Развитие целостных природных систем, независимо от их генезиса, обеспечивается за счет поступления энергии, вещества и информации из среды и выделения их за пределы своих границ. Динамика разницы расходов вещества и энергии в этих двух потоках в течение времени и определяет развитие системы, а установление баланса вещества и энергии на входе и выходе системы характеризует ее динамически равновесный режим.
        Целостные системы различных рангов и типов имеют пространственно-временной предел развития, или “заданное состояние”, к которому они постоянно стремятся. Потоки энергии и вещества, определяющие развитие природных систем, представляются как потоки, формирующие системы, - F-потоки, и потоки, вызывающие их деградацию, разрушение, - D-потоки.
        Действие F-потоков, формирующих систему, необратимо направлено к росту показателей, характеризующих их выходные параметры: размеры, объем, продуктивность и пр.
        Расход вещества и энергии в F-потоке с приближением систем по своим размерам к некоторой предельной величине затухает. Это связано с тем, что все целостные саморегулирующиеся образования по объективным причинам, вытекающим из особенностей внутреннего строения и функционирования, имеют предел роста. Он задается в силу действия обратной отрицательной связи: чем больше увеличивается система по объему, суммарной массе, продуктивности или другим выходным параметрам, тем меньше вещества и энергии, необходимых для ее существования и развития, она накапливает. Если бы система достигла своих предельных размеров (характеристик), то ее функции сводились бы к переработке поступающих из среды веществ и энергии в другие их формы и выделению их в пространство (в среду) в том же количестве. Этим обеспечивалось бы существование целостной системы, но рост ее прекратился бы, она повторяла бы себя по содержанию, по форме и по размерам. Данный механизм саморегулирования характерен для целостных природных и искусственных образований любых видов: биотических, абиотических (косных), биокосных и др. Естественно, что не сами размеры и не продуктивность систем играют роль обратной отрицательной связи, а изменяющийся вследствие роста размеров систем расход веществ и энергии. Одно и то же количество вещества и энергии со временем распределяется все более возрастающему количеству “потребителей”, составляющих систему элементов.
        D-потоки, ведущие к дезорганизации систем, - это та часть вещества и энергии, которая изымается из количества МЕI, накапливаемых в самой системе, и используется другой формирующейся системой. При этом система теряет возможность достичь своего наивысшего уровня развития, и у нее, таким образом, устанавливается новый, более низкий предел по МЕI и характерному времени развития. Иначе говоря, некоторая часть МЕI выступает в качестве F-потока, формирующего другую систему, организующую D-поток.
        Если F-поток - это поступление MEI из среды, то D-поток - это “вынужденный” расход MEI самой системой. F-поток формируется на среде, а D-поток - на конкретной системе; F-поток характеризует систему как “хищника” (потребителя ресурсов), D-поток эту же систему характеризует как “жертву” (ресурс, обеспечивающий, удовлетворяющий потребности других систем).
        Действие D-потоков, направленных на деградацию и разрушение системы, тоже необратимо и ведет к уменьшению величин выходных характеристик систем (их продуктивности, размеров и пр.). Рост размеров систем, по мере приближения к своим предельным характеристикам, асимптотически затухает, в силу того, что величина расхода в D-потоке стремится к таковой в F-потоке. Однако при этом расходы вещества и энергии в D-потоке, с увеличением размеров системы, растут до некоторой предельной величины. Следовательно, F- и D-потоки имеют свои индивидуальные пределы действия. Теоретически в конечном варианте развития системы должен устанавливаться баланс расходов вещества и энергии в обоих потоках, характеризующий состояние динамического равновесия системы. Практически же это состояние никогда не достигается, хотя стремление к нему объективно, оно, можно сказать, имманентно присуще всем целостным саморегулирующимся образованиям.
        Таким образом, формирование, развитие и саморегулирование целостных природных образований осуществляется через диалектическое взаимодействие двух потоков вещества и энергии противоположной направленности. Это взаимодействие обусловливает спонтанное стремление геосистем к состоянию динамического равновесия, представляющего собой не что иное, как аттрактор. Оно характеризует завершение этапа формирования системы как целостной относительно самостоятельной единицы. Ясно, что состояние аттрактора не есть прекращение развития или эволюции систем. Состояние аттрактора - это стационарный, установившийся режим развития системы, когда энтропия ее в течение времени значительно не меняется при непрекращающемся поступлении и диссипации энергии и вещества. Система, находящаяся в состоянии динамического равновесия, является типично диссипативной самоорганизующейся структурой.
        Целостная система при постоянстве расходов вещества и энергии, поступающих из среды, и в отсутствие системы, создающей D-поток, развивается детерминированно и с насыщением в направлении достижения некоторого предела, зависящего от емкости среды, по накоплению MEI внутри системы, когда расходы вещества и энергии на ее входе и выходе равны. Однако в силу того, что D-поток формируется из F-потока системы и расход в нем веществ и энергии изменяется по тому же логистическому закону, что и в F-потоке, то сложение их приводит к автоколебанию. Механизм его заключается в следующем.
        С появлением F-потока вещества и энергии и началом формирования целостной системы (оно происходит через преобразование исходных МЕI в новые их формы, накапливающиеся в системе и выделяемые в среду), по истечении некоторого времени, зарождается D-поток вещества и энергии, питающий систему “хищник” за счет преобразования вещества, энергии и информации системы “жертва”.

Рис. 2. Характер взаимодействия систем S1 (жертва) и S2 хищник
 

        Разделимость по времени формирования, следовательно, и по количеству накопленных внутри себя веществ и энергии, является причиной колебательного характера взаимоотношений этих систем даже при постоянстве поступления МЕI из среды. C ростом расходов вещества и энергии в D-потоке расход их в F-потоке уменьшается, а затем начинается спад продуктивности системы “жертва”. Естественно, что через некоторое время начинается спад продуктивности и системы “хищник”. Таким образом, динамика обеих систем является взаимосвязанной. Она имеет ясно выраженный колебательный характер. Изменение размеров, например, продуктивности системы по весу или объему накопленного вещества, описывается системой двух уравнений:

dM1 /dt= r1 (M1 с - m1 (t))- М2dM1 /dt;

dM2 /dt= М2 r2 (M2c - m2 (t) dm1 / dt,
 

        где M1 и M2 - размеры систем; m1 (t) и m2 (t) - текущие размеры систем; M1c и М2c - предельные размеры систем; r1, r2 - коэффициенты усвояемости системами веществ и энергии.

        Взаимодействие систем представлено на рис. 2.
        Если бы из среды поступало постоянное количество вещества и энергии, а системы S1 и S2 развивались бы независимо друг от друга, то нарастание их размеров происходило бы по логистическому закону - размеры каждой системы (по суммарной массе или объему) асимптотически росли бы до некоторой предельной величины МEI1 и МEI2 (кривые S1 и S2), но затем начался бы спад их продуктивности. Он обусловливается дефицитом ресурсов и развитием конкуренции между элементами, составляющими систему. Иначе говоря, в условиях дефицита ресурсов единая система, состоящая из одного вида подсистем, разделяется на две подисистемы - подсистему “хищник” и подсистему “жертва”. В условиях же взаимозависимого развития и временной несогласованности, накопление MEI в системе S1 (жертва) затухает не только в связи с особенностями ее собственного функционирования, но, в большей мере, в результате изъятия у нее вещества и энергии системой S2 (хищник). И тогда устанавливается новый, более низкий предел их развития (MEI1+MEI2). Вследствие того, что система S1, отдавая часть MEI системе S2, в размерах и по продуктивности убывает, а система S2 за счет этого растет, то процесс направлен к равенству: МEI1=МEI2, за которым начинается обратный, регрессивный процесс развития систем.
        Из вышеизложенного следует, что самостоятельно развивающаяся целостная система при постоянстве расходов вещества и энергии характеризуется двумя режимами развития: режимом переходного развития, когда система, накапливая в себе МЕI, быстро увеличивается в размерах; и установившимся режимом, когда система по своим размерам достигает предела. Длительность установившегося, или стационарного режима для одной независимо развивающейся системы определяется длительностью сохранения условий поступления вещества и энергии. Если поступление MEI из среды меняется по времени t, то система по своим размерам (и продуктивности) с некоторым запаздыванием по t меняется в соответствии с МЕI(t) на ее входе. При этом каждому изменению МЕI соответствует переходный режим развития системы. Ясно, что в связи с этим меняются и выходные характеристики системы по выделяемым ею веществу и энергии, а система в целом переходит в режим развития равновесных процессов.
        Таким образом, цикл развития системы состоит из 3-х стадий.
1 - начальный, переходный режим формирования, когда система, накапливая вещества и энергию, растет.
2 - установившийся, или динамически равновесный период (климаксное состояние), когда система “хищник - жертва” находится в режиме согласованного автоколебания, не выходящего по амлитуде и частоте за некоторые границы. Динамически равновесное состояние развития системы в целом является детерминированным в том отношении, что суммарное количество энергии и вещества внутри системы в течение времени меняется незначительно, в среднем оставаясь величиной постоянной. При этом устанавливается баланс (динамическое равновесие) в количествах вещества и энергии, выделяемых системой в среду и потребляемых из среды. Система становится термодинамически равновесной: количественные характеристики составляющих баланса изменяются в соотвествии с изменением поступления вещества из среды.
3 - переходный период на спаде развития системы, когда она начинает разрушаться или видоизменяться в силу прекращения поступления вещества и энергии или при поступлении их в виде резко неупорядоченного по расходам потока. При этом количество запасенного вещества и энергии внутри системы убывает.

Статьи других авторов

На главную