Самоорганизация геосистем: теоретические аспекты
М.А. Ноговицына
Проанализированы публикации российских и зарубежных авторов по самоорганизации. Истоки идей о самоорганизации были связаны с вопросами о происхождении мира. В XX в. концепция самоорганизации развивалась параллельно с кибернетикой. Позднее самоорганизующиеся системы стали изучаться в рамках синергетики. Результаты исследований, полученные в рамках синергетики в конце XX в., использовались практически во всех научных дисциплинах, вследствие чего понятие самоорганизации получило различное толкование. На основе представлений о самоорганизации А. Д. Армандом (1988, 1992) была разработана теория географических процессов, сформулированы общие принципы развития географических систем. В настоящее время в географии развито несколько теорий самоорганизации географического пространства: геоморфологических циклов В. Девиса; сукцессий Ф. Клементса; зонирования территории И. Г. Тюнена; центральных мест А. Кристаллера и поляризованной биосферы Б. Б. Родомана; саморазвития транспортных сетей П. Хаггета - С. А. Тархова; каскадная теория организации водно-геохимических потоков в ландшафтах Б. Б. Полынова, теория геохимических арен М. А. Глазовской.
В географии самоорганизация понимается как сложный процесс формирования, сохранения и упорядоченного преобразования целостности за счет внутренних факторов, таких как вещественно-энергетический обмен, внутренние взаимосвязи, резонанс процессов, взаимосвязь со средой, развитие, устойчивость. Вещественно-энергетический обмен между геосистемами и их компонентами является фактором, который определяет их внутреннее единство.
Ключевые слова: самоорганизация, геосистема, географическое пространство, процесс, фактор.
Self-Organization of Geosystems: Theoretical Aspects
M.A. Nogovitsyna, V. B. Sochava
Abstract. The article analyzes the publications of Russian and foreign authors on selforganization. The origins of ideas about the self were related to questions about the origin of the world. In the twentieth century, the concept of self-organization developed in parallel with Cybernetics. Later, self-organizing systems began to be studied in the framework of synergetics. The results obtained in the framework of synergetics in the late XX century, is used in virtually all scientific disciplines, with the consequence that the concept of self-organization has received different interpretations. On the basis of self-organization A. D. Armand [1988, 1992] developed a theory of geographical processes, and formulate General principles for the development of geographical systems. Currently in geography developed several theories of self-organization of geographical space: geomorphological cycles B. Davis; F. Clements successions; zoning Thunen I. G.; theory of Central places A. Christaller and polarized biosphere B. B. Rodoman; self-development of transport networks Hagget P. - S. A. Tarkhov; cascade theory of water-geochemical flows in landscapes B. B. Polynov, the theory of geochemical arenas M. A. Glazovskaya.
In the geography of self-organization is understood as a complex process of formation, preservation and orderly conversion of integrity due to internal factors such as material and energy exchange, internal relationships, resonance processes, the relationship with the environment, development, sustainability. Material-energy exchange between geosystems and their components is a factor that determines their internal unity.
Keywords: self-organization, geosystems, geographic space, process, factor.
Исследование изменения геосистем как целостных образований является современной научной задачей, стоящей перед географией. Для ее решения необходимо синтезировать знания о различных географических процессах и взаимосвязях компонентов геосистем. Сложность геосистем, определяемая наличием памяти о предыдущих состояниях, их развитием в гармонии с геосистемами более высокого иерархического уровня, разнообразием протекающих в них процессов, обусловливает потребность изучения их самоорганизации с синергетических позиций. Знание особенностей самоорганизации позволят всесторонне оценить возможные ответные реакции геосистем на те или иные воздействия. Эта задача относится к числу важнейших условий, необходимых для планирования и осуществления рационального природопользования [4].
Развитие представлений о самоорганизации геосистем
Истоки идеи о самоорганизации относятся к древнегреческой философии и связаны с вопросами о происхождении мира. Так, Демокрит утверждал, что мировой порядок возник из хаоса в результате столкновения частиц, которые впоследствии определенным образом упорядочились.
Немецкие философы И. Кант и Ф. Шеллинг также писали о самоорганизации, рассуждая в своих работах о формировании планетарной системы. В XX в. концепция самоорганизации развивалась параллельно с кибернетикой и была связана с трудами таких ученых, как У. Р. Эшби и Х. Ферстер [4].
В 1950-60-е гг. XX в. возникло научное направление - синергетика, в рамках которого изучались самоорганизующиеся системы, рассматривались общие закономерности развития систем любой природы. Предметом синергетических исследований являлось изучение общих принципов функционирования систем, в которых из хаотических состояний самопроизвольно возникают упорядоченные пространственные, временные и пространственновременные структуры. Г. Хакен в рамках синергетики отмечал, что процесс упорядочения за счет согласованного взаимодействия множества элементов в открытой системе и есть самоорганизация. При специфическом внешнем воздействии система приобретает определенную структуру и характер функционирования, что обусловливает строго регулируемое поведение всех элементов системы, объединенных общими действиями; данный процесс именуется организация. Самоорганизующиеся же системы испытывают извне только неспецифическое воздействие [4; 5].
Результаты исследований, полученные в рамках синергетики в конце XX в., использовались практически во всех научных дисциплинах (физика, химия, социология, политика и др.), вследствие чего понятие самоорганизации получило различное толкование.
К примеру, считается, что самоорганизация является сложным явлением, выраженным множеством различных фаз на различных уровнях - от атома до Вселенной [10].
Самоорганизация -- это процесс, при котором возникает глобальная модель системы благодаря взаимодействию компонентов ее нижнего уровня [9].
Самоорганизация -- это набор динамических факторов, влияние которых приводит к образованию структуры системы глобального уровня организации на основе взаимодействия компонентов на более низком уровне. Она основывается на четырех основных составляющих: положительных связях компонентов, способствующих созданию структур; отрицательных обратных связях, которые уравновешивают положительные; усилении колебаний (случайные блуждания, ошибки); множественных взаимодействиях индивидуумов или элементов в биологических системах, которые могут изменяться ими [8].
Сущность самоорганизации состоит в том, что структура системы часто возникает без явного внешнего воздействия. Другими словами, система формируется в результате взаимодействия между компонентами и обычно зависит от физической природы этих компонентов. Организации могут развиваться во времени или пространстве, поддерживать стабильную форму или форму переходных явлений. Общим ресурсом в рамках самоорганизации систем является диссипация [7].
Самоорганизация - это в основном процесс эволюции, где эффект воздействия окружающей среды является минимальным, т. е. она возникает там, где происходит развитие новых, сложных структур в самой системе. Эффекты самоорганизации могут быть поняты на основе анализа процессов изменения и естественного отбора, наряду с другими, экологически управляемыми процессами эволюции. Их познание имеет важное значение для понимания возникновения и развития жизни на Земле. Самоорганизация обычно вызвана внутренними вариациями процессов, которые обычно называют «колебания» или «шум». Она обычно ассоциируется с более сложными, нелинейными явлениями, а не с относительно простыми процессами поддержания структуры [10].
Вместе с тем смысл самоорганизации сводился, прежде всего, к тому, что это природный процесс, который переводит открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое, устойчивое, с более высоким уровнем упорядоченности составных частей и взаимосвязей системы. Согласно теории самоорганизации систем, порядок во взаимосвязанной системе элементов может возникать вокруг так называемых аттракторов, которые помогают создавать и удерживать стабильные тенденции в системе. Сила аттрактора описывается в терминах глубины и ширины его бассейна. С ландшафтной точки зрения процессы изменений рассматриваются в одном из двух способов - на поверхностном и на глубоком уровне [4].
Изменения на первом уровне будут включать модификации в определенных частях ландшафта, оставляя при этом сам ландшафт неизменным. Изменения глубокого уровня затрагивают модификацию самого ландшафта, т. е. фактически трансформацию бассейна аттрактора. Она будет охватывать факторы, «дестабилизирующие» существующий аттрактор, который поддерживает систему в ее нынешнем состоянии, и дальнейшую активизацию нового аттрактора, который изменит природную систему (рис. 1).
Рис. 1. Преобразование геосистемы (1 - стабильное состояние, 2 - нестабильное, 3 - новое стабильное состояние)
географический планетарный самоорганизация
На основе представлений о самоорганизации А. Д. Армандом (1988, 1992) была разработана теория географических процессов, сформулированы общие принципы развития географических систем. С именем В. Б. Со- чавы связано учение о геосистемах, где были даны основы, заложенные впоследствии в понимание факторов самоорганизации геосистем, такие как целостность, инвариант, иерархичность, размерность, возраст, эволюция и динамика [5].
Были предложены идеи, которые способствовали развитию представления о самоорганизации географических систем. А. А. Григорьев (1965) ввел понятие и развил учение о географической оболочке Земли, положив в основу изучения ее структуры метод баланса поступления и расхода вещества и энергии. Совместно с М. И. Будыко (1949) им было разработано обоснование закона периодической географической зональности как природной организации массоэнергообмена. В концепции о существовании специфических геологических времен, разработанной И. В. Крутем (1978), предложено выделять несколько уровней организации Земли. Ф. Я. Шипунов (1980) также выделяет уровни организованности биосферы: термодинамический, физический, биологический и др. А. В. Поздняков и И. Г. Черва- нец в монографии «Самоорганизация в развитии форм рельефа» (1990) предложили общую концепцию самоорганизации рельефа как целостной системы и методы ее изучения. Работы А. Г. Исаченко (1991, 1997, 2004) посвящены исследованию общих закономерностей физико-географической дифференциации. Согласно А. В. Позднякову (1990, 2003), устойчивость является условием для процесса самоорганизации элементов системы как целого [4].
Исследованию взаимодействия колебаний с близкой частотой и их воздействию на формирование ландшафтной структуры посвящены работы Н. А. Гвоздецкого (1977); А. Д. Арманда (1996), Ю. Г. Пузаченко (1986), Б. В. Виноградова (1979). Считалось, что самоорганизация колебательных процессов находит выражение в пространственном устройстве ландшафтной оболочки Земли. А. Д. Арманд (1996) полагал, что этот ритм генетически связан с прогрессией размеров отдельностей горных пород, разбитых трещиноватостью, а также габаритов тектонических блоков кристаллического фундамента платформ, ограниченных линиями разломов. По мнению Д. И. Назимовой и других (2008), функционирование биогеоклиматической зоны в значительной мере связано с колебательными процессами - циклами климатическими, гидрологическими, геоморфологическими разной амплитуды и продолжительности. Кроме того, биота развивается еще необратимо [4].
Взаимосвязь между компонентами можно понять, если представить их образование на Земле. Влияние любого «вышестоящего» на «нижестоящий» всегда будет более мощным и определяющим - от литогенной основы через воды и атмосферу к биоте. Любое нарушение динамического равновесия приводит к тому, что отдельные процессы перестают компенсировать друг друга.
Считается, что сложность геосистем определяется наличием в них элементов «памяти» в процессах как живой, так и неживой природы. Накопление элементов памяти приводит к «старению» и распаду геосистем. Они играют роль катализатора, существенно ускоряют эволюцию, не повторяя исторический путь случайного отбора. Строительство по образцу является некой формой резонансного возбуждения - быстрого перехода к сложным структурам, своеобразным «сжатием процессов» во времени. Согласно этому в географии возникло представление о почве-памяти и почве-моменте, т. е. о двуединости почвы как естественно-исторического тела и как функционирующего в настоящий момент [4].
В географии развито несколько теорий самоорганизации географического пространства: геоморфологических циклов В. Девиса и связанная с ней модель пенепленизации рельефа; сукцессий Ф. Клементса, которую рассматривают как процесс самоорганизации экосистем, имеющий прямое отношение к направленности развития биогеоценозов и к глобальному тренду, зонирования территории И. Г. Тюнена; теория центральных мест А. Кристаллера и поляризованной биосферы Б. Б. Родомана, саморазвития транспортных сетей П. Хаггета - С. А. Тархова; каскадная теория организации водногеохимических потоков в ландшафтах Б. Б. Полынова, теория геохимических арен М. А. Глазовской; в трудах Н. Ф. Глазовского получила развитие концепция бассейновой организации массоэнергопереноса на поверхности суши.
Приводятся также частные феномены самоорганизации: образование полигональных почв в тундре, трещин в горных породах, кристаллизация, формирование структуры гидрологической сети, рост из семени большого дерева, образование водоворотов в области сужения русла реки и т. п.
Анализ этих и других публикаций показал, что самоорганизация, ее феномены и факторы являются объектом исследования множества отечественных и зарубежных ученых в различных областях наук. Однако значительная их часть концентрируется на изучении проявлений отдельных факторов и дальнейшем развитии теории систем.
Факторы самоорганизации геосистем
Основными факторами, определяющими самоорганизацию геосистем, являются вещественно-энергетический обмен, развитие, резонанс процессов, устойчивость, внешние и внутренние взаимосвязи.