Шпаргалка по «Концепции современного естествознания»

Методологический подход к экологии как к науке позволяет выделить предмет, задачи и методы исследований.

Объекты исследования экологии — в основном, системы выше уровня отдельных организмов: популяции, биоценозы, экосистемы, а также вся биосфера. Предмет изучения — организация и функционирование таких систем.

Главная задача прикладной экологии — разработка принципов рационального использования природных ресурсов на основе сформулированных общих закономерностей организации жизни.

Методы исследований в экологии подразделяются на полевые, экспериментальные и методы моделирования.

Полевые методы представляют собой  наблюдения за функционированием организмов в их естественной среде обитания.

Экспериментальные методы включают в  себя варьирование различных факторов, влияющих на организмы, по выработанной программе в стационарных лабораторных условиях.

Методы моделирования позволяют  прогнозировать развитие различных  процессов взаимодействия живых систем между собой и с окружающей их средой

Экосисте́ма, или экологи́ческая систе́ма (от др.-греч. οἶκος — жилище, местопребывание и σύστημα — система) — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии. Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живую компоненту системы, биоценоз. Для пруда как экосистемы характерны донные отложения определенного состава, химический состав (ионный состав, концентрация растворенных газов) и физические параметры (прозрачность воды, тренд годичных изменений температуры), а также определённые показатели биологической продуктивности, трофический статусводоёма и специфические условия данного водоёма. Другой пример экологической системы — лиственный лес в средней полосе России с определённым составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата(температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов. Немаловажным аспектом, позволяющим определять типы и границы экосистем, является трофическая структура сообщества и соотношение производителей биомассы, её потребителей и разрушающих биомассу организмов, а также показатели продуктивности и обмена вещества и энергии.

 

 

18. Развитие и управление в природе: кибернетика.

 

Киберне́тика (от др.-греч. κυβερνητική — «искусство управления»^[1]) — наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в различных системах, будь то машины, живые организмы или общество.

Между синергетикой и кибернетикой как современными направлениями развития знания о самоорганизующихся системах существует принципиальная разница:

- кибернетика изучает самоорганизацию  и саморегуляцию в равновесных  системах, тогда как синергетика  исследует процессы самоорганизации в существенно неравновесных системах;

- в синергетике изучаются механизмы  возникновения состояния новых  структур и форм, а не поддержание  исходных состояний, что характерно  для кибернетики.

Разработка базовых понятий  кибернетики осуществлялась в середине ХХ века трудами многих ученых. Основателем кибернетики принято считать американского математика Норберта Винера (1894–1964). Существенный вклад в кибернетику внесли: американский биолог А. Розенблют, американский математик К. Шеннон, английский математик А. Тьюринг, английский биолог и кибернетик У. Эшби, российские ученые: А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, В.М. Глушков и другие.

Понятие кибернетики происходит от древнегреческого слова «кибернес» – «искусство управления» или  «рулевой».

По определению Н. Винера, кибернетика – наука об управлении и связи в животном и машине. Понятие управления здесь употреблено в широком смысле, поскольку оно относится в равной мере к техническим, биологическим и социальным системам.

В.М. Глушков полагал, что кибернетика выступает как наука об общих законах преобразования информации и управляющих системах.

Кибернетика является интегральной наукой, возникшей на стыке ряда специальных  дисциплин – теории автоматов, техники  связи, математической логики, теории информации и других. Основной корпус кибернетического знания неоднороден и включает в себя:

-теоретическую кибернетику;

-техническую кибернетику;

-прикладную кибернетику.

Многогранен и объект кибернетического исследования, поскольку эта наука  изучает процессы управления в живых, неживых (технических) и социальных системах. Для учебного курса концепций современного естествознания более важна теоретическая составляющая кибернетики, ее исходные принципы и понятия, посредством которых кибернетика оказала существенное влияние на естественные, технические и гуманитарные науки. Кибернетические понятия управления, обратной связи и другие приобрели общенаучный статус и сегодня выступают неотъемлемым компонентом методологического инструментария современного естествознания.  

Исходными понятиями кибернетики являются: управление и информация.

Управление есть процесс информационного  воздействия управляющего устройства на исполнительное. Конкретная природа  управляющих и исполнительных систем может быть различной, но принципиальная схема процессов управления оказывается одинаковой.

В процессах управления управляющее устройство играет ключевую роль. Поэтому понятие управляющей системы имеет значение не только в кибернетике, но и в других науках. К примеру, в ЭВМ оно определяет порядок выполнения операций (команд) и координирует работу всех узлов ЭВМ. Конкретная природа управляющего устройства может быть разной, но для всех случаев кибернетика устанавливает общую функциональную структуру.

Любое управляющее устройство должно иметь:

- Чувствительный элемент (входное устройство), с его помощью воспринимаются сведения (информация);

- Механизм преобразования информации, полученной от чувствительного  элемента;

- Механизм передачи преобразованной  информации от управляющего устройства  к исполнительному устройству;

- Выходное устройство, для осуществления  механизма передачи преобразованной  информации;

- Запоминающее устройство (имеется  в кибернетических системах), предназначенное  для хранения программы и исходных  данных.

Понятие «управление» в кибернетике  в его первоначальном смысле характеризовалось следующими тремя основными признаками: 1. Автоматические действия системы; 2. Действия системы в соответствии с определенной целью; 3. Наличие обратной связи. В последние годы кибернетические представления управления подверглись усложнению и обобщению.

Во-первых, само управление рассматривается  уже не просто как автоматическое действие, а как управленческая деятельность, которая лишь частично может быть автоматизирована. Управление нельзя сводить только к информационным процессам, в конечном счете, предполагающим его автоматизацию.

Во-вторых, управленческая деятельность понимается как осознанная, а ее цель – не конечное состояние данного  преобразования, а его представление, образ, который формируется до реализации цели. Управление представляет собой целенаправленный процесс, результатом которого является переход объекта из одного состояния в другое.

В-третьих, ситуация управления имеет  одну важную особенность: управление –  это воздействие одной деятельности на другую, т.е. объектом управленческой деятельности является другая деятельность, подлежащая управлению (к примеру, производственная, хозяйственная, научная и др.) Управление – это корректировка деятельности, подлежащей управлению, в соответствии с целью и осознанием (руководителем) всей деятельности и образа действия управляемого индивида. Большое значение приобретает не только осознание, но и корректировка собственных действий управляющим индивидом (или соответствующим социальным институтом).

В-четвертых, усложнено понятие обратной связи. Это не просто обратное физическое воздействие, сущность ее заключается в том, что от объекта управления к управляющим органам по особым каналам связи передается информация о фактическом положении дел, прежде всего об отклонениях от намеченных планов, которая используется управляющими органами для выработки управляющих воздействий. Иначе говоря, деятельность такой системы регулируется результатами деятельности этой же системы. Результат деятельности не может полностью совпадать с поставленной заранее идеальной целью. Несовпадение цели и результата деятельности и является основой регуляционного механизма обратной связи.

Метод кибернетического исследования является поведенческим, по схеме «стимул  – реакция», которую кибернетика  заимствует из психологии бихевиоризма и обобщает через понятия «вход – выход». Это означает, что в кибернетике используется поведенческое рассмотрение объекта, а не структурно-функциональное. Здесь объект управления уподобляется некоему «черному ящику» в том смысле, что мы ничего не знаем о его содержимом. Известно лишь, какая серия сигналов подается на вход исполнительного устройства, а также его реакция, или поведение на выходе. Тогда как при структурно-функциональном подходе главное внимание уделяется изучению внутренней организации объекта, а не его поведению.

Под поведением в кибернетике понимается любое изменение отношения объекта управления к окружающей среде. Поведение может быть:

- Активным, в том случае, когда  объект управления является источником  энергии своих действий. Активное поведение подразделяют на:

-  нецеленаправленное (случайное)

-  целенаправленное

-  Пассивным, если же реакция объекта управления совершается за счет энергии, поступившей на входе извне.

Важным для кибернетики является понятие гомеостаза. Гомеостаз – это процесс саморегуляции систем любой природы относительно заданного состояния на основе обратных связей, обеспечивающий динамическое равновесие системы, называемой гомеостатом. Это слово происходит от древнегреческого «гомеостазис», что означает «одинаковое состояние». Термин был предложен американским биологом У. Кенноном в 1929 г. Позднее в 1948 г. английский биолог У. Эшби провел детальное исследование и разработал концепцию устойчивости динамических равновесных систем, которая применима к системам любой природы. Так возникла кибернетическая концепция гомеостаза.

 

 

19. Развитие и управление в природе: синергетика.

 

 

Синерге́тика (от др.-греч. συν- — приставка со значением совместности и ἔργον — «деятельность») — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем). «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…».

Синергетика изначально заявлялась как  междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем), и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют  как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогда кибернетика определялась, как «универсальная теория управления», одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. п. и т. д.

Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогично — и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике^[2].

Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.

В отдельных случаях образование  новых структур имеет регулярный, волновой характер и тогда они  называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Основные принципы:

• Природа иерархически структурирована в несколько видов открытых нелинейных систем разных уровней организации: в динамически стабильные, в адаптивные, и наиболее сложные — эволюционирующие системы.
• Связь между ними осуществляется через хаотическое, неравновесное состояние систем соседствующих уровней
• Неравновесность является необходимым условием появления новой организации, нового порядка, новых систем, т.е. — развития
• Когда нелинейные динамические системы объединяются, новое образование не равно сумме частей, а образует систему другой организации или систему иного уровня
• Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность, спонтанное образование новых микроскопических (локальных) образований, изменения на макроскопическом (системном) уровне, возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы
• При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все развивающиеся системы ведут себя одинаково (в том смысле, что для описания всего многообразия их эволюций пригоден обобщённый математический аппарат синергетики)
• Развивающиеся системы всегда открыты и обмениваются энергией и веществом с внешней средой, за счёт чего и происходят процессы локальной упорядоченности и самоорганизации
• В сильно неравновесных состояниях системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии
• В неравновесных условиях относительная независимость элементов системы уступает место корпоративному поведению элементов: вблизи равновесия элемент взаимодействует только с соседними, вдали от равновесия — «видит» всю систему целиком и согласованность поведения элементов возрастает
• В состояниях, далеких от равновесия, начинают действовать бифуркационные механизмы — наличие кратковременных точек раздвоения перехода к тому или иному относительно долговременному режиму системы — аттрактору. Заранее невозможно предсказать, какой из возможных аттракторов займёт система