базується на одній з основних категорій інформатики - ентропії як мірі порядку в системі. Таку концепцію розвитку систем назвемо інформаційною і висунемо гіпотезу про те, що вона застосовна до систем неживої і живої природи, до штучних, соціальних та інших систем.

Размещено на Allbest.ru