СИСТЕМНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИИ

Изданная в 1971 г. и переведенная на русский язык в 1975 г. книга Юджина Одума "Основы экологии" стала первой монографической работой, в которой системный подход был поставлен «во главу угла» экологии. В 1983 г. вышло в свет написанное с системных позиций практически новое двухтомное издание работы Ю. Одума "Экология", которое также было переведено на русский язык в 1986 г. Автор настоящей статьи в 1984 г. опуб — ликовал монографию "Модели в фитоценологии", в которой целая глава была посвящена описанию методов системного анализа. Наконец, в первом издании учебного пособия [2283] и учебниках [2284, 2287, 2288] изложение экологии также велось с использованием методов системологии.

Отметим при этом, что системный подход не всеми экологами признается «базо — вым» для экологии. Американский эколог Роберт Макинтош [3920] называет системную экологию «браком под ружьем» инженерии и экологии, а академик В. Е. Соколов [2543, с.

7] в предисловии редактора перевода к двухтомнику Ю. Одума писал: «…иногда прихо-дится читать о преимуществах системного подхода перед всеми другими способами науч — ного исследования… приходится констатировать, что системный подход – это предвзятый подход». Б. М. Миркин и Л. Г. Наумова [1754] считают, что «…понятие "системный подход" сегодня изрядно затаскано и стало обыденным научным клише, которое уже приносит скорее вред, чем пользу».

Вообще говоря, системный подход не является строго методологической концепци-ей, что отмечал еще А. А. Ляпунов [1574]: он выполняет эвристические функции, ориенти-руя конкретные экологические исследования в двух основных направлениях:

§ во-первых, его содержательные принципы позволяют фиксировать недостаточность старых, традиционных методов изучения экосистем для постановки и решения новых задач их целостного исследования;

§ во-вторых, понятия и принципы конструктивного системного подхода (некоторые из

них излагаются далее, что существенным образом отличает его от просто «терминоло — гических изысков») помогают создавать новые программы изучения, ориентированные на раскрытие сущности процессов трансформации энергии, передачи вещества и ин — формации в экосистемах.

1. ЧТО ТАКОЕ «СИСТЕМА»?

С середины ХХ в. понятие «система» (от греч. systema – целое, составленное из час — тей) становится одним из ключевых философско-методологических и специально-научных понятий. Правда, в системологии это понятие сложилось еще не до конца и многие авторы в его трактовке вводят в определение свои критерии. Традиционным является следующее определение: система – совокупность элементов со связями между ними. Следует сра — зу оговорить относительность этого определения. Так, элемент системы из-за иерархиче — ской структуры мира сам оказывается системой со своими элементами. Фиксация системы делит мир на две части – на систему и среду. При этом подчеркивается бόльшая сила свя — зей элементов внутри системы по сравнению с силой связей с элементами среды.

Однако это определение не является полным и в класс однотипных систем могут попасть значительно различающиеся объекты. Приведем простой пример, заимствован — ный из работы Ю. А. Урманцева [2755, с. 60]. Пусть элементами интересующей нас сис-

темы будут атомы углерода С и водорода Н, отношением, связывающим их, будет от — ношение химического сродства (это отношение отражает сущностные свойства химиче — ских элементов и не является надуманным). На этой основе можно построить систему уг — леводородов, которая включит подсистемы предельных (метан, этан, пропан, бутан и т. д.) и непредельных углеводородов (метил, этил, пропил, бутил и т. д.). Теснота связей между химическими элементами внутри этой системы будет отличаться от связей между, напри — мер, углеродом и кислородом (СН2 и СО2) или серой и кислородом (СН2 и SО2). Од — нако выделенная только по этим критериям группа углеводородов оказывается состоящей из двух самостоятельных вных направлениях:

§ во-первых, его содержательные принципы позволяют фиксировать недостаточность старых, традиционных методов изучения экосистем для постановки и решения новых задач их целостного исследования;

§ во-вторых, понятия и принципы конструктивного системного подхода (некоторые из

них излагаются далее, что существенным образом отличает его от просто «терминоло — гических изысков») помогают создавать новые программы изучения, ориентированные на раскрытие сущности процессов трансформации энергии, передачи вещества и ин — формации в экосистемах.

1. ЧТО ТАКОЕ «СИСТЕМА»?

С середины ХХ в. понятие «система» (от греч. systema – целое, составленное из час — тей) становится одним из ключевых философско-методологических и специально-научных понятий. Правда, в системологии это понятие сложилось еще не до конца и многие авторы в его трактовке вводят в определение свои критерии. Традиционным является следующее определение: система – совокупность элементов со связями между ними. Следует сра — зу оговорить относительность этого определения. Так, элемент системы из-за иерархиче — ской структуры мира сам оказывается системой со своими элементами. Фиксация системы делит мир на две части – на систему и среду. При этом подчеркивается бόльшая сила свя — зей элементов внутри системы по сравнению с силой связей с элементами среды.

Однако это определение не является полным и в класс однотипных систем могут попасть значительно различающиеся объекты. Приведем простой пример, заимствован — ный из работы Ю. А. Урманцева [2755, с. 60]. Пусть элементами интересующей нас сис-

темы будут атомы углерода С и водорода Н, отношением, связывающим их, будет от — ношение химического сродства (это отношение отражает сущностные свойства химиче — ских элементов и не является надуманным). На этой основе можно построить систему уг — леводородов, которая включит подсистемы предельных (метан, этан, пропан, бутан и т. д.) и непредельных углеводородов (метил, этил, пропил, бутил и т. д.). Теснота связей между химическими элементами внутри этой системы будет отличаться от связей между, напри — мер, углеродом и кислородом (СН2 и СО2) или серой и кислородом (СН2 и SО2). Од — нако выделенная только по этим критериям группа углеводородов оказывается состоящей из двух самостоятельных систем с различными свойствами. Для их идентификации со — вершенно необходимо задать еще один критерий, который Ю. А. Урманцев назвал "зако — ном композиции". Если указать один из законов (СnН2n+2 или СnН2n), то систему пре — дельных или непредельных углеводородов можно выделить однозначно.

Аналогичный пример можно найти и в экологических (геоботанических) работах.

Так, рассматривая классификацию степной растительности Урало-Илекского междуречья [778], построенную на доминантной основе, не трудно увидеть, что сообщества со сход — ным флористическим составом (Poa stepposa, Hеlictotrichon desertorum, Stipa zalesskii, Phleum phlejides, Anemone sylvestris и пр.) и, по-видимому, с достаточно сходным взаимо — действием видов отнесены не только к разным ассоциациям, но и к разным формациям (овсецево-степномятликовая и степномятликово-залесскоковыльковая) по доминированию в сообществе одного или другого вида. В данном случае «доминирование» и выступает в качестве закона композиции, что позволяет авторам выделить и ограничить различные системы растительных сообществ. Выбор другого закона композиции (например, флори — стических критериев в духе школы Браун-Бланке) даст возможность объединить те же объекты в другую систему.

Таким образом, знание законов композиции при определении системы играет

очень важную роль, особенно для построения теории данного класса систем. Кстати, формализация законов композиции должна способствовать приданию строгости и кор — ректности при определении «более сильных» отношений между элементами системы по сравнению с другими элементами или системами.

2. ЧТО ТАКОЕ «СЛОЖНАЯ СИСТЕМА»?

Каждая система определяется некоторой структурой (элементы и взаимосвязи ме — жду ними) и поведением (изменение системы во времени). Для системологии они являют — ся такими же фундаментальными понятиями, как пространство и время для физикализма (кстати, для последнего они являются изначально неопределяемыми понятиями). В систе- мологии под структурой понимается инвариантная во времени фиксация связей меж- ду элементами системы, формализуемая, например, математическим понятием «гра- фа». Под поведением системы понимается ее функционирование во времени. Изме — нение структуры системы во времени можно рассматривать как ее сукцессию и эволюцию. Различают неформальную структуру системы (в качестве элементов которой фигуриру — ют «первичные» элементы, вплоть до атомов) и формальную структуру (в качестве эле — ментов фигурируют системы непосредственно нижестоящего иерархического уровня).

Сложность системы на «структурном уровне» задается числом ее элементов и свя — зей между ними. Дать определение «сложности» в этом случае крайне трудно: исследова — тель сталкивается с так называемым «эффектом кучи» (один шар – не куча, два шара – не куча, три – не куча, а вот сто шаров – куча, девяносто девять – куча; так, где же граница между «кучей» и «не кучей»?). Кроме того, относительность понятия «структура» (деле — ние на формальную и неформальную структуры) заставляет вообще отказаться от него при определении сложности системы. Определить, что такое «сложная система» на «поведен — ческом уровне» представляется более реалистичным.

Б. С. Флейшман [2815] предложил пять принципов усложняющегося поведения систем, представленных на схеме.

? уровни

Рефлексия Преадаптация Принятие решений

Гомеостаз (обратные связи)

5

4 сложные

3 айние (малочисленные) классы – о более резких и значительных изменениях. Наконец, высший (на сегодняшний день), пятый уровень сложности объеди- няет системы, связанные поведением интеллектуальных партнеров, основанных на рассу — ждениях типа «он думает, что я думаю» и т. д. (классический пример – шахматная партия и просчет соперниками возможных вариантов ее развития). По-видимому, непосредственно к экологии этот тип поведения не имеет отношения, но он становится определяющим при рациональном природопользовании и, особенно, социальных аспектах взаимодействия

«Человек – Природа».

Системы, включающие в себя в качестве хотя бы одной подсистемы решаю — щую систему (поведению которой присущ акт решения), будем называть сложными (системы 3-5 уровней; такие системы изучает системология). Стремление системы дос- тигнуть предпочтительного для нее состояния будем называть целенаправленным поведе — нием, а это состояние – ее целью. Целями обладают лишь сложные системы.

Сложные системы, в отличие от простых, имеют большое число существенно взаи — мосвязанных качеств. Поэтому аналитические модели отдельных их качеств не адекватны им, а имитационные модели достаточно большой совокупности их качеств весьма сложны и недостаточно общи (в этой ситуации возникает вопрос – что же тогда можно считать законами системологии и, как следствие, экологии?).

3. ОСНОВНОЙ ОБЪЕКТ ЭКОЛОГИИ

Концепция экосистем по Ю. Одуму [1936, 1937] является главенствующей в со — временной экологии – именно на изучении свойств структуры и динамики экосистем должны быть сконцентрированы усилия экологов. Представляет интерес проанализиро — вать ряд определений природных объектов, которые, по мнению исследователей, могут претендовать на роль основных изучаемых объектов в экологии.

Приведенные в табл. 1 структурные формулы1 позволяют единообразно предста-вить сравниваемые понятия: Рi – популяция i, В – биоценоз, Е – экотоп, S – некоторая область пространства, Ph – пространство в границах фитоценоза, R – характеризующие объект потоки энергии и вещества (кстати, существенную роль в организации и экосисте — мы, и биогеоценоза будут играть и потоки информации) и, наконец, Ç, Î, ®, È – знаки для описания взаимодействия, принадлежности, характеристики и объединения объектов.

Отсюда легко видеть различия между тремя главными понятиями: сообщество, экосистема и биогеоценоз, претендующими на роль основного объекта экологии. Ясно, что группа взаимодействующих популяций Рi будет некоторой подсистемой системы биоценоза и экотопа (B Ç E) в одной и той же области S, т. е. любое сообщество является экосистемой.

Более последователен в различии сообщества и экосистем Роберт Уиттекер [2718],

чья монография так и называется "Сообщества и экосистемы". Под сообществом он пони-мает «…живую систему взаимодействующих между собой видовых популяций» (с. 70), а

«…градиент среды вкупе с соответствующим градиентом сообществ – это есть градиент экосистемы» (с. 191).

Что касается экосистемы и биогеоценоза, то лучше всего привести определение

Е. М. Лавренко и Н. В. Дылиса [1449, с. 159]: «Биогеоценоз – это экосистема в границах

фитоценоза», что полностью соответствует структурным формулам при конкретизации пространства S площадью фитоценоза Ph. Т. А. Работнов [2193, с. 49] отмечает, что

«…основное различие между экосистемой и биогеоценозом в том, что экосистема – без-размерное образование, а биогеоценоз – хорологическая единица, имеющая определенные

границы». Здесь также легко привести пример экосистемы, которая не является биогеоце-нозом (например, кабина пилотируемого космического корабля).

1 Структурные формулы в данном контексте представляют собой символическую запись опреде — лений понятий «сообщество», «экосистема», «биогеоценоз» с использованием некоторых мате — матических символов и буквенных обозначений.

Системы, претендующие на роль основного объекта экологии

Таблица 1

Термин

Определение

Структурная формула

Сообщество

Группы взаимодействующих популяций,

которые встречаются в одной и той же об — ласти. "В сущности, термин «сообщест — во» можно с успехом использовать для обозначения любой группы взаимодейст — вующих популяций… нужно лишь доста — точно четко обозначить границы сообще — ства" [2235, с. 331].

Ç Pi Î S

Экосистема

Любая единица (биосистема), включаю-щая все совместно функционирующие ор — ганизмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что по — ток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот ве — ществ между живой и неживой частями [1937, с. 24].

(B Ç E) Î S ® R

Биогеоценоз

Биокосная открытая система, являющаяся

частью биосферы, находящаяся под воз-действием внешних по отношению к ней факторов, характеризующаяся свойствен — ным ей взаимодействием слагающих ее биотических (автотрофных, в основном фототрофных, и гетеротрофных организ — мов) и абиотических компонентов и опре — деленным типом обмена веществом и энергией между ними и компонентами других биокосных и косных систем, гра — ницы которой определяются границами свойственного ей фитоценоза [2194, с. 8].

(B Ç E) Î Ph ® R

Приведенное в табл. 1 определение «биогеоценоза» является уточненным по отно-шению к исходному понятию, предложенному В. Н. Сукачевым. Еще одно определение,

«сужающее» рамки исходного понятия путем уточнения границ биогеоценоза, было пред-ложено Н. В. Тимофеевым-Ресовским и А. Н. Тюрюкановым [2655]: биогеоценоз ограничен не только фитоценозом, но и должен быть однороден по почвенно-геохимическим, микро — климатическим и геоморфологическим параметрам, т. е. среда S в этом случае задается пересечением однородных участков растительности (Ph), почвы (So), климата (Cl) и геоморфологии (G):

S = Ph Ç So Ç Cl Ç G.

Естественно, что в этом случае площадь биогеоценоза будет меньше (или, в край-нем случае, равна) площади биогеоценоза по Сукачеву.

Подводя итог этому краткому сравнению, отметим, что все рассмотренные объекты являются системами взаимодействующих биоценотических и экотопических составляю — щих и различия наблюдаются лишь в определении границ этих систем в природе. Конкре — тизация границ экосистемы во многом зависит от целей исследования (вплоть до выделе- ния групп сопряженных видов для анализа их взаимодействия в рамках моделей Лотка– Вольтерра или при построении флористической классификации растительности). С дру — гой стороны, точное задание границ, например, биогеоценоза, подразумевает разделение непрерывного по своей природе пространства экоценотических факторов на своеобразные дискретные «соты», что отражает организменные аналогии в противовес современным континуальным представлениям об экологических объектах.

Все это заставляет рассматривать «экосистему» в определении Ю. Одума как основной объект экологического исследования. И теоретически, и операционально можно определить только нижнюю границу экосистемы: ее масштаб задается основной функцией – биогенным круговоротом вещества, сопровождаемым потоками энергии и ин — формации. Биом (ландшафтная зона) или биосфера в целом также выполняют ту же функ — цию, поэтому верхняя граница экосистемы устанавливается условно. В свою очередь, по — нятием «экосистема» задается верхняя граница по градиенту объектов экологии: особь – популяция – экосистема (соответственно, экология как наука подразделяется на аутэ — кологию, демэкологию и синэкологию).

4. ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ СВОЙСТВА ЭКОСИСТЕМ

Важное следствие системного подхода к изучению экологических феноменов – раз — личение простых и сложных свойств экосистем. В системологии под целостными (сложными) параметрами понимают такие характеристики, которые присущи целой сис — теме, но либо отсутствуют у составляющих ее элементов, либо имеются и у элементов, и у системы в целом, но не выводимы для последней из знания их для элементов. Это и есть принцип эмерджентности (см.: [2222]), важную роль которого в экологии особо подчер — кивает Ю. Одум [1937, с. 17]: «…принцип не сводимости свойств целого к сумме свойств его частей должен служить первой рабочей заповедью экологов». К сожалению, собствен — но сложные параметры экосистем анализируются не часто – исключение составляет анализ устойчивости (см. обзор: [2398]) и живучести экосистем [1358, 2817]. Основное внимание экологов сконцентрировано на энергетических аспектах функционирования экосистем.

Энергетические концепции в современной экологии занимают главенствующее по — ложение. При этом энергетический подход сводится к детализации физических законов сохранения вещества и энергии в форме балансовых соотношений, т. е. в аддитивной фор — ме, и, следовательно, служит для характеристики простых свойств сложных систем (со- вокупные свойства). Для этих целей действительно плодотворным является язык, напри — мер, дифференциальных уравнений, с помощью которого в основном и создаются много — численные математические модели экосистем. Для построения теории простых парамет — ров такой подход является не только необходимым, но и достаточным, а вот для исследо — вания сложных параметров такие рассмотрения, будучи необходимыми, явно недостаточ — ны. Так, например, биомассу некоторого растительного сообщества (простое, совокупное свойство) можно узнать путем взвешивания и суммирования веса каждого растения. Од — нако, как справедливо подчеркивает К. А. Куркин [1434], знание биологической продук — тивности, хотя и представляет известный интерес, не содержит полной информации об ин — тегральных качествах (например, замкнутости или целостности растительного сообщест — ва). Таким образом, в противоположность оценке вещественно-энергетических парамет — ров (простых характеристик экосистем) системный подход ориентирует на исследование сложных (функциональных) характеристик.

С этих позиций проясняется роль теоретических построений в экологии. Законы

теоретической экологии должны быть направлены на вскрытие именно отношений

между экосистемами и слагающими их компонентами, с одной стороны, и их целост — ными характеристиками – с другой. Иными словами, должны быть получены ответы на такие вопросы: какие экосистемы обладают теми или иными целостными характеристика — ми и какие целостные свойства присущи экологическим объектам (например, для расти — тельного сообщества такими целостными характеристиками будут устойчивость, слож — ность, непрерывность, а такая характеристика, как замкнутость, имеется у фитоценоза и отсутствует у пионерной группировки). Наконец, множество отношений между экологи- ческими объектами определяет многообразие экологических явлений и процессов (напри — мер, непрерывный характер изменения растительности в пространстве и во времени).

Таким образом, роль системного подхода в создании экологической теории сводит — ся к заданию «полного списка» экосистем (множество I), их целостных характеристик (множество II) и построению формализованных отношений (законов) как между этими двумя множествами, так и между элементами первого из них. Сложные системы, в отли- чие от простых имеют большое число существенно взаимосвязанных качеств, и потому сама категория «закона» для системологии отличается от таковой для теории простых сис — тем. Прежде чем рассмотреть эти различия сформулируем основные принципы системо — логии на содержательном уровне.

5. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМОЛОГИИ

Среди принципов системологии можно выделить несколько основных [2819, 2258].

Принцип иерархической организации (или принцип интегративных уровней; [1936]): позволяет соподчинить друг другу как естественные, так и искусственные системы (см. рис. 1).

Данная схема достаточно условна (например, такой объект, как почва, должен рас-сматриваться как объединение объектов иерархий А, B и C, а промыслово — хозяйственные системы – как объединение объектов иерархий C, D и E). Несмотря на это, принцип иерархической организации оказывается весьма полезным при изучении сложных систем (ниже будет рассмотрен еще один связанный с этим принцип – принцип рекуррентного объяснения).

На примере этого принципа также хорошо иллюстрируются отказ от редукцио-низма как методологии изучения сложных систем и возможность использования ре — дукции как метода (схема иерархической организации мира основана на редукции; более подробно соотношение редукционизма и холистизма рассмотрено ниже в разд. 7).

Принцип несовместимости Лотфи Заде [1016]: чем глубже анализируется реаль-ная сложная система, тем менее определенны наши суждения о ее поведении. Иными сло — вами, сложность системы и точность, с которой ее можно анализировать, связаны обрат — ной зависимостью: «…исследователь постоянно находится между Сциллой усложненности и Харибдой недостоверности. С одной стороны, построенная им модель должна быть про — стой в математическом отношении, чтобы ее можно было исследовать имеющимися сред — ствами. С другой стороны, в результате всех упрощений она не должна утратить и "рацио- нальное зерно", существо проблемы» [2357, с. 28]).

Принцип контринтуитивного поведения Джея Форрестера [2825]: дать удовле-творительный прогноз поведения сложной системы на достаточно большом промежутке времени, опираясь только на собственный опыт и интуицию, практически невозможно. Это связано с тем, что наша интуиция «воспитана» на общении с простыми системами, где связи элементов практически всегда удается проследить. Контринтуитивность поведения сложной системы состоит в том, что она реагирует на воздействие совсем иным образом, чем это нами интуитивно ожидалось.

Остальные принципы относятся к моделям сложных систем и составляют, собст-венно, основу конструктивной системологии.

В С D E

Вселен-ная

Биосфера

Экосистема

Челове-чество

Сообщество

INTER — NET

Комплекс

ЭВМ

ЭВМ

Галактика

Популяция

Общество

Коллектив

Прибор

Солнеч-ная система

Стадо

Семья

Машина

Особь Человек

Орудие

Земля

Горная порода

Кристалл

А

Клетка

Органоид

Био-полимер

Агрегат молекул

Молекула

Атом

Элементарная частицаpacerun:yes’> потому что такие же перелеты совершали его предки или миграционное поведение этих птиц есть результат заложенной в них генетической программы (генетический ответ);

· организм соловья реагирует на сокращение светлого времени суток рядом физиологиче — ских изменений, в результате чего возникает предмиграционное беспокойство и готов- ность к началу перелета (физиолого-генетический ответ);

· отлет соловьев в данной местности и в конкретный год начинается потому, что резкое похолодание накануне стимулировало дополнительное повышение миграционной ак — тивности (физиолого-экологический ответ).

Каждому из этих механизмов можно поставить в соответствие определенную мо-дель и тогда один процесс (отлет соловьев на юг) будет описан несколькими моделями.

Второй и третий примеры заимствованы из работ П. М. Брусиловского [426, 428].

Динамика и прогноз среднегодовой численности водорослей Melosira baicalensis в оз. Бай-кал описываются (различие методов моделирования):

· разными типами имитационных моделей [1167, 902, 1709, 176, 1076];

· самоорганизующейся моделью метода группового учета аргументов [1141, 429];

· с помощью эволюционного моделирования [427];

· с помощью процедуры "модельного штурма" [436].

Третий пример демонстрирует различие целей моделирования одного и того же экологического процесса. Пусть имеет место динамика численности популяции некоторо-го грызуна (например, обыкновенной полевки Microtus arvalis). Эта динамика представля-ет интерес для разных специалистов, которые при построении моделей будут пользоваться

различной, как априорной, так и апостериорной, информацией:

· фундаментальные исследования академического ученого, направленные на вскрытие генетико-экологических механизмов динамики популяции (полевка – традиционный объект таких работ);

· исследования специалистов сельского хозяйства, для которых популяция грызунов яв — ляется вредителем зерновых культур и с помощью моделирования необходимо предска — зать вспышки численности популяции и дать рекомендации по проведению защитных мероприятий;

· исследования специалистов-гигиенистов, для которых популяция грызунов является возможным источником возникновения эпизоотий.

Таким образом, для достижения этих целей можно построить множество различных моделей (различных как по используемой информации, так и по методам построения); на-пример, имитационную [994], вербальную [823, 2465], статистическую методом главных компонент [977] и др.

Принцип осуществимости Б. С. Флейшмана [2815, 2817]: позволяет отличить мо — дели сложных систем от обычных математических моделей. Математические модели тре — буют только указания необходимых и достаточных условий существования решения (ло- гическая непротиворечивость: что есть на самом деле?). Модели конструктивной мате — матики дополнительно к этому требуют указания алгоритма нахождения этого решения (например, путем полного перебора всех возможных ситуаций; как надо это сделать?).

Системология рассматривает только те модели, для которых этот алгоритм осуществим, т. е. решение может быть найдено с заданной вероятностью р0 за время t0 (р0,t0- осуществимость; преодоление сложности или ответ на вопрос: что мы можем сделать?). Иными словами, принцип осуществимости может быть сформулирован следующим обра — зом: мы не надеемся на везение и у нас мало времени.

Принцип формирования законов: постулируются осуществимые модели, а из них в виде теорем выводятся законы сложных систем. При этом законы касаются имеющих ме — сто или будущих естественных и искусственных систем. Они могут объяснить структуру и поведение первых и индуцировать построение вторых. Таким образом, законы систе — мологии носят дедуктивный характер и никакие реальные явления не могут опро- вергнуть или подтвердить их справедливость. Последнее утверждение следует пони — мать так [2817, с. 21]: несоответствие между экспериментом над реальной сложной систе — мой и законом может свидетельствовать лишь о несоответствии реальной системы тому классу осуществимых моделей, для которых выведен закон; с другой стороны, соответст- вие эксперимента закону никак не связано с его подтверждением (он в этом не нуждается, будучи дедуктивным) и позволяет «оставаться» исследователю в рамках принятых при вы — воде закона допущений и гипотез.

Принцип рекуррентного объяснения: свойства систем данного уровня иерархиче- ской организации мира выводятся в виде теорем (объясняются), исходя из постулируемых свойств элементов этой системы (т. е. систем непосредственно нижестоящего уровня ие — рархии) и связей между ними. Например, для вывода свойств экосистемы (биоценоза) по — стулируются свойства и связи популяций, для вывода свойств популяций – свойства и свя — зи особей и т. д.

Принцип минимаксного построения моделей: теория должна состоять из про — стых моделей (min) систем нарастающей сложности (max). Другими словами, формальная сложность модели (например, число описывающих ее уравнений) не должна соответство — вать неформальной сложности системы (принципы усложняющегося поведения; разд. 2). Отсюда следует, что грубая модель более сложной системы (например, модель динамики биоценоза из двух взаимодействующих популяций Лотки–Вольтерра) может оказаться проще более точной модели более простой системы (например, модель энергетического баланса особи [2883]). Этот принцип рассматривается как аналог принципа "бритвы Ок-кама"2.

6. ОБЪЯСНЕНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ

Любая естественно-научная теория выполняет несколько функций, среди которых наиболее важными являются функции объяснения и предсказания наблюдаемых феноме — нов в исследуемом классе систем. При этом соотношение объяснения и прогнозирования при системном исследовании сложных экологических объектов практически всегда вызы — вает дискуссии и часто недопонимается экологами-практиками. Аналитическим моделям

«приписываются» функции прогнозирования, а имитационным – объяснения. Поэтому

рассмотрим вкратце функции объяснения и предсказания при анализе сложных систем.

При исследовании простых систем (например, в классической физике) функции

объяснения и предсказания совмещаются в рамках одного закона. Так, одним из явлений, которые получили объяснение в законе всемирного тяготения Исаака Ньютона, было явле- ние приливов и отливов на Земле, а предсказанием – анализ движения Луны, связанный с падением тел на Землю. Для сложных свойств сложных систем нельзя ожидать анало-

2 Принцип «бритвы Оккама», известный в науке так же, как принцип бережливости, принцип простоты или принцип лаконичности мышления был сформулирован в XIV в. английским фило — софом Уильямом Оккамом в следующем виде: frustra fit plura, quod fieri potest pauciora – не следу — ет делать посредством бóльшего то, что можно достичь посредством мéньшего.

гичного успеха: одна модель (один закон) будет не в состоянии одновременно удовле — творительно выполнять как объяснительную, так и предсказательную функции [2817, 2258]. Иллюстрацией этому положению может служить следующий пример.

И. Ной-Меир [4005] построил простую аналитическую модель сезонного роста об-щей фитомассы растительного сообщества, используемого в качестве пастбища:

dy/dt = G(y) — C(y) ,

где dy/dt – скорость накопления фитомассы y; G(y) – скорость роста этой фитомассы (описывается логистической кривой); С(y) – скорость ее поедания консументами (задается функцией с насыщением Михаэлиса–Ментена). Таким образом, эта модель представляет собой простое балансовое соотношение, и ее анализ позволяет объяснить ряд наблюдае — мых эффектов (например, поедаемость фитомассы только до некоторых пределов, влияние плотности животных на пастбище на устойчивость этой системы и пр.). Модель очень проста и позволяет легко проследить причинно-следственные связи элементов системы, т. е. получить удовлетворительное объяснение ее функционирования через малое число достаточно правдоподобных гипотез.

Прогностические способности модели Ной-Меира, даже при весьма точном опреде — лении ее коэффициентов (хотя среди них есть такие, «подобраться» к которым очень сложно – например, максимальная скорость потребления фитомассы животными), будут низкими. Очевидность этого вытекает из факта сознательного упрощения данной экоси — стемы с тем, чтобы объяснить взаимодействие в подсистеме «растительное сообщество – травоядные животные» (не учитывается влияние на растительность факторов окружающей среды, погодных условий, хозяйственной деятельности человека и т. д.). Учет новых фак — торов значительно усложнит модель и переведет ее в ранг имитации (в частности, имита — ционная модель растительности, используемой под пастбище, была предложена Дэвидом Гудолом [3527]), которая обладает хорошей прогностической способностью, но по которой сложно (или даже невозможно) проследить причинно-следственные связи с целью объяс — нения в силу сложности самой модели.

Рассмотрим теперь логическую структуру научного объяснения и предсказания.

Процесс объяснения заключается в том, что некоторые явления или свойства сложных систем (известные или вновь открытые) пытаются подвести под заранее установленные и принятые в данной теории законы и гипотезы (дедуктивное объяснение). Если это не удается, то необходимо либо дополнять существующую теорию новым законом или гипо — тезой, либо отказаться от этой теории и строить другую. Кроме дедуктивного объяснения выделяют методы индуктивного объяснения, связанные с выдвижением статистических гипотез и получением статистических описаний для объясняемого явления. В этот класс следует отнести методы экстраполяции, адаптивных оценок и аналогий. Каждый из этих подходов имеет свои субъективные особенности. Так, например, главным моментом при использовании метода аналогий выступает сам подбор объекта-аналога (сходная или близ — кая структурно-функциональная организация объекта и, соответственно, сходная реакция на внешние воздействия; в частности, Ю. З. Кулагин [1411] предлагал приравнивать соль — фатарные поля вулканов промышленным площадкам, каменистые горные крутосклоны и осыпи – отвалам горнорудной промышленности и пр.). Таким образом, объяснение по аналогии рассматривается как вероятностное, что и определяет его принадлежность классу индуктивных объяснений.

Методы предсказания также делятся на дедуктивные (в количественном прогнози — ровании это – имитационные модели) и индуктивные (классический регрессионный ана — лиз и методы самоорганизации; подробнее см.: [2258]). Было также показано сходство структур процессов объяснения и предсказания (как дедуктивных, так и индуктивных). Различия этих процессов заключаются в том, что предсказание имеет «положительную» направленность во времени (относится к настоящему или будущему), а объяснение – «от — рицательную» (к настоящему или прошлому). Так, если мы находимся на средней стадии

сукцессии растительности, то можем объяснить как этот процесс происходил в прошлом и предсказать его пути в будущем, используя соответствующие модели динамики расти — тельных сообществ. Отсюда следует, что объяснение сопряжено с логическим анализом уже накопленного эмпирического материала, в то время как предсказание зависит не толь — ко от логических (или иных) процедур прогнозирования, но и от способов получения но — вой эмпирической информации.

Разделение функций объяснения и прогнозирования для сложных систем в рамках,

как минимум, двух моделей сводит на нет всю дискуссию о примате простоты или слож — ности в экологии. Для объяснения необходимы простые модели, и здесь, по меткому вы — ражению У. Росс Эшби [3085, с. 177], «…в будущем теоретик систем должен стать экспер — том по упрощению». Что касается экологического прогнозирования, то «…сложность мо — дели для сложных объектов принципиально необходима» [1135, с. 6].

7. О РЕДУКЦИОНИЗМЕ И ХОЛИСТИЗМЕ В ЭКОЛОГИИ

Успехи современной физики повлекли не только проникновение в биологию физи — ко-химических методов исследования объектов различных уровней биологической иерар — хии, но и определенное «навязывание» физического «образа мышления» при постановке и решении различных биологических задач. При этом забывалось, что физический научный метод – наблюдение, размышление и опыт – применялся к анализу простых свойств ис — следуемых систем. А. Эйнштейн [3068, с. 9] писал: «…физик вынужден сильнее ограничи — вать свой предмет, довольствуясь изображением наиболее простых, доступных нашему опыту явлений, тогда как все сложные явления не могут быть воссозданы человеческим умом с той точностью и последовательностью, которые необходимы физику-теоретику. Высшая аккуратность, ясность и уверенность – за счет полноты».

Несмотря на это, один из основных принципов физического научного метода – ре — дукция – широко используется в биологии. А. А. Любищев [1567] различал три основных типа редукционизма в биологии:

· молекулярно-биологический (принцип исследования, состоящий к сведению сложного к совокупности или сумме его частей, при изучении которых получают сведения и о свойствах исходного целого);

· иерархический (возможность интерпретации явлений высших уровней биологической иерархии на языке молекулярных моделей);

· эволюционный (сведение всей социальной эволюции к биологической).

Оптимизм физиков в объяснении экологических (надорганизменных) феноменов связан с первым и вторым типом редукционизма. При этом сторонники редукционизма

оказываются более воинствующими, чем системологи, и не приемлют иных точек зрения

(А. А. Любищев говорит даже об «ультраредукционистском энтузиазме»).

Спокойный и трезвый обзор соотношения редукционизма и холистизма можно най — ти в целом ряде работ (например, [1567, 1686, 387]). При этом авторы сходятся в том, что необходимо «…ясно сформулировать основные принципы такого подхода, который бы включал редукцию как рабочий метод, но не включал редукционизм как систему постула — тов, не повторял увлечений редукционизма, но и не уступал ему по продуктивности» [1686, с. 164]. Действительно, редукция в том или ином виде неизбежно присутствует в любом экологическом исследовании (хотя бы в принятии иерархической организации ми — ра). И это справедливо подчеркивает Ю. Одум [1937, с. 18]: «…и холистический, и редук — ционистский подходы следует использовать в равной мере, не противопоставляя их друг другу… Экология стремится к синтезу, а не к разделению».

В этой ситуации необходимо четко представлять, что редукция как метод приме — нима для анализа простых свойств как простых, так и сложных систем. Однако сте — пень экстраполяции полученного при такой редукции знания будет определяться естест-

венной типологией исследованных объектов (в экологии – экосистем), а это уже сложная целостная характеристика.

С этой позиции легко схематично представить процесс смены основных парадигм в

познании сложного мира:

Парадигмы

Познавательные установки

Редукция

Наличие целей

Эксперимент

«Наивная» системология

+

«Физикализм»

+

+

Системология

+

—, +

§ «Наивная» системология философов Древней Греции. Редукционизм как методоло — гия и редукция как метод отвергались, у каждого объекта предполагалось наличие це — лей («Камень падает на землю, потому что он хочет вернуться в исходную точку» – Аристотель), мир изучался путем «лицезрения», наблюдений.

§ «Физикализм» (естественнонаучный метод познания Галилео Галилея). Основа по-знания – редукционизм («Кусок льда обладает теми же физическими свойствами, что и огромный айсберг»), отсутствие целей у объектов («Природа не злонамеренна» – И. Ньютон), активное экспериментальное подтверждение истины («Критерий истины – в практике» – В. И. Ленин).

§ Системология. Вновь отказ от методологии редукционизма (с возможностью исполь — зования методов редукции для исследования простых свойств сложных систем), обяза — тельность механизмов принятия решений (наличие целей; принципы усложняющегося поведения, разд. 2), замена натурных экспериментов на машинные, имитационные (в силу наличия сложных систем, над которыми невозможно проведение экспериментов в естественнонаучном понимании – биосфера в целом, крупные биомы, уникальные эко — системы [оз. Байкал, плато Укок, Самарская Лука и пр.].

Заключение

Один из основоположников экологии, профессор Московского университета К. Ф. Рулье (1852, цит. по: [2330, с. 140]) в работе "Жизнь животных по отношению ко внешним условиям" писал: «Приляг к лужице, изучи подробно существа – растения и животных, ее населяющих, в постепенном развитии и взаимно непрестанно перекрещивающихся отно — шениях организации и образа жизни, и ты для науки сделаешь несравненно более, нежели многие путешественники… Полагаем, задачей, достойной первого из первых ученых об — ществ, назначить следующую тему для ученого труда первейших ученых: "Исследовать три вершка ближайшего к исследователю болота относительно растений и животных в их постепенном взаимном развитии организации и образа жизни посреди определенных усло — вий". Пока ни одно общество не решилось предложить такой задачи, и не решилось по весьма достойной причине – оно знает, что не нашло бы даже сколько-нибудь удовлетво- рительного ответа». Чем не системный подход в экологии?

Как известно, термин «экосистема» был введен в 1935 г. английским экологом и геоботаником A. Tansley (см. [2708]). Экосистема (от греч. oikos – дом, место и systema – целое, составленное из частей) – функциональная система, включающая в себя сооб — щество живых организмов и их среду обитания. Весьма наглядно иллюстрирует это французский эколог Р. Дажо ([842, с. 260]; см. выше табл. 1):

экосистема = биотоп + биоценоз.

Здесь «биотоп» – участок земной поверхности с однородными абиотическими условиями среды, занимаемый тем или иным «биоценозом», под которым, в свою очередь, понимает — ся сообщество организмов, связанных прямыми или косвенными (через среду и посредни — ков) взаимоотношениями [1767, с. 28]. Можно сказать, что это – «наземное определение». У гидробиологов ближе всех к «наземному определению» представления С. А. Зернова [1074, с. 53]: «Население каждого биотопа состоит из ряда организмов разных жизненных форм, которые все вместе образуют б и о ц е н о з. Иначе можно сказать, что биоценоз есть термин для объяснения тех с о о б щ е с т в и л и к о м б и н а ц и й ж и в о т н ы х и р а с т е н и й, н а к о т о р ы е р а с п а д а е т с я в с е н а с е л е н и е д а н н о г о б а с с е й н а ( выделено автором. – Г. Р.) . Термин этот аналогичен термину "ассоциация" и "сообщество" растений у ботаников». В учебнике Н. А. Березиной [333, с. 22] находим:

«Биоценоз существует в тесном единстве с биотопом… Совокупность биотопа и биоценоза получила название экологической системы, или биогеоценоза». У А. И. Баканова [231, с.

7] читаем: «Если наземный биогеоценоз – экосистема в границах фитоценоза (сравни выше в разделе 3 с определением Е. М. Лавренко и Н. В. Дылиса. – Г. Р.), то водный биогеоценоз

(иногда называемый биогидроценозом) – экосистема в границах биотопа».

Вероятно, «формулу Дажо» можно модифицировать следующим образом (полно-стью отдавая себе отчет в невысокой корректности некоторых из предлагаемых и уже ис-пользуемых понятий):

для наземных экосистем –

биогеоценоз = биотоп (местообитание фитоценоза) + биоценоз,

для водных экосистем –

«биогидроценоз» = биотоп (пелагиаль, бенталь) + биоценоз,

для воздушных экосистем («антитезой гидробиологии является, вернее должна еще явить — ся, а э р о б и о л о г и я – наука, трактующая в том же разрезе жизнь организмов, окру — женных воздухом…» [1074, с. 9]) –

«биоаэроценоз» = биотоп (воздушная среда) + биоценоз

и т. д. Отсюда становится понятным, что «биоценоз», без указания его конкретной «при — вязки» к биотопу, – абстрактное понятие (правда, достаточно активно эксплуатируемое в теоретических целях; например, биоценоз системы «хищник – жертва»). А вот уточнение местообитания биоценоза и характера взаимодействия его с факторами среды (например,

«биогеоценоз профундали оз. Плещеево» [231, с. 7]) сразу переводит исследование в раз-ряд экосистемных.

Одним из основных принципов синэкологии (экологии сообществ) следует при-знать принцип единства организм–среда (часто называемый основным биологическим за — коном Рулье – Сеченова; [851, 2284]) – закон, согласно которому между живыми организ — мами и окружающей их средой существуют тесные взаимоотношения, взаимозависимости и взаимовлияния, обуславливающие их единство. Постоянный обмен энергией, веществом и информацией между организмом и средой материализует и делает пластичным такое единство. Экосистема – открытая система (второй закон-афоризм экологии Барри Ком — монера – все должно куда-то деваться – every-thing must go somewhere). В системе «ор — ганизм–среда» главенствующую роль играет именно организм (живое вещество), что было впервые показано В. И. Вернадским (аксиома биогенной миграции атомов [2284, с. 347]).

Еще в 1850 г. К. Ф. Рулье [2330, с. 78], писал: «Вся история животного (как и всего

действительно существующего) показывает несомненно на то, что животное, предостав — ленное самому себе, удаленное от внешнего мира, не может ни родиться, ни жить, ни уме — реть. Для совершения полного круга развития нужно обоюдное участие двоякого рода элементов, принадлежащих животному и элементов для него внешних. З а к о н д в о й — ств енно сти жиз ненны х элем ентов или закон о бщени я животного с

миром. Этот закон имеет самое общее, мировое значение (разрядка автора. – Г. Р.)». А в

1861 г. физиолог И. М. Сеченов [2458, с. 533] независимо от К. Ф. Рулье приходит к анало — гичным выводам: «Организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен; поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияю — щая на него. Так как без последней существование организма невозможно, то споры о том, что в жизни важнее, среда ли, или само тело, не имеют ни малейшего смысла».

При всей очевидности этого принципа, его судьба была не простой. Его взял на

вооружение и манипулировал им Т. Д. Лысенко, говоривший о «диалектическом единстве организма и среды». В период развенчания его положений многие биологи «шарахну — лись» в другую крайность – если «это» поддержано Лысенко, то «это» не верно по опре- делению. Столь крайняя позиция сделало принцип единства организма и среды не попу — лярным в отечественной экологической литературе. И все-таки, это действительно один из важнейших системных принципов современной экологии, особую роль которого ощущал еще Ч. Дарвин: «По моему мнению, величайшая ошибка, которую я допустил, заключает — ся в том, что я придавал слишком мало значения прямому влиянию окружающей среды, т. е. пищи, климата и т. д., независимо от естественного отбора» (из письма М. Вагнеру в

1876 г.; цит. по: [2625, с. 518]).

Из многочисленных современных интерпретаций этого принципа укажем на его ви — дение ихтиологом Г. В. Никольским [1900, с. 23]: «Каждый вид приспособлен к своей спе- цифической среде, к определенной пище, хищникам, температуре, солености воды и дру — гим элементам внешнего мира, без которых он не может существовать. Вид и его среда представляют собой диалектическое противоречивое единство – единство противополож — ностей. Закон противоречивого единства организма и среды, вытекающий из общей зако — номерности единства внешнего и внутреннего, есть один из основных биологических зако — нов. Только опираясь на эту закономерность, могут успешно развиваться все отрасли био — логии» (выделено автором. – Г. Р.).

Многие аспекты системных исследований в экологии рассматривались нами ранее

[1760, 1761, 2258, 2261, 2265, 2283, 2282, 2284, 2288, 2287]. Завершить же данный обзор системно-методологических проблем современной экологии хотелось бы цитатой из рабо — ты А. И. Баканова [231, с. 7]: «Кажется, что сейчас нет необходимости обосновывать при — менение системного подхода к исследованию водных экосистем, ведь никто открыто не возражает. Но много ли можно привести примеров всестороннего и плодотворного анализа водных экосистем с его позиций? Таковых фактически нет… Автор попытался понять причину сложившегося положения и пришел к выводу, что дело заключается не в консер — ватизме ученых-экологов и не в недостатке у них соответствующего "системологического" образования, а в недостаточной разработанности многих методологических и методиче — ских вопросов, не позволяющей в полной мере реализовать преимущества системного подхода». Хочется надеяться, что данная работа, как и статья А. И. Баканова, переводят эколого-системологические рассуждения на рельсы «конструктивной экосистемологии».

Материал взят из: Количественные методы экологии и гидробиологии (сборник научных трудов, посвященный памяти А. И. Баканова)