Детермінованість і стохастичність

Загальноприйнятим, принаймні до недавнього часу, було твердження (уявлення) про детермінованість структури фітоценосистем умовам середовища. Проте сьогодні постає розуміння, що структурованість може бути зумовлена не тільки реально існуючою просторовою неоднорідністю середовища, але й специфікою локальних взаємодій формуючих фітоценосистему популяцій.

Принципи детермінізму, зокрема, „класичного детермінізму”, значною мірою сформувались під впливом механіки Ньютона, що призвело до утвердження розуміння однозначності причинно-наслідкових зв’язків. Безпосереднім відображенням класичного детермінізму в біології став ламаркізм, де еволюція розглядалась як результат прямої дії певних чинників. Зокрема, спадковість ознак вважалась виникаючою за безпосереднім впливом розвитку окремого органу внаслідок постійних вправ або навантажень (механоламаркізм), виконання певної функції (психоламаркізм) тощо.

Еволюційне вчення не могло успішно розвиватись без уявлень про дискретність і стохастичність носіїв спадкової інформації. Кожна нова ознака, що виникає внаслідок „невизначеної” мінливості, повинна поступово зникати, „розчинятись” у наступних поколіннях. На стохастичному детермінізмі базується дарвінізм, теорія ймовірностей і кібернетика. Ці напрями, окрім ідей стохастичності, вивели на перший план концепцію атомізму, дискретності, яка закладена в дискретно- математичній базі кібернетики. Фактично дискретність характеру спадкової інформації довели роботи Г. Менделя. Проте остаточно концепція дискретності була визнана і увійшла в загальнонауковий світогляд лише після відкриття квантів енергії М. Планком.

У детермінованій системі її елементи і зв’язки між ними взаємодіють прогнозовано, у їхніх дослідженнях не виникає жодної невизначеності. Якщо відомий стан системи та програма її переходу в інший стан, то завжди можна описати цей другий стан. У стохастичній системі елементи і зв’язки між ними взаємодіють таким чином, що не можна точно передбачити її поведінку, або послідовність наступних станів. Така система завжди залишається невизначеною, прогнози її розвитку або майбутнього стану (станів) визначаються в рамках вірогіднісних категорій, за допомогою яких і описується поведінка, зміни, вектори розвитку тощо.

Згідно засадам детермінізму будь-яка подія є детермінованою, різниця полягає тільки у кількості визначаючих її чинників. Базис детермінованих процесів у фітоценотичних системах складає замкнутість циклічних зв’язків, що закладено в основу будь-якої цілісної системи. Чим більша і складніша система, тим більше матеріально-енергетичних циклів в ній замикається, тим більше вона детермінована.

Детермінізм явищ (процесів) зумовлений замкнутими (циклічними) зв’язками в середині системи, які виступають регуляторами стану системи, підвищення її стійкості і більш жорсткої її детермінації. Стохастичність явищ або процесів у системі зумовлена невпорядкованими впливами як зовні, так і внутрішніми чинниками. Роботи останніх років, пов'язані з прогнозуванням і так званим детермінованим хаосом, дозволили зрозуміти існування істотних, ймовірно нездоланних труднощів. Виявилось, що в принципі не можна дати довготривалий прогноз поведінки для величезної кількості навіть порівняно простих механічних, фізичних, хімічних і біологічних систем. Припускається, що непередбачуваність на великих часових відтинках характерна для багатьох об'єктів, які вивчає екологія, економіка, соціологія, психологія тощо [31].

Дослідження детермінованого хаосу показали, що парадоксальними властивостями володіють навіть об'єкти, які добре описуються класичною механікою. Головне, що було привнесено в проблему прогнозів – новий напрям досліджень, що називається нелінійною динамікою.

Нелінійність – важлива властивість складних систем. При порушенні будь-якого нестійкого режиму (всі біосистеми перебувають в стані відносної стійкості, або нестійкої рівноваги), спочатку спостерігається зростання збурення в системі. Відхилення буде наростати до певного часу, поки в дію не вступить механізм нелінійного обмеження процесу наростання збурення. Нарощення амплітуди збурення не може розвиватись до безкінечності – через обмеженість енергетичних ресурсів системи це нарощування повинно припинитись або змінитись зменшенням амплітуди відхилень. Будь-який новий режим повинен мати конечну амплітуду, і управляють цими процесами нелінійні закони, а властивості нелінійності системи безпосередньо залежать від її стану [4].

Нелінійна динаміка, попри існування вже відомих двох класів об'єктів – детермінованих, прогноз яких можна провести в будь який час, і стохастичних, де не можна говорити про детермінований прогноз, а тільки оперувати статистичними характеристиками – середніми значеннями, дисперсіями, розподілом вірогідностей тощо, виявила ще один клас об'єктів. Формально вони є детермінованими, знаючи їхній поточний стан, можна прогнозувати розвиток і стан системи в майбутньому. Разом з тим прогнозувати їхню поведінку можна тільки протягом обмеженого часу. Будь яке мале відхилення початкового стану наростає з часом, і з якогось моменту можливість прогнозування втрачається. На таких часових відтинках система поводить себе хаотично. Такі системи, де можливості прогнозування виявились надзвичайно обмеженими, були відкриті в гідродинаміці, астрофізиці, фізиці плазми, геофізиці, екології та ін. Математичний образ детермінованих неперіодичних процесів, для яких неможливий довготривалий прогноз, були названі дивним атрактором (strange attractor) [31,10 ].