Екологія: біологія взаємодії. 1.08. Властивості складних систем

Українська мова (найновіша версія) / Російська мова (оновлення припинено)

1.07. Регуляція біосистем

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Розділ 1. Екологія і біосистеми, які вона вивчає

1.09. Стійкість біосистем

1.08. Властивості складних систем
Коли я дивлюся на корову, що пасеться на луці, усе, що я бачу, — лише шалений танок електронів.
Автор невідомий (квінтесенція світогляду редукціоністів у біології)
Чи можна при вивченні таких складних систем, як ті, що вивчає біологія, обійтися лише редукціоністським підходом? Чи можна обійтися без нього?
«Завдання визначення об'єкта науки — відокремлення його від об'єктів інших наук. У випадку біології цьому заважали численні філософські упередження, досі остаточно не подолані. Я говорю про зведення складніших форм до простіших і тенденцію вважати ці прості форми більш «істинними», «реальними», ніж складніші. Перше — зведення складного до простого — цілком законний, більш того, необхідний науковий прийом. Друге — тенденція вважати продукти абстракції, прості форми реальнішими за речі, з яких їх було абстраговано, — погана філософія, філософський реалізм понять, який люблять критикувати у середньовічних схоластів, але не помічають у себе. Тоді електрони, атоми, молекули, хімічні процеси вважають справжньою реальністю, а організмові, збудованому з них, дістається вже істотно менше реальності, він лише «епіфеномен», зовнішній прояв своїх цеглинок» (Я. М. Данько, 2001).
Упродовж кількох століть успіхи біології були пов'язані переважно з редукціоністським підходом (див. пункт 1.6). Нині редукціоністська методологія значною мірою вичерпала свої можливості.
Одним із проявів кризи редукціоністської методології є неможливість поелементного, мозаїчного опису складних систем, що характеризуються багатством внутрішніх взаємозв'язків.
Цілісність біосистем пов'язана не з наявністю в них суцільних оболонок, а з взаємозалежністю їхніх частин. У XX столітті кілька великих учених (наприклад, радянський зоолог і еволюціоніст Іван Іванович Шмальгаузен, а також французький учений і священник П'єр Тейяр де Шарден) зрозуміли, що цілісність будь-якої системи пов'язана з накопиченням функціональних відмінностей між її частинами.
Прості системи можуть бути описані досить легко. Для цього потрібно задати сукупність вихідних елементів, для кожного з яких указати його роль у загальних властивостях цілого. Однак навіть коли йдеться про не дуже складні технічні системи, на перший план виходять їхні цілісні властивості, зумовлені взаємодією частин. Коли ж ми розглядаємо, приміром, властивості організму, його мозаїчний опис виявляється неможливим. Наявні у розпорядженні людини обчислювальні засоби, математичний апарат і навіть просто її логіка придатні лише для розв'язання принципово простіших завдань.
Чим цілісніша система, тим складніший її мозаїчний опис. Мозок такий складний, тому що об'єднаний безліччю зв'язків (нейрон мозку людини може мати 100 тисяч синапсів). Можливо, людський мозок є найскладніше організованим об'єктом у Всесвіті (принаймні, конкурувати з ним міг би лише мозок розвиненішої істоти). Екосистеми менш цілісні, і їхні емерджентні властивості не настільки несподівані. Проте навіть досить прості системи здатні проявляти несподівані емерджентні властивості, спричинені нерозкладною на окремі елементи взаємодією частин системи. Прикладом може бути запропонована 1979 року Дж. Лавлоком уявна модель глобальної регуляції, що отримала назву «Маргаритковий світ» (рис. 1.9.1).

Рис. 1.9.1. Етапи розвитку «Маргариткового світу» за Дж. Лавлоком
Модель Лавлока ґрунтується на припущенні, що зорі того самого класу, що й Сонце, з часом підвищують світність. Зараз Сонце повинно світити на 40% сильніше, ніж 4,6 млрд років тому. Це означає, що температура на планетах таких зір, як Сонце, повинна зростати. Але в історії земної біосфери не видно проявів такого розігрівання. Річ у тім, що якщо планети заселені, організми можуть модифікувати вплив випромінювання зорі.
У моделі розглядається планета, що перебуває біля зорі, яка з часом розігрівається. На планеті — єдиний вид життя, маргаритки, представлені двома формами — чорною і білою. Вони живуть лише в певному діапазоні температур. За температури, нижчої за оптимальну, перевагу мають чорні маргаритки (вони краще нагріваються), а за температури, вищої за оптимальну, — білі. Ці квіти за сприятливих температурних умов можуть вкривати всю поверхню планети. Чорні маргаритки темніші за поверхню планети (і, поширюючись, збільшують нагрівання планети світлом зорі), а білі — світліші (і сприяють охолодженню планети).
Щойно на екваторі температура досягає прийнятного для маргариток значення, там оселяються чорні рослини, що прискорюють розігрівання планети. Після того як уся планета вкриється квітами, температура залишатиметься сталою, а у відповідь на зміни світності зорі змінюватиметься лише співвідношення двох форм маргариток. Що більшим буде потік енергії від зорі, то вищою буде частка білих маргариток і то менше нагріватиметься поверхня планети. Поки десь на планеті зберігатимуться умови для існування маргариток, вони змінюватимуть властивості середовища у бажаному для себе напрямку.
«Отже, навіть така суперпримітивна біосфера, що складається з єдиного виду рослин, які всього лише вміють варіювати колір своїх пелюсток, здатна створювати ефект цілком космічного характеру — глобально змінювати температуру поверхні планети. Однак істотнішим є не факт зміни температури, а те, що планета перетворюється на гомеостат і підтримує свою температуру сталою всупереч зовнішнім змінам (світності Сонця). Чудово й те, що система як ціле працює з негативним зворотним зв'язком, хоча кожен із її елементів — з позитивним; це є характерною особливістю саме живих систем (згадаймо, наприклад, систему хижак-жертва)» (К. Ю. Єськов, 1999).
Емерджентні властивості «Маргариткового світу» виникають, як здається, «з нічого». Замисліться: земна біосфера набагато складніша і має набагато більше ступенів свободи!
Додаткові матеріали:
Навчальна модель: Маргаритковий світ
Колонка: Ланцюжок слідів антилопи
Українська / Російська

1.07. Регуляція біосистем

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Розділ 1. Екологія і біосистеми, які вона вивчає

1.09. Стійкість біосистем