1.2. Структура складних систем

1.2.1. Приклади складних систем

Структура персонального комп'ютера. Персональний комп'ютер (ПК) - прилад помірної складності. Більшість ПК складаються з одних і тих же основних елементів: системної плати, монітора, клавіатури і пристрою зовнішньої пам'яті якого-небудь типу (гнучкого або жорсткого диска). Ми можемо узяти будь-яку з цих частин і розкласти її у свою чергу на складові. Системна плата, наприклад, містить оперативну пам'ять, центральний процесор (ЦП) і шину, до якої підключені периферійні пристрої. Кожну з цих частин можна також розкласти на складові: ЦП складається з регістрів і схем управління, які самі складаються з ще простіших деталей: діодів, транзисторів і так далі.

Це приклад складної ієрархічної системи. Персональний комп'ютер нормально працює завдяки чіткому спільному функціонуванню всіх його складових частин. Разом ці частини утворюють логічне ціле. Ми можемо зрозуміти, як працює комп'ютер, лише тому, що можемо розглядати окремо кожну його складову. Таким чином, можна вивчати пристрої монітора і жорсткого диска незалежно один від одного. Аналогічно можна вивчати арифметичну частину ЦП, не розглядаючи при цьому підсистему пам'яті.

Річ не лише в тому, що складна система ПК ієрархічна, але в тому, що рівні цієї ієрархії представляють різні рівні абстракції, причому один надбудований над іншим і кожний може бути розглянутий (зрозумілий) окремо. На кожному рівні абстракції ми знаходимо набір пристроїв, які спільно забезпечують деякі функції більш високого рівня, і вибираємо рівень абстракції, виходячи з наших специфічних потреб. Наприклад, намагаючись досліджувати проблему синхронізації звернень до пам'яті, можна залишатися на рівні логічних елементів комп'ютера, але цей рівень абстракції не підходить при пошуку помилки в прикладній програмі, що працює з електронними таблицями.

Структура рослин і тварин. Ботанік намагається зрозуміти схожість і відмінності рослин, вивчаючи їх морфологію, тобто форму і структуру. Рослини - це складні багатоклітинні організми. В результаті спільної діяльності різних органів рослин відбуваються такі складні типи поведінки, як фотосинтез і всмоктування вологи.

Рослина складається з трьох основних частин: коріння, стебла і листя. Кожна з них має свою особливу структуру. Корінь, наприклад, складається з кореневих відростків, кореневих волосків, верхівки кореня і так далі. Розглядаючи зріз листка, ми бачимо його епідерміс, мезофіл і судинну тканину. Кожна з цих структур, у свою чергу, є набір кліток. Усередині кожної клітки можна виділити наступний рівень, який включає хлоропласт, ядро і так далі. Так само, як у комп'ютера, частини рослини утворюють ієрархію, кожний рівень якої володіє власною незалежною складністю.

Всі частини на одному рівні абстракції взаємодіють сповна певним чином. Наприклад, на вищому рівні абстракції, коріння відповідає за поглинання з грунту води і мінеральних речовин. Коріння взаємодіє із стеблами, які передають ці речовини листю. Листя у свою чергу використовує воду і мінеральні речовини, що доставляються стеблами, і виробляють за допомогою фотосинтезу необхідні елементи.

Для кожного рівня абстракції завжди чітко розмежоване "зовнішнє" і "внутрішнє". Наприклад, можна встановити, що частини аркуша спільно забезпечують функціонування аркуша в цілому і дуже слабо взаємодіють або взагалі прямо не взаємодіють з елементами коріння. Простіше кажучи, існує чітке розділення функцій різних рівнів абстракції.

У комп'ютері транзистори використовуються як в схемі ЦП, так і жорсткого диска. Аналогічно цьому велике число "уніфікованих елементів" є у всіх частинах рослини. Наприклад, клітини служать основними будівельними блоками всіх структур рослини; коріння, стебла і листя рослини складаються з кліток. І хоча будь-який з цих вихідних елементів дійсно є клітиною, існує величезна кількість всіляких клітинок. Є клітини, що містять і не містять хлоропласт, клітини з оболонкою, проникною і непроникною для води, і навіть живі і померлі клітини.

При вивченні морфології рослини ми не виділяємо в ній окремі частини, що відповідають за окремі фази єдиного процесу, наприклад, фотосинтезу. Фактично не існує централізованих частин, які безпосередньо координують діяльність нижчих рівнів. Замість цього ми знаходимо окремі частини, які діють як незалежні посередники, кожний з яких поводиться досить складно і при цьому погоджено з вищими рівнями. Лише завдяки спільним діям великого числа посередників утворюється вищий рівень функціонування рослини. Наука про складність називає це виникаючою поведінкою. Поведінка цілого об’єкта завжди складніша, ніж поведінка суми його складових.

Звернемося до зоології. Багатоклітинні тварини, як і рослини, мають ієрархічну структуру: клітки формують тканини, тканини працюють разом як органи, групи органів визначають систему (наприклад, травну) і так далі. Основний будівельний блок всіх рослин і тварин - клітина. Природно, між клітинами рослин і тварин існують відмінності. Клітини рослини, наприклад, поміщені в жорстку целюлозну оболонку на відміну від клітинок тварин. Але, не дивлячись на ці відмінності, обоє вказаної структури, поза сумнівом, є клітинами. Це приклад узагальненості в різних сферах.

Життя рослин і тварин підтримує значне число механізмів надклітинного рівня, тобто вищого рівня абстракції. І рослини, і тварини використовують судинну систему для транспортування всередині організму поживних речовин. І в тих, і в інших може існувати відмінність роду усередині одного вигляду.

Структура речовини. Дослідження в таких різних областях, як астрономія і ядерна фізика, дають безліч інших прикладів неймовірно складних систем. У цих двох дисциплінах ми знайдемо приклади ієрархічних структур. Астрономи вивчають галактики, які об'єднані в скупчення, а зірки, планети і інші небесні тіла утворюють галактику. Ядерники мають справу із структурною ієрархією фізичних тіл зовсім іншого масштабу. Атоми складаються з електронів, протонів і нейтронів; електрони, мабуть, є елементарними частинками, але протони, нейтрони й інші важкі частини формуються із ще дрібніших компонентів (кварків).

Ми знову виявляємо спільність форм механізмів в цих складних ієрархіях. Насправді виявляється, що у Всесвіті працюють всього чотири типи сил: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка взаємодії. Багато законів фізики універсальні, наприклад, закон збереження енергії і імпульсу можна застосувати і до галактик, і до кварків.

Структура соціальних інститутів. Як останній приклад складних систем розглянемо структуру суспільних інститутів. Люди об'єднуються в групи для вирішення завдань, які не можуть бути вирішені індивідуально. Одні організації швидко розпадаються, інші функціонують впродовж декількох поколінь. Чим більша організація, тим виразніше виявляється в ній ієрархічна структура. Транснаціональні корпорації складаються з компаній, які у свою чергу складаються з відділень, що містять різні філії. Останнім належать вже окремі офіси і так далі. Межі між частинами організації можуть змінюватися, і з часом може виникнути нова, стабільніша ієрархія.

Відношення між різними частинами великої організації подібні до відношень між компонентами комп'ютера, рослини або галактики. Характерно, що міра взаємодії між співробітниками однієї установи поза сумнівом вища, ніж між співробітниками двох різних установ. Клерк, наприклад, зазвичай не спілкується з виконавчим директором компанії, а в основному обслуговує відвідувачів. Але і тут різні рівні мають єдині механізми функціонування. Робота і клерка і директора оплачується однією фінансовою організацією, і обоє вони для своїх цілей використовують загальну апаратуру, зокрема, телефонну систему компанії.