Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование и прогонозирование эволюционных процессов в социально-экологических системах

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора сельскохозяйственных наук, Волкова, Светлана Николаевна, Курск



КУРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ им. проф. И.И. ИВАНОВА

На правах рукописи

ВОЛКОВА СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Д.В. Муха

Курск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. Всеобщая взаимосвязь материальных объектов и явлений 8

1. Значение философских оснований современного естествознания в формировании общей теории эволюционного развития социально-экологических систем 8

2. Роль новых технологий в решении задач безотходного производства и их трансформация в ходе эволюционных процессов экологического состояния системы 17

3. Исследования взаимосвязи и взаимодействия плодородия почв и экосистемы 33

4. Критерий качества жизни 54

Глава 2. Прогнозирование эволюционных процессов в

социально-экологических системах 68

1. Феномен плодородия и эволюция биосферы 68

2. Гиперцикл социально-экологических систем 77

3. Распределение информационно-энергетического потока в эволюционном процессе социально-экологической системы 87

4. Прогнозирование и числовые характеристики непрерывных циклических процессов экосистемы 93

Глава 3. Научные основы моделирования социально-экологической системы 104

1. Особенности социально-экологических систем, влияющих на экологическое состояние окружающей среды 104

2. Неравновесные состояния 108

3. Устойчивость и эволюция 113

4. Моделирование социально-экологической системы 118

Глава 4. Математическое моделирование эволюционных процессов 130

1. Системный подход в диагностике эволюции и математические структуры, позволяющие описывать эволюционные процессы в социально-экологической системе 130

2. Интегральный показатель оценки экологического состояния системы 140

3. Интегральная формула уровня потенциально-возможной урожайности 146

4. Закон всеобщей взаимосвязи и всеобщего взаимодействия эволюционных процессов 155

Глава 5. Гармония - эталон развития всеобщей взаимосвязи и взаимодействия 166

1. Взаимодействие гармонии и творчества 166

2. Роль информационно-энергетического и временного потока в образовательном процессе 167

3. Формирование гармонического развития личности и задачи современного воспитания молодого населения 187

4. Развитие творческих способностей у студентов 193 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 199

ЛИТЕРАТУРА 205

ПРИЛОЖЕНИЯ 230

ВВЕДЕНИЕ

Человек с его мышлением является основным источником сложности социально-экологических систем (СЭС), оказывает глубокое воздействие на социоэкосистему, в которой живет, и на качество жизни, на идущие не только эмоциональные процессы в ней. Чтобы понять характер эволюционных процессов, сделать выводы о выборе эволюционного пути СЭС в зависимости от условий надо знать внутренние механизмы рассматриваемых процессов. Именно для этого мы разработали аналитические модели, позволяющие понять механизмы и структуры наблюдаемых и моделируемых явлений и объектов, при эволюции СЭС.

Г.С. Розенберг [159] отмечает, что аналитические модели сложных систем несут на себе в основном объяснительную функцию теории и поэтому трудно ожидать, что полученные с их помощью те или иные относительные результаты смогут сразу использоваться при выработке конкретных планов эксплуатации реальных систем.

Объективная сила аналитических моделей прежде всего связана с относительной простотой и изученностью аналитического языка: математическая символика, возникшая с развитием алгебры, дифференциального и интегрального исчисления, теории вероятностей, позволила моделировать реальные объекты.

В данной работе, в ходе решения поставленных задач, была получена единая научная картина мира. Исследования, по нашему мнению проведенные авторами в течение последних 20 лет, позволили не только подтвердить мысли и предположения

Вернадского В.И., Флоренского П. и Чижевского А.Л. [41, 42, 211] о существовании ноосферы и влияния вселенских информационно-энергетических потоков (ИЭП) на жизнедеятельность человека, но и продолжить их учения, по-новому взглянув на существующие естественнонаучные законы и возможные сферы их приложения с учетом динамики экологического состояния социально-экологической системы (СЭС), формализовав и математически описав эволюционные процессы изучаемых явлений в них.

Выводы и научные положения, которые мы получили в работе, в результате философских обобщений и математических исследований, опираются на данные науки и системный подход.

В работе особый интерес представляет изучение связей, специфических для самоорганизующейся системы, знание которых позволяет не только получить новые материалы с заранее заданными свойствами, но и объяснить способность СЭС к структурным изменениям в процессе функционирования с сохранением их целостности. Оказывается, если учесть последовательность возникновения разных форм обмена и разных уровней биологической организации, то можно увидеть, что разные биологические системы имеют разную «полноту» жизненных процессов. Наибольшая «полнота» свойственна СЭС, неразрывно связанной с современной биосферой. СЭС является выше уровня развития биологических систем по способности усиливать самоорганизацию на основе прогнозирования и по сочетанию сложной и возрастающей координации в развитии.

Под развитием в дальнейшем понимается определение Всемирной комиссии по экологии [220] «преобразование биосферы и использование людских и финансовых ресурсов, а

также ресурсов живои и неживои природы для удовлетворения потребностей человека и улучшение условий его жизни».

Введя понятие качества жизни, как величину обратно пропорциональную процессам общества, имеющим социальную окраску, мы объяснили и математически выразили связь происходящих явлений в обществе и нашли точку бифуркации, т.е. год качественного изменения всех эколого-экономических параметров системы. Все это резко отделяет биологический уровень организации от социального и делает необоснованным широкие аналогии между биологической организацией в целом и обществом. Материал наших исследований представлен пятью главами, которые построены по принципу блочно-модульной системы. Каждая глава заканчивается решением определенного цикла задач и постановкой новых, решение которых, с одной стороны, независимо от предыдущего изложения, а вместе с тем неразрывно связано с ним. Поэтому при последовательном ознакомлении с изложенными материалами у читателей возникает ощущение, что они являются, с одной стороны, частичкой Вселенной, а с другой - целым миром, в котором отражается вся Вселенная с существующими и действующими законами природы. Автор попыталась объединить и систематически описать процессы, происходящие в ходе эволюционного развития в единстве, приняв эволюцию как цель существования СЭС. Высказанное можно пояснить примером из жизни человека и пчелы. Пчела при уникальной организации своей жизни собирает мёд и не знает кто им воспользуется. Человек мысли свои выражает творениями в научной и художественной сфере, пополняя ноосферу как пчела мёдом улей и также не знает кто воспользуется его мыслями и в каких целях. И тем не менее

этот процесс постоянно происходит с увеличивающейся скоростью, в определенном направлении, утверждающим силу жизни. И если кому-то удастся найти другие формы для объяснения единой картины мира и происходящих в ней эволюционных процессов, мы будем только рады. Ведь к истине нас приближает каждый шаг в этом направлении по закону всеобщей взаимосвязи и всеобщего взаимодействия, к которому мы пришли, идя разными путями исследований от косного к живому и к социальному, рассматривая разные области человеческой деятельности в эволюционном развитии СЭС.

Можно выделить главные составляющие построения аналитических моделей СЭС: исследование правдоподобных гипотез о характере роста отдельных взаимодействующих СЭС, исследование совместимости этих гипотез с наблюдаемым поведением различных систем в природе и качественное прогнозирование изменений СЭС при различных режимах воздействия на них, а именно при рациональном, положительном и стихийном воздействии человека.

Построение именно аналитических моделей эволюционных процессов сложных систем претендует на роль объективной теории в экологии и в развитии СЭС.

В каком аспекте удалось автору решить поставленные задачи и найти плодотворное соотношение между математикой и биологией в зеркале развития СЭС судить уважаемому читателю.

Основные сокращения, важнейшие понятия и термины даны в приложениях 1-2, соответственно.

Глава 1. ВСЕОБЩАЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ДУХОВНЫХ ОБЪЕКТОВ И ЯВЛЕНИЙ

1. Значение философских оснований современного естествознания в формировании общей теории эволюционного развития социально-экологических систем

Вопросы формирования мировоззрения в процессе обучения в центре комплекса проблем при решении поставленной современным развитием общества задачи - привести методы обучения в соответствие с требованиями жизни. Комплексный подход к делу воспитания подрастающего поколения через преподавание специальных дисциплин, предполагая многообразие целей воспитательного воздействия на учащегося и студента, требует особого внимания к формированию мировоззрения.

Важная роль в формировании мировоззрения учащихся принадлежит естественным наукам, и среди них - физике, как лидеру современного естествознания, а человек с его мышлением - один из основных источников сложности социально-экологических систем.

Характерной особенностью современного естественнонаучного познания является всё возрастающая роль логико-гносеологических предпосылок при построении и истолковании новых естественных теорий.

Возникновение геохимии, а затем и биогеохимии, оказало существенное воздействие на дальнейшее развитие всей науки о жизни. Большой вклад в основы термодинамического анализа явлений жизни внёс В.И. Вернадский.

Существует ряд свойств, присущих процессу жизни и не присущих отдельному индивидууму. К числу таких свойств относится смертность индивидуума и бесконечность явлений жизни в процессе развития эволюции.

Существует различие между совокупностью всего живого, населяющего поверхность нашей планеты, и совокупностью процессов обмена веществ внутри отдельного организма.

Существует тесная связь организма и среды, их взаимного воздействия друг на друга.

В.И. Вернадский называет совокупность наружных оболочек Земли (до глубины порядка 20 км и вверх до ноосферы) биосферой. Таким образом, масса нашей планеты, заполняющая атмосферу, гидросферу и атмосферу до глубины, указанной выше, включающая всю совокупность живых организмов, как растительных, так и животных, включается в понятие биосферы.

Исторический анализ эволюции живого вещества (т.е. совокупность всех живых организмов включая людей) показывает, что такой тенденции, как процесс накопления энергии будет остановлен, по ходу эволюции не обнаруживается.

Было время, когда количество живого вещества на поверхности нашей планеты в биосфере исчислялось граммами, а теперь мы имеем 1014 т. При среднем содержании химической энергии порядка 4 ккал на грамм живого вещества мы обнаруживаем всё прогрессирующее увеличение химической энергии живого вещества. Эта особенность эволюции живого вещества позволила В. Анри отметить характерную особенность явлений жизни, совпадающая с точкой зрения многих авторов.

О явлениях жизни мы можем говорить как о процессе, а каждый процесс характеризуется тенденцией развития. Когда мы говорим о развитии явлений жизни, мы не можем высказать утверждения, которое позволяем себе высказать о совокупности физико-химических изменений в неживой природе - мы не можем утверждать, что эволюция этой системы (т.е. системы живого вещества) имеет тенденцию к уменьшению свободной энергии.

Исследования нобелевского лауреата Ильи Пригожина (1984 г.) по диссопативным структурам в определенных химических процессах и открытый им новый принцип, лежащий в их основе - порядок через флуктуацию и дальнейшие исследования показали, что этому принципу подчинены не только химические процессы: он представляет собой базисный механизм развертывания эволюционных процессов во всех областях - от отдельных клеток до человеческих существ и вплоть до обществ и культур.

На основании этих наблюдений появилась возможность сформулировать единую точку зрения на эволюцию, объединяющим принципом которой является не стабильное состояние, а диалектические состояния неуравновешенных систем.

Открытые системы на всех уровнях являются носителями всеобщей эволюции, которая гарантирует, что жизнь будет продолжать свое движение во всё более новые динамические режимы сложности.

Эволюция человека является значимой составной частью вселенской эволюции.

Так в книге Тейяра де Шардена «Феномен человека» дается своеобразный ответ на вечный вопрос о смысле и цели чело-

веческого существования, который сводится к следующему: человек как «ось и вершина эволюции» ярко раскрывает то, что изначально, хотя бы в возможности, присуще всей материи, т.е. человек есть сложный, развернувшийся «микрокосмос», содержащий в себе все потенции космоса. Это значит, что жизнь и человек, появившийся на Земле в результате спонтанного зарождения из предбиологических органических соединений, неразрывно связаны с космическими процессами, усложнениями материи.

Человек - скачок в эволюционной земной жизни, венец беспрестанного эволюционного движения и вместе с тем некое начало направленной эволюции, стремящейся к точке Омега -планетарному сознанию, духовному «яйцу мира».

Условия же появления жизни на Земле определили её развитие в качестве целого, т.е. в виде биосферы, единого монолита живого вещества, организованность которого определяется преобразованием космической энергии и связанными с этим космопланетарными биогеохимическими функциями.

При рассмотрении проблемы человека существенным является то, что под влиянием человеческого труда биосфера переходит в новое состояние - ноосферу.

Уникальность феномена человека: единство функционирования в его жизнедеятельности законов природы и общества.

По В.И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно:

1) живое вещество как совокупность живых организмов;

2) биогенное вещество - непрерывный биогенный поток атомов из живого вещества в косвенное вещество биосферы и обратно;

3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и

пр.);

4) биокосное вещество - почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, т.е. сложные закономерные косно-живые структуры;

5) радиоактивное вещество;

6) рассеянные атомы;

7) вещество космического происхождения.

Биосфера - не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере - это организованная оболочка.

Эволюция есть лишь воздействие самой жизни, значит источник её надо искать за пределами Земли. Космос без материи и без энергии не может существовать.

Согласно развиваемой Вернадским концепции, жизнь во Вселенной вечна, так же как и сама Вселенная. Важный материал в этой теории оказывается привнесение на Землю живого вещества из глубины космоса. Но этот источник был принесён не в молекулярном плане, а в форме постоянно действующих во Вселенной биологических полей. Функционирование этих полей таково, что живые молекулы формируются везде, где имеются для этого необходимые условия.

В результате опыта было установлено, что биологическая информация может передаваться не только при помощи молекул, а принципиально иным путем. Этот неучтённый агент является переносчиком биологического поля.

В.И. Вернадский писал о существовании «определенного направления в эволюционном процессе,-неизменно на всем его протяжении, в течение всего геологического времени. Взятая в

целом палеонтологическая летопись имеет характер не хаотического изменения, идущего то в ту, то в другую сторону, а явления определенного, развивающегося всё время в одну и ту же сторону, в направлении усиления сознания, мысли и создания форм, всё больше усиливающих влияние жизни на окружающую среду».

В процессе возникновения земной жизни основную роль сыграли самоорганизующиеся системы - результат их специфического отбора на пути длительной эволюции и есть жизнь.

Они обладают следующими признаками, без которых невозможна самоорганизация системы: они открытые, необратимые и нелинейные.

По теории британского �