Иерархия нелинейных сред

Системная иерархия (гр. hierarchia < hieros священный + arche власть) - расположение частей целого в порядке по системным уровням от высшего к низшему. Идея возможной иерархии сред - фундаментальный принцип в синергетике. В системной иерархии четко просматриваются два направления: вертикальное и горизонтальное. Обычно в иерархическом порядке подчеркивают вертикальный порядок от высшего уровня к низшему и часто забывают про горизонтальный порядок, образующий элементы одного системного уровня. Ярко выраженным объектом с системной иерархией является наша планета Земля.

Переход по вертикали с одного системного уровня на другой носит характер скачка в виде структурного перехода (в том числе и логического барьера) и является объекто-образующим (разделяющим) фактором. С другой стороны, объекты внутри одного системного уровня связаны топологическими причинно-следственными "горизонтальными" связями, что является пространственно и время-образующим фактором. Если вертикаль формирует возможность существования объектов и дает переход в совсем другой темпомир с другим масштабом времени, то горизонталь формирует возможность организации среды в пространственно-временной континуум.

Наличие вертикали (переход барьера скачком) и горизонтали (топология пространства-времени) составляет сущность иерархического расслоения мира. Без горизонтали нет вертикали, без вертикали нет горизонтали - вне пространства-времени нет объектов, без объектов нет самого пространства-времени.

Каков путь эволюции от простого к более сложному? Для того, чтобы создавать все более сложные структуры, нужно создавать иерархию сред (системных горизонтальных уровней) с различными нелинейностями, которым соответствуют разные типы структур.

Можно условно выделить девять иерархических нелинейных сред - горизонталей, построенных по принципу иерархических темпомиров, имеющих свои уникальные миры: 1 С точки зрения синергетического мировидения иерархии живого, предполагается некая среда, способная создавать более сотни типов атомов химических элементов таблицы Менделеева. 2 В среде более высокого уровня атомы различного типа могут объединяться в молекулярные соединения, среди которых - органические соединения, например, аминокислоты. 3 Среда следующей иерархии - генный уровень - манипуляция с участками чрезвычайно длинных молекул ДНК, используемых в качестве генетической информации с помощью алфавита {А, Ц, Т, Г}.

4 На следующем уровне генетическая информация, содержащаяся в ДНК, реализуется в форме белковых структур по цепочке:

ДНК->РНК->белок. 5 Следующая иерархия - клеточный уровень, обеспечивающий размножение клеток делением. 6 В среде следующей иерархии реализуется морфогенез (формо-образование) многоклеточных организмов.

7 На следующем уровне реализуется филогенез (видообразование). 8 Среда следующей иерархии - экологическая - реализует биогеоценоз - сложную природную систему взаимодействия организмов и среды обитания. 9 Среда следующей иерархии - социум - основа формирования цивилизации.

С точки зрения мировоззрения, связь макросистем с микросистемами является очень важным следствием иерархичности. Каждая структура очередного уровня связана со своей микроподложкой. Возможна постановка вопроса: имеется ли связь всех этих сред (уровней, слоев иерархий) с неким общим основанием - с прасредой? Возможна ли связь через несколько уровней организации? А вообще, существует ли прасреда, или такой прасредой является весь мир?

Следует отметить поразительное сходство этой идеи с фракталами и странными аттракторами. Например, темпомир атома существует по законам странного аттрактора и с нашим темпомиром - средой обитания человека не когерентен. Пульсации во времени и пространстве

Фундаментальный принцип поведения сложных систем - это циклическое, т.е. периодическое чередование стадий эволюции и инволюции.

В природе все изменения происходят с различными скоростями. Два типа скоростей эволюционных процессов являются принципиальными: быстрые и медленные. Первые называют революциями, бифуркациями, скачками природы. Вторые - адаптациями, стабильностью, приспособлением.

Пульсации во времени и пространстве ритмов и форм нелинейных систем - одна из основных характеристик эволюции. Пульсации в эволюции сложных нелинейных систем существуют на всех стадиях, включая и стадии устойчивого роста. Режимы замедления и распада, хотя бы частичного, и объединение, возникновение новых форм построения эволюционного целого неизбежны.

Динамика развития сложных социальных организаций и структур связана:

с периодическим чередованием режимов убыстрения процессов и их замедления - в виде пульсаций во времени, а также,

с периодическим чередованием режимов структуризации и стирания различий в виде частичного распада структур с периодическим смещением фокуса влияния от центра к периферии и обратно - в виде пульсаций в пространстве.

Существуют глубокие аналогии между историческими свидетельствами о циклах процветания, гибели цивилизаций и циклами Н.Д.Кондратьева, колебательными режимами Дж.К.Гелбрайта и этногенетическими ритмами Л.Н.Гумилева.

В хронологии человечества имеет место сокращение длительности исторических периодов - "третья волна" Элвина Тофлера. Со временем происходит уплотнение исторических событий. История становится все более концентрированной.

С другой стороны, пульсации в пространстве: "первая волна" - внедрение сельского хозяйства 10 тысяч лет назад - распределение в пространстве в виде поместий, хуторов, общин; "вторая волна" - промышленная (индустриальная) революция в конце 17 века - централизация производства и концентрация людей в крупных городах и промышленных центрах; "третья волна" - информационная революция (постиндустриальное общество) в середине 20 века - тенденция к децентрализации производства и населения.

Рост населения с обострением ведет не только к существованию колебаний во времени численности населения, но и к наличию колебаний по пространству, к определенным формам пространственного расселения населения, в том числе к определенным формам урбанизации.

Например, сеть городов с хорошо развитой инфраструктурой в Германии дает правильную гексагональную решетку - аттракторов процессов урбанизации (решетки Кристаллера). Оптимальный размер города - порядка 100-300 тысяч жителей, это в некотором смысле "квант урбанизации". Мегаполисы по сути представляют собой конгломерат городов. Например, Москва состоит примерно из 40 "квантов урбанизации".

Системная сложность: поведение и структура

Природа экономна не в сложности поведения и в сложности структур, а только в принципах. Система считается сложной, если она содержит множество меняющихся и взаимодействующих друг с другом элементов и сил, которые невозможно систематизировать и понять в их совокупности или оптимизировать с помощью традиционного логического подхода "сверху вниз". Если в целом система является сложной, то на локальных уровнях используется всего несколько простых правил организации поведения элементов. Например: объединение в целое и принципы формообразования структур.

Поведение системы описывается ее спектром состояний

Известно, что сообщество пчел, ос или муравьев представляет собой сложную систему. Но отдельные муравьи имеют очень простую нервную систему и специализированы на простых функциях, выполняя роль локальных "агентов" с очень простыми функциями. Однако в целом сообщество муравьев (локальных "агентов") может проявлять достаточно сложное адаптивное поведение в ответ на различные проявления и воздействия со стороны окружающей среды. Без какого-либо централизованного руководства они разделяют между собой обязанности, ищут пищу, строят и обслуживают свои ульи и муравейники, заботятся о потомстве и организуют отпор в случае атаки врагов. Их колонии адаптируются к самым различным ситуациям.

Такое сложное поведение можно моделировать посредством простых программируемых агентов с помощью нескольких простых правил и предоставить им возможность взаимодействовать друг с другом. За счет оптимизации деятельности агентов на локальных уровнях можно повысить качество и эффективность всей мультиагентской среды на более высоком уровне иерархии. При этом, совершенно невозможно оптимизировать систему в целом с точки зрения логики.

Отдельные агенты могут изменять свои правила, чтобы адаптироваться к обстоятельствам, и это может повлиять на глобальное поведение системы, зачастую непредсказуемым образом. Иногда небольшие, локальные изменения в поведении агентов оказывают на систему очень серьезное воздействие. В этом проявляется нелинейность мультиагентской среды.

Структура систем - наиболее консервативная часть систем Как возникает сложное? Почему формообразование и структуры самоорганизации природы имеют именно такие, скажем спиральные или решетчатые формы? Как возможна смена форм, усложнение формообразований в мире? Как осуществляется процесс морфогенеза? Как возможна цепная реакция усложнения?

По каким принципам строится сложная структура из простых частей, как целое возникает из частей? Как происходит сборка сложного в этом мире?

Сложное связано, с одной стороны, с субординацией уровней, иерархическим принципом построения. С другой стороны, сложное с необходимостью должно рассматриваться в эволюционном аспекте. Подлинно сложные феномены возникают и самоподдерживаются на зыбкой границе хаоса и порядка. Описание сложного невозможно без представления о нелинейности.

Сложные структуры порождаются различными путями: 1) увеличение нелинейности среды в виде восхождение по иерархии сред (например, биологический путь), 2) увеличение нелинейности среды путем изменения параметров среды (приближение LS-режима к S-режиму).

Сложность структуры связана с когерентностью (лат. cohaerentia - сцепление, связь), которая понимается, как согласование темпов жизни структур посредством диффузионных, диссипативных процессов, являющихся макроскопическим проявлением хаоса.