Повна версія

Головна arrow Екологія arrow Теорія систем в екології

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

Системний аналіз та системний підхід як методології дослідження систем

Природа – це система, якій характерні структурно-функціональна єдність взаємозв'язаних компонентів і цілісність біотичної та абіотичної складових. Біотична складова навколишнього середовища об'єднується у біосферу (глобальну екосистему), що складається із ієрархічно пов'язаних між собою екосистем різних рівнів організації і великої кількості різноманітних підсистем, між якими існують тісні матеріально-енергетичні та ієрархічні зв'язки. Ієрархічність будови біосфери зумовлює й ієрархічність систем регуляції рівноваги (гомеостазу) її підсистем. Гомеостатичні системи мають генетичну природу й еволюціонують разом зі структурно-функціональною організацією екосистем. Таким чином, життя не існує поза екосистемами, тому вивчення природних об'єктів будь-якого таксономічного рівня ефективне лише при застосуванні системного підходу.

Ступінь стійкості та здатності до адаптаційного перебудування екосистем в умовах зростання негативного антропогенного впливу зумовлений численністю та екологічною різноманітністю видів, а також численністю вторинних (по відношенню до первинних – трофічних зв'язків) форм відношень між видами. Тому розроблені на сьогодні численні методики діагностики впливу на біоту за окремими чинниками чи змінами окремих структурних компонентів екосистем неадекватно відображають реальну ситуацію, що значно складніша. Виходячи із теорії системної організації біосфери та ієрархічного взаємозв'язку її підсистем, механізмів гомеостазу, проблему впливу специфічних чинників на біоту необхідно вивчати з позицій саме системного підходу, який враховує такі ефекти комплексного впливу негативних факторів, як синергізм, адитивність, нейтралізація, та передбачає врахування принципу емерджентності.

Теорія систем – це сфера наукового знання про навколишній світ як сукупність систем різної складності й різного рівня, що взаємодіють між собою. Теорія систем є загальнотеоретичним підходом, що базується на методах діалектики, використанні знань філософії, прикладної математики, теорій пізнання та інших наукових дисциплін. Вона вивчає закономірності функціонування, взаємодії та розвитку великих систем. Основні положення теорії систем можна виразити такими постулатами.

Положення перше. У світі немає нічого, крім ієрархічної сукупності систем.

Положення друге. Основу загальної теорії систем складають фундаментальні положення термодинаміки: закон збереження енергії замкненої системи (перший принцип), закон зростання ентропії замкненої системи (другий принцип), закон прагнення до нульової ентропії (невпорядкованості) системи при прагненні до нульової її температури (третій принцип, або теорема Нернста), принцип Ле-Шательє (зовнішній вплив, що виводить систему з рівноваги, стимулює в ній процеси, які здатні послабити цей вплив), і принцип найменшого розсіювання енергії Онсагера (або узагальнювальний його на випадок сильно нерівноважних систем критерій Гленсдорфа-Пригожина). Для відкритих необмежених систем, до яких належать, зокрема, біологічні і соціальні системи, другий і третій принципи термодинаміки потрібно формулювати у вигляді об'єднаного термодинамічного принципу: ентропія підсистеми речовини прагне до нуля при одночасному зростанні ентропії об'єднаної системи "речовина + випромінена цією речовиною енергія".

Закони термодинаміки сформульовані безвідносно до природи об'єктів, що становлять систему.

Положення третє. Кількісною величиною, що характеризує систему, є пропускна здатність утвореного нею інформаційного каналу.

Положення четверте. Усі системи побудовані за ієрархічним принципом. Ієрархічна структура систем обумовлена необхідністю підвищення пропускної здатності системи в умовах обмеженості пропускної здатності складових системи елементів.

Положення п'яте. Зростання рівня системної ієрархії неминуче супроводжується спрощенням (спеціалізацією) підсистем нижнього рівня.

Це положення є наслідком теореми Шредингера, згідно з якою система живиться інформацією з навколишнього середовища. Для кожного вищого рівня таким середовищем є підсистеми нижніх рівнів.

Положення шосте. Закон односпрямованості вектора розвитку.

Основні рівняння теоретичної фізики симетричні щодо часу, тож для описуваних ними об'єктів не існує ні минулого, ні майбутнього. Єдиним винятком є другий принцип термодинаміки, що дозволяє виділити позитивний напрямок часу як такий, при якому ентропія замкненої системи зростає. У поводженні реальних фізичних систем, починаючи зі сфери Всесвіту, що спостерігається, виявляється спрямованість. Як відомо, в останні приблизно 15 млрд років наш Всесвіт неспинно розширювався. Галактика, зірка, біосфера Землі, цивілізація, живий організм, механічний пристрій, ідеологічна система – усе проходить цикл розвитку, що складається із зародження, досягнення деякого вищого ступеня системної складності, а потім спрощення і руйнування.

Явище наявності минулого і майбутнього в реальному світі сформульоване у вигляді закону односпрямованості розвитку. Механічні системи, створені людиною, також підлягають дії закону односпрямованості, хоча фаза росту в них відсутня. Життєвий цикл клітини, навпаки, не містить фази занепаду – розподіл, що є одночасно і народженням двох нових клітин, і загибеллю вихідної, настає безпосередньо після фази росту. Єдиними системами, що не підлягають дії закону односпрямованості розвитку, є, напевне, атоми, які взагалі не зазнають, як ми вважаємо вже сьогодні, змін у часі.

У разі біологічних систем механізм дії закону односпрямованості розвитку полягає в порушенні нормальної молекулярної структури елементів клітини тепловим рухом молекул. Оскільки ці порушення (мутації) у переважній більшості є шкідливими, то живі органами, починаючи з клітини, можуть існувати, лише безупинно створюючи копії своїх підсистем замість відмерлих. Речовину, енергію й інформацію для цього організми одержують із зовнішнього середовища Проте стан зовнішнього середовища змінюється, тому внаслідок природного відбору вижили лише ті системи, що створювали копії своїх підсистем "із запасом". Однак зайве нагромадження в клітинах призводить до росту як самих організмів, так і їх кількості. Відповідно зростає вхідний потік інформації, пропустити який система може, лише збільшивши ступінь своєї складності. Але, як зазначено вище, ступінь складності не може зростати до нескінченності. Система починає розпадатися на окремі незалежні частини.

Системний аналіз – це методологічна дисципліна, що базується на системному підході. Вона поєднує методи вивчення систем різної складності й призначення, розробляє ці методи, узагальнює їх, дає практичні рекомендації для к використання. Системний аналіз застосовується для підготовки й обірунтування шляхів вирішення складних проблем політичного, соціального, військового, економічного, технічного характеру. Системний аналіз – це прикладна діалектика.

Головна процедура системного аналізу – побудова узагальнених моделей, в яких відображені закономірності реальної ситуації. Моделі системного аналізу відображають структуру, взаємозв'язки у складних системах, реальну ситуацію та проблеми, які в них виникають. За допомогою створених моделей досліджують системи й знаходять шляхи вирішення складних проблем практичної діяльності людини.

Технічна основа системного аналізу – інформаційні системи, обчислювальна техніка та сучасні методи керування. Системний аналіз вивчає такі питання:

  • • утворення цілого;
  • • побудова цілого;
  • • зростання і розвиток цілого;
  • • відношення між цілісною системою та іншими системами;
  • • відношення між системою та метасистемою, великою зовнішньою системою, до складу якої вона входить.

Цілями системного аналізу є вивчення загальних закономірностей складних систем різної природи й характеру. Практична спрямованість системного аналізу полягає у вирішенні непростих проблем, що виникають унаслідок діяльності людини.

Спеціалісти із системного аналізу вивчають процеси у складних системах, аналізують результати, до яких приводять ці процеси, оцінюють перспективи розвитку систем. їх завданням є прогнозування можливих сценаріїв розвитку, запобігання небажаним явищам та катастрофам, які можуть виникнути в результаті діяльності людини, а також внаслідок природних процесів розвитку систем та їх взаємодії між собою. Системний аналіз є основою прийняття рішення у складних ситуаціях, коли ефективність цих рішень неоднозначна й оцінити її важко. Отже, системний аналіз розробляє наукові методи вирішення складних проблем у системах навколишнього світу. Він виступає як каркас, що об'єднує методи та знання для вирішення проблем. Головними методами системного аналізу є побудова моделей систем різного рівня і складності та аналіз систем за допомогою побудованих моделей.

Завданнями системного аналізу займається Міжнародний інститут прикладного системного аналізу (International Institute for Applied Systems Analysis – IIASA), створений у 1972 p. Метою досліджень, що виконуються в цьому інституті, є розроблення методів прогнозування й оцінки соціальних та інших аспектів науково-технічного прогресу. В ньому вивчають проблеми методології системного аналізу, проблеми економіки, екології, сільського господарства, енергетики, глобального моделювання, інформатики, дослідження міст, водних та лісових ресурсів, транспорту, регіонального розвитку та ін. Методи системного аналізу широко використовують в управлінні й зв'язку, організації виробництва, керуванні матеріальними потоками, резервами та в інших напрямках діяльності.

Проблеми системного аналізу прийнято поділяти на глобальні й універсальні. Глобальні проблеми мають загальнопланетний, загальнолюдський характер. Універсальні проблеми – це проблеми локальних систем чи мікросистем, таких як проблеми розвитку міст, великих підприємств, окремих галузей промисловості тощо. Зростання населення у світі, збільшення кількості великих міст і їх розмірів, прискорення темпів розвитку науки й техніки призводять не лише до розширення дії людини на середовище, в якому вона проживає, але й до змін у характері втручання людини в природні процеси. Дія людини на природу сьогодні досягнула рівня, який за масштабами може бути порівняний до дії наймогутніших сил самої природи. Існує загроза в незворотних змінах у земній атмосфері, порушень у головному механізмі підтримання та забезпечення життя на планеті, повного вичерпання мінеральних ресурсів, невідновних втрат природних умов життя майбутніх поколінь.

Системний аналіз базується на системному підході, а також на ряді математичних дисциплін та сучасних методах керування.

Системний підхід – це напрямок дослідження, вивчення світу, в основу якого докладний розгляд об'єктів як системи, орієнтація на розкриття цілісності об'єкта, виявлення різноманітності зв'язків у ньому і приведення їх до єдиної теоретичної картини.

Основними принципами системного підходу є:

  • 1. Принцип взаємозв'язку -- система вивчається як частина певної макросистеми. Вона зв'язана безліччю зв'язків з іншими системами, взаємодіє та існує в єдності з ними.
  • 2. Принцип багатоплановості – система як деяка самостійна одиниця вивчається з різних боків зі своїми особливостями.
  • 3. Принцип багатовимірності, який полягає в тому, що вивчаються різні характеристики систем, які об'єднують в групи (кластери): об'єкт описується як сукупність деяких характеристик та взаємозв'язків між ними.
  • 4. Принцип ієрархічності – система розглядається як складна структура з різними рівнями, між якими встановлюються певні зв'язки.
  • 5. Принцип різнопорядковості – полягає у тому, що різні ієрархічні рівні системи породжують закономірності різного порядку. Одні закономірності властиві лише всім елементам або деякій групі елементів, а інші лише окремим елементам.
  • 6. Принцип динамічності – система розглядається в рухові й розвитку.

Відповідно до системного підходу будь-який об'єкт виникає та існує в

рамках деякої великої системи. Зв'язки між об'єктами та системою є істотними основами виникнення, існування та розвитку об'єкта і системи в цілому.

Практичне значення системного аналізу полягає в тому, що він є методологією і практикою цілеспрямованого перетворення як самої людини, так і навколишнього світу.

Таким чином, головним методологічним принципом вивчення всіх біосистем повинен стати екосистемний підхід, оскільки:

  • 1) він найбільш адекватно відображає суть організації, розвитку та поточного стану біосистем;
  • 2) тільки так ми можемо вивчити кібернетичну природу механізмів гомеостазу екосистем та їх збої в умовах надмірних антропогенних навантажень;
  • 3) необхідне взаємозв'язане, сумісне вивчення екосистем на всіх (основних) рівнях організації живого – виходячи із принципів емерджентності, функціональної інтеграції та ієрархічної організації біосфери та систем її гомеостазу.

Екосистемний підхід дозволяє виявити специфіку змін:

  • – навколишнього середовища;
  • – ценотичних взаємовідносин особин у популяціях, а також міжпопуляційних відносин;
  • – відношень біоценозів із середовищем;
  • – структури екосистем в цілому на певних ієрахічних рівнях;
  • – структури ієрархії екосистем певних класифікаційних таксонів та біосфери в цілому.

Отримана інформація сприятиме виявленню:

  • – "слабких ланок" в екосистемах;
  • – механізмів та форм реакції екосистем на збудження;
  • – причинно-наслідкових зв'язків;
  • – переліків специфічних екологічних проблем, диференційованих за: а) причиною (адресом); б) локалізацією; в) поєднанням з іншими негативними чинниками та г) значущістю загроз (масштабом, інтенсивністю прояву, небезпекою тощо);
  • – найбільш адекватних напрямків вирішення проблем.

Під час екологічного дослідження антропогенних навантажень повинні вирішувати три проблеми, пов'язані: 1) з об'єктом; 2) з явищем; 3) із рівнем навантаження, або рівнем трансформації (див. табл. 1.3).

Таблиця 1.3 – Співвідношення реакції екосистеми з рівнями антропогенного впливу

Діапазон стану екосистеми у процесі деградації

Дози

впливу

Поріг

Антропогенне

навантаження

Загроза

Нормальні флуктуації. Діагностичні ознаки мінімально відхиляються від середніх значень.

Екстремальні флуктуації. Діагностичні ознаки відхиляються до меж амплітуди флуктуацій.

Хронічні зміни. Істотно змінюються другорядні ознаки стабільності головних.

Гострі зворотні зміни. Істотно змінюються головні ознаки при збереженні залишкових.

Гострі незворотні зміни. Майже повна втрата діагностичних ознак вихідної екосистеми.

Повна деградація. Екосистема відсутня

Фонові

Чутливості

Токсичності

Стійкості

Виживання

Нульова

С

Низькі

Допустима

В

Помірні

Гранично

допустима

А

Токсичні

Недопустима

А

Сублетальні

Катастрофічна

А

Летальні

А

Досить великі труднощі дослідники зустрічають при спробах диференціювати причини пригнічення розвитку природних екосистем, фітоценозів, популяцій та окремих особин у районах із комплексним впливом негативних факторів, особливо якщо це сукупність антропотехногенних та природних чинників (рис. 1.4). Це пов'язано із властивістю екологічних факторів при сумісній дії проявляти ефекти адитивної, синергічної та антагоністичної взаємодії. Крім того, різні за природою негативні чинники досить відрізняються за режимом (періодичністю, інтенсивністю та тривалістю) впливу на екосистеми, ступенем пригнічення розвитку їх структурнофукціоиальних компонентів, наслідками в цілому.

Фактори, що визначають відповідну реакцію рослин на атмосферні полютанти (Weinstein, McCune, 1979 за У. Смітом)

Рисунок 1.4 – Фактори, що визначають відповідну реакцію рослин на атмосферні полютанти (Weinstein, McCune, 1979 за У. Смітом)

Отже, на даному етапі розвитку методології дослідження стану природних об'єктів здебільшого проводяться без взаємної ув'язки методичних підходів, що значно звужує їх можливості, а отримані результати відображають лише частину картини явища. Однобокість під час дослідження екосистем, як відомо, часто зумовлює помилкові висновки, неадекватні управлінські рішення, що в цілому не сприяє вирішенню проблем.

Таким чином, для встановлення істинного стану природних екосистем та з'ясування причин їх пригнічення в умовах антропотехногенезу необхідно об'єднати зусилля всіх дослідників, що вивчають ці питання на принципах екосистемного підходу.

Ще одна проблема полягає у різноякісності інформації, оскільки кожна природна екосистема характеризується трьома групами характеристик: 1) біологічні; 2) геохімічні та 3) географічні. Кожна група інформації специфічна. Стан екосистеми та відхилення від норми проявляється в біологічній групі, але його причини потрібно шукати в екології, тобто у другій та третій групах характеристик. Крім класифікації антропогенних чинників за адресом їх впливу на екосистему, необхідно вивчити їх сумісний вплив у часі та просторі, встановити внесок кожного чинника (чи певної їх групи) в негативному ефекті, провести інтеркорелятивний аналіз зі встановленням адитивних, синергічних та антагоністичних їх взаємодій. Це потребує використання кібернетичних та еколого-економічних моделей і значно ускладнює розвиток методології екосистемних досліджень антропогенних трансформацій навколишнього природного середовища. Системний підхід передбачає врахування всіх аспектів цього явища. Тому явище необхідно класифікувати за об'єктами, причинами виникнення та умовами перебігу. Наприклад, причини та масштаби наслідків пірологічного впливу на природні екосистеми залежать від характеристики трьох систем (за Лавровим В. В.):

А. Система, що зазнає пірологічного впливу

  • 1. Тип екосистеми, що зазнає пірологічного впливу:
  • 1) тип лісу – склад деревостану (листяний, мішаний, хвойний);
  • 2) тип сільськогосподарського угіддя (луг, поле);
  • 3) цінність екосистеми щодо збереження біорізноманіття тощо.
  • 2. Характеристика екосистеми:
  • 1) вік деревостану, його щільність;
  • 2) запаси та характеристика пірологічно небезпечних матеріалів (наявність сухостою, повалених дерев, захаращеність, запас підстилки, сухого травостою тощо).

Б. Система, що впливає на розвиток явища

  • 1. Метеорологічні фактори (на рівні ландшафту): засухи, атмосферні опади, вітровий режим тощо.
  • 2. Організаційна характеристика ландшафту: інфраструктура доріг, відстань до населених пунктів, водоймищ тощо.
  • 3. Типи сусідніх природних екосистем.

В. Система, що контролює небезпеку явища, – соціоекосистема

  • 1. Інтенсивність рекреаційного навантаження на природні екосистеми та його нормативність.
  • 2. Дотримання вимог природоохоронного законодавства під час випалювання рослинності.
  • 3. Ефективність системи превентивних заходів.
  • 4. Ефективність системи моніторингу та попередження пожеж.
  • 5. Відповідність сучасним вимогам та забезпеченість ресурсами системи гасіння пожеж.

Масштаб наслідків залежить також від часу виникнення пожежі, інтенсивності та площі пожежі.

Таким чином, з наведеного прикладу бачимо, що під час екологічних досліджень необхідно враховувати безліч взаємозв'язаних та взаємообумовлених факторів впливу на розвиток живих систем. Тому завдання, що ставляться перед дослідниками, є або дуже складними для аналітичного вирішення, або не призводять до отримання об'єктивних результатів за нехтування істотними аспектами впливу на екосистеми. У свою чергу, системний підхід надає методології комплексного та всебічного дослідження поставлених завдань залежно від мети аналізу та завдяки можливості спрощення системи або декомпозиції проблеми на більш прості завдання, шляхом вилучення неістотних елементів та зв'язків та встановленню ієрархії цілей, отримати достовірні результати аналізу.

З урахуванням вищенаведеного завданнями дослідження екологічних систем є вивчення (за М. А. Голубцем):

  • 1) морфологічної структури екосистем, тобто вертикальної (ярусність, синузіальність, шаруватість) і горизонтальної (мозаїчність, парцелярність) будови біогеоценотичної товщі (рослинного покриття, ґрунту чи води, насичених тваринними, мікробними і грибковими організмами);
  • 2) взаємозв'язків між структурними компонентами (блоками,

підсистемами) екосистем (залежно від потреб – морфологічними, трофічними та іншими);

  • 3) функціональних показників екосистеми та її окремих структурних блоків (енергетичних, водотрансформаційних, організаційних, біогеохімічних, середовищеутворювальних, біопродукційних, захисних, оздоровчих, естетичних та інших), швидкості екологічних процесів, їх спрямованості, тривалості й господарської ефективності;
  • 4) особливостей і механізмів самоорганізації, саморегуляції і самозбереження екосистем, їх внутрішнього речовинно-енергетичного та інформаційного обміну, показників неентропійності, стійкості щодо зовнішніх природних та анропогенних чинників, стабільності існування в часі та просторі;
  • 5) міжекосистемних взаємозв'язків і міжекосистемного речовинно-енергетичного та інформаційного обміну як основи стійкості й стабільності мегаекосистем і біосфери;
  • 6) можливостей і розмірів використання природних ресурсів екосистем для народногосподарських потреб без зменшення або руйнування їх екологічного потенціалу та із цілеспрямованою орієнтацією на реалізацію ідей сталого розвитку;
  • 7) масштабів і наслідків антропогенних змін у структурно-функціональній організації екосистем, способів ренатуралізації трансформованих і девастованих екосистем з метою оптимізації біогеоценотичного покриву;
  • 8) структурно-функціональних особливостей та ефективних способів створення штучних (аграрних, лісових, водних, урбаністичних та інших) екосистем й ефективного підтримання їх функцій;
  • 9) теоретичне обґрунтування структури, програми, методів і параметрів екологічного моніторингу в екосистемах різних ступенів організації;
  • 10) генезису та історії розвитку екосистем;
  • 11) моделювання та прогнозування екологічних процесів.
 
<<   ЗМІСТ   >>