02 Свойства живых систем

* 02. Свойства живых систем, важные для управления

Показать »

В этом разделе мы начнём выяснять, как устроены живые системы и чем они отличаются от систем неживых.

Как мы разобрали во введении, понятие «управление» мы будем использовать в следующем значении:

  1. (общеязыковое) Воздействие на состояние, развитие чего-л., руководство ходом какого-л. процесса.
  2. (специальное) Функция системы, обеспечивающая сохранение её определённой структуры, поддержание режима деятельности, реализацию её программ.

Кроме того,

  • понятие «управление» неотделимо от системного подхода к любому объекту и процессу
  • материальная система – это целостная физическая структура, которая, благодаря особым образом организованным связям между своими элементами и со средой обладает свойствами, качественно отличными от суммы свойств своих элементов.
  • системный подход подразумевает «трёхмерный» контекст существования изучаемого объекта: 1) элементы более низкого уровня организации, из которых объект состоит; 2) горизонтальные связи с элементами того же уровня организации, и 3) принадлежность объекта системам более высокого уровня организации.

Напомним, что управление имеет информационную природу, подразумевает наличие целей, оптимального состояния системы и механизмов восприятия (для быстрой обратной связи).

* 1. СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ

Когда речь идёт о жизни, мы всегда имеем дело со СЛОЖНОЙ СИСТЕМОЙ. А чем «сложная» система отличается от «простой»?

«Сложная система — система, состоящая из множества взаимодействующих составляющих (подсистем), вследствие чего сложная система приобретает новые свойства, которые отсутствуют на подсистемном уровне и не могут быть сведены к свойствам подсистемного уровня» (Лоскутов А. Ю., Михайлов А. С. Основы теории сложных систем. М. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и стохастическая динамика», 2007. — 612 с. ISBN 5-93972-558-9, цит.по ru.wikipedia.org/wiki/Сложная_система).

Иными словами, граница между простой и сложной системой количественная, она определяется сложностью их элементов: в сложной системе в роли элементов выступают подсистемы.

Один из основателей Общей теории систем, Кеннет Боулдинг (Kenneth Boulding), предложил шкалу сложности систем, состоящую из девяти уровней (Боулдинг, К. Общая теория систем — скелет науки. — М.: Наука, 1969, цит.по ru.wikipedia.org/wiki/Сложная_система):

  1. Уровень статической структуры. К таким системам можно отнести: расположение электронов в атоме, строение кристалла, анатомию животного и т. п.
  2. Простые детерминированные динамические системы. Примеры: Солнечная система, механическое устройство, структура теории наук вроде физики и химии.
  3. Уровень управляющего механизма или кибернетической системы, уровень термостата. Система характерна тем, что стремится к сохранению равновесия.
  4. Уровень открытой или самосохраняющейся системы, уровень клетки. Кроме биологических объектов, к этому уровню можно отнести реки и пожары.
  5. Уровень генетического сообщества. Примерами могут являться растения. Характерен специализацией клеток. Система характеризуется разрозненностью приёмников информации и неспособностью обрабатывать её большие объёмы.
  6. Уровень животных. Системы характеризуются мобильностью, целесообразным поведением, самосохранением. Развитые информационные рецепторы, нервная система, мозг.
  7. Уровень человека. Самосознание, отличное от простого самосохранения. Рефлексия. Речь.
  8. Уровень социальной организации.
  9. Уровень трансцендентальных систем, не поддающихся анализу, но обладающих структурой.

 

Сложная система обладает отличительным набором свойств (http://en.wikipedia.org/wiki/Complex_system):

  • Каскадность реакций;
  • Открытость;
  • Наличие памяти;
  • Вложенность сложных систем одна в другую с образованием иерархии;
  • Динамическая сеть из составных узлов;
  • Эмерджентность (наличие непредсказуемых явления более высокого порядка);
  • Нелинейность;
  • Наличие положительных и отрицательных обратных связей.

Заметим, что отличия этого перечня свойств от общих свойств систем нельзя назвать кардинальными. Напомним общие свойства систем из Введения:

1) Целостность — способность действовать как единое целое; 2) Синергичность, эмерджентность, системный эффект — появление у системы свойств, не присущих элементам системы; 3) Иерархичность: принцип построения, предусматривающий наличие структурных компонентов, распределения функций, определение прав, существование уровней соподчинения.

Очевидно, что охарактеризовать сложную систему только через анализ её материальных компонентов невозможно по определению. Говоря о сложных системах, необходимо учитывать, как минимум, три аспекта их существования:

  1. Материальные элементы, из которых состоит система
  2. Правила и принципы, которыми связаны между собой эти материальные элементы
  3. Процессы, которые возникают за счёт взаимодействия элементов по указанным принципам.

Если в качестве примера сложной системы взять компьютер (пожалуй, это система третьего уровня по Боулдингу), то п.1 можно назвать «железом» (hardware), п.2 – «программным обеспечением» (software), а п.3 – «функционалом», который обеспечивает данный компьютер пользователю (иерархически более высокой системе).

* 2. МАТРИЦА СОСТОЯНИЙ

Для изучения управления нам потребуется ещё одно важное понятие, касающееся не только сложных систем, но и вообще любого материального объекта – это понятие о матрице состояний.

Матрица возможных состояний объекта (системы) – это вся совокупность потенциальных состояний объекта и условий перехода между этими состояниями. Матрица отличается от простого перечня тем, что она учитывает условия перехода между состояниями – а соответственно, и вероятность таких переходов. Некоторые состояния матрицы легко достижимы – они более вероятны; другие состояния достижимы лишь при соблюдении множества условий – они маловероятны. Соответственно, состояния первой группы достигаются в режиме самоуправления, а состояния второй группы требуют высокого качества внешнего управления.

Что можно считать главной, интегральной характеристикой каждого отдельного состояния? Эта характеристика – процессы, протекающие в объекте при данном состоянии, или ФУНКЦИЯ объекта (напомним, что «функция – это деятельность, роль объекта в рамках некоторой системы»).

* 2-1. Как можно повлиять на функцию системы, исходя только из теории систем?

Во-первых, необходимо учесть все аспекты построения системы (набор элементов, принципы взаимодействия и связи между элементами, которые определяют процессы в системе). Но одного построения системы недостаточно: система всегда взаимодействует с другими системами того же порядка, и это всегда происходит в контексте принадлежности к системе более высокого порядка.

Поэтому, во-вторых, нужно учесть горизонтальные связи системы как целостного объекта с подобными целостными системами.

А в-третьих – принципы существования системы как элемента иерархически более высокой системы.

Таким образом, возникает набор из четырёх подходов к изменению функций системы:

1) (внутри системы) через состав и/или свойства элементов системы,

2) (внутри системы) через правила и принципы взаимодействия между элементами системы,

3) (за пределами системы) через горизонтальные взаимодействия с подобными целостными системами того же уровня, и, наконец,

4) (за пределами системы) через принципы существования системы иерархически более высокого уровня, элементом которой является данная система.

Какие способы кажутся более эффективными? Исходя из общих соображений, при движении от п.1 к п.4 скорость влияния на функцию системы падает, зато общая эффективность влияния – ВОЗРАСТАЕТ. Почему? Да потому, что от п.1 к п.4 скорость процессов снижается, зато возрастает их мощность за счёт вовлечения гораздо большего числа элементов.

С точки зрения матрицы состояний, получается следующее: для перехода между различными точками в ТЕКУЩЕЙ матрице состояний системы требуется изменить элементы системы и/или принципы взаимодействия между существующими элементами. Если же выйти ЗА ПРЕДЕЛЫ системы, то можно задать ИНУЮ, новую матрицу состояний, в которой у системы могут появиться принципиально НОВЫЕ функции. А проблемы, решение которых кажется невозможным ВНУТРИ системы, могут отпасть сами собой.

Следует помнить, что у каждого элемента в рамках системы есть своя матрица состояний, что любое изменение отдельного элемента влечёт за собой изменения в соседних, взаимодействующих с ним элементах и т.д. Все эти обстоятельства очень важны для управления.

 

* 3. ОБЩИЕ ПРИЗНАКИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Из определений сложных систем пока не получается понять, чем выделяются живые системы. Да и как мы увидели раньше, во введении, понятие «живого» сформулировано в литературе очень расплывчато (см. http://ru.wikipedia.org/wiki/Жизнь ). Поэтому начнём с перечисления тех признаков, по которым принято отличать «живое» от «неживого». Они обычно приводятся в учебниках по общей биологии.

  1. Обмен веществ со средой.
  2. Способность к самовоспроизводству.
  3. Изменчивость.
  4. Наследственность (способность передавать свойства следующим поколениям).
  5. Раздражимость (способность реагировать на факторы среды).
  6. Развитие (индивидуальное и эволюция).
  7. Ритмичность.
  8. Структурная организация – клетка.
  9. Способность к самоуправлению на каждом уровне организации.

 

Вот черты живого, приведённые здесь http://en.wikipedia.org/wiki/Life

(по источникам: McKay, Chris P. (September 14, 2004). «What Is Life—and How Do We Search for It in Other Worlds?». Public Library of Science – Biology 2 (2(9)): 302; Davison, Paul G. «How to Define Life». The University of North Alabama; «Habitability and Biology: What are the Properties of Life?». Phoenix Mars Mission. The University of Arizona.)

  • Гомеостаз – регуляция внутренней среды для поддержания постоянства
  • Клеточная организация
  • Метаболизм (обмен веществ) – трансформация энергии через превращение химических веществ и энергии в компоненты клетки (анаболизм) и разрушение органического вещества (катаболизм). Для поддержания внутренней организации (гомеостаза) и других явлений, связанных с жизнью, живые организмы нуждаются в энергии.
  • Рост – преобладание скорости анаболизма над катаболизмом.
  • Адаптация – способность изменяться во времени в ответ на изменения внешней среды.
  • Способность отвечать на стимулы.
  • Репродукция (самовоспроизводство).

Стало ли что-то понятнее? Пожалуй, добавилась лишь масса новых сложных терминов, а ключевое отличие живых систем от сложных систем в целом так и осталось нераскрытым.

 

* 4. КЛЮЧЕВЫЕ ЧЕРТЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ (Сантьягская теория)

К счастью, над этим вопросом до нас уже поработали выдающиеся учёные.

Ключевые критерии живой системы, которые мы приводим ниже, сформулированы физиком Fritjof Capra (Фритьоф Капра) в книге The Web of Life: A New Scientific Understanding of Living Systems (Anchor, 1997, 357pp) (с.170) на основе анализа развития системных подходов в биологии, прежде всего, работ по аутопоэзу Умберто Матурано (Humberto Maturana) (en.wikipedia.org/wiki/Humberto_Maturana) и Франциско Варела (Francisco Varela) (en.wikipedia.org/wiki/Francisco_Varela).

Автор приводит три критерия, которые соответствуют вышеупомянутым трём аспектам существования любой сложной системы («железо» — структура, «программное обеспечение» — организационный паттерн, «функционал» — процесс).

* 4-1. Ключевые критерии живой системы

Организационный паттерн

Конфигурация взаимоотношений, которая определяет важнейшие характеристики системы

Структура

Физическое воплощение организационного паттерна системы

Процесс жизни

Деятельность, определяющая физическое воплощение организационного паттерна системы

Процитируем Фритьофа Капру:

«Понять природу жизни с системной точки зрения – значит выявить набор общих критериев, по которому можно ясно отличить живые системы от неживых. В истории биологии было предложено много критериев, но все они оказывались так или иначе ущербными. Однако недавние работы показали, что такие критерии можно выявить. Я предлагаю выразить эти критерии в терминах трёх концептуальных плоскостей: паттерн, структура и процесс.

В целом, я предлагаю понимать аутопоэз, определённый Maturana и Varela, как паттерн жизни (то есть, паттерн организации живых систем); диссипативные структуры, определённые Пригожиным – как структуру живых систем; и сознание, первоначально определённое Грегори Бейтсоном (Gregory Bateson), а затем более полно Maturana и Varela – как процесс жизни. Паттерн организации определяет важнейшие характеристики системы. В частности, он определяет, является система живой или неживой. Аутопоэз (самосозидание) – паттерн организации живых систем – таким образом, является определяющей характеристикой жизни в новой теории. Чтобы понять, является конкретная система – кристалл, вирус, клетка или планета Земля – живой, всё, что нам требуется – это выяснить паттерн организации, является ли он аутопоэтичной сетью. Если да, то мы имеем дело с живой системой; если нет, то система неживая.

Познание (cognition) – процесс жизни – неразрывно связан с аутопоэзом. Аутопоэз и познание – два разные аспекта одного и того же феномена жизни. В новой теории все живые системы – это познающие (когнитивные) системы, и познание всегда подразумевает существование аутопоэтичной сети.

С третьим критерием жизни, структурой живых систем, ситуация несколько другая. Хотя структура живой системы всегда диссипативна, не все диссипативные структуры являются аутопоэтичными сетями. Поэтому диссипативная структура может быть как живой, так и неживой системой. Например, ячейки Бенара (прим.переводчика – см. ru.wikipedia.org/wiki/Ячейки_Бенара) и химические часы, описанные Пригожиным, — это диссипативные структуры, но не живые системы.

* 4-2. Аутопоэз как паттерн жизни.

С начала 20 века известно, что паттерн организации живой системы всегда представляет собой сеть. Однако мы знаем, что не все сети являются живыми системами. Согласно Maturana и Varela, ключевая черта живой сети – в том, что она постоянно воспроизводит себя. То есть, «существование и создание живых систем неразрывно связаны, и в этом их особый механизм организации». Аутопоэз, или самосозидание, — это сетевой паттерн, в котором функция каждого компонента – участие в производстве или трансформации других компонентов сети. Таким образом сеть постоянно создаёт себя. Она создаётся своими компонентами и, в свою очередь, создаёт эти компоненты.

Поскольку все компоненты аутопоэтичной сети производятся другими компонентами сети, вся система организационно закрыта, несмотря на то, что она открыта в части потоков энергии и материи. Эта организационная закрытость означает, что живая система является самоорганизующейся в том смысле, что её порядок и поведение не навязываются средой, а устанавливаются самой системой. Другими словами, живые системы автономны. Это не означает, что они изолированы от среды. Напротив, они взаимодействуют со средой через постоянный обмен энергией и материей. Но это взаимодействие не определяет их организацию – они само-организующиеся. Тогда аутопоэз можно рассматривать как паттерн, лежащий в основе самоорганизации, или автономии, столь характерной для всех живых систем.

Через свои взаимодействия со средой живые организмы постоянно поддерживают и обновляют себя, используя для этой цели энергию и ресурсы из среды. Более того, постоянное самосозидание также включает способность формировать новые структуры и новые паттерны поведения. Это создание нового, приводящее к развитию и эволюции, — важный аспект аутопоэза.

Тонкий, но важный момент в определении аутопоэза – это тот факт, что аутопоэтичная сеть является не набором отношений между статичными компонентами (как, например, паттерн организации кристалла), но набором отношений между процессами производства компонентов. Если эти процессы останавливаются, прекращает своё существование и вся организация. Другими словами, аутопоэтичные сети должны постоянно обновлять себя, чтобы поддерживать свою организацию. Эти хорошо известная черта жизни.

Maturana и Varela видят различие между взаимоотношениями статичных компонентов и взаимоотношениями процессов как ключевое отличие между физическими и биологическими явлениями. Поскольку процессы в биологических явлениях происходят при участии компонентов, всегда можно из процессов выделить описание компонентов в чисто физических терминах. Однако такое чисто физическое описание не охватит биологического явления. Биологическое объяснение должно касаться взаимоотношений между процессами в контексте аутопоэза».

* 4-3. Диссипативная структура – структура живых систем.

Живая система является одновременно открытой и закрытой – структурно она открыта, но организационно закрыта. Материя постоянно течёт сквозь неё, но система сохраняет стабильную форму, и делает это автономно через самоорганизацию.

Понятие «диссипативная структура» введено Ильёй Пригожиным. Простейший пример такой структуры – воронка воды в ванне. Вода постоянно течёт через воронку, но её характерная форма остаётся на удивление постоянной. Сходные стабильные диссипативные структуры могут формироваться в атмосфере в виде ураганов и торнадо – воздушных вихрей, перемещающихся на большие расстояния без изменения структуры благодаря постоянному поступлению материи из окружающей среды.

* 4-4. Познание (cognition) – процесс жизни

Три ключевых критерия жизни – паттерн, структура и процесс – насколько тесно переплетены, что трудно обсуждать их раздельно, хотя важно провести различие между ними. Аутопоэз, паттерн жизни, — это набор взаимоотношений между процессами производства; диссипативная структура может быть понята только в терминах процессов обмена и развития. Так что аспект процесса содержится в критериях как паттерна, так и структуры.

В новой теории живых систем процесс жизни – постоянное воплощение аутопоэтичного паттерна организации в диссипативной структуре – определяется с помощью процесса познания. Это означает радикально новое представление о сознании, возможно, наиболее революционный и волнующий аспект теории, так как он позволяет преодолеть картезианское противопоставление материи и сознания.

Согласно теории живых систем, сознание – это не вещь, а процесс – сам процесс жизни. Другими словами, организующая активность живых систем на всех уровнях жизни – это деятельность сознания. Взаимодействия живого организм – растения, животного или человека – со средой являются познанием, или взаимодействием сознания. Таким образом, жизнь и познание становятся неразрывно связанными. Сознание – или, точнее, процесс познания – неотъемлемое проявление на всех уровнях жизни.

Новая концепция сознания была разработана независимо Грегори Бейтсоном (Gregory Bateson) и Умберто Матурано (Humberto Maturana) в 1960е годы. Bateson первым применил системный подход и принципы кибернетики к разным областям. Bateson сформулировал набор критериев, которым система должна соответствовать, чтобы возникло сознание. Любая система, удовлетворяющая этим критериям, способна обеспечить процессы, которые мы связываем с сознанием – обучение, память, принятие решений и т.д. По мнению Bateson, эти ментальные процессы – необходимое и неизбежное последствие определённого уровня сложности, возникающего задолго до появления у организмов мозга и центральной нервной системы. Он также подчёркивал, что сознание проявляется не только у отдельных организмов, но и у социальных систем и экосистем.

Бейтсон считал, что для точного описания природы следует говорить на одном языке с ней – на языке отношений. Именно отношения, по его мнению, составляют сущность живого мира. Биологические формы состоят не из частей, а из отношений, и так же устроено сознание человека».

«Матурана одновременно искал ответы на два вопроса: «Какова природа жизни?» и «Что такое познание (cognition)?» В итоге он обнаружил, что ответ на первый вопрос – аутопоэз – обеспечивает теоретические предпосылки для ответа на второй. В результате появилась системная теория познания, разработанная Матурана и Варела, которую иногда называют Сантьягской теорией.

Центральная идея Сантьягской теории та же, что у Бейтсона – идентификация познания как процесса жизни. Это представляет собой радикальное расширение традиционной концепции сознания/разума (mind). По Сантьягской теории, для существования сознания не обязательно наличие мозга. Бактерия или растение не обладают мозгом, но имеют сознание. Простейшие организмы способны на восприятие, и поэтому имеют сознание. Они не видят, но, тем не менее, воспринимают изменения в окружающей среде – различия между светом и тенью, горячим и холодным, высокой и низкой концентрацией химических веществ и т.п.

Новая концепция сознания (cognition) – как процесс познания (the process of knowing) – таким образом, оказывается гораздо шире, чем концепция мышления (thinking). Она включает восприятие (perception), переживание (emotion) и действие (action) – весь процесс жизни. В контексте человека познание (cognition) также включает язык, концептуальное мышление и все другие атрибуты человеческого сознания (consciousness). Однако общая идея гораздо шире, она не обязательно включает мышление.

Сантьягская теория представляет собой первую согласованную научную систему, которая преодолевает картезианский раскол. Материя и сознание больше не принадлежат двум отдельным категориям, а представляют собой различные аспекты, или измерения, одного явления – жизни.

Мозг – это специальная структура, через которую реализуется процесс познания. Отношения между сознанием и мозгом такие же, как между процессом и структурой. При этом не только мозг, а весь организм как диссипативная структура участвует в процессе познания.

В человеческом организме единая когнитивная сеть включает в себя нервную, иммунную и эндокринную системы, которые традиционно рассматривались как отдельные системы».

 

* 4-5. Ключевые признаки живых систем по Матурано и Варела:

«Живые системы – это сложные системы, которые на основе самосозидающего принципа (принципа аутопоэза) организуют сетевую диссипативную структуру и сетевые процессы познания себя и окружающей среды».

Или ещё короче: «Сложная сетевая самосозидающая система, которая обменивается со средой материей, энергией и информацией в процессе познания самой себя и среды».

Если понимать, что у каждого объекта, в том числе у живой системы, есть матрица возможных состояний, то процесс познания представляет собой освоение матрицы состояний системы, или реализацию своего потенциала. Тогда живая система кардинально отличается от неживой тем, что занимается АКТИВНЫМ освоением своей матрицы состояний

 

* 5. КЛЮЧЕВЫЕ ЧЕРТЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ — на языке управления

Несмотря на завершённость и лаконичность формулы Матурано и Варелы, мы всё же попробуем детализировать её или создать ещё одну формулу, более удобную для целей управления живыми системами.

Чего не хватает в формуле Матурано?

Суть жизни – познание, или реализация системой своего потенциала. У живой системы есть закрытая организационная структура – своего рода «программное обеспечение» для открытой материальной структуры, перекачивающей через себя материю (в т.ч. энергию) из внешней среды.

Однако остаются открытыми некоторые вопросы:

Каким образом происходит взаимодействие между системой и средой?

Что именно делает система для сохранения и воспроизведения своей структуры?

Наконец, как именно реализуется процесс познания и какую роль в этом играет среда? Как переложить формулу Матурано и Варелы на более строгий язык управления?

Для начала, мы попробуем переформулировать уже перечисленные общие свойства живых систем исходя из более общих понятий мироздания (материя, энергия и информация, пространство и время, целое и части, обмен и равновесие, порядок и хаос).

Кстати, здесь мы, как и авторы Сантьягской теории, сталкиваемся с принятым в философии противопоставлением материи и сознания. По Матурано и Вареле, в случае живых систем материя соответствует структуре, а сознание – процессу. Как неразделимы структура и процесс, так же неразделимы материя и сознание.

Немного определений:

Материя — философская категория для обозначения объективной реальности. В физике Мате́рия (от лат. māteria «вещество») — объективная реальность, содержимое пространства, одна из основных категорий науки и философии, объект изучения физики.

Matter — physical substance in general, as distinct from mind and spirit; (in physics) that which occupies space and possesses rest mass, especially as distinct from energy

The common definition of matter is anything that has both mass and volume (occupies space). (http://en.wikipedia.org/wiki/Matter)

Пространство и время — категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время — порядок смены явлений. (dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2167#ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ0 )

Пространство и время не существуют вне материи и независимо от неё. (http://slovari.yandex.ru/ пространство/БСЭ/Пространство и время/ )

Space is the boundless three-dimensional extent in which objects and events have relative position and direction. («Пространство – бесконечная трёхмерная величина, в которой объекты и события имеют относительное положение и направление») (http://en.wikipedia.org/wiki/Space)

Time is a dimension in which events can be ordered from the past through the present into the future, and also the measure of durations of events and the intervals between them. («Время – это измерение, в котором события могут быть выстроены по порядку от прошлого через настоящее в будущее, а также мера длительности событий и интервалов между ними»). (http://en.wikipedia.org/wiki/Time )

Энергия – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, мера перехода движения материи из одних форм в другие. (БСЭ) ru.wikipedia.org/wiki/Энергия

Energy — the property of matter and radiation which is manifest as a capacity to perform work (such as causing motion or the interaction of molecules) («Свойство материи и излучения, проявляющееся как способность выполнять работу – например, вызывать движение или взаимодействие молекул»).

Информация — Сообщение, осведомляющее о положении дел, о состоянии чего-н.; сведения о чём-либо, независимо от формы их представления (slovari.yandex.ru/информация/значение/ )

Information — facts provided or learned about something or someone (Oxford dictionary) («Факты, переданные или полученные о чём-либо или ком-либо»).

Выше в этом разделе мы процитировали классификацию систем по К.Боулдингу. По сути, из этой классификации вытекает, что практически любой материальный объект в мироздании, начиная с уровня атома и вплоть до уровня галактики, является, с одной стороны, той или иной системой, а с другой – элементом какой-либо более крупной системы. А систему, как мы выяснили во Введении, определяют 4 критерия: 1) элементы; 2) их взаимное расположение (упорядоченность); 3) связи и принципы взаимодействия; 4) свойства целого.

С другой стороны, у любой системы есть матрица возможных состояний, в которой интегральной характеристикой каждого состояния является ФУНКЦИЯ – результат процессов, протекающих в объекте при данном состоянии. Наконец, на примере живых систем мы выявили тесную взаимосвязь между структурой и процессами в этой структуре. Эта взаимосвязь обеспечивается организационным паттерном (принцип, механизм организации – «программное обеспечение»). Именно организационный паттерн определяет и матрицу возможных состояний системы.

Таким образом, при рассмотрении систем выявляется триединство их природы (триединство означает невозможность существования каждого из аспектов независимо от двух других): 1) структура (материя), 2) процесс (состояние, функция), 3) организационный паттерн (матрица состояний).

В данном контексте получается, что информация – это неотъемлемое свойство материального объекта, отражение процессов, происходящих с ним и в нём.

Вопросы на будущее: Отражает ли информация о системе не только процессы, но и организационный паттерн, а также матрицу состояний системы? Как из доступной информации о системе извлечь сведения о её матрице состояний? Если с помощью информации можно влиять на процессы и структуру системы, то можно ли с помощью информации повлиять на матрицу состояний системы?

Ответы на эти вопросы очень важны для задач управления. С одной стороны, объект управления невозможно перевести в состояние, не предусмотренное его матрицей. С другой – хорошее знание матрицы состояний и правильное использование внутренних принципов организации системы может обеспечить невиданные результаты. (привести примеры – физические, химические, технические системы; дрессировка животных, создание сортов растений; организация сложных социальных процессов) Наконец, можно менять матрицу состояний через изменение элементов внутри системы и принципов взаимодействия между ними.

* 5-1. Уточним понятие «информация» в контексте живых систем:

Информация – это сведения о состоянии среды (внешней и внутренней), о происходящих в среде процессах.

Важно уточнить, в какой форме может поступать в живую систему информация. В этом контексте нам, в частности, поможет понятие о «сигнальных системах» (кратко — ru.wikipedia.org/wiki/Сигнальная_система ). В любом случае, информация поступает в виде сигналов различной природы. В результате восприятия и обработки сигналов в живой системе формируется образ, характеризующий состояние среды. Этот процесс – один из важнейших в управлении. Иными словами, информационный обмен в ходе управления включает передачу и восприятие ОБРАЗОВ на различных материальных носителях.

Образ — 1. Облик, вид, подобие. 2. Живое, наглядное представление о ком-чем-нибудь. (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ushakov/894354)

  1. Внешний вид, облик; наружность, внешность. 2. Живое, наглядное представление о ком-, чём-л., возникающее в воображении, мыслях кого-л. 3. Филос. Форма восприятия сознанием явлений объективной действительности; отпечаток, воспроизведение сознанием предметов и явлений внешнего мира. 4. Обобщённое художественное восприятие действительности, облечённое в форму конкретного индивидуального явления.

в психологии — субъективная картина мира, включающая самого субъекта, других людей, пространственное окружение и временную последовательность событий. (dic.academic.ru/dic.nsf/es/672/образ)

Согласно известному выражению В.И.Ленина, для человека (и любой познающей системы – т.е. любой живой системы) субъективным образом объективного мира является ощущение.

Получается, что образ – это отражение информации в системе, куда эта информация попадает; иными словами, образ – это информация, адаптированная системой «для своих нужд», переведённая «на свой язык».

Дальше мы увидим, как тесно понятие «образ» в живых системах увязано с понятием «функция», и как живые системы управляют своими ощущениями (образами внутренней и внешней среды) с помощью поведения (в Теории перцептивного управления – Perceptual control theory, W.Powers).

 

* 5-2. Упорядоченность и хаос:

Взаимное расположение элементов и связи (взаимодействия) между ними – это два из четырёх критериев системы. Вместе их можно определить как УПОРЯДОЧЕННОСТЬ.

Существование живых систем зависит, с одной стороны, от способности поддерживать постоянство внутренней среды (гомеостаз), а с другой – от способности изменяться (адаптироваться) согласно изменениям среды. «Сохранять постоянство и изменяться» — противоречие между этими двумя задачами ежеминутно приходится разрешать. Очевидно, что поддержание упорядоченности своей внутренней структуры на фоне неизбежных изменений – это одна из ключевых задач живых систем.

При этом «упорядоченность» подразумевает соответствие организационному паттерну системы и обеспечение необходимых процессов (принцип триединства должен сохраняться).

Вопрос: А что будет, если в рамках текущей точки матрицы на фоне изменений среды становится невозможно обеспечить необходимые процессы?

– Такая ситуация вынуждает систему искать соседнюю точку в матрице состояний, в которой эти процессы будут возможны, т.е. функция будет обеспечена. В процессе этого перехода может быть необходимо изменение как расположения элементов системы, так и связей между ними. В переходном состоянии система будет вынуждена пройти через точку, в которой «старых» связей уже нет, а «новых» — ещё нет. Это переходное состояние сопряжено с временным снижением упорядоченности. Интересно, что с точки зрения иерархически более высокой системы, это может быть обычным, штатным переходом между точками матрицы. (Простой пример: превращение из гусеницы в бабочку; индивидуальное развитие человеческого организма от оплодотворённой яйцеклетки через эмбриональное развитие, рождение, смену возрастов – вплоть до смерти).

Вопрос: Как система «выбирает», в какую точку матрицы переходить из временного состояния хаоса?

Здесь мы упираемся в необходимость существования стандартных алгоритмов, если «новая» точка матрицы находится «недалеко» от старой. А как быть, если расстояние между требуемой функцией и текущей функцией очень велико? Похоже, что системе потребуется пройти через видимый хаос (отсутствие упорядоченности), в ходе которого будет продолжаться поиск новых правил взаимодействия между элементами, новых алгоритмов. Логику процессов иногда можно понять лишь перейдя на точку зрения более высокой иерархической системы.

Меру беспорядка системы, состоящей из многих элементов, принято определять как «энтропия». (ru.wikipedia.org/wiki/Энтропия , http://en.wikipedia.org/wiki/Introduction_to_entropy ).

Впервые понятие «отрицательной энтропии» предложил в 1943 году австрийский физик Эрвин Шредингер в популярной книге «Что такое жизнь?».

Эрвин Шредингер объяснил, как живая система экспортирует энтропию, чтобы поддержать свою собственную энтропию на низком уровне. При помощи термина негэнтропия, он мог выразить свою идею кратко: живая система импортирует негэнтропию для самосохранения:

«Живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию. Отрицательная энтропия — это то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив.»

В простом понимании, энтропия — это хаос, саморазрушение и саморазложение. Соответственно, негэнтропия — движение к упорядочиванию, к организации системы. По отношению к живым системам: для того, чтобы не погибнуть, живая система борется с окружающим хаосом путем организации и упорядочивания последнего, то есть импортируя негэнтропию. Таким образом объясняется поведение самоорганизующихся систем. (цитата по ru.wikipedia.org/wiki/Негэнтропия)

Что же нам дал дополнительный анализ?

1) Живая система несёт в себе материю (в т.ч. в виде энергии), определённым образом организованную (упорядоченную) в пространстве и времени. Система открыта для обмена материей со внешней средой, берёт её из внешней среды – соответственно, составляет единое целое со средой.

2) Материя, входящая в состав живой системы, вовлечена в сложную сеть процессов. Интегральным показателем этих процессов служит функция системы. Благодаря этим процессам живая система содержит в себе информацию – сведения о своей структуре и матрице состояний. Часть этой информации поступает во внешнюю среду.

3) В каждый конкретный момент живая система находится в одной из точек своей матрицы состояний. Каждой точке соответствует свой набор процессов. Матрица состояний живой системы автономна (закрыта от внешней среды). Положение в матрице состояний выбирается живой системой так, чтобы были обеспечены процессы в системе, адекватные состоянию внешней среды.

4) Живая система воспринимает информацию о внешней среде через призму своей матрицы состояний и пропускает эту информацию через фильтр своего восприятия. После прохождения через этот фильтр в системе формируется образ внешней среды (ощущения) – информация на материальных носителях системы.

5) Живая система постоянно балансирует между решением двух противоречивых задач: поддержанием своей упорядоченности – с одной стороны, и изменением адекватно изменениям внешней среды – с другой. Живой системе нужна не столько упорядоченность (структура) как таковая, сколько сохранение основного ПРИНЦИПА ОРГАНИЗАЦИИ. Этот принцип может быть реализован, в зависимости от условий внешней среды, с использованием разных элементов и процессов, в рамках имеющейся матрицы состояний. Матрица также может меняться, неизменным остаётся лишь принцип организации (самосозидающая сеть, познающая себя и среду).

6) Изменения в живой системе соответствуют её матрице состояний. Они (изменения) могут происходить в рамках данной точки матрицы состояний или требовать перехода в новую точку.

7) При изменениях живая система может использовать стандартные алгоритмы – если требования к изменению функции системы не очень велики. Если же среда требует очень резких изменений, то для перехода в новое состояние система может пройти через промежуточное состояние хаоса.

С учётом вышеизложенных определений и анализа,

* 5-3. ещё раз сформулируем общие признаки живых систем:

  1. Живая система в материальном смысле является частью окружающей среды, т.к. открыто обменивается с ней материей (в т.ч. энергией), пропуская её потоки через себя. Но при этом принцип организации живой системы остаётся автономным от внешней среды и поэтому постоянным.
  2. Материя, поступающая в живую систему из среды, вовлекается в процессы, организованные в соответствии с матрицей состояния самой системы. Наряду с материей, из внешней среды в систему поступает информация. Эта информация за счёт системы фильтров (ощущений и т.п.) преобразуется во внутренний образ среды.
  3. Активность живых систем направлена на сохранение принципа своей организации (самосозидающая сеть, познающая себя и среду), реализованного в виде материальных структур и процессов, в пространстве и времени. Это можно определить как смысл и цель их существования. В определённых рамках изменения внешней среды сохранение принципа организации живой системы связано с сохранением постоянства структур и процессов; но при очень резких изменениях среды приходится резко перестраивать структуры и процессы в системе.
  4. Для достижения своей цели живые системы используют универсальную стратегию: адаптацию (приспособление) к среде через изменение процессов, протекающих в самой системе. Поскольку возможности изменить среду у живой системы ограничены, приходится изменяться самой системе. Высокоорганизованные системы могут на время менять часть среды под свои нужды. Свойства внешней среды могут меняться с различной частотой и периодичностью (простейшие примеры – смена дня и ночи, времён года) – это тоже приходится учитывать живым системам.

 

После такого обобщения все признаки живых систем, излагаемые в учебниках, укладываются в достаточно стройную систему (см.таблицу).

Оказывается, что все эти признаки представляют собой основные алгоритмы, которые живые системы используют для реализации своей цели (сохранение принципа своей организации) через стратегию адаптации (приспособления).

Напомню, алгоритм – это порядок действий, обеспечивающий достижение определённого результата.

Это, в частности, алгоритмы взаимодействия со средой (обмен веществ, раздражимость), алгоритмы приспособления к среде (изменчивость, ритмичность, самоуправление), алгоритмы сохранения в пространстве и во времени своей организационной структуры (наследственность).

 

* Таблица 1. Свойства живых систем как алгоритмы адаптации.
Свойство Назначение алгоритма
1.    Обмен веществ 1.    Взаимодействие со средой для организации собственных материальных структур и процессов
2.    Самовоспроизводство 2.    Сохранение во времени – реализация принципа самосозидания
3.    Изменчивость 3.    Приспособление к среде через изменение собственных процессов и структур
4.    Наследственность 4.    Сохранение организационной структуры при самовоспроизводстве
5.    Раздражимость 5.    Восприятие информации из среды
6.    Развитие 6.    Реализация потенциала, обеспечивающего максимальную адаптацию и познание себя (освоение матрицы состояний) и среды
7.    Ритмичность 7.    Приспособление к периодическим изменениям (колебательным процессам) в среде
8.    Структурная организация – клетка 8.    Принцип (архитектура) построения из относительно автономных элементов. Архитектура для организации процессов, имеющих различную частоту.
9.    Самоуправление на каждом уровне организации 9.    Приспособление через самоорганизующиеся вложенные процессы

 

 

Особое внимание обратим на два свойства: развитие и самоуправление на каждом уровне организации.

Такое свойство как РАЗВИТИЕ (ru.wikipedia.org/wiki/Развитие) отражает ещё одну фундаментальную движущую силу в живых системах – потребность в РЕАЛИЗАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА, заложенного в системе, или, иными словами, активном освоении матрицы потенциально доступных состояний.

Это свойство живых систем – потребность в реализации потенциала – отражено в теории Сложных адаптивных систем, а также в понимание жизни как процесса познания у Матурано и Варелы.

(Pushnoi, G. S., Bonser G. L. (2008). Method of Systems Potential as «Top-Bottom» Technique of the Complex Adaptive Systems Modelling. In Ang Yang & Yin Shan (eds.) Intelligent Complex Adaptive Systems, IGI-Publishing, Hershey-London, 26-73).

Любой объект и процесс обладает матрицей потенциально возможных состояний, переход между которыми возможен при определённых условиях, т.е. подчиняется определённым законам. Стремление освоить эту матрицу, реализовать свой потенциал – это уникальное свойство живых систем, составляющее движущую силу развития.

Второе свойство – САМОУПРАВЛЕНИЕ на каждом уровне организации – указывает на ряд интересных особенностей живых систем:

  • Живые системы построены как вложенные друг в друга структуры. Очевидно, что на каждом уровне элементы иерархически подчинены структуре как целому. А это целое, будучи элементом структуры более высокого порядка, в свою очередь, также иерархически подчинено этой более высокой структуре/ системе. Напомним, что иерархичность – общее свойство всех систем (см.Введение)
  • В каждой структуре, на каждом уровне организации, протекают самоуправляемые процессы.
  • Процессы, протекающие в живых системах, можно представить как самоуправляемые вложенные иерархически подчинённые процессы.

Понятие о самоуправляемых вложенных процессах подводит нас к следующему вопросу – об уровнях организации живых систем.

 

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ раздела «Ключевые свойства живых систем»:

  • Живые системы составляют особый класс сложных систем. Они отличаются от неживых систем благодаря ряду особых свойств (признаков), через которые, собственно, и даётся определение живого.
  • Сложные системы характеризуются тремя основными аспектами: 1) Материальные элементы/структуры; 2) Принципы построения структур /взаимодействия элементов; 3) Процессы, возникающие в результате. По аналогии с компьютерами, это триединство «железа», «программного обеспечения» и «функционала».
  • По Матурано и Варела, «Живые системы – это сложные системы, которые на основе самосозидающего принципа (принципа аутопоэза) организуют сетевую диссипативную структуру и сетевые процессы познания себя и окружающей среды».
  • С точки зрения матрицы состояний, которой обладает любая система, кардинальное отличие живой системы – в том, что она АКТИВНО осваивает свою матрицу состояний, в чём и заключается процесс познания.
  • Признаки живых систем можно рассматривать через призму фундаментальных понятий мироздания. Эти понятия выявляют тесную взаимосвязь между структурой (материей) и процессами в этой структуре (функция = состояние = информация); взаимосвязь обеспечивается организационным паттерном, который определяет матрицу возможных состояний системы.
  • Живая система – это особая сложная система, высоко упорядоченная часть среды (материального пространства). Эта часть среды: 1) сама созидает себя, организует свои сетевые структуры и процессы в соответствии с автономными принципами своей организации, 2) активно пропускает через себя материю (в т.ч. энергию) из окружающей среды, 3) познаёт себя и окружающую среду.
  • Какова цель существования живой системы? Её цель – освоить (воплотить) принципы своей организации в форме доступных сетевых материальных структур и процессов. В этом – основной смысл существования живых систем. «Познание», предложенное Сантьягской теорией, по сути, является воплощением принципов организации живых систем на материале конкретных структур и процессов, предусмотренных матрицей состояний системы.
  • Как живые системы добиваются своей цели? Через адаптацию к среде, т.е. изменение своих собственных процессов и структур адекватно изменениям (требованиям) среды. Адаптация – основная стратегия как сохранения живыми системами своих принципов организации, так и воплощения этих принципов на конкретном материале. Второй важнейшей стратегией живых систем в освоении принципов организации является РАЗВИТИЕ.
  • Живые системы имеют в своём арсенале большой набор алгоритмов адаптации к среде. Среди них есть:

— алгоритм организации процессов с использованием архитектуры построения из вложенных друг в друга структур; каждая из структур обладает относительной автономией (самоуправлением), но при этом подчинена структуре более высокого порядка (встроена в иерархию); элементарная автономная структура – клетка;

— алгоритм пропускания через свои структуры и процессы веществ и энергии из среды – обмен веществ;

— алгоритм восприятия из среды информации – раздражимость;

— алгоритм изменения своих структур и процессов в соответствии с изменениями среды – изменчивость;

— алгоритм подстраивания под периодические изменения (колебательные процессы) в среде – ритмичность (биоритмы);

— алгоритмы сохранения и воспроизведения своей организационной структуры во времени – самовоспроизводство и наследственность;

— алгоритм максимального приспособления к среде через наиболее полную реализацию потенциала, заложенного в систему – развитие.

Дальше мы разберём подробнее некоторые из указанных алгоритмов живых систем.

 

Контрольные вопросы к разделу:

  • Перечислите три измерения любого объекта, которые следует учитывать при системном подходе.
  • Каково принципиальное отличие сложной системы от простой?
  • Какую шкалу сложности систем (9 уровней) предложил Кеннет Боулдинг?
  • Сравните общие свойства сложных систем (8) с общими свойствами систем (3). Насколько они кардинальны?
  • Каковы три аспекта существования любой сложной системы? (чем определяется и в чём реализуется существование любой системы) Сравните с персональным компьютером.
  • Как вы понимаете понятие «матрица состояний» объекта (системы, процесса)?
  • Как связана вероятность достижения той или иной точки матрицы состояний с управлением?
  • Какова интегральная характеристика состояния системы?
  • Что может изменяться в системе при её переходе из одной точки матрицы состояния в другую?
  • О каких трёх концептуальных плоскостях говорит Ф.Капра, обсуждая критерии отличия живых систем от неживых? Как это соотносится с тремя аспектами существования любой сложной системы?
  • Что предложил Ф.Капра в качестве паттерна организации живых систем, структуры живых систем и процесса жизни?
  • (продолжение следует)

Наверх

К содержанию

К следующему разделу курса