Человечество,как система.Существование и эволюция систем

Система существует, пока сохраняется, как целое, обладающее свойствами, которые отсутствуют у ее элементов.

Способность сохранять свойства системы, как целого, обладающего эмерджентностью, называют целостностью.

Добавление в уже существующую систему элементов не изменяет систему, как целое, если не изменяется структура отношений, которая сформировала систему, и она соответствует условиям окружающей среды. Уменьшение числа элементов также не влияет на систему, как целое, но только до момента, когда будет убран хотя бы один элемент системы, без которого невозможно ее функционирование. Это происходит из-за разрушения структуры отношений (взаимодействий), с помощью которых осуществляется преобразование входных потоков энергии, вещества и информации в выходные.

Элементы, без которых целостность системы нарушается, называются существенными.

Так добавление всяких опций (навороченной аудиосистемы, парктроника, подогрева сидений или зеркал, кожаного салона и т.п.) к автомобилю не превращает его в другую систему. Удаление же двигателя, колес, осей, сцепления или каркаса, обеспечивающего возможность их объединения, сразу разрушает целостность системы, т.к. пропадает его основное эмерджентное свойство самостоятельного перемещения.

Таким образом, для любой системы существует минимальный набор начальных элементов, которые объединяются определенной структурой отношений для конкретных условий окружающей среды так, чтобы возникло новое целое. При этом, каждый из этих существенных элементов должен сам обладать для заданных условий свойством целого. Это причина того, что возникновение новых систем сопровождаются изменениями в элементах, которые в нее включаются. Поскольку наш мир полон случайностей, то и изменения элементов подвержены им, что приводит к неустойчивости формируемой системы, особенно в ее первоначальных вариантах. Мир живых систем с огромным количеством вариантов и попыток достаточно показательный пример.

Наличие всего набора существенных элементов и их отношений, соответствующих условиям окружающей среды, является критерием целостности системы.

Например, данное предложение является системой, обладающей свойством целого, т.е. имеющим определенный смысл, только тогда, когда оно составлено из соответствующих слов в определенном порядке (в определенных отношениях). Условием окружающей среды является то, что предложение составляется из слов и по правилам того языка, на котором этот смысл предложения понятен. Сформированное на русском языке предложение со сколь угодно глубоким смыслом не имеет никакого смысла для человека, не знающего русский язык, т.к. не соответствует среде.

То есть система существует, как целое, только в соответствующей окружающей среде. Ее в этом качестве определяет и воспринимает не сама система, а окружающая среда.

Например, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, возникает и существует, как целое, когда способен осуществлять функцию самоперемещения. Имея жесткую структуру существенных элементов и их отношений, он может ее выполнить только в определенной окружающей среде. Если его подвесить систему, например, как Илон Маск свою самобеглую электрическую коляску, в космосе, т.е. лишить поверхности, с которой он должен взаимодействовать, то выполнять свою функцию она не будет.

То же самое произойдет, если в него не заправить топливо, поместить в безвоздушное пространство, заткнуть выхлопную трубу, лишить системы охлаждения или привести в негодность электрическую систему. Достаточно прервать любое взаимодействие существенных элементов между собой и с окружающей средой, и система, как целое, перестает существовать. Автомобиль становится бессмысленной грудой изделий. И никакие крутые аудиосистемы, кожаные сидения или супер-бупер навороченные прибамбасы не превратят эту груду в систему с функцией самоперемещения.

В тоже время, наличие элементов, не участвующих в формировании системы, ведет к перераспределению потоков от ее существенных элементов, что нарушает этот баланс и при нарушении взаимодействия существенных элементов имеет критические последствия для системы, т.к. нарушается ее целостность, и для окружающей среды она перестает быть ее элементом.

Только окружающая среда определяет, что является системой, т.е. ее элементом, а что нет. Это же следует из определения, что любая система является элементом системы более высокого ранга.

Для окружающей среды рассматриваемый элемент воспринимается как целое, и его внутренняя структура не имеет для нее значения. Для нее существенны только граничные элементы данной подсистемы, через которые осуществляется обмен с нею потоками. Только через них она воздействует на нее. Эти элементы являются существенными для рассматриваемой подсистемы.

Здесь есть тонкий нюанс, который не всегда воспринимается. Продемонстрирую этот нюанс на примере автомобиля. Автомобиль самодвижущейся системой является только тогда, когда существует упорядоченный поток энергии, вещества и информации от подачи топлива из бака и информации от рулевого и педальных органов управления через массу промежуточных элементов к полотну дорожного покрытия. И только в этот момент он является частью транспортной системы и обладает с ее точки зрения эмерджентностью, которой является его способность транспортировать грузы на расстояние.

Когда он стоит, то это совсем другая система — некое сооружение для размещения чего-то. В случае кемпера — это домик, поставленный на колеса, но это другая система в другой окружающей среде, обладающая другой эмерджентностью. В нем другая упорядоченность потоков, другая окружающая среда и другая эмерджентность. При этом состав элементов, используемых двумя отличными системами не изменился.

Акцентирую, что система, прежде всего, — это не состав элементов, это структура отношений между ними и соответствующей окружающей средой.

Многие системы обладают собственными источниками энергии, вещества и информации. Если в случае с внешними источниками, которыми являются граничные элементы окружающей среды, воздействие на них, как правило, ограничено. Так Земля практически не оказывает влияния на Солнце. В случае внутренних источников существует возможность воздействия на них (управления ими). Часто в них реализуются сильные обратные положительные связи, позволяющие нелинейно увеличивать выработку потоков от источников, что позволяет системе быстро развиваться. Такие системы из-за ограниченной мощности источника также существуют ограниченное время. Такое развитие называется режимом с обострением.

Примерами таких систем являются: пожары, взрывы, цепные ядерные реакции, торнадо, молнии, вспышки эпидемий, термоядерное горение в плазме, ряд химических реакций, лазерное излучение, процессы деления и размножения, солитоны и др.

Так пожар, как система с режимом обострения, определяется объемом доступных горючих материалов, которые формируют внутренний источник, а огонь в печке, как система, определяемая внешней средой, зависит от количества подаваемого топлива, т.е. от его потока из внешней среды. Эволюция таких систем существенным образом различается. Однако, и в одном и в другом случае формирование и эволюция систем определяется потоками от источников: внутреннего или внешней среды.

В этом смысле показательна эволюция живых систем в ограниченных ареалах. При возникновении они ведут себя, как системы в режиме с обострением, т.к. запас пищи в ареале может служить им в качестве внутреннего источника. Однако, по мере роста системы и соответственного сокращения экологической ниши система переходит в режим эволюции в соответствии со скоростью возобновления пищи, которая определяется внешними потоками. В неурожайные годы размер системы сокращается, в урожайные возрастает.

Для всех систем, эволюционирующих в режиме с обострением, внутри нее должен действовать источник энергии, нелинейным образом зависящий от его распределения в системе. В этом случае конкуренция процессов выделения и распространения энергии приводит к появлению такой характеристики среды системы, как минимальный размер области, в которой процессы «уравновешивают» друг друга. В режиме с обострением некоторые параметры, благодаря нелинейным источникам, хотя бы часть времени изменяются по закону неограниченного возрастания за конечное время. У этих систем есть еще одна особенность — относительно короткое время их существования, т.е. они по своей природе быстро достигают своей точки бифуркации.

Режим с обострением работает до тех пор, пока работают механизмы положительной обратной связи в системе. Положительная обратная связь может разрушиться по разным причинам, как правило, в большинстве случаев из-за разрушения границ системы, задолго до того, как достигнут пик выделения энергии.

Генерируемая и накопленная в системе энергия выделяется в окружающую среду, а система переходит в новое состояние.

Однако, общие свойства режима с обострением остаются для самих систем без изменения, и важнейшими из них являются: наличие внутреннего нелинейного источника энергии, механизма сильной положительной обратной связи и точки бифуркации, в которой переход системы эволюционирующей в режиме с обострением в новое состояние становится необратимым.

Отличия связаны с особенностями процессов, происходящих во внутренней иерархии элементов системы. Однако, общие свойства режима с обострением остаются для самих систем без изменения, и важнейшими из них являются: наличие внутреннего нелинейного источника энергии, механизма сильной положительной обратной связи, локализации энергии в пределах системы и точки бифуркации, в которой переход системы, эволюционирующей в режиме с обострением, в новое состояние становится необратимым.

Примерами могут служить природные пожары, в которых роль агента нелинейной положительной обратной связи играет геометрия распространения. В условиях безветренной погоды природный пожар на ровной поверхности теоретически мог бы распространяться нарастающим образом в виде кольца с возрастающей окружностью. При этом количество топлива и, соответственно, выделяемой в зоне пожара энергии, увеличивалось бы по квадратичному закону из-за геометрического параметра. В реальных пожарах из-за ветров и естественных неравномерностей поверхности и плотностей горючих материалов распространение носит достаточно хаотический секторальный характер.

Существует и специфический случай эволюции живых систем в режиме с обострением, называемый уединенной популяционной волной. Он реализуется, когда вид попадает в ареал, где он является новым и выполняются условия: существует достаточно значимый объем пригодных ресурсов и отсутствуют в течение некоторого времени ограничивающие факторы в виде врагов и условий, прежде всего, климатических. Это также означает, что вид не встроен в пищевую цепочку биоценоза, и по факту является паразитом для этого биоценоза.

Если вид может достаточно быстро перемещаться по территории ареала с пригодными ресурсами, то происходит вспышка численности. В результате, как правило, практически полностью гибнут ресурсы, пригодные для вторгшегося вида, а затем из-за их исчерпания гибнет сам вторгшийся вид. Скорость уничтожения сопоставимого объема ресурсов возрастает вместе с ростом численности, одновременно возрастает скорость перемещения к новым объемам ресурсов. Возрастающая скорость является сильной положительной обратной связью. В конечный момент в максимуме численности вид непрерывно движется по ареалу. Коэффициент размножения становится равным нулю, а затем из-за изменения возрастной структуры начинается вымирание (ничего не напоминает?). При достижении границ ареала или при изменении условий происходит массовая гибель вида. Графически динамика уединенной популяционной волны представляет собой гиперболический рост до максимального значения и аналогичное по характеру снижение численности до нуля, т.е. выглядит как уединенная волна колебания популяции. Типичными примерами являются периодические вспышки численности инвазивных видов, например, саранчи в нетипичных районах обитания, вредителей лесов и т.п.

В тоже время, наличие внутреннего источника позволяет системе обеспечить динамическую устойчивость в условиях сильных изменений окружающей среды при эволюции вне режима с обострением.

Зависимость системы от входящих потоков, т.е. условий окружающей среды, является важнейшим обстоятельством, ограничивающим возможность формирования и существования систем. Условия окружающей среды, т.е. потоки энергии, вещества и информации, воздействующие на систему через ее граничные элементы, распределяясь в рамках ее структуры на существенные элементы формируют и сохраняют систему.

Если рассмотреть второе начало термодинамики, то из него следует, что в отсутствии окружающей среды, т.е. входящих потоков система не существует. Любая организация материи возможна только при наличии потоков энергии, вещества и информации. Как будет показано позднее при рассмотрении термодинамики систем не менее важным является и процесс сброса исходящих потоков.

Именно это же говорит и первое начало термодинамики. Оно всего лишь утверждает, что энергия существует только в форме движения потоков, т.е. непрерывного преобразования.

Система существует в виде структуры отношений, т.е. внутренних потоков, которая обеспечивает баланс превращений входящих потоков в выходящие.

В ходе эволюции система стремится сохранить свою целостность, хотя под воздействием изменения потоков может приобретать и новые свойства. Эти новые свойства, как элемента нового целого, позволяют ей совместно с другими одноранговыми системами, обладающими объединяющими их свойствами, образовать новую систему более высокого ранга. При этом система продолжает существовать в статусе системы прежнего ранга. Фактически не переставая быть элементом старой окружающей среды, система становится элементом новой окружающей среды.

Так предки человека, сохраняя целостность биологического вида, приобрели в ходе эволюции новые свойства целого, например, речь и письменность. Это позволило объединиться в новый тип систем — социальные: от кружков по интересам до структур государственного управления. Т.е. кроме окружающей среды биологического вида, человек стал частью социальной окружающей среды.

Структура отношений между элементами формируется в задаваемых внешней средой условиях и является определяющей систему характеристикой. Например, одни и те же люди могут входить в состав трудового коллектива и спортивной команды, но структура их отношений (положение и роль в социумах и их взаимодействие) в разных условиях (законы, правила игры) могут кардинально отличаться.

Изменения могут привести к появлению новых систем только, если элементы, подвергающиеся воздействию, существуют и входят в состав других систем. Новые системы не возникают из ничего. Они могут возникнуть на базе элементов уже существующих достаточно стабильных систем. Например, жизнь не могла бы возникнуть, если бы не было стабильных химических элементов.

Это означает, что преобразование потоков не прерывается, а усложняется за счет формирования более высокоранговых (более сложных) систем и отношений.

Эволюция систем идет таким образом, чтобы всегда преобразовывались все входные потоки от всех источников. Если это не выполняется текущей композицией элементов, отношений и условий, то в системе идет накопление избыточных входных потоков и их преобразование в новую композицию. Т.е. часть потоков идет на формирование новых элементов и их свойств, новых отношений между ними, соответствующих новым условиям окружающей среды.

Так, если к чайнику с водой подвести тепло, то последовательно образуются система передачи тепла от нагреваемого днища к поверхности контакта с воздухом посредством теплопроводости. Затем за счет накопления тепла в объеме из-за теплоемкости воды и формирования градиентов плотности из-за ограниченной теплопроводности формируется система конвекционных потоков. Потом за счет локальных фазовых переходов формируется система пузырькового кипения. И все завершается системой объемного кипения до полного выкипания воды или прекращения подачи тепла. При этом все предыдущие системы преобразования потоков, от теплопроводности до пузырькового кипения, продолжают действовать.

Если существует источник внутри замкнутой системы, которая не обменивается энергией и веществом с внешней средой, то под его воздействием в ней сформируется иерархия систем, которые займутся уничтожением градиентов энергии. Эти градиенты создают потоки энергии, вещества и информации от источника, и возникающие системы будут преобразовывать их так, чтобы преобразовать потоки и привести систему в равновесное состояние. Будет выполняться второе начало термодинамики для изолированной системы. Равновесное состояние наступит, когда источник иссякнет и градиенты будут уничтожены вместе с иерархией систем.

Системы существуют благодаря градиентам между входными и выходными условиями окружающей среды и между элементами внутри нее, т.к. они формируют потоки. Исчезнут градиенты, исчезнут и системы.

Когда существует источник энергии, поступающей в систему (например, Солнце по отношению к Земле) и вещества (космос) и приемник потоков (тот же космос), и их мощность высока, а время существования велико, то реализуется процесс постепенного усложнения иерархии систем. Такая система является открытой, неравновесной и динамической, т.е. изменяющейся во времени.

У Земли есть и свой внутренний источник энергии — тепло ядра планеты, которое существенно влияет на глобальные планетарные системы. Есть и выходные потоки в виде теплового излучения в космос и выноса газов и пыли из атмосферы из-за градиента ее плотности.

Все существующие на Земле глобальные планетарные системы: геологическая, гидрологическая, атмосферная, растительный и животный мир и последняя по времени возникновения социальная система, образованы поступающими извне потоками энергии Солнца и вещества из космоса, а также тепла, генерируемого внутренним ядром планеты. При этом не одна из этих глобальных планетарных систем не способна воздействовать на эти источники и их потоки, т.е. не образует с ними обратных связей.

В то же время эти планетарные системы воздействуют на одноуровневые глобальные планетарные системы, играя друг для друга роль систем окружающей среды. Они реализуют смежные процессы преобразования потоков от источников. Эволюция каждой системы приводит к эволюции других систем. Этот процесс коэволюции играл и продолжает играть определяющую роль в эволюции всех иерархий систем на Земле, от геологических до социальных.

Сами потоки и их изменения должны быть достаточно упорядочены, чтобы приводить к способным формировать новое целое однонаправленным изменениям в элементах, и длиться столько времени, чтобы новые структуры отношений могли сформироваться.

Слово «упорядочены» означает, что потоки должны формировать отношения существенных элементов таким образом, чтобы образовывать такое преобразование, которое формирует эмерджентность. При этом существенных элементов должно быть достаточно и они должны обладать соответствующей целостностью, т.е. работать на синхронно (коллективно) в схеме преобразований, по крайней мере, в пределах устойчивости, обеспечиваемых обратными связями.

Пример нарушения упорядоченности весь мир наблюдал в период COVID-19, особенно в начальный период. Врожденная иммунная система людей слишком резко реагировала на данное инфекционное заражение, нарушая упорядоченность потоков в организме, чем убивала их собственный организм вернее, чем собственно инфекция.

Существует правило формирования систем и несколько существенных следствий.

Правило заключается в том, что, если одноранговые системы обладают объединяющими их свойствами, то, соединяясь, они формируют систему более высокого порядка с новыми свойствами.

Следствие первое гласит:

При формировании систем более высокого ранга из систем более низкого ранга, упорядоченность отношений систем более низкого ранга приводятся в соответствие с упорядоченностью системы более высокого ранга. Упорядоченность более низкого ранга разрушается.

Т.е. потоки к и от элементов перестраиваются под структуру отношений более высокоранговой системы. Это следствие того, что высокоранговая система становится новой окружающей средой для своих элементов, что и приводит к изменению потоков, и, как следствие, к изменению структуры отношений. Например, генерируемые в сложном организме стволовые клетки подвергаются дифференцировке, чтобы соответствовать требуемой упорядоченности отношений в соответствующем органе, в состав которого они включаются. Это причина того, что человек уже не может существовать вне социальной системы, т.к. все его взаимодействия заточены под этот тип высокоранговых систем.

Вследствие такого переупорядочивания системы более низкого ранга в сложных организмах уже не способны самостоятельно существовать вне их без специальных лабораторных условий, имитирующих эти организмы.

Из этого следует, что, если высокоранговая система разрушается, то также разрушению подвергается вся иерархия входящих в нее систем.

Например, разрушается организм, гибнут и все его элемеенты вплоть до клеток. Разрушение идет до уровня начальных элементов, принадлежащих одновременно двум и более иерархиям. В случае организма - до химических элементов и их соединений.

Если во время разрушения на каком-либо промежуточном уровне иерархии формируются локальные условия новой окружающей среды, а элементы имеют свойства, способные сформировать новое целое, то она образуется.

Так в ходе массовых вымираний, часть растительного и животного мира, благодаря своим приобретенным особенностям, смогла образовать в новых условиях новые системы, которые развились до новых иерархий.

Переупорядочивание занимает определенное время вследствие существующих в системах всех рангов обратных связей, обеспечивающих их динамическую устойчивость при изменениях условий внешней среды.

Химические реакции являются хорошим примером такого явления, как отрицательная обратная связь в системе. Это явление хорошо видно в условиях замкнутых химических систем, когда отсутствует поток вещества извне, например, при синтезе аммиака из азота и водорода при высоких температуре и давлении в присутствии катализатора. Под воздействием потока энергии в системе с высокой концентрацией реагентов реализуется прямая реакция генерации продуктов. Однако, по мере снижения концентрации реагентов будет расти концентрация продуктов прямой реакции. Из-за градиента концентраций и энергии начинается перераспределение реагентов и продуктов в объеме замкнутой системы. В результате часть продуктов попадет в зоны, где будет происходить обратная реакция превращения продуктов в реагенты из-за недостаточности локального потока энергии. Часть энергии при этом начнет выделяться во внешнюю среду. По мере возрастания концентрации продуктов количество обратных реакций будет расти. При определенных условиях установится баланс входящих и исходящих потоков энергии, скоростей образования и распада продуктов, т.е. прямой и обратной реакции, и сформируются устойчивые потоки диффузии реагентов и продуктов в объеме.

При изменении входного потока энергии (увеличении или уменьшении потока тепла) этот баланс будет меняться таким образом, чтобы скомпенсировать изменение этого потока.

Отрицательные обратные связи существуют во всех типах систем и обеспечивают автоматическое действие механизмов компенсации внешних воздействий в определенных пределах.

В рассмотренной ранее замкнутой химической системе зависимости изменений скоростей диффузии реагентов и продуктов от температуры, а также парциального давления и плотности веществ в системе существенно отличаются. Это означает, что в определенный момент при значительных отклонениях входного потока баланс внутренних потоков будет необратимо нарушен. Соответственно, возникнет ситуация, когда для преобразования входного потока потребуется формирование новой системы. Не обязательно эта система будет чисто химической. Наиболее вероятно, что изменятся принципиально механизмы взаимодействия. Например, вместо химических реакций и потоков диффузии или в дополнение к ним изменится фазовое состояние веществ или сформируются конвекционные потоки, как в чайнике из другого рассмотренного ранее примера.

В стохастическом мире, к которому мы принадлежим, при наличии источников энергии и вещества, образующих упорядоченные потоки от областей с высокой плотностью энергии к областям с низкой плотностью энергии, и достаточном времени будут формироваться сложные системы, обеспечивающие требуемые условиями окружающей среды преобразования потоков. Так на Земле, куда поступают потоки энергии от Солнца с температурой порядка 6000 К и вещества из космоса, а затем они сбрасываются с температурой порядка 300К в окружающее космическое пространство с температурой порядка 3К, в этом упорядоченных потоках формируются сложные геологические, атмосферные, гидрологические, биологические и социальные системы. Внутренний источник в виде ядра планеты обеспечивает сохранение этих систем при широком спектре отклонений, вызываемых изменениями динамических параметров солнечной системы.

Все описанные понятия и свойства систем существуют в силу действия самых общих законов и принципов природы. Они применимы к человечеству в той же мере, как и к системам любых других типов, независимо от наличия у них «разумности». Поэтому вполне логично рассмотреть как базовые законы и принципы физики приводят к существованию систем всех типов и определяют их эволюцию.