Причинные связи и системное поведение

Причинные связи. Взаимодействие между элементами системы может иметь различную природу и выражаться разными функциями. Научный анализ систем всегда был сосредоточен в основном именно на изучении этих функций.

Основные типы поведения, наблюдаемые в системах, можно изобразить в виде графика базовой динамики (рис. 2.2), где на оси абсцисс откладывается время t, а на оси ординат — существенные факторы динамики системы F (рис. 2.2).

Допустим, что некоторый фактор А с течением времени сначала возрастает, а затем начинает уменьшаться. Это может быть ход температуры за время вегетационного периода, изменение плодородия почвы за ряд лет, возрастные изменения физической выносливости человека, темпы экономического роста и т.д. Есть другой фактор В. Он может быть не связан с фактором А и не реагировать на его изменения (0-связь). Если же связь между ними существует (это можно представить как А -gt; В),то возможны варианты этой зависимости. В одном случае изменения А приводят к однонаправленным изменениям В: A -^+В\. Знак + здесь означает именно однонаправленность изменений. Так, продукция земледелия следует за плодородием почвы, а скорость роста теплолюбивых растений — за ходом температуры.

В другом случае изменения А приводят уже к противоположным изменениям В: А -gt;

Bi- Это противонаправленная (отрицательная) причинная связь. С ростом числа насекомых- вредителей падает урожай плодов в саду; здоровье человека находится в обратной зависимости от потребления алкоголя; наращивание вооружений уменьшает безопасность людей и т.д.

Сети взаимодействий и контуры обратных связей. В реальных системах рассмотренные зависимости образуют сложные цепи и сети причинных связей, потому что А влияет не только на В, а В в свою очередь может влиять на ряд друшх элементов или факторов системы. Между нажатием клавиши на клавиатуре компьютера и появлением буквы на экране монитора происходит множество элементарных электронных процессов. Точно так появление в окружающей среде вредного вещества влияет на самочувствие человека через длинную цепь молекулярных процессов.

Многие цепи причинных связей образуют замкнутые кольца, контуры обратных связей. Простейшим примером такого контура может быть модель взаимовлияния численностей популяций хищника и жертвы:

Они связаны и отрицательной, и положительной причинными зависимостями. Чем больше численность хищника, тем меньше становится численность жертвы (отрицательная связь, —), но чем меньше жертв, тем меньше пищи для хищников, и численность их популяции уменьшается (положительная связь, +). Если речь идет об одном виде хищника и одном виде жертвы (реально в природе такая ситуация встречается редко), хищник не может себе позволить уничтожить всех жертв, иначе погибнет. Большая часть жертв обычно избегает встречи с хищником.

В целом такой контур имеет отрицательный знак (—): «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около какого-то более или менее стабильного уровня. Можно сказать, что в какой-то период количество жертв уменьшилось потому, что в предыдущем периоде оно увеличилось.

Рассмотрим поведение более сложного контура (рис. 2.3). В экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты: растворенные в воде минеральные питательные вещества (обозначим их как М); потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других животных (Ж); отмершие остатки организмов и продукты их жизнедеятельности — детрит (Ц) и разлагающие детрит до минеральных веществ бактерии (Б).

Рис 2.3. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными биотическими компонентами экосистемы водоема

Допустим, что под влиянием внешнего фактора, например, повышенной температуры или попадания в водоем удобрений началось усиленное развитие фитопланктона — водорослей. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту количества животных — от зоопланктона до рыб. Вызванное этим повышенное выедание планктона приводит через какое-то время и к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур в целом имеет отрицательный знак. Система способна к самоподцержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов.

Необходимо подчеркнуть исключительное значение отрицательных обратных связей и отрицательных контуров для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь — главный элемент любого регулятора в технике. На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей — гомеостаза любой авторегулятор- ной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей.

В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, за которым, как правило, также следуют срыв и разрушение системы. Так, наращивая производство и применение пестицидов, мы через какое-то время сталкиваемся с повышением устойчивости вредителей к ядам и их усиленным размножением из-за того, что оказались отравленными их естественные враги в природе — птицы. Приходится разрабатывать новые препараты и снова увеличивать их производство, хотя ясно, что победа может быть только временной.

В любом растительном сообществе плодородие почвы (ПП), урожай растений (УР), количество отмерших остатков растений детрита (Д) и количество образующегося из него гумуса (Г) образуют замкнутый контур положительных связей (рис. 2.4). Система находится в неустойчивом равновесии, так как достаточно потери части плодородного слоя почвы в результате эрозии или изъятия части урожая растений без последующего возврата в почву необходимого количества питательных веществ.

чтобы начался процесс деградации почвы и снижения продуктивности растений. Этот порочный круг или, точнее, порочная спираль получила в свое время название закона убывающего плодородия. Наши предки вплотную сталкивались с действием этого закона в эпоху подсечно-огневого земледелия, когда из- за быстрого снижения урожая приходилось сводить все новые участки леса под новую пашню.

Рис. 2.4. Схема контура положительной обратной связи в примитивном земледелии.

Спираль иллюстрирует процесс снижения плодородия почвы (ПП) и урожая растений (УР): Д — детрит, остатки растений; Г — гумус

На контурах положительной обратной связи основаны некоторые механизмы современной экономики, когда рост производства поддерживается взаимной стимуляцией предложения и спроса с помощью навязчивой рекламы, которая искусственно провоцирует новые потребности.

В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков. При рассмотрении контуров с большим числом связей су- шествует важное правило: при четном числе последовательных отрицательных связей в контуре он становится контуром положительной обратной связи («отрицание отрицания»; «минус и минус дают плюс»).

Следует повторить, что поведение подобных систем в большей степени определяется наличием контуров обратной связи, а не конкретными значениями коэффициентов, которые обусловливают силу каждой отдельной причинной связи. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить коэффициенты, гораздо важнее добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы изменить знак системы.

«Мания»-структура. Пример с убыванием плодородия почвы один из примеров поведения систем, порождающего сложные экологические, экономические и социальные проблемы. Д.Медоуз (1992) пишет:

Ta система, которая заставляет наносить вред окружающей среде, очень похожа на другие системы, такие, например, которые заставляют людей курить, становиться наркоманами, использовать все больше пестицидов в сельском хозяйстве, создавать все больше и больше оружия, чтобы обеспечить безопасность.

Автор называет такие порочные системы «мания»- структурами, имея в виду их сходство с явлением пристрастия человека к тому, что объективно наносит ему вред и последствия чего он в большинстве случаев осознает.

Действительно, нет никого, кто сознательно хотел бы губить природу и нарушать окружающую среду, но наносимый им ущерб все время возрастает. Почему это происходит и что нужно сделать чтобы изменить положение? Ответ не лежит в ка- кой-то одной области — экономике, технике, биологии или психологии. Он заключается в системе взаимодействия этих областей, образующих глобальную суперсистему «человеческое общество — производство и экономика — живая природа — окружающая среда».

Предположим, что появление каких-то проблем приводит к ухудшению состояния системы. Назовем его здоровьем системы. Подлинное здоровье системы нам неизвестно, мы о нем можем судить лишь по некоторым наблюдениям и измерениям, на которые требуется время. Наконец, мы воспринимаем ухудшение здоровья и, сопоставляя его с нашими целями — желаемым здоровьем системы, выполняем некоторое действие. Его результат противодействует негативному влиянию возникших проблем и частично или полностью восстанавливает здоровье системы. По существу это настоящий контур регулирования (рис. 2.5, А).

Рис. 2.5. Схема возникновения «мания»-структуры

А - контур регулирования, Б - контур положительной обратной связи

Под регулируемым параметром — здоровьем системы — можно подразумевать состояния самых различных систем. Это может быть постоянство температуры в термостате, обеспеченность механизма смазкой, организма — пищей, больного — лекарством, ребенка — материнской заботой, государства — хорошим правительством.

Ho очень часто бывает так, что регулируемым параметром становится не действительное, а воспринимаемое по внешним признакам, кажущееся состояние системы. Больше того, в силу особенностей человеческой психологии оно постепенно все легче принимается за желаемое, и тогда ослабляется или вообще отпадает необходимость противодействия. А на фоне кажущегося благополучия действительное состояние системы ухудшается. Она приобретает свойства контура положительной обратной связи (рис. 2.5, Б). По существу здесь вступает в действие логика самообмана: результат действия замыкается уже не на подлинное, а на кажущееся здоровье системы. Это и есть согласно Д.Медоузу «мания»-структура.

Подобные модели системной динамики не имеют отношения к природным экологическим системам. Там действуют другие принципы и механизмы. Ho человек все сильнее влияет на природные процессы. Поэтому нужен способ совместного рассмотрения причинных связей, описывающих взаимодействие человека и природы.