Make your own free website on Tripod.com

А. А. Титлянова

Системный подход в экологии
(как это делал А. А. Ляпунов)

Алексей Андреевич отдыхал в Миассове в Ильменском заповеднике, вероятно, потому, что он очень любил минералы. Он собирал минералы, и у него была великолепная коллекция различных камней, которую он пополнял в заповеднике. Ильменский заповедник для геологов и любителей ми­нералов — место чрезвычайно интересное и необычное. Существуют кислые лавы, щелочные лавы, соответственно образуются минералы кислых и щелочных лав, которые всегда пространственно разделены.

Ильменский заповедник — это контакт двух лав, щелочной и кислой. По­этому там имеется такое разнообразие минералов щелочных и кислых лав, которого в других местах нет. Заповедник — рай для тех, кто интересуется минералами. Алексей Андреевич открыл для себя Миассово раньше, чем там появилась лаборатория Н. В. Тимофеева-Ресовского. В 1956 г. в запо­ведник из «закрытого» городка переехал коллектив ученых, ставший лабо­раторией биофизики Уральского филиала АН СССР. Лаборатория основала на берегу озера Большое Миассово биостанцию. В Миассово жили молодые сотрудники Тимофеева-Ресовского, там жила и я. Я не помню точно, когда и как появился Алексей Андреевич, привел ли его Николай Владимирович или он пришел сам. Скорее всего, сам. Я только помню мужчину молодого, высокого, в высоких сапогах, с черной бородой, с цыганистым видом и с горящими глазами. Человека, которого представил нам потом Николай Вла­димирович, сказав, что вот это — известный московский ученый-киберне­тик, профессор Алексей Андреевич Ляпунов.

Дальше в моих воспоминаниях нет никакой последовательности. Алек­сей Андреевич остался в памяти как постоянный, активный участник лет­них семинаров в Миассове. Семинары же в Миассове летом проходили по два раза в неделю под лозунгом «от астрономии до гастрономии». Причем этот лозунг не был выдуман, он просто отражал суть происходящего.

Я помню два семинара, на одном из которых астроном Парийский рас­сказал нам о спутниках Марса, а на другом семинаре сестра одной из со­трудниц, которая приехала в гости в Миассово, сделала по просьбе Николая Владимировича доклад о своей специальности. Так как она была специа­лист по сыроварению, то и рассказывала нам о сыроварении и различных сырах. Таким образом, это действительно были семинары «от астрономии до гастрономии». На семинаре мог выступить каждый и каждый мог задать вопрос. Николай Владимирович поощрял задавание вопросов, говоря, что не бывает глупых вопросов, бывают только глупые ответы. Поэтому вопро­сы задавались разные и в большом количестве.

Так вот, Алексей Андреевич всегда присутствовал на этих семинарах, участвовал в них очень активно, обычно разъяснял нам что-нибудь, чего мы не понимали или даже понимали — это было неважно. Невозможно пред­ставить Миассовские семинары без него.

Что касается самой кибернетики, то я не помню какого-нибудь специ­ального доклада, который Алексей Андреевич делал. Наверняка он высту­пал с докладом, и не с одним. Вероятно, это были доклады об искусствен­ном интеллекте, об умных машинах и кибернетике. Все выступления сли­лись для меня в единый поток семинаров, из которого мне трудно вычле­нить доклады Алексея Андреевича.

Но что я точно помню, то это замечательный случай, когда Николай Вла­димирович, человек большого юмора, загнал математика Ляпунова в логи­ческий тупик.

Алексей Андреевич всегда требовал от нас точных определений, кто бы ни делал доклад. Алексей Андреевич обычно говорил: «Тут у вас неясность. Скажите пожалуйста, что вы под этим понимаете? А нельзя ли определить это точно? Как это соотносится с выбранной вами системой понятий?» И т. д., и т. д., и т. д. Николай Владимирович тоже относился достаточно стро­го к понятиям и требовал определения элементарных явлений и процессов. В то же время он, как я понимаю, никогда бы не взялся, например, опреде­лять, что такое жизнь. А вот Алексей Андреевич однажды взялся за это де­ло и дал определение жизни. Я не помню, чему был посвящен семинар, че­му-то очень сложному, столь же сложному, как понятие «жизнь». Алексей Андреевич сделал доклад, а после доклада Николай Владимирович стал го­ворить: «Нет, Алексей Андреевич, мне кажется, что вот здесь у вас недоста­точно точно определено. Вот здесь, Алексей Андреевич, по-моему, у вас имеется противоречие, и вот это понятие надо сделать более точным». «Да, да, да»,— говорит Алексей Андреевич и снова пытается определить объек­ты своего доклада все более точно. Но нельзя сложные явления загнать в строгие рамки непротиворечивых точных определений. А Николай Влади­мирович настаивает, и Алексей Андреевич все уточняет. Аудитория уже че­рез некоторое время понимает, что Николай Владимирович просто гонит Ляпунова в логический тупик. Алексей же Андреевич, при своей детскости и при своем совершенно доверчивом отношении, не понимает, что идет та­кая игра. И только когда Николай Владимирович мастерски загнал Ляпуно­ва в угол, и Алексей Андреевич сказал какой-то совершеннейший абсурд, и когда аудитория расхохоталась, он посмотрел на всех и расхохотался тоже. И он хохотал до слез, громче всех, со своей детской непринужденностью и радостью, я бы сказала. А Николай Владимирович удовлетворенно заметил: «Вот так, Алексей Андреевич, не надо, значит, требовать точности всегда и во всем. Жизнь сложна, ее невозможно целиком загнать в определение». Но это был только отдельный контрслучай в общем потоке определения поня­тий, явлений, процессов.

Алексей Андреевич рассказывал нам тогда о генетике, о работах Гамова, и они в Миассове с Андреем Маленковым стали формализовать формаль­ную генетику.

Мне хотелось бы только сказать, что все, что происходило на семинарах в Миассове, происходило очень весело. Шла серьезная теоретическая рабо­та, строились основы системного подхода, но при этом эпизоды, подобные рассказанному, случались постоянно. Все работали с шуткой.

Алексей Андреевич как-то задал мне вопрос, кем я себя считаю, экспе­риментатором или теоретиком. Я ответила, что, конечно, экспериментато­ром. Ляпунов сказал: «Нет, вы — на самом деле теоретик. Просто у вас не хватает образования». И он взялся меня учить, персонально меня. Заставлял меня писать рефераты, правил их, много беседовал со мной о геохимии, о процессах и явлениях, относящихся к химии, потому что я занималась тогда химией радионуклидов. Он учил меня точно формулировать свои мысли и по возможности быть последовательной в рассуждениях.

Алексей Андреевич способствовал моему переезду в Академгородок. А когда я переехала в Академгородок, то начала с ним работать вплотную. Алексей Андреевич занялся в это время системным подходом к ландшаф­товедению, к экосистемам, к биогеоценозам, к биологическому круговороту и т. д.

Алексей Андреевич создал биокибернетический семинар, который посе­щали специалисты из различных областей биологии. Они могли приходить, посетить семинар несколько раз, потом уйти, снова вернуться и т. д. На этих семинарах рассматривались самые разные вопросы, которые касались двух сторон жизни экосистемы — ее структуры и функционирования. По­скольку экосистема очень сложна, то на семинаре могло обсуждаться все что угодно. Мы слушали доклады и о фиксации азота, и о строении почвен­ного профиля, и о круговороте углерода, и о многом другом. Каким-то об­разом вся эта причудливая смесь укладывалась в голове Алексея Андрееви­ча с тем, чтобы потом превратиться в более сложную и в то же самое время более простую конструкцию. Замечательным на этих семинарах была наша надежда на то, что вот мы все сядем за стол, расскажем, что знаем, Ляпуно­ву, потом вместе с Алексеем Андреевичем составим модель, а потом он ее напишет и модель заработает! Так вот, мы ни разу не дошли даже до того, чтобы сесть за стол и начать составлять модель. Увы, этого не произошло.

Более того, семинары через некоторое время рассыпблись, люди почему-то уходили, но Алексея Андреевича это не смущало. Через некоторое время он начинал другой семинар с другими людьми или частично с теми же са­мыми, и продолжал неустанно строить свою систему описания сложных природных процессов.

Все те, кто ходил на его семинары, мои сегодняшние коллеги, помнят очень хорошо эти семинары и признаются что, несмотря на то, что вроде бы ничего не вышло и никакой модели биогеоценоза не получилось даже близко, однако они сами поняли вещи, которых раньше не понимали. Их собственная наука предстала перед ними в другой окраске, может быть, с другими акцентами, с другими ударениями. Они учились там выделять главное в своих исследованиях и стали делать это лучше, чем до семинаров.

Понимание огромной пользы этих семинаров пришло ко всем — и к мо­лодым ученым, и к уже очень известным. Сам Алексей Андреевич, видимо, действительно накапливал таким образом знания, потому что гораздо эф­фективнее получить сжатые знания в беседе со специалистами, чем пытать­ся выудить их из учебника. Да и зачем Алексею Андреевичу было читать почвоведение или ботанику! Он всегда мог спросить то, что его интересова­ло. Так он и делал. Через некоторое время мы с ним приступили к систем­ному описанию биогеоценоза и биологического круговорота.

Это была достаточно напряженная работа, потому что с меня требова­лись большие знания, мне приходилось много читать, чтобы отвечать на во­просы Алексея Андреевича. Я рассказывала Алексею Андреевичу о различ­ных звеньях и процессах биологического круговорота, он формулировал основные понятия, создавалась система символов, я записывала текст под диктовку Алексея Андреевича, через несколько дней читала ему этот текст, он что-то правил, что-то переформулировал или изменял.

Таким образом формировались понятия о структуре и функциях биоло­гического круговорота или экосистемы — что почти то же самое, потому что потоки вещества и энергии являются основой функционирования эко­системы и структурируют ее. Как результат нашей работы появилась вна­чале большая статья в специальном сборнике, а потом, через некоторое вре­мя, нам главным редактором «Ботанического журнала» академиком Лав­ренко была заказана статья «Системный подход к изучению биогеоценоза».

И вот тут началась длительная история, потому что эту статью нам не­прерывно заворачивали. Редакцию не устраивало то то, то это, то пятое-де­сятое. Алексей Андреевич очень серьезно отнесся к первому варианту кри­тики. Сказал: «Давайте исправим этот раздел, разъясним это понятие, доба­вим новый пример, уберем непонятный кусок текста». Мы сделали все что возможно, чтобы удовлетворить требования рецензентов. Но они продол­жали заворачивать статью, объясняя, что опять вот это непонятно, и все время рассуждая, что нужно писать и что не нужно. После второго раза Алексей Андреевич сказал: «Что вы теряете время? Не надо ничего этого делать, отзовите статью». Я: «Ну как же, мы потеряли столько времени! Ведь мы должны выйти на широкую аудиторию. Кроме того, эта статья — заказ, и мы обязаны убедить рецензентов». Он: «Ничего не надо! Через 20 лет молодые люди будут все это знать, и им будет казаться, что они это зна­ли всегда. Вот это и есть настоящая наука, и она пробьется другими путями, через другие статьи. А если редакция „Ботанического журнала“ не хочет пе­чатать статью, заберите ее у них, им же хуже».

Самое удивительное заключается в том, что еще не прошло двадцати лет, а системный подход стал общим местом. И всем кажется, что так было все­гда, они на этих понятиях выросли. Всегда были эти схемы, эти концепту­альные модели, а что тут особенного? Алексей Андреевич оказался прав!

Со статьей же дальше произошла такая история. Я упорно работала и упрямо пыталась довести статью до печати. Алексей Андреевич даже не хо­тел со мной разговаривать на эту тему. Только после того, как он умер, я написала письмо в редакцию «Ботанического журнала», что прошу вернуть мне статью, потому что я ее опубликую точно в таком виде, в каком она бы­ла создана А. А. Ляпуновым. А с вами я больше не желаю иметь никакого дела.

После этого они быстренько сняли все свои возражения и написали, что они опубликуют статью в ее первоначальном виде. Действительно, статья была опубликована в том виде, как она была продиктована мне Алексеем Андреевичем. В этом эпизоде я хочу показать, что Ляпунов очень хорошо понимал, что он делал. Я, наверное, вообще не понимала его позиции. А он ясно осознавал, что он делал, и понимал, что системный подход очень быс­тро разовьется и станет неотъемлемой частью науки. Когда новое быстро становится общим местом — вот это и называется наукой.

В связи с системным подходом вспоминается и комичный случай. Бук­вально в это же самое время, ухо в ухо с нами, американские ученые разви­вали тот же самый подход к тому же самому круговороту веществ. Я пере­писывалась с частью из этих ученых и однажды крупный эколог, сейчас уже покойный Ван Дайн прислал свою статью. Она еще не была опублико­вана, это был draft. Ван Дайн хотел, чтобы Алексей Андреевич сделал свои замечания. Они через меня вели научную переписку. Я сказала: «Алексей Андреевич! Ван Дайн прислал свою статью, я сейчас вам ее прочту». Нача­ла читать. Алексей Андреевич то ли не слышал, что я ему сказала, то ли за­был мгновенно, что это статья Ван Дайна. Он слушал ее как свою, посколь­ку текст был о том же самом, о чем писали мы, и я переводила английские термины теми же терминами, которые мы с Алексеем Андреевичем приду­мали. Через некоторое время он мне сказал: «Нет, нет, вот в этом месте определение надо изменить, здесь оно не совсем точно сформулировано». «Алексей Андреевич, ну хорошо, я это запишу и отправлю ему». «Кому?» — удивленно спросил он. «Ван Дайну». «А причем здесь Ван Дайн?» «При том, Алексей Андреевич, что это статья Ван Дайна, а вовсе не ваша». Я описала этот случай Ван Дайну и послала ему текст нашей статьи для «Бо­танического журнала». Ван Дайн ответил, что да, это, конечно, замечатель­но, когда процесс познания идет настолько синхронно. Буквально в одно и то же время рождаются одинаковые идеи. И схемы потоков вещества и энергии в экосистеме, и термины хотя и отличаются, но в целом удивитель­но похожи.

Алексей Андреевич очень обрадовался, что в Америке ученые думают о том же самом и так же, как мы. Даже вопроса о том, что они опередили нас или не опередили, что идет какой-то перехват идей, этот случай вообще не вызвал. Алексей Андреевич просто радовался тому, что наука развивается так синхронно и что мы идем с американскими учеными одним и тем же путем. Окончание статей было по сути одинаковым: сказанное — лишь подступы к настоящему моделированию, которое и является главной зада­чей системного анализа.

Но Алексей Андреевич не создал модели наземной экосистемы. Им была написана математическая модель водной экосистемы, которую он делал с другими учеными. Он не успел создать модель круговорота веществ в на­земной экосистеме, хотя писал уже балансовые уравнения. Смерть прервала эту его работу. К сожалению, нет никакой законченной статьи по этому по­воду, осталось кое-что, видимо, в набросках.

Теперь я хочу поделиться своими мыслями, что сделал А. А. Ляпунов как ученый, который занимался системным подходом и системами в целом.

Во-первых, он оказал воздействие на огромное количество людей, кото­рые увидели свои проблемы в системе. В системе биогеоценоза, в системе биосферы, в системе космоса. Кроме того, он заставил биологов, требуя от них содержательных определений, более четко сформулировать свои зада­чи и ясно обозначить свой объект исследования. И вот это, я думаю, глав­ное, что он сделал.

В той области, которой я занимаюсь, в области экосистем и круговорота веществ, он предложил (с моей посильной помощью) некоторые схемы функционирования, которые затем усложнялись. Мало того, что он пред­ложил схемы, которые могут меняться, он заложил несколько принципов построения концептуальных моделей, и принципы эти были достаточно простыми. А. А. Ляпунов сформулировал, что система может подразделять­ся на компоненты совершенно любым способом, лишь бы этот способ был естественнонаучным и отвечал задачам исследования. Это первый принцип. Второй: правила выделения конкретных обменных процессов из их общей системы могут быть любыми, тут нет никаких строгих ограничений. Необ­ходимо лишь, чтобы были перечислены все основные процессы и чтобы в целом в экосистеме сохранялся баланс веществ.

А. А. Ляпунов дал строгие формальные определения некоторым общим понятиям, с которыми оперирует ученый, работающий в области биологи­ческого круговорота и потока энергии в экосистемах. Оказалось, что фун­даментальных понятий в этих областях очень мало. Там есть понятие ком­понента, или компартмента, или блока, т. е. некоторого количества вещест­ва, находящегося в определенном месте в определенное время. Там есть по­токи или обменные процессы, которые связывают эти отдельные блоки. Со­ответственно имеются единицы измерения запасов вещества в блоках и ин­тенсивностей потоков. Как производные от основных понятий были введе­ны удельные скорости процессов и время оборота вещества в блоке. Итак: блоки с запасами вещества, потоки с их интенсивностями, а также вход ве­щества или энергии в экосистему и выход из нее. Вот и вся схема для цикла любого элемента или потока энергии. Сама эта схема и правила ее построе­ния и описания и были предложены А. А. Ляпуновым.

А дальше огромный накопленный эмпирический материал укладывается в эту простую схему. Сразу становится видно, что уже сделано, а что сде­лать необходимо в первую очередь. Для полевого эколога появляется руко­водство к действию. По мере набора необходимых данных эти системы блоков и потоков начинают жить, круговорот становится зримым. Вы на са­мом деле видите, как работают экосистемы, как течет энергия через экосис­тему. Таким образом, Алексей Андреевич сделал из кучи эмпирических данных ясную, работающую систему.

Второе, что он предложил,— тоже очень простая вещь. Идея, конечно, пришла из математики, из его общего понимания природы процессов. А. А. Ляпунов сформулировал, что любой круговорот может функционировать в нескольких режимах: а) давным-давно известный стационарный режим; б) пе­реходной режим, когда экосистема переходит из одного состояния в другое; переходной режим может приводить к потере вещества и энергии или к на­коплению вещества и энергии в экосистеме; в) периодический режим, когда система, подчиняясь действию внешних факторов (зима — лето; сухой пери­од — период дождей), работает циклически, но в целом по большому отрезку времени в системе выполняются условия стационарного режима.

Если говорить очень коротко, то перечисленные положения и были осно­вой концепции, построенной Алексеем Андреевичем. Концепция оказала большое влияние на группу биологов, с которыми он контактировал. Груп­па была немногочисленной и вряд ли могла сохранить тот мощный теорети­ческий импульс, который был генерирован Ляпуновым. К счастью, как тре­бовала великая драматургия прошлого, совпали условия единства времени, места и действия. Теоретическая деятельность А. А. Ляпунова в СССР и профессора Ван Дайна в США пришлась на время активной работы Между­народной биологической программы — МБП. С моей точки зрения, МБП была лучшей международной научной программой. Она имела хорошо сформулированные цели и задачи, более или менее согласованные методи­ки полевых работ, сеть стационаров, на которых проводились многолетние наблюдения в разных странах, и, что самое важное, большие коллективы ученых — энтузиастов МБП в Европе, Азии, Южной и Северной Америках.

Те ученые, которые вместе с Алексеем Андреевичем обсуждали и фор­мулировали положения его концепции, работали в коллективах МБП и пе­редавали в разной форме его идеи своим коллегам. Круг экологов, начи­навших думать и рассуждать системно, расширялся. Главное же заключа­лось в том, что мозговой центр МБП избрал процессы обмена веществом и энергией в экосистемах как ключевые процессы, которые должны были изучаться в рамках Программы.

Итак, единство времени: шестидесятые-семидесятые годы — время актив­ной теоретической работы Алексея Андреевича и сбора материала коллекти­вами МБП. Единство места — экосистема. Единство действия — количест­венная характеристика потоков вещества и энергии в экосистемах Мира.

К тому времени, когда был накоплен эмпирический материал, требовав­ший обобщения, уже была готова та схема, которая обеспечивала любую степень обобщения: от отдельной экосистемы до биосферы. Это удивитель­ное совпадение во времени появления большого массива данных и инстру­мента его синтеза определило быстрое распространение и включение в эко­логию системного подхода. Одновременно широкое развитие получило ма­тематическое моделирование. Цепочка: полевой сбор материала по адекват­ным методикам, его анализ и синтез на основах системного подхода, по­строение модели, описывающей функционирование экосистемы — к началу восьмидесятых была построена. В ее создании огромная заслуга принадле­жит А. А. Ляпунову.

С течением времени многие положения науки становятся безымянными, имена тех, кто формулировал понятия и общие концепции, забываются. Сейчас само сочетание слов «системный подход» уже почти не употребля­ется. Однако то, что сделал А. А. Ляпунов, остается в теоретических науках о Земле и Жизни в виде идей, понятий, схем и становится, как говорил сам автор, общеизвестным — т. е. настоящей наукой.

© А. А. Титлянова, 1998.