І.В.Кочін, В.Я.Киктенко, П.І.Сидоренко
Запорізький державний інститут удосконалення лікарів
Кафедра медицини катастроф
Кіровоградський базовий медичний коледж
Вступ. Нами зроблена спроба показати можливості узагальнення мови, яка була вперше створена еволюційною біологією, для представлення розвитку процесів у системах довільної матеріальної природи. Якщо достатньо широко розуміти основні ключові слова – „мінливість”, „спадковість” та „відбір”, то можливо розробити надто гнучкі засоби опису самих різноманітних процесів самоорганізації матерії – засоби, які дозволяють побачити той загальний зміст, що притаманний будь-яким процесам розвитку, в тому числі й суспільним. Розуміння механізмів розвитку різноманітних систем дає поштовх розробки теорії, методології і методики прогнозування процесів, явищ та їх параметрів у предметній області медицини катастроф, надзвичайних ситуацій техногенного, природного та соціально-політичного характеру та їх наслідків, в тому числі й медико-санітарних.
Мета дослідження. Теоретичне обґрунтування провідних механізмів відбору розвитку процесів у системах матеріальної природи.
Матеріали та методи дослідження. Методологічною основою представленої роботи є визнання принципу матеріальної єдності світу та принципу розвитку. На наш погляд, тільки таке поєднання і може слугувати гносеологічною базою системи знань, в яку може бути вкладена сукупність відомостей стосовно всіх тих процесів розвитку, з якими нас зштовхує людський досвід і які є лише фрагментами єдиного процесу – світового процесу саморуху, самоорганізації матерії.
Зробимо спробу побудувати класифікацію принципів відбору та розглянути з єдиного поля бачення його механізми. Виділимо лише два, на нашу думку найбільш важливих, істотно різних класів механізмів відбору. Це завдання уявляється необхідним і здійсненним, а, головне, дає можливість краще розібратися з процесами та явищами, що стосуються прогнозування, планування, організації діяльності за всіма розділами служби медицини катастроф.
Результати досліджень та їх обговорення. До першого класу віднесемо „адаптаційні” механізми. Це перш за все, певна річ, дарвінівські механізми природного відбору. Але подібні механізми зустрічаються і у фізиці, і в хімії, і в техніці. Важливу роль вони відіграють і в суспільному житті. Головна їх особливість полягає у тому, що дозволяють нам в принципі передбачати (звичайно, з певною точністю) розвиток подій – прогнозувати їх. Це відбувається тому, що адаптація – це самонастроювання, яке забезпечує системі, що розвивається, стійкість (стабільність) в даних конкретних умовах зовнішнього середовища. Отже, вивчаючи ці умови, тобто особливості середовища, окремих сфер (техногенної, геосфери, біосфери, ноосфери, космосу) ми можемо передбачити тенденції у зміні основних параметрів системи, які будуть відбуватися під впливом цих механізмів. Іншими словами, ми становимося здатними заздалегідь визначити множину станів (сукупність параметрів) системи (наприклад, служби медицини катастроф територіального рівня), які будуть забезпечувати її сталість при даних умовах зовнішнього середовища (наприклад, в умовах надзвичайної ситуації техногенного характеру на хімічно небезпечному об”єкті з викидом хлору та масовими медико-санітарними втратами серед працівників та населення).
Що стосується фізики і техніки, то механізми, які забезпечують самонастроювання системи, вже в перебігу багатьох десятиліть є об”єктом досліджень спеціалістів з проблем управління. Сьогодні наука володіє достатньо розвиненою математичною теорією систем, спроможних до адаптації. Тому, якщо ми спроможні побудувати математичну модель системи і механізму її самонастроювання та маємо достатньо повну інформацію стосовно властивостей оточуючого середовища, то, використовуючи можливості математичної теорії систем, ми спроможні не тільки передбачити тенденції, але й дати з певною точністю кількісну характеристику подій, які розвиваються. Тобто, ми вже переходимо від теоретичних напрацювань, методології передбачення розвитку процесів, (подій, явищ), безпосередньо до самого прогнозування з отриманням кількісних параметрів досліджуваного процесу (явища) у майбутньому – аналітичного прогнозу (точеного і/або інтервального). Найпростіші моделі подібних механізмів широко використовуються в техніці, біотехнологіях, при дослідженні динаміки популяцій тощо. Тепер, використовуючи надбання теорії систем, її математичних додатків та прогностики, наше завдання застосувати їх для розв”язання проблематики науки, предмета викладання і служби медицини катастроф. Знаючи достатньо добре зовнішні умови та їх прогноз (наприклад, надзвичайної ситуації з викидом хімічно небезпечної речовини), а також ті об”єктивні закони, які керують та обумовлюють розвиток системи (у нашому випадку техногенної аварії), ми можемо бути впевненими, що за допомогою механізмів адаптаційного типу система (надзвичайна ситуація), що розвивається (виникла) не набуде ніяких нових, несподіваних властивостей. Механізми подібного типу дозволяють параметрам системи (надзвичайної ситуації) змінюватися лише у достатньо обмежених границях. І ці межі у багатьох випадках можливо визначити заздалегідь, тобто спрогнозувати. Для служби медицини катастроф результати прогнозу мають те значення, що дають можливість зорієнтуватись у параметрах надзвичайної ситуації (наприклад, осередка хімічного забруднення, зони можливого хімічного забруднення, глибини, ширини та площі зони хімічного забруднення, кількості медико-санітарних втрат тощо). І на цих засадах оперативно визначитись (спланувати) потребу у формуваннях, закладах, майні тощо для організації і надання екстреної медичної допомоги потерпілим. Це як раз і є практичний вихід теоретичних надбань.
Сформульовані твердження відповідають й практичному досвіду людей. Тисячоліттями людство проводило спрямований штучний відбір – селекцію рослин і тварин, адаптуючи їх до своїх потреб. І треба зазначити, що при цьому нічого принципово нового людство не отримало. Як би не різнилися за своїм зовнішнім виглядом численні породи собак, вони як і раніш залишилися собаками, належать до одного й того ж виду.
Напевне, можна сказати й так: ні зовнішні збурення, ні внутрішні пертурбації не спроможні за допомогою адаптивних механізмів вивести систему за межі того „оглядного каналу еволюції”, того коридору, який приготувала природа для розвитку цієї системи. При дії механізмів адаптаційного типу межі цього коридору, окреслені об”єктивними законами нашого світу, достатньо близькі один до одного і достатньо проглядаються у перспективі. Отже, шлях розвитку у цьому випадку можливо передбачити з значною точністю. Подана характеристика механізмів адаптаційного типу може бути прийнята у якості їх визначення.
Але існує й інший тип механізмів розвитку.Він має вже зовсім іншу природу, хоч, як ми це побачимо далі, і для нього дарвінівська тріада повністю зберігає свій смисл. Для ілюстрації цього типу механізмів розглянемо протікання рідини у трубі.
Доки розхід рідини малий, її течія носить ламінарний характер – вона відповідає закону Пуазейля: частинки рідини рухаються паралельно вісі труби, а епюра швидкостей має параболічний характер. Щоб проштовхнути цей обсяг рідини крізь трубу, потрібне певне зусилля. Воно визначається різницею тисків у різних перетинах труби. Із зростанням витрат рідини ця різниця до певного часу буде зростати за лінійним законом, а епюра швидкостей буде зберігати свій параболічний характер. Але достатньо потоку перевищити деякий критичний поріг, як характер руху якісно зміниться. Ламінарна течія перебудовується – вона перетворюється у турбулентну. Різниця тисків при цьому починає швидко зростати. Іншими словами, існує деяке критичне значення зовнішнього впливу, яке визначається величиною розходу рідини. Вище цього значення попередня (ламінарна) форма руху рідини існувати не може (стара організація системи руйнується). Замість ламінарного руху рідини виникає турбулентний.
Цей приклад достатньо повчальний. Він показує, що організація системи має порогові стани, перехід через які призводить до різкої якісної зміни процесів, що відбуваються у ній, до зміни самої організації системи. Більш того, в цьому і аналогічних випадках перехід від старої організації системи до нової неоднозначний, тобто можлива множина різних нових форм організації. Пояснимо це на більш простому прикладі розв”язання задачі Ейлера про навантажену колону. Після того як вертикальна форма рівноваги колони втратила стійкість, виникає цілий континіум нових форм рівноваги — вони заповнюють поверхню обертання, твірна якої являє собою півхвилю синусоїди. Зміна форм рівноваги відбувається тоді, коли навантаження на колону перевищить деяке критичне значення. Що особливо важливе у описаній ситуації – так це те, що ми не можемо передбачити, яка саме форма рівноваги буде реалізована. Ми цього не знаємо і не можемо знати принципово, оскільки майбутня реалізація залежить від випадкових впливів (наприклад, пориву вітру), яких зазнає колона саме в той момент, коли зовнішнє навантаження перевищує критичне значення.
Ось ця невизначеність майбутнього і є головна особливість розглядає мого типу механізмів. Вона є наслідком того, що майбутній стан системи при переході її характеристик через критичне (або порогове) значення визначається перш за все флуктуаціями. А вони присутні завжди. І те, коло якого з континуума можливих станів рівноваги буде коливатися колона при позакритичних величинах навантаження, залежить від непередбачуваного пориву вітру. Те саме ми спостерігаємо і в прикладі зміни ламінарної течії рідини турбулентною: ми позбавлені можливості передбачувати будь-які деталі турбулентності, хоч в умовах ламінарної течії ми точно знаємо траєкторії всіх рідких частинок. Ми не можемо визначити, як виник даний турбулентний стан потоку, який стан передував спостерігаємому. Можна так сказати, що „система не пам”ятає свого минулого”, якщо вона зазнала у своєму розвитку біфуркацію (роздвоєння), тобто розгалуження шляхів еволюції при переході через пороговий стан своєї організації.
Порогові (або біфуркаційні) механізми властиві не тільки світу „неживої” матерії. Але їх прояв у процесах біологічної та суспільної природи значно більш складний. Ось чому, вибираючи ілюстративні приклади, що характеризують особливості біфуркаційних механізмів, дозволили скористатися аналогією між живою речовиною та рідинною масою. Міркування про механізми, які були наведені, достатньо умовні та схематичні. Реальні процеси розвитку – це зажди широкий комплекс різноманітних механізмів. Однак наведені розміркування достатньо наочні, щоб можна було уявити собі основні риси єдиного процесу розвитку. Треба зазначити, що механізми розвитку тих або інших явищ і процесів, потребують врахування при визначенні прогнозного фону та у самому процесі прогнозування.
Закони фізики, хімії, біології, суспільного розвитку та інші принципи відбору встановлюють певні межі зміни станів системи, так би мовити, „канали”, всередині яких можуть відбуватися процеси еволюції системи. Це дає нам можливість визначитись у тенденціях розвитку тих або інших процесів і явищ та використати цю нову інформацію для прогнозування їх параметрів у майбутньому. На цих засадах ґрунтується окремий клас методів екстраполяційного прогнозування, який набув найбільш широкого використання при плануванні, дослідницьких роботах, що потребують аналітичного прогнозування з отриманням кількісних прогнозів, параметрів процесів та явищ.
Але, слід додати, в свою чергу, множина випадкових факторів намагається весь час порушити ці межі, змінити тенденцію, тобто змінити організацію системи. Якщо її параметри та стани не виводяться за межі призначених рамок, механізми розвитку носять адаптаційний характер. Межі адаптації, тобто границі цих „ каналів”, можуть бути визначені у тому випадку, якщо ми достатньо докладно знаємо закони, які керують розвитком досліджуваних процесів та явищ. У такій ситуації прогнозування їх майбутніх станів стає реальним та цілком здійсненим завданням.
Але в силу тих або інших обставин система може одного разу вийти на перетин „каналів” адаптаційного розвитку. І тоді вступають у дію інші механізми, які називаються біфуркаційними.
До речі, термін „біфуркація” в останній час все частіше стали замінювати терміном „катастрофа”. Тому „біфуркаційні” механізми ми можемо, якщо додержуватись сучасної термінології, перейменувати у „катастрофні”.
Отже, на перехресті „еволюційних каналів” відбувається катастрофа. Характер розвитку якісно змінюється. Виникає декілька нових і різних варіантів розвитку (еволюції). Цих варіантів стільки, скільки нових „каналів” виходить на „перехрестя”. І що саме головне у характеристиці біфуркаційного механізму – це невизначеність шляхів подальшого розвитку: за яким з можливих каналів еволюції піде далі розвиток, яка буде нова організація системи – це передбачити неможливо! Неможливо у принципі, тому що остаточний вибір шляху обумовлюється випадковим характером неминуче присутніх збурень. З цього випливає суттєвий висновок щодо принципової неможливості прогнозування параметрів процесів і явищ у майбутньому при катастрофному механізмі їх розвитку.
Виділення механізмів адаптації і катастроф дозволяє не тільки дати нову інтерпретацію процесів розвитку. Такий науково обґрунтований підхід дозволяє зробити наглядним один провідний принцип, який має найважливіше значення для розуміння процесів самоорганізації взагалі та еволюції живого світу зокрема. Цей принцип носить назву принципу дивергенції – розходження (або розмноження) нових форм організації (метафора – розгалужене дерево). Покажемо, що цей принцип є прямим наслідком механізмів біфуркаційного типу.
Ми вже говорили про те, що саме ці механізми відповідальні за невизначеність процесу розвитку. Як розшифрувати подібне твердження?
Закони природи обмежують множину можливих (віртуальних, уявно припустимих) станів матеріального світу і форм його організації, які умовно називають „каналами еволюції”. Підчас береги цих „каналів” можуть бути надто близькими – підтримання більшості хімічних та біохімічних реакцій, збереження гомеостазу деякого виду рослинного та тваринного світу в природі, параметрів організму людини – можливе тільки у дуже вузькому діапазоні зміни характеристик зовнішнього середовища. Однак стохастичний характер причинності може за допомогою біфуркаційних механізмів роз”єднати скіль завгодно близькі, практично тотожні форми організації у зовсім різні боки. Цей факт – один з основних джерел „некоректностей”, які ми безперервно спостерігаємо у оточуючому світі. Його легко інтерпретувати на простому експериментальному матеріалі.
Припустимо, що дві зовсім однакові круглі колони перебувають під дією однакових вертикальних навантажень. Крім того, на них діють випадкові пориви вітру. Еволюційні процеси кожної з колон визначаються безпосереднім і однаковим збільшенням вказаних навантажень. Значить, обидві колони досягнуть порогового значення навантаження одночасно. Однак, оскільки пориви вітру ніколи не бувають строго ідентичними, після втрати сталості вертикальної форми рівноваги нові сталі форми у обох колон будуть різними. Це значить, що коливання колон після біфуркації будуть відбуватися у різних „каналах”, у даному випадку у різних площинах. Ймовірність того, що при новій біфуркації рівновісні положення колон співпадуть, дорівнює, вочевидь, нулю.
З збільшенням розмірності системи – що завжди відбувається при збільшенні її складності – кількість станів, у яких можуть відбуватися катастрофи, стрімко зростає. Отже, чим складніша система, тим більша ймовірність збільшення кількості можливих шляхів її еволюції (тобто дивергенції), а ймовірність появи двох систем, що розвиваються, у тотожних еволюційних каналах практично дорівнює нулю. Це й означає, що процес розвитку (самоорганізації) призводить до безперервного зростання різноманітності форм.
Зауважимо, що цей висновок про безперервне ускладнення організаційних форм стосується не тільки живої речовини. Він слушний і у неживому світі, зберігає силу і при переході до аналізу суспільних форм організації матерії.
Отже, ми зробили спробу використати дарвінівську термінологію (природно, при суттєвому розширенні її змісту, прийнятого у біології) для опису процесів різної природи. Запропонований підхід відбиває необхідність створення загальної мови, потрібної для подальшого розширення обсягів досліджень системного, міждисциплінарного характеру.
Висновки
Створення загальнонаукової мови опису процесів розвитку, а відтак і прогнозування станів у майбутньому, не тільки полегшує об”єднання спеціалістів різного профілю для розв”язання загальних завдань, але й має певне методологічне, світоглядне і евристичне значення, сприяє становленню і розвитку прогностики, вирішенню проблематики предметної області медицини катастроф.
Література
1.КлирДж. Системология. Автоматизация решения системных задач/ Пер. с англ.-М.:Радио и связь,1990.-554 с.
2.Кочин И.В. Объяснительные и предсказательные возможности математической теории катастроф и теории систем в понимании процессов саморазрушения и стабилизации их состояний/Сб. науч. тр. ЗГИУВ:Матер. 59-йитог.научн.-практ.конф.-Запорожье,1998.-С.85-86.
3.Кочін І.В. Обґрунтування механізму виникнення надзвичайних ситуацій на засадах сучасної загальної теорії катастроф/Зб.наук. праць ЗДІУЛ: По матер. 63-ої наук.-практ.конф.-Запоріжжя,2002.-С.112-115.
4.Медицина катастроф:Підручник/За ред.докт.мед.наук І.В.Кочіна.-К.: Здоров”я,2003.-254 с.
5.Славин М.Б. Методы системного анализа в медицинских исследованиях.-М.:Медицина,1989.-304 с.
RESUME
THE MECHANISM OF THE SYSTEMS` DEVELOPMENT AND THE PREDICTION OF THEIR STATES
I.V.Kochin, V.Y.Kiktenko, P.I.Sidorenko
Two mechanisms were examined: adaptation and catastrophies, which denote the processes of the systems` development, their final results and consequences. It is proved that during the transition of the systems` characteristics through the critical significances its future indicates by occasional external and inner influencer, and the development of the system occurs by the catastrophical mechanism. The emphasizing of the mechanisms of adaptation and catastrophe lets us give a new scientific interpretation of the processes of the development of different systems, understand the occurance of the processes which lead to the appearance of real catastrophies and to predict them.