Динамика геосреды и структура дневной поверхности как её отображение. Часть 1. Геосреда

нет конечного пути разделения мира на объекты и законы, по которым эти объекты взаимодействуют.

 Стюарт Кауффман

атрибутом всякого процесса морфогенеза является конфликт, борьба между двумя или многими аттракторами.

Рене Том 

Похоже, что проблема движения (в том числе развития) геосреды и отражения этого процесса в структуре дневной поверхности неисчерпаема. Приоткрывая одни аспекты, мы обнаруживаем новые, вложенные в те, которые выглядят более или менее ясными. Мир оказывается слишком разнообразным и сложным, чтобы надеяться на полную ясность. Это требует поиска новых вариантов описаний и объяснений.  

Мы уже установили, что не только погружены в очень сложную динамичную среду, которая непрерывно движется, меняется, развивается, но и включены в неё. Такую среду, воспринимаемую чувственно, вслед за Э. Реклю, мы называем геосредой, а её осмысленный вариант – Геомиром. Более того, мы уже понимаем, что она неоднородна: вся масса разнородных атомов и молекул собраны в тела, связанные с окружением поверхностями, которые, однако, принадлежат как телам, так и их окружению (тоже тела), отличаясь тем, что здесь мы имеем очень большие значения градиентов, в силу чего такие поверхности являются активными, а именно они, а не инертные массы, играют решающую роль. Следовательно, важнейшим показателем при описании геосреды должно быть отношение площади поверхности к объёму. Как только такое отношение переходит через критическое значение, тело становится активным, способным обрабатывать сигналы, вырабатывать и накапливать в себе информацию о среде и неоднозначно реагировать на её воздействия. Именно поэтому я предложил определять геокомплекс как организацию активных поверхностей, как множество организованных активных поверхностей (например, [Ковалёв, 2009]). Это происходит под действием как внешних, так и внутренних процессов, среди которых ведущую роль играют самоорганизация (индивидуация) и коммуникация. Если такой объект достигает достаточных размеров, сложности и организационной мощности (хотя бы в виде возможности установления дальних корреляционных связей), он приобретает способность развиваться - расширять набор функций и условий существования. В этом случае мы можем говорить о возможности рассмотрения его как динамической системы, состояние которой меняется в силу изменения её внутренних связей, композиции, отношения между устойчивостью и изменчивостью и т. п. При этом сложным оказывается вопрос направленности движения. В этом плане ценными для нас являются разработки системного биолога Ч.Г. Уоддингтона, которому принадлежит идея эпигенетического ландшафта (позднее С. Райт назвал его «адаптивным ландшафтом», по работе [Thelen, Smith, 2005]). Ему удалось показать, что будущий организм (яйцо) изначально не имеет однозначно определённого конечного состояния, а выходит на него путём движения через множество бифуркаций (как каскада событий), которые одновременно происходят на разных уровнях (рис. 1). Это похоже на движение шарика по поверхности со сложной топографией, представленной «долинами» и «хребтами», хотя шарик – очень сильное упрощение, поскольку сам он не меняется. Паттерн такой поверхности (как, форма связи частей в целом, не имеет физической природы, он является следствием нарушения симметрии) и был назван эпигенетическим ландшафтом. Нечто подобное происходит, например, в случае флювиации. На рис. 2 показан результат эксперимента, который я провёл ещё в 1986 году (этот пример приведен в моей докторской диссертации). В ванну была налита вода со взвешенными в ней глинистыми частицами. После того, как вода была слита, стенки ванны были покрыты частицами, которые стали сплывать вместе с плёночной водой, собиравшейся в более организованные линейные потоки. Образовался паттерн, отражающий эволюцию потока. Поверхность стала дифференцированной. 

Рис. 1. Эпигенетический ландшафт Ч.Г. Уоддингтона: а – абстрактная динамика Уоддингтона в пространстве состояний большой размерности, представленная в виде шарика, движущегося по наклонной поверхности; b – аналогия Уоддингтона для действия генов на развитие, иллюстрирующая «обратную сторону» ландшафта, поддерживаемую при помощи растяжек (по работе [Gunawardena, 2010]).

Этому соответствует идея постепенной эволюции геохолона (изначально неупорядоченного комплекса в виде множества активных поверхностей - состояние, близкое к хаотическому), к упорядоченному – геокомплексу (морфологическому аттрактору). Происходит это путём взаимодействия с геосистемным режимом, также претерпевающим изменение в направлении всё большей организованности – выраженному режиму (аналогом выступает яйцо, из которого развивается организм). Отмечу, что геохолон – это непрерывный процесс, он не существует вне движения и непрерывного становления, ему присуще внутреннее свойство изменяться. Наряду с принципом минимума диссипации, в таких ситуациях должен работать ещё один принцип. Назовём его принципом максимума коммуникации.

Рис. 2. Паттерн флювиации, образовавшийся на стенке ванны в результате совместного стекания изначально плёночной воды и глинистых частиц. Интересно отметить, что организация возрастает в направлении справа налево (ближе к стоковому отверстию ванны), т. е. к части ванны с более высоким градиентом. Расположение каналов зависит от начальных условий.

Процесс развития (онтогенез) и паттерн. Что означает развитие чего-либо? С одной стороны среда стремиться к упрощению, к стиранию различий, с другой – к усложнению путём организации объединений и нарушения симметрии. Важнейшим здесь становится понятие организации. Его сложно определить. Э. Морен считает, что это - физическое понятие, что оно имеет своё физическое измерение, поскольку в основе всего лежит «physis» - место творения и организации [Морен, 2005]. Я думаю, что это сущность общего порядка, не имеющего физического (в классическом понимании) смысла. Организация имеет информационную, семантическую природу. Если изменение структуры может носить случайный характер, то рост организации всегда носит направленный характер и определяется, так сказать, «заказом» на установление новых отношений со средой, нового набора функций, что требует изменения структуры. Причём прямого соответствия между структурными составляющими и функциями не имеет места. При этом происходит отбор в направлении лучшего соответствия между структурными особенностями и функциональными возможностями образований, роста эффективности, в целом – поиска особой архитектуры. Архитектура носит пространственный характер, поэтому её можно рассматривать как способ кодирования организации активных поверхностей в виде пространственной структуры. Организация – это множество так или иначе упорядоченных взаимодействий, причём каждое отдельно взятое взаимодействие не описывается. Примерами являются флювиальные сети, биогеоценозы, города, регионы, особенно с выраженными Центрами. Следует иметь в виду, что всё новое устанавливается путём, так сказать, раскачки, усиления флуктуаций, что приводит к нарушению внутренней симметрии (сами образования – холоны - в свою очередь также являются следствием нарушения симметрии среды). При этом область становления новой организации должна превышать некоторые критические размеры, что требует введения характерного пространства-времени самоорганизации как формы кооперации хотя бы потому, что этот процесс требует выбора определённых сочетаний из многих возможных вариантов. Так, биогеоценоз не может возникнуть при небольшом количестве видов и относительно малом наличном пространстве.   

Организацию можно представить в виде сложной ψ-функции, имеющей явно выраженную информационную природу. Развитие означает усложнение, появление в репертуаре «объекта» таких состояний, которые позволяют реализовывать более сложный функциональный режим, более сложное поведение. Но это сразу ведёт к усложнению выбора наиболее адекватного поведенческого акта из набора возможных (если таковые вообще имеются) и, затем, целого режима как организованной совокупности актов и паттерна поведения, росту «внутренней» неопределённости, что предполагает отсутствие жёстких связей. Если такое развитие протекает в результате спонтанной динамики (на основе слабых внутренних связей), следует говорить о самоорганизации. Это – своего рода морфинг. При этом происходит проявление новой формы. Тогда мы говорим о формировании нового паттерна. Этот термин, не так давно используется в научной сфере и практике, но, как оказалось, он несёт в себе важный смысл. Согласно К. Кохлсу и С. Панке, паттерны описывают функциональные свойства и формы объектов, артефактов и социальных практик. В процессе выявления паттерна мы отслеживаем установившийся путь программирования, изготовления, производства, обучения и т. п., а затем описываем составляющие, имеющие специфические функции в данном контексте. Креативный процесс состоит в сохранении инвариантных свойств и генерализации [Kohls, Panke, 2009]. Паттерн логически не выводим, его нельзя редуцировать.

Но паттерн связан не только с возникновением нового знания, понимания, паттерн присутствует в объектах непосредственно в виде их инвариантных свойств, отражающих путь их становления через нарушение внутренней симметрии. Паттерн отражает те внутренние и внешние изменения, которые связаны с действующими силами, новыми условиями и ограничениями. Будучи выявленными, инвариантные свойства объектов сравниваются между собой и ложатся в основу различения классов объектов, их классификации и выработки правил поведения в их среде. Вот почему считается, что паттерн чисто умозрителен: он формируется на основе отбора специфических особенностей. Запоминаются именно они, а не множество сопровождающих их дополнительных особенностей. Паттерн, как пишут К. Кохлс и С. Панке, сравним с теорией, которая, однако, предполагает наличие эмпирической наглядности. Мы пытаемся отыскивать паттерн всюду, в том числе в среде, которая выглядит случайной. Ставится вопрос: как реальность является паттерном? Они считают, что в основе формирования паттернов в сознании людей часто лежит заблуждение, и что следует говорить о «корректных» и «некорректных» паттернах [Kohls, Panke, 2009]. Я думаю, что это – проблема восприятия того паттерна, который на самом деле присутствует онтологически (назовём его «онтопаттерн»), поскольку любая индивидуальная организация есть следствие становления путём нарушения симметрии: паттерн отражает пройденный путь – путь поиска формы. Другое дело – влияние логики, которая у каждого - своя. Паттерн формируется как бы дважды: сначала в результате выборов, которые делает развивающийся объект, затем – выборов, которые делает воспринимающий его субъект. Паттерн можно определить как организацию артефактов, которые представляют, визуализируют его, поэтому конечно он несводим к этим артефактам. Но в любом случае паттерн не является безотносительным по отношению к задачам, целям того, кто или что его формирует. В 1977 году К. Александер, вводивший понятие паттерна в архитектуру и дизайн, определил его так: каждый паттерн описывает проблему, снова и снова возникающую в нашей среде, а затем - сердцевину решения, а именно: каким путём вы можете использовать это решение миллион раз без необходимости искать решение дважды (по работе [Kohls, 2010]). Речь идёт о поиске/выявлении некоторого инварианта. К. Александер прав, утверждая, что задача отыскания, открытия такого инвариантного поля является крайне сложной, не менее сложной, нежели что-либо в теоретической физике (по работе [Kohls, Panke, 2009]). Но сначала такое открытие делает сам развивающийся объект, задача исследователя состоит в том, чтобы попытаться раскрыть этот путь - те принципы, правила, последовательность их действия, которые оказываются встроенными в объекты в результате такого поиска. Природные феномены создают сами себя, являясь настоящими дизайнерами. И здесь К. Александер указывает на ряд важных моментов, без которых дизайн не может быть реализован (по работе [Nagasaka, Syntax and Semantics of Pattern Language]):

1.                  Дан некоторый контекст.

2.                  В имеющемся контексте всегда присутствуют силы/тенденции.

3.                  Для определения сил/тенденций мы должны определить:

(а) Точные обстоятельства, при которых возникают силы/тенденции.

(б) Точные условия, которые отыскивает сила/тенденция.

4. Эти силы объединяются путём следования паттернам и генерируют форму.

5. Эта форма всегда увязывается с её контекстом.

Возникающие в среде различные слабо выраженные градиенты (силовые поля) образуют то, что получило название «предпаттерн». Далее важную роль начинает играть периодический рост малых флуктуаций. Спонтанное движение множества различных áкторов, благодаря взаимодействию, ведёт к возникновению объединений в силу роста эффективности при некотором ограничении свободы действий каждого из них. Такие объединения – холоны – возникают на разных масштабных уровнях, и каждый из них в ходе становления как бы выявляет своё место в образованиях большего масштаба – во всей холархии. Весь процесс такой дифференциации/холархизации выражено динамический, поскольку стабилизация форм в постоянно меняющейся среде предполагает жёсткую невидимую борьбу между скрытыми альтернативными вариантами. Ничего не является предзаданным и априорным, ничего не предполагает выход на жёсткую стабильность. Всё постоянно смещается, «ползёт», изменяется и сам ландшафт стабильности (расположение областей аттракции друг по отношению к другу). Причём такая динамика имеет место одновременно на разных масштабных уровнях и задействованы в ней не отдельные áкторы, а их группы: только на уровне групп áкторов осуществляется выбор, только так может возникать самоорганизация. Если взять геосреду, сама она возникает вследствие гетерогенизации, что и обеспечивает развитие, которому мы теперь ставим в соответствие холистический ключевой геопроцесс. Множество других холистических процессов, таких, как развитие жизни, производства, культуры, на разных масштабных уровнях ведут к оформлению композиции Геомира как целого, что мы и воспринимаем. Геосреда рассматривается как наиболее сложная, поскольку она включает образования разного уровня организации – минерального, биотического, социального, и много взаимодействующих уровней. Как пишут Э. Зелен и Л.Б. Смиз [Thelen, Smith, 2005], развитие осуществляется через процесс, в котором движение множества составляющих является источником порядка и сложности, общей консолидации и гармонизации, причём:

1.                  Развитие может быть понято только как разнообразное, взаимное и непрерывное взаимодействие всех уровней развивающейся системы, от уровня молекул до культуры.

2.                  Развитие может быть понято только как вложенные друг в друга процессы, которые развёртываются во многих временных масштабах от миллисекунд до годов.

            Большое количество различных феноменов, демонстрирующих движение, можно рассматривать как поток, в котором участки спокойного движения чередуются с участками повышенной турбулентности, где и рождаются новые режимы. В зависимости от природы составляющих, образующих поток, он будет находиться под влиянием различных внешних воздействий, но главную роль будут играть внутренние связи, организация которых подстилает тот морфологический и поведенческий паттерн, который проявляется во внешнем облике потока. Эти влияния воспринимаются потоком так, что внутри него они накладываются друг на друга, что не позволяет чётко их различать. Этим природные потоки отличаются от технических систем, в которых хаос подавлен. Важным становится вопрос: как в процессе становления целостности одни морфология и поведение переходят в другие. Чем сложнее индивидуальные образования, тем больший набор потенциально возможных паттернов имеет место, что определяет их адаптивный потенциал. В становлении индивидуальностей участвует весь набор условий, включая контекст, разный для каждого отдельного образования: среда присутствует как нечто неразрывное. Вот здесь, в случае геохолонов, и приобретает своё значение то, что в геологии получило название «фациальный анализ»: некий объект рассматривается вместе с его контекстом – всей средой. Такая геосреда в принципе не может быть разложена на чётко выраженные «геосистемы» или «геокомплексы», она едина, а индивидуализированные образования – геохолоны – в ней выделяются на основе более выраженной организованности, большей внутренней связности благодаря более плотной коммуникации. Каждая такая индивидуальность (холон) и её среда/контекст также образуют целостность, они, образно говоря, сплавлены. Речная долина не существует без водораздельных массивов, город не существует без сельской местности и всего региона, бессмысленно говорить о материках в отсутствие океанов: все они комплементарны. В этом плане исключительный интерес представляют разработки К. Левина, согласно которому данная физическая обстановка имеет смысл только как функция состояния данной отдельности в этой обстановке, и, наоборот, её особенности не существуют вне окружения, с которым она связана. К. Левин назвал это поле взаимодействия жизненным пространством – полем сил, действующих с разной силой (по работе [Thelen, Smith, 2005]), что применимо и в нашем случае. Холон движется через это поле, будучи зависимым от положения в пространстве, потребностей и предшествующей истории, как и положения и особенностей окружающих его холонов: холоны не существуют без других холонов. Силы могут соперничать, конфликтовать, накладываться или суммироваться в зависимости от места расположения холона в среде. Сам образ среды меняется. Через отношения со средой происходит поиск пути движения и выявления новой ниши.

Как уже отмечалось выше, важным является то, что действие не какого-то одного áктора приводит к конечному результату, а коллективного действия группы áкторов с учётом её особого положения в рамках большего объединения/когорты: чтобы нечто стало вероятным, требуется достижение «критической массы», позволяющей сформировать когерентный паттерн, и изменение во времени. Так возникает сложность: сложное – на латинском «complexus» - означает то, что соткано, свито, сплетено вместе, что выводит на первый план не составляющие, а отношения между ними, способ сплетения. Сложность – не статична, это непрерывное движение, состоящее из разрушения и воспроизводства или изменения, перехода в иные режимы, т. е. она основывается на противоречиях, балансируя, как теперь принято говорить, на кромке хаоса. Объяснить это можно эффектами коммуникации – непрерывным «диалогом» составляющих, в ходе чего возникают как порядок, так и беспорядок, как определённость, так и неопределённость, непредсказуемость. Как пишет Э. Морен, «беспорядок и порядок смешиваются, взывают друг к другу, нуждаются друг в друге… Этот диалог осуществляется в необыкновенной великой игре взаимодействий, превращений, организаций…» [Морен, 2005, с. 108]. Это мы имеем в случае развития флювиальной сети, биотизированных, как и ещё более разнообразных антропотизированных образований. Как пишет Дж.М. Эдельман (Edelman), в любой момент времени присутствует связь между местом, масштабом и размером отграниченных группировок, а также множество сигналов, которые не только поддерживают установившийся паттерн, но и его трансформацию в новый паттерн (по работе [Thelen, Smith, 2005]). Эти сигналы претерпевают сложную трансформацию, проходя через множество структур, вплоть до того, что они могут возвращаться к своим источникам в существенно изменённом виде: всё сплетено в единое целое, в единую сеть, в которой причинно-следственные связи утрачивают смысл. Поэтому деление сигналов на «внутренние» и «внешние» оказывается проблематичным. Ведущая роль во взаимодействии принадлежит коммуникации, рассмотренной мною уже в ряде статей (например, [Ковальов, 2010]), поскольку коммуникация предполагает выбор варианта действия среди множества альтернатив, который осуществляется внутри объединений áкторов, и именно этот выбор, а не сами сигналы, следует рассматривать как информацию. Начало подобным разработкам, ведущими моментами которых были выбор и само-стабилизация возникающих структур, было положено Ч.Г. Уоддингтоном. Позднее эти взгляды послужили основанием для моделирования различных паттернов окраски шкур животных (например, Murray, 1993, по работе [Thelen, Smith, 2005]): объединение двух и более градиентов ведёт к появлению всё более сложных паттернов (рис. 3). Важным для нас является то, что динамика химических реакций ведёт к образованию паттернов на поверхности (это пригодится нам при обсуждении проблемы физиогномической структуры и ландшафта). В геосреде имеет место множество различных процессов диффузного характера, от относительно простых до очень сложных, в которых действуют «катализаторы» и «ингибиторы». Структурная сложность конструируется в ходе становления спонтанно: благодаря обмену со средой и внутренней динамике возникает паттерн, который никак заранее не прописан в виде готового плана, есть только принципы организации. Важно отметить отсутствие центра: возникающая мозаика лишена такого центра. Впечатление об изначальном существовании некоего плана такой организации обманчиво: организация проступает (хороший английский термин - arise) как следствие сплетения сложной внутренней динамики и внешних воздействий.

Рис. 3. Результаты моделирования физиогномических паттернов («ландшафтов») шкур животных на основе механизма диффузии.

Ключевые холистические процессы как организующие начала. Теперь коснёмся проблемы ключевых процессов, действующих в геосреде. Что это такое? Это процесс, который, формируя условия для проявления множества других согласованных процессов и организуя их, действует в направлении становления паттерна целостности. Поэтому он постепенно проявляется вместе со становлением этой целостности в рамках некоторой территории, которая, в свою очередь, является областью действия ключевого процесса [Ковальов, 2009]. Спонтанно возникающие группы áкторов (áктор – активный компонент среды, стягивающий к себе действие, что ведёт к искривлению пространства действий/активности, и задаёт потенциальную возможность организации среды), оказавшись в неравновесных условиях, начинают чувствовать окружение, из которого формируют свой контекст, определяя свою ориентацию и будущее участие/функцию в целом. Примерами являются онтогенез и филогенез. В географии это долинный (долиноформирующий – далее слово «формирующий» будет только подразумеваться), бассейновый, биогеоценотический (со всеми его уровнями дифференциации), урбопроцесс (городо-формирующий), региональный и т. п. Наиболее масштабным в геосреде является геопроцесс – процесс, наложенный на геосреду и направленный на формирование структуры Геомира, включающей минеральную геосферу, биосферу и антропосферу [Ковалёв, 2009]. Это невидимый геопоток, который отображается в структуре дневной поверхности. Понятно, что названные геосферы, как и их составляющие, соответствующие разным этапам их становления, не существуют самостоятельно, они только отражают, во-первых, диахронную природу геосреды, во-вторых, её холархию. Действуя в рамках некоторой территории (которая оформляется постепенно, а не определена заранее), ключевой процесс способствует переориентации активных поверхностей как элементарных áкторов в направлении совместного действия, что в ещё большей степени усиливает его, делая его всё более выраженным. В этой ситуации уже нет возможности установить, что является причиной, а что – следствием. Мы имеем некий пакет процессов, разворачивающийся на разных стадиях становления. Важным в таких процессах является то, что некий изначальный процесс ведёт к формированию условий, позволяющих проявиться другим процессам, которые поддерживают его, а все вместе они формируют композицию процессов, совместное действие которых и распределение в пространстве-времени ведёт к формированию сложного паттерна, включающего и различные функции. Эти процессы, в соответствии с установлением необходимых условий их проявления, начинают действовать на определённых стадиях становления целого, достигают максимума проявления и затухают, «рассыпаются». Здесь находится место и принципу факторной относительности Н.И. Маккавеева в общем его варианте – как принципа контекстной относительности или согласованного контекста (возможно, есть другие варианты). Мы имеем дело с интереснейшим феноменом конструирования ниш: некое целое, обладающее способностью построения внутреннего отображения среды, само формирует свою среду, выбирая из реального разнообразия то, что может способствовать его существованию как целого, действуя в направлении её улучшения (опять мы выявляем изменение образа среды). Каждый такой типологически выраженный ключевой процесс будет иметь свою нишу реализации. Начало обсуждению этого вопроса на примере речной долины было положено в работе [Ковальов, Шевченко, 2010], но его решение ещё впереди.

Продолжение статьи, а также список использованной литературы и другие аттрибуты, следуют во второй части статьи: Структура дневной поверхности и явление ландшафта.