dtl
24-10-2012, 02:43 PM
Chương 1 - Đại cương về hệ thống
1.1. Định nghĩa
"Hệ thống là một tổng thể, duy trì sự tồn tại bằng sự tương tác giữa các tổ phần tạo nên nó" (L.v.Bertalanffy, 1956).
Các yếu tố của một hệ thống thường tham gia vào nhiều hệ thống khác. Điều này đòi hỏi mỗi một thành tố phải thực hiện tốt vai trò của mỗi hệ thống mà nó đóng vai.
Tiếp cận hệ thống không hoàn toàn đồng nghĩa với phương pháp phân tích hệ thống vì ngoài phần phương pháp (còn đang được phát triển và hoàn thiện), tiếp cận hệ thống còn đề cập đến vấn đề về lý thuyết hệ thống cũng như phương hướng ứng dụng lý thuyết này trong thực tiễn.
1.2. Các đặc tính và chức năng của hệ thống
Tiếp cận hệ thống nhấn mạnh vào việc xác định và mô tả mối liên kết giữa các yếu tố cấu tạo nên hệ thống và tương tác giữa chúng.
Một hệ thống là một tập hợp các thành tố tương tác với nhau. Sự thay đổi một thành tố sẽ dẫn đến sự thay đổi một thành tố khác, từ đó dẫn đến thay đổi thành tố thứ ba... Bất cứ một tương tác nào trong hệ thống cũng vừa có tính nguyên nhân, vừa có tính điều khiển. Rất nhiều tương tác có thể liên kết với nhau thành chuỗi tương tác nguyên nhân - kết quả.
1.2.1. Chức năng của hệ thống
Một hệ thống thường có nhiều chức năng, trong đó có ít nhất một chức năng chính và nhiều chức năng phụ. Ví dụ một hệ cửa sông vừa có chức năng thoát lũ, vận tải thủy, nuôi trồng thủy sản hoặc cấp nước...
Các thành tố tạo nên hệ thống cũng có những chức năng riêng thuộc hai nhóm cơ bản:
- Chức năng kiểm soát (gây biến đổi thành tố khác).
- Chức năng bị kiểm soát (bị các thành tố khác gây biến đổi).
1.2.2. Mạng phản hồi
Còn được gọi là hiện tượng đa nhân tố (Multi - factionality). Đó là một chuỗi tương tác nguyên nhân - kết quả có thể đan xen lẫn nhau. Điều đó có nghĩa là mỗi thành tố của hệ thống
có thể khởi đầu một chuỗi nguyên nhân - kết quả đan xen, làm cho mỗi thành tố trong mạng lưới trở nên có khả năng gây ảnh hưởng gián tiếp lên chính nó. Cấu trúc này được gọi là mạng lưới phản hồi. Một hệ thống có thể chứa nhiều mạng lưới phản hồi, một số hay tất cả các mạng phản hồi này đan xen với nhau, trong đó một thành tố bất kỳ hoạt động vừa với chức năng kiểm soát, vừa với chức năng bị kiểm soát. Hành vi của mỗi thành tố, vì thế, là kết quả của hàng loạt các yếu tố cạnh tranh.
Mạng phản hồi được gọi là mạng kích động (hay tích cực), khi tác động phản hồi lại thành tố ban đầu có tính kích thích nghĩa là làm cho thành tố ấy khởi phát một chuỗi các sự kiện tương tự tiếp theo; Mạng phản hồi sẽ được gọi là triệt tiêu (kìm hãm, tiêu cực) khi tác động phản hồi trở lại thành tố ban đầu có tính kìm hãm, nghĩa là có xu thế kìm hãm thành tố ban đầu không cho nó khởi phát chuỗi sự kiện tương tự tiếp theo.
1.2.3. Tính trồi
Là đặc tính quan trọng nhất của hệ thống. Tính trồi là tính chất có ở một cấp hệ thống mà không có ở các hệ thống cấp thấp hơn nó hoặc các thành tố tạo ra hệ thống, ví dụ chiếc đồng
hồ có thể chỉ giờ chính xác trong khi từng bộ phận của nó không có khả năng này.
1.2.4. Tính kiểm soát thứ bậc
Thứ bậc là các cấp độ phức tạp của một hệ thống. Một hệ thống luôn luôn được tạo thành
từ các hệ thống con (bậc dưới), và chính nó lại là thành tố của một hệ thống lớn hơn (thượng
hệ - bậc cao hơn). Vì thế hệ thống luôn có tính thứ bậc. Kiểm soát thứ bậc là sự áp đặt chức năng mới, ứng với mỗi thứ bậc, so với các thứ bậc thấp hơn. Sự kiểm soát có tính kích động (khi một số hoạt động được hoạt hóa), hoặc có tính kìm hãm (khi một số hoạt động trở nên trì trệ).
Một trong những thách thức của các hệ thống môi trường là sự tự kìm hãm quá đáng (tạo
ra khả năng thích ứng kém trước những hoàn cảnh mới) và sự tự kiểm soát hời hợt (giảm năng suất của hệ thống, có thể tạo ra rủi ro do các quá trình nội lực của hệ thống vượt ra khỏi ranh giới hệ thống, gây tan rã hệ).
1.2.5. Tính lan truyền thông tin
Lan truyền thông tin nhằm gây tác động điều chỉnh và phản hồi. Thông tin được lan truyền từ tác nhân điều khiển đến tác nhân bị điều khiển để thực hiện chức năng kiểm soát của
tác nhân điều khiển. Thông tin cũng cần phải lan truyền ngược từ tác nhân bị điều khiển đến
tác nhân điều khiển làm cho tác nhân điều khiển có khả năng giám sát sự phục tùng của tác nhân bị điều khiển, từ đó có thể điều chỉnh hoạt động giám sát trong tương lai. Mạng phản hồi kích động và kìm hãm, do đó, là cốt lõi của quá trình lan truyền. Nếu tác nhân bị điều khiển không tạo được sự đáp ứng phù hợp trước tín hiệu cuối cùng phát ra từ tác nhân điều khiển,
thì tác nhân điều khiển phải phát lại tín hiệu hoặc tăng cường tín hiệu. Nếu tác nhân bị điều khiển đáp ứng thái quá thì tác nhân điều khiển có thể phải gửi những tín hiệu điều chỉnh để kìm hãm bớt.
1.2.6. Tính ì và tính hỗn loạn
Tính ì là sự ổn định của một trạng thái giúp hệ thống tách khỏi các trạng thái khác. Khi ở trong trạng thái ì, một hệ thống có xu thế duy trì nguyên trạng cho đến khi có một tác động bên ngoài đủ mạnh hoặc một biến đổi bên trong đủ mạnh để chuyển hệ thống ra khỏi trạng thái ì ban đầu. Lực ì có thể rất mạnh hoặc rất yếu. Một hệ thống có thể vận hành qua một loạt trạng thái ì, lần lượt vượt qua từng trạng thái một (mỗi trạng thái ì đòi hỏi hệ phải dừng một khoảng thời gian).
Tính hỗn loạn là hành vi hỗn loạn không thể dự báo được xảy ra bên trong một hệ xác định. Những hành vi như vậy cực kỳ nhạy cảm với các thay đổi nhỏ, khiến cho chỉ có thể dự báo được các hành vi dài hạn của hệ một cách không mấy chính xác.
Bertalanfyy (1969) là người đầu tiên xây dựng các khái niệm về hệ cô lập và hệ mở [9].
Sự phân biệt giữa hệ cô lập và hệ mở phụ thuộc vào tính chất nhiệt động lực học. ở đây cần phải nhắc lại một trong những quy luật vật lý quan trọng nhất, đó là định luật thứ hai về nhiệt động lực học. Định luật này cho rằng, “Nếu không được cung cấp thêm năng lượng, toàn bộ
hệ thống sẽ chuyển từ trạng thái có trật tự sang trạng thái hỗn loạn”. Đây là một định luật cốt
lõi của lý thuyết Hệ thống. Rõ ràng là, trong số tất cả các cách có thể có dùng để sắp xếp các
tổ phần tạo ra hệ thống, bất kể hệ thống đó là một bông hoa hay một chiếc máy tính, thì các dạng hình thái - vốn là cấu trúc có trật tự nhất và tạo ra các hệ thống con có chức năng riêng biệt - lại là không điển hình nhất, và phần lớn các dạng hình thái thực ra chẳng có gì hơn là những mớ hỗn độn của các phần tử riêng biệt. Định luật thứ hai chỉ rõ rằng, “Theo thời gian, ngay cả các hệ thống có trật tự cao cũng sẽ bị xuống cấp thành các hệ thống có trật tự thấp hơn. Lượng “vô trật tự” trong một hệ thống có thể được đo lường và được gọi là entropy của
hệ thống”. Định luật thứ hai nói rằng, entropy của bất cứ hệ thống nào không được cung cấp năng lượng, chắc chắn sẽ tăng theo thời gian. Điều đó giải thích tại sao vật gì rồi cũng sẽ bị phân hủy và bị tiêu vong.
Sự sống là một quá trình giảm entropy. Hệ thống sống có khả năng xây dựng, tái sinh và
tạo ra trật tự. Lý do cho rằng sự sống có thể tồn tại là bởi vì Trái Đất luôn luôn được mặt trời cung cấp năng lượng. Chính năng lượng Mặt Trời cho phép entropy giảm đi hơn là tăng lên.
Xuất phát từ phân tích trên, chúng ta sẽ phân tích sự khác biệt giữa các hệ cô lập và hệ
mở.
Hệ cô lập có những thành phần không thay đổi, không tương tác với môi trường ngoài.
Chúng cuối cùng sẽ đạt đến một trạng thái cân bằng, nhưng luôn vận động theo hướng có entropy cao hơn vì không được cung cấp thêm năng lượng. Nói như thế có nghĩa là các hệ cô
lập thường đạt đến một điểm mà tại đó sẽ không có thay đổi gì nữa.
Hệ mở, ngược lại, trao đổi liên tục với môi trường của nó. Sự trao đổi này bao gồm vật chất, năng lượng và thông tin. Hệ mở có thể đạt đến một trạng thái ổn định tuỳ thuộc vào mối quan hệ trao đổi liên tục với môi trường được duy trì, khiến cho hệ có khả năng tạo ra và duy
trì trạng thái có entropy thấp. Điều này có nghĩa rằng một số hệ mở có thể duy trì tính toàn vẹn của chúng mặc dù điều đó luôn luôn kèm theo sự gia tăng entropy ở đâu đó.
1.2.7. Cân bằng hệ thống
Cân bằng là sự ổn định. Với hệ thống mở đó là sự cân bằng động. Toàn bộ các hệ thống sống đều là hệ mở. Tất nhiên môi trường trong đó các hệ thống sống tồn tại, tự nó không bao
giờ hoàn toàn ổn định, do đó các hệ thống sống buộc phải cố trao đổi ổn định hợp lý với các nguồn tài nguyên vốn luôn biến động theo thời gian. Điều này có nghĩa rằng các hệ thống sống và các thứ bậc sinh thái của các hệ thống sống phải duy trì các quá trình lan truyền và kiểm soát sao cho chúng có thể giám sát và ứng xử với sự xáo trộn của môi trường sống thực
tế. Cần chú ý rằng việc kiểm soát có hiệu quả, trong một môi trường đầy biến động, đòi hỏi hệ thống phải có một cơ chế kiểm soát với nhiều kiểu ứng xử thích hợp với các kiểu đa dạng của thông tin môi trường. Hiện tượng này đôi khi được gọi là định luật về các biến đổi cần thiết. Các biến đổi này được gọi là cần thiết để duy trì ranh giới/ ngưỡng an toàn của hệ thống.
1.3. Xác định hệ thống
Có một số bước cần tuần tự điểm qua khi xây dựng mô hình của một hệ thống:
1. Xác định các yếu tố gắn kết của một hệ thống và xác định các nguyên tắc gắn kết.
Một số hệ thống chức năng được tổ chức trên một cơ sở đặc biệt, có thể có các thành tố khác nhau tuỳ thuộc vào mục tiêu của hệ thống.
2. Xác định các cơ chế kiểm soát, nhờ đó mà hệ thống duy trì được sự gắn bó giữa các yếu tố cũng như khoảng giá trị mà các cơ chế đó vận hành. Các hệ thống sinh thái và môi trường thường được đặc trưng bằng tính rườm rà, vốn thường dùng nhiều cách kiểm soát khác nhau. Ví dụ hệ thống môi trường có các cách duy trì cân bằng: hướng dẫn, chế tài, kinh tế, quy hoạch, v.v...
3. Xác định ranh giới hệ. Ranh giới hệ quyết định các nguồn vào và nguồn ra của hệ, cũng như ngưỡng an toàn của hệ.
4. Xác định các phân hệ của hệ, hoặc các thượng hệ của hệ (thượng hệ là một hệ
thống cấp bậc cao hơn mà hệ đang xét là một phân hệ của nó).
Không có một sơ đồ phân loại hệ thống nào được coi là khuôn mẫu mặc dù thường các hệ
thống cũng giống như hệ thống kinh tế vậy. Đôi khi người ta phân biệt ra các hệ thống sống
và hệ thống không sống, hệ thống trừu tượng và hệ thống cụ thể, hệ mở và hệ cô lập. Cũng có
thể chia thành các hệ cơ sở, hệ điều hành, hệ mục tiêu và hệ kiểm soát. Các hệ thống được gộp thành 5 nhóm là:
1) Các hệ tự nhiên.
2) Các hệ cơ khí (máy móc).
3) Các hệ trừu tượng (toán học).
4) Các hệ nhân văn.
5) Các hệ huyền ảo (các hệ ngoài tri thức).
Các hệ thống thuộc các nhóm trên đây thuộc các kiểu hoàn toàn khác nhau. Đặc biệt các
hệ 2 - 3 và 4 lại hoàn toàn khác với các hệ tự nhiên.
5. Xác định chức năng. Xác định chức năng chính và các chức năng phụ của hệ thống bằng cách trả lời các câu hỏi: hệ thống có những vai trò gì, có mục tiêu gì trong thượng hệ.
1.4. Mô hình hóa các hệ thống
Nhìn chung, một mô hình tốt phải là mô hình rẻ tiền và có tính dự báo cao. Điều đó có nghĩa là mô hình phải bao gồm tất cả các thành tố có ý nghĩa, bao trùm mọi khoảng giá trị và phản ánh xác thực hành vi thực tế của hệ thống, đồng thời phải loại bỏ các thành tố không có
giá trị và không thích hợp.
Một vấn đề quan trọng khi mô hình hóa hệ thống là làm thế nào để xác định các thành tố phù hợp. Thường không thể có được các trị số đối với tất cả các thành tố cho việc mô hình hóa. Do đó, người ta thường phải làm việc chỉ với các thành tố đã được xác định.
Sau đó, cần làm rõ mỗi thành tố có vai trò gì trong hệ thống, điều này cũng rất khó. Kết quả là các thành tố có thể có tương quan phi tuyến, hoặc có tương quan gãy khúc do đột biến
tính chất ở các ngưỡng hoặc thậm chí là tương quan chậm trễ (lùi). Ngoài ra, số liệu nhiều khi không chính xác khiến cho kết quả bị nhiễu.
Có 4 phương diện cơ bản để đánh giá mô hình:
Tính thống nhất về cấu trúc. Mô hình phải phản ánh cấu trúc cơ bản của hệ thống, cấu trúc đó phải phản ánh các yếu tố, mối liên kết tương hỗ và mạng phản hồi tồn tại trong thực
tế.
Tính thống nhất về hành vi. Mô hình phải có hành vi cùng một kiểu như hệ thực tế, biểu hiện cùng một dạng nhiễu loạn, ngưỡng, tính không ổn định, biến đổi, trạng thái cân bằng...
Sát thực tế. Mô hình phải phản ánh giống như hệ thực tế, có cùng các thông số và điều kiện, có tính thực tiễn, có tính phù hợp địa phương.
Dễ áp dụng. Mô hình phải trả lời được các câu hỏi đặt ra, cung cấp được thông tin có giá
trị.
Mô hình hệ tuyến tính thường cung cấp các đặc tính khá chính xác của một hệ thống
thông qua một bộ phương trình phản ánh hành vi của hệ thống. Ví dụ các mô hình kinh tế
kinh điển có thể gồm hàng trăm phương trình.
Một trong những đặc trưng của mô hình phi tuyến, ngược lại, là ở chỗ động lực cơ bản của hệ đôi khi được thu gọn trong rất ít, đôi khi chỉ 2 3 phương trình.
1.4.1. Hành vi của hệ thống động lực
Các hệ thống thích ứng hoặc động lực ví dụ như thời tiết, quá trình tiến hóa, hoặc vận hành thị trường… tạo ra những vấn đề mới của mô hình hóa. Rất khó mô hình hóa và dự báo hành vi của những hệ thống phức tạp như vậy. Cho đến bây giờ vẫn chưa có được các công cụ
và kỹ thuật cần thiết cho mục tiêu này. Tuy nhiên nhìn chung, có thể thấy rằng kiểu liên kết giữa các yếu tố của một hệ động lực tập trung vào việc xác định hành vi của hệ thống đó.
Hành vi của một hệ động lực thường gồm 4 nhóm như sau:
Nhóm 1: Gắn kết nếu hệ “đóng băng” do sự tự kiểm soát quá mức.
Nhóm 2: Định kỳ nếu hệ vận hành qua một số chu kỳ xác định.
Nhóm 3: Hỗn loạn nếu hệ là không thể xác định dù bất cứ mục tiêu thực tiễn nào. Điều này cũng có thể nảy sinh ở các hệ thống vốn tuân theo một bộ xác định các quy tắc - được gọi
là “sự hỗn loạn được xác định”. Bất kể sự hỗn loạn là được xác định hay thực tế không được xác định, thì hành vi cụ thể của loại hệ thống này cũng không thể nào dự báo được.
Nhóm 4: Gần hỗn loạn, nếu hệ nằm ở vị trí giữa ổn định và biến động. Đây là một đới hẹp nhưng rất quan trọng nằm giữa các nhóm hành vi 2 và 3. Các loài sinh vật thường có hành
vi ở nhóm 4.
Một hệ thống chỉ có một vài mối liên kết giữa các yếu tố sẽ biểu lộ hành vi theo nhóm 1. Nếu một hệ thống như vậy bị xáo trộn trong một phần của hệ, thì hậu quả thường có tính cục
bộ vì tác động sẽ không lan truyền trong toàn hệ. Một hệ thống có mức độ gắn kết đa dạng giữa các yếu tố thì có hành vi ở nhóm 3. Bất cứ sự biến động nào cũng lan toả toàn hệ thống,
có thể dẫn đến điểm mà hệ trở nên hỗn loạn. Nhóm 4 có cách ứng xử khó dự báo hơn. Nếu một hệ thống nhóm 4 bị xáo trộn, thì hoặc sẽ ít phản ứng, hoặc phản ứng sẽ rất rộng rãi, thậm
chí rối loạn tùy theo điều kiện nội tại của hệ thống lúc đó.
Các hệ thống có tính trồi, là hành vi của toàn hệ mà các thành phần riêng biệt của nó không có, các thành phần này cũng có hành vi mà các yếu tố nhỏ tạo ra chúng không có. Một
nét đặc trưng của các hệ động lực là chúng có thể được sắp xếp (được điều khiển) và ổn định. Tính ổn định có thể là tính trồi của hệ, một chức năng chỉ nảy sinh do tương tác giữa các yếu
tố trong hệ. Ví dụ một hệ sinh thái có thể duy trì trạng thái ổn định do sự tương tác giữa các loài có mặt trong hệ. Trong xã hội, hành vi tổng hợp của các công ty, người tiêu dùng, thị trường có thể là ổn định mặc dù quyết định mua bán của các cá nhân tạo nên cộng đồng có thể không dự đoán được.
1.4.2. Các hệ thích ứng phức tạp
Có một nhóm gồm các hệ thống phức tạp rất đặc biệt và rất quan trọng, được gọi là các
hệ thống thích ứng. Đặc điểm duy nhất phân biệt loại hệ thống này với các hệ thống thuộc kiểu khác là ở chỗ, các hệ thích ứng, bằng cách nào đó, tương tác với môi trường và thay đổi hành vi tùy theo sự thay đổi của môi trường. Ví dụ các hệ thống sống là những hệ thích ứng. Chúng có một kho lưu trữ các hành vi giúp cho chúng thích nghi với sự thay đổi của môi trường. Sự thích ứng này có thể diễn ra qua nhiều thế hệ, hoặc thậm chí chỉ trong phạm vi cuộc đời của một cá thể. Tất nhiên có những biến đổi môi trường quá nhanh và quá mãnh liệt khiến các loài hoặc cá thể không tài nào thích ứng được. Điều này thường dẫn đến sự hủy diệt. Chính cái gọi là “kho lưu trữ hành vi” hoặc quy trình ứng xử tạo điều kiện cho các sinh
vật này thích ứng, nhưng nhiều khi cũng không lại so với sự biến động nhanh của môi trường.
1.5. Tiến hóa và thích ứng của hệ thống
Tiến hóa và thích ứng là hai hiện tượng đặc biệt quan trọng và liên kết chặt chẽ với nhau,
rất phổ biến trong các kiểu hệ thống. Nhà sinh vật học tiến hóa Richard Dawkins (1982, 1988)
đã khái quát yếu tố cơ bản của tiến hóa là “bản sao tích cực” . ý tưởng của ông như sau: Một “bản sao” là bất cứ hệ thống nào có khả năng tự tái tạo hoặc được tái tạo. Quá trình tái tạo này không nhất thiết đòi hỏi phải hoàn hảo, tuyệt đối không có sai sót, bởi vì trên thực tế không có quá trình tái tạo nào là không có sai sót.
Ví dụ điển hình cho các bản sao là các cơ thể sinh vật và cơ quan di truyền của chúng. Các bản photocopy, bản fax cũng là một loại bản sao. Dawkins coi các đơn vị thông tin cũng
là bản sao vì khi giao tiếp giữa con người với nhau, thông tin được chuyển giao. Bản sao thông tin được Dawkins gọi là “meme” (từ chữ memo - memory).
Sau khi xây dựng khái niệm về “bản sao”, Dawkins tiến tới phân loại chúng thành 2 nhóm: nhóm chủ động và nhóm bị động tuỳ thuộc vào chất lượng của bản sao tác động đến độ chính xác của quá trình sao chép như thế nào. Gen là các bản sao chủ động vì các gen tốt thường được sao chép tốt trong các cá thể con cháu, làm cho thế hệ con cháu duy trì và cải thiện được khả năng sinh tồn và tránh được kẻ săn mồi, kiếm mồi tốt hơn hoặc có sức hấp dẫn hơn với bạn tình.
Meme cũng là loại bản sao chủ động, vì trong quá trình truyền thông, các thông tin tốt, có
ích được chọn lọc và truyền bá tốt hơn các thông tin vô ích. Trong khi đó, một bản photocopy
lại là loại bản sao bị động vì dù nó có nội dung gì cũng không thể quyết định chất lượng bản copy.
Dawkins phân loại các bản sao thành hai nhóm ngắn hạn và dài hạn tùy thuộc vào việc chúng có khả năng được sao chép mãi hay không. Các tế bào sống của con người (trừ tế bào sinh sản) là nhóm ngắn hạn, dù rằng chúng có thể được sao chép trong thời gian một đời
người, nhưng chỉ có tế bào sinh dục mới được tái tạo trong các thế hệ sau. Meme và bản copy thuộc loại dài hạn vì chúng có thể được tái sinh qua rất nhiều thế hệ.
Bởi vì không có quá trình sao chép nào là hoàn hảo tuyệt đối, do đó hệ thống qua mỗi lần sao chép lại xuất hiện các biến dị (các sai sót do nhân bản). Mặc dù đa phần các biến dị là gây
hại cho các thế hệ sau, nhưng một số trường hợp cũng nảy sinh những biến dị có lợi, điều này
chỉ xảy ra trong trường hợp nhân bản chủ động. Nếu bản sao thuộc nhóm dài hạn, thì rất có
thể các biến dị có lợi sẽ được tích lũy để nâng cấp chất lượng của các thế hệ mới. Đó chính là hiện tượng tiến hóa. Tiến hóa giúp cho tăng cường khả năng sinh sản một số lượng đông con cháu khoẻ mạnh và có khả năng sinh tồn.
Trong trường hợp các hệ thống có khả năng nhân bản (tái sinh), có hai tổ phần tách biệt của “tính chính xác sinh sản” là:
Tính hiệu quả của quá trình nhân bản, có thể tiến hóa được.
Bất cứ yếu tố nào làm cho quá trình nhân bản được thích hợp hơn, giúp cho việc tăng cường khả năng bắt mồi, thích nghi với môi trường, thu hút bạn tình...
Cần phải hiểu rằng tính tiến hóa chính xác của một cá thể sinh vật là không bất biến, mà thay đổi do tự thân tiến hóa, và góp phần làm thay đổi các thông số môi trường trong đó quá trình nhân bản xảy ra. Điều đó dẫn đến sự xuất hiện rất nhiều biến thể tiến hóa. Trong đó có
cả hiện tượng “chạy đua vũ khí” khi vật dữ và con mồi cũng phải tiến hóa để săn mồi hoặc chạy trốn tốt hơn...
Tiến hóa cũng nhằm để thích ứng, nhưng là một dạng thích ứng quan trọng và đặc biệt của quá trình thích ứng rộng rãi hơn. Không giống như tiến hóa, thích ứng nói chung không
đòi hỏi hiện tượng nhân bản dài hạn chủ động. Ví dụ quá trình học tập ở con người và các
động vật khác, sự phát triển cơ bắp, các quá trình sinh học nhằm duy trì sự cân bằng ôxy của khí quyển, sự móc nối của các mạng phản hồi ổn định v.v...
Tất nhiên, thích ứng cũng có nét tương tự như tiến hóa ở chỗ nó cũng không yêu cầu các nguyên tắc tổ chức cao hơn, tri thức (nhận thức) cao hơn và sự có chủ định sẵn. Cả tiến hóa
lẫn thích ứng đều là những “quá trình mù”. Sự đánh giá cốt lõi của một hệ thích ứng là tính
ổn định hơn là tính nhân bản (sao chép) chính xác. ổn định giữ một vai trò rất quan trọng. Vì các hệ thống thường không cô lập, các biến dị liên tục được nhập vào khi hệ bị nhiễu loạn do những ảnh hưởng bên ngoài. Một vài trạng thái của hệ có tính ổn định hơn các trạng thái khác. Điều này có thể là do chúng không hàm chứa các động lực nội sinh cho sự thay đổi, hoặc bởi vì chúng bao gồm các cơ chế kiểm soát có tính chu kỳ. Cũng còn có thể là do chúng
có khuynh hướng kháng cự lại những ảnh hưởng bên ngoài. Cơ chế của tính ì được tạo ra do
các hiện tượng phản hồi triệt tiêu, cũng như các hiện tượng kháng cự số lớn với những tác động bên ngoài.
Có sự liên hệ chặt chẽ giữa tính thích ứng và tiến hóa:
Khả năng tiến hóa đôi khi cũng có thể giúp tăng thích ứng, ví dụ não người tiến hóa làm tăng cường khả năng học tập.
Các hệ thích ứng phức tạp có thể hàm chứa các phân hệ tiến hóa.
Cuối cùng, “sự tiến hóa” của các trạng thái trong một số hệ thống thích ứng, có nghĩa là mỗi trạng thái có thể “nhân bản” một cách không hoàn hảo để hình thành một trạng thái tiếp theo của hệ thống. Theo ý nghĩa không chính tắc này, trạng thái hệ cũng sẽ được phân biệt thành các trạng thái chủ động, dài hạn...
Như vậy, có thể định nghĩa tính thích ứng của một hệ thống là sự chọn lọc, sắp xếp lại các hành vi và cơ cấu tổ chức của hệ thống nhằm thích nghi tốt với một kiểu môi trường nhất định. Sự chọn lọc và sắp xếp này là những biến đổi nội tại, không làm tăng tính phức tạp, không làm nâng cấp quy mô tổ chức và không tăng quá mức độ trật tự sẵn có của hệ thống.
Trái lại, tính tiến hóa của hệ thống là sự thay đổi về chất của hệ thống, định hướng vào việc xây dựng một hệ thống có cấu trúc ở trình độ cao hơn, phức tạp hơn, trật tự hơn, có kho
lưu trữ hành vi đa dạng hơn, và hiệu quả của chúng là tạo ra một cơ hội thích ứng rộng rãi hơn.
Thích ứng tạo cơ hội cho một hệ thống ổn định, còn tiến hóa tạo cơ hội cho một hệ thống thay đổi theo hướng hoàn thiện hơn để thích ứng tốt hơn.
Một ví dụ kinh điển là dù có biến đổi để hình thành hàng ngàn loài cá thích ứng tốt với những sinh cảnh khác nhau, nhưng chỉ có loài cá vây tay di chuyển được trên mặt bùn và có khả năng hấp thụ ôxy trong không khí bằng chiếc bong bóng bị biến đổi thành một loại phổi đơn giản, mới có khả năng tiến hóa thành động vật lưỡng cư sau này.
Một hệ thống nhân bản để thích ứng luôn luôn lưu trữ các biến dị. Một số ít các biến dị
đó sẽ là mầm mống của tiến hóa. Vì thế một hệ thống có khả năng tiến hóa luôn luôn phải có nhiễu loạn, luôn luôn có entropy ở một giá trị mà hệ thống có thể kiểm soát được. Những hệ thống ổn định cao, có entropy thấp thường là một hệ thống có tính thích ứng hơn là có tiềm năng tiến hóa. Các hệ thống “đóng băng” là những hệ thống không có khả năng tiến hóa.
Vì thế, có một nguyên tắc trong điều khiển hệ thống là “không gắn kết quá chặt để tạo tiền đề cho những thay đổi”. Xác định tiềm năng “không gắn kết quá chặt” cần thông qua những hành vi, những cấu trúc “lệch chuẩn” không gây hại cho hệ thống. Nguyên tắc “phân quyền và uỷ quyền” cho các đơn vị quản lý cấp dưới trong quản lý môi trường chính là khung pháp lý cho phép các thành tố của một hệ thống phát huy tính chủ động và sáng tạo. Cũng từ
đó mà hình thành các nguyên tắc khác như “phi tập trung hóa”, “xã hội hóa” trong quản lý môi trường.
1.6. Các ngưỡng của hệ thống và hệ sinh thái toàn cầu
Toàn bộ các hệ thống sinh thái và sinh học đều có tính co dãn (đàn hồi). Chúng có thể
thắng được một số loại sức ép hoặc phá hoại và duy trì khả năng tự phục hồi. Ngay cả khi một
số yếu tố đơn lẻ của hệ bị phá huỷ, chúng cũng thường được khôi phục khiến cho hệ thống được duy trì. Tuy nhiên sự bành trướng hoạt động nhân sinh đã dẫn đến việc phá hủy cả các yếu tố của hệ hoặc toàn bộ hệ, làm giảm tính đàn hồi của hệ.
Có một số quá trình sinh học có vai trò duy trì các điều kiện sinh thái hiện tại. Ví dụ hoạt động sinh học góp phần duy trì khối lượng, tỉ lệ và cân bằng các loại khí tạo nên khí quyển Trái Đất. Tỷ lệ các loại khí trong khí quyển Trái Đất hiện nay là ở trạng thái không cân bằng hóa học, và khí quyển được duy trì như vậy là do mạng phản hồi sinh học. Nếu các quá trình sinh học chấm dứt, khí quyển của Trái Đất dần dần sẽ tiến đến trạng thái cân bằng hóa học khiến cho không có dạng sống nào có thể tồn tại.
Các quá trình sinh học là những quá trình động lực, phản ứng trước một môi trường đầy biến động. Ví dụ, khoảng 4,5 tỷ năm trước khi hệ Mặt Trời mới hình thành, nhiệt bức xạ từ Mặt Trời chỉ cỡ 70% so với ngày nay. Từ bấy đến nay, lượng nhiệt toả ra từ Mặt Trời đã tăng thêm 30%. Chỉ cần mỗi bán cầu thu được lượng nhiệt từ Mặt Trời bớt đi 2% đã đủ tạo ra khí hậu băng hà. Nếu khí hậu Trái Đất chỉ do nhiệt Mặt Trời quyết định, thì nhiệt độ bề mặt Trái
Đất sẽ có giá trị âm (<0o C) cho đến cách ngày nay khoảng 2 tỷ năm, tức là bao gồm cả 1,5 tỷ
năm đầu tiên của lịch sử sự sống. Tuy nhiên thực ra khí hậu trên Trái Đất đã không có biến
đổi nhiều trong suốt thời kỳ này. Trái Đất không hề đóng băng ngay cả khi nó tiếp nhận một lượng nhiệt Mặt Trời ít hơn ngày nay 30% [9].
Lí do cơ bản là ở chỗ khí quyển Trái Đất có đặc tính “nhà kính”, mặc dù hiệu ứng này rất biến đổi tuỳ theo thành phần của khí quyển. Ví dụ vào thời gian Tiền Cambri (cách ngày nay trên 550 triệu năm), khí quyển Trái Đất có khoảng:
1,9% N2
0,1% O2
98% CO2
Trong khi khí quyển ngày nay có gần 79% N2, gần 21% O2 và 0,03% CO2. Chính CO2 và một số loại khí khác (NH3) đã hấp thụ bức xạ hồng ngoại phát ra từ Trái Đất và do đó kìm hãm nhiệt thoát vào khoảng không Vũ Trụ, tạo ra hiệu ứng nhà kính nguyên thuỷ.
Những dạng sống nguyên thủy của Trái Đất đã hấp thụ C, N và H từ khí quyển. C và N
đã được lưu trữ trong cơ thể sinh vật rồi lắng đọng dưới đáy biển dưới dạng các mùn bã hữu
cơ (xác chết của sinh vật), đồng thời NH3 bị phân hủy, giải phóng H để tạo thành nước hoặc
gia nhập vào khí quyển. Nếu không có cơ chế kiểm soát, sẽ xuất hiện sự thiếu hụt CO2 trong
khí quyển, làm cho nhiệt độ sẽ giảm đi, tạo ra khí hậu băng hà. Băng tuyết có tính phản xạ cao càng làm nhiệt độ mặt đất giảm đi, thậm chí dưới 0o C.
Tuy nhiên may mắn thay hiện tượng đó đã không xảy ra. CH4 xuất hiện giúp gia tăng hiệu ứng nhà kính. Sự bùng phát các vi sinh vật nguyên thủy màu sẫm cũng giúp cho việc hấp
thụ nhiệt.
Sự duy trì cân bằng ôxy trong khí quyển ngày nay là một trong những quá trình sinh học đặc biệt quan trọng đối với nhân loại. Khí quyển hiện nay chứa khoảng 21% ôxy. Giả sử hàm lượng ôxy tăng đến 25%, thì chỉ cần một tia lửa nhỏ cũng đủ đốt cháy ngay cả cỏ tươi và gỗ ướt lạnh, toàn bộ nhiên liệu hóa thạch trên Trái Đất sẽ cháy hết. Nhưng nếu hàm lượng ôxy giảm đi, thì khả năng sản xuất của các dạng sinh vật cạn ưa khí sẽ suy giảm đáng kể. Sinh vật biển có thể sẽ đỡ chịu tác động hơn vì đại dương còn tàng trữ nhiều ôxy hoà tan, tuy nhiên nếu hàm lượng ôxy trong khí quyển giảm mạnh thì rồi sẽ đến lúc nước biển cũng trở nên thiếu ôxy và sinh vật biển sẽ bị huỷ diệt hàng loạt, giống như thảm họa đã từng xảy ra vào ranh giới giữa kỷ Pecmi và kỷ Triat (250 triệu năm trước), đã tiêu diệt 95% tổng số loài trên Trái Đất.
Tuy nhiên cũng có cả mạng phản hồi tích cực. Ví dụ nếu nhiệt độ tăng làm tan băng hà,
thì độ phản xạ của Trái Đất sẽ giảm đi, điều đó lại thúc đẩy nhiệt độ càng tăng thêm. Vấn đề
trở nên phức tạp và đa dạng hơn nếu hai hay nhiều yếu tố có quan hệ thuận nghịch tích cực,
sự tăng tiến của một yếu tố sẽ gây ra sự tăng tiến của yếu tố khác và ngược lại. Mạng phản hồi tích cực nhiều khi bị bao vây trong một mạng phản hồi tiêu cực rộng hơn để tạo ra mối cân bằng tổng thể. Cũng có khi mạng tích cực một khi đã khởi động, sẽ vận hành hoặc là cho đến
khi hiện tượng phản hồi tích cực trở nên bão hoà, hoặc cho đến khi tự thân hệ thống bị biến dạng.
1.7. Tính ổn định của hệ thống
Nói chung, hệ thống càng phức tạp, các hệ thống phản hồi càng đan xen, thì các hệ thống càng khoẻ mạnh và càng có khả năng chống lại sự biến đổi tốt hơn. Trên thực tế, các hệ thống phức tạp có tính ổn định cao hơn. Một lí do minh chứng cho điều đó là một số hệ thống phức
tạp (ví dụ các hệ thống sinh học) sử dụng các cách kiểm soát đa diện chứ không phải cách đơn giản, và vì thế có nhiều cơ hội sống sót hơn. Tương tự như vậy, sự đa dạng gen tạo cho hệ sinh thái có khả năng thích ứng tốt hơn đối với sức ép môi trường, đa dạng văn hóa cũng giúp cho xã hội bền vững hơn.
Các hệ phức tạp thường thường tiến hóa từ các hệ đơn giản hơn. Tính phức tạp sẽ phát triển nếu tạo ra sự thích ứng ưu thế hơn thế hệ đi trước. Các hệ thống phức tạp hơn chỉ có khả năng sinh tồn nếu hệ thực sự khoẻ mạnh, vì thực tế chúng phải chịu đựng nhiều can thiệp hơn trong quá trình tồn tại.
Một số vấn đề cần lưu ý:
Các hệ sinh thái khu vực và toàn cầu bao giờ cũng nằm trong các ngưỡng an toàn, bên ngoài ngưỡng, hệ sẽ biến đổi để đạt tới vị trí cân bằng động lực mới.
Vì vậy, nếu bị khai thác quá mức, rất có thể các hệ sinh thái khu vực hoặc thậm chí toàn cầu
sẽ trải qua giai đoạn chuyển tiếp sang một trạng thái ít thuận lợi hơn đối với con người.
Đã có rất nhiều ví dụ về tác động nhân sinh đã gây biến động sâu sắc các hệ sinh thái khu vực khiến cho cuộc sống của con người gặp khó khăn hoặc không thể tiếp diễn được, ví dụ sự ô nhiễm hóa chất hay phóng xạ, sa mạc hóa, axít hóa, nhiễm mặn...
Hãy còn chưa rõ là hoạt động nhân sinh nào khiến cho hệ sinh thái toàn cầu chuyển sang trạng thái không thể tiếp tục tồn tại được: Phát xả khí nhà kính ? Phát xả CFC làm thủng tầng ôzon ? Hay là bùng nổ dân số ?
Một số hệ sinh thái trở nên kém ổn định hơn khi bị làm nghèo đi hoặc bị phân rã mạnh so
với các hệ thuộc thế hệ trước. Các hệ sinh thái bị phân rã tới điểm mà chúng chuyển sang một pha không ổn định, sẽ có xu thế biến đổi cho đến khi chúng đạt được trạng thái cân bằng mới. Việc đạt đến trạng thái cân bằng này có thể dẫn đến những mất mát tiếp tục khó kiểm soát.
Rõ ràng rằng các hoạt động nhân sinh đang gây biến động sâu sắc đến các hệ sinh thái và
các hệ thống khác trong sinh quyển và khí quyển. Một số những biến động này là rất rộng lớn, một số đang diễn ra ở tốc độ khiến cho không có quá trình tiến hóa hay thích ứng theo kịp.
Nếu mức độ tác động môi trường, bao gồm cả việc giảm đa dạng gen, còn tiếp diễn với tốc
độ này, có nhiều khả năng tính bất ổn sinh thái toàn cầu và khu vực sẽ còn tăng lên. Con người
và xã hội phải đối mặt với cuộc đại khủng hoảng về môi trường vượt quá tầm mọi phát minh công nghệ và trình độ quản lý xã hội.
1.8. Rủi ro của hệ thống
Tất cả các mô hình về hành vi của các hệ phức tạp, ví dụ các hệ thống môi trường hoặc
hệ thống kinh tế, hoặc sự tương tác giữa hai loại này, là không bao giờ chính xác và không chắc chắn, hoặc rất hạn chế về phạm vi.
Những hạn chế và sự không chắc chắn này tạo ra rủi ro. Rủi ro hệ thống là những hành vi của hệ thống ngoài dự tính của chúng ta (nhà phân tích), xuất phát từ thuộc tính bất định của
hệ thống. Lí do:
Sự hiểu biết về các hệ thống này chưa hoàn hảo.
Sự hiểu biết về hành vi của các hệ thống phức tạp là chưa toàn diện.
Hành vi của các hệ thống phức tạp, ít nhất cũng tại một số diện tích của không gian pha là không xác định được. Điều này có nghĩa là hành vi của những hệ thống như thế chỉ có thể mô hình hóa theo xác suất, trong một phạm vi nào đấy, hoặc trong khoảng thời gian rất hẹp.
Toàn bộ những đánh giá này được áp dụng cho các hệ phức tạp, ví dụ các hệ môi trường,
xã hội và kinh tế, vốn tạo ra thế giới mà chúng ta đang sống.
Điều đó có nghĩa là cần phải đánh giá các sai sót hoặc rủi ro đi liền với tất cả các kết quả được dự báo. Việc tính toán các rủi ro tự nó đã đi kèm với các sai sót. Những chỗ mập mờ như vậy có thể là khá rộng, và có thể ảnh hưởng đến các kết quả của các quyết sách. Ngoài ra, mỗi kết quả lại có thể chứa những rủi ro khác nhau tuỳ theo sự phân bổ khác nhau về chi phí
và lợi ích. Điều đó có nghĩa là cần phải xem xét về mặt kỹ thuật và chính trị trong bất cứ phép phân tích nào về xác suất và rủi ro.
Có những vấn đề kỹ thuật đi kèm với việc đánh giá rủi ro, kể cả đối với các hệ thống nhân tạo vốn được coi là đã biết rõ. Trong trường hợp các hệ thống tự nhiên phức tạp và thường không được hiểu rõ, việc đánh giá rủi ro thực sự là khó khăn.
1.9. Phi tuyến và điểm tới hạn
Phân biệt giữa hệ phi tuyến và hệ tuyến tính là vấn đề rất quan trọng. Tuy nhiên trong tự nhiên, hệ tuyến tính chỉ là những trường hợp hãn hữu. Thông thường, do hậu quả của sức ì, nhiều hệ thống cả tự nhiên và nhân tạo thường biến đổi theo quỹ đạo chữ S (Hình 1) gồm 5 giai đoạn:
5
Møc ®é 4 •
t¨ng tr−ëng 3 •
2 •
1 •
Hình 1
Thêi gian
Đường cong chữ S có thể coi là sự ghép nối 3 đoạn thẳng (tuyến tính) được nối với nhau bằng những
đoạn cong [9]
1. Giai đoạn ì: hầu như không tăng trưởng (tuyến tính).
2. Tăng trưởng theo hàm mũ.
3. Tăng trưởng theo hàm tuyến tính.
4. Bão hòa: mức tăng trưởng giảm dần.
5. Hầu như không tăng trưởng (tuyến tính).
Điểm tới hạn là điểm mà kể từ đó hệ thay đổi đột biến về hành vi. Ví dụ điểm bắt đầu sinh trượt nếu ta tăng dần góc nghiêng của sườn dốc. Điểm bắt đầu xung đột nếu tăng dần mức độ mâu thuẫn trong cộng đồng. Điểm phân nhánh là một dạng đặc biệt của điểm tới hạn,
tại đó hệ thay đổi hành vi một cách quyết liệt (mạnh mẽ). Tập hợp các điểm tới hạn tạo thành ngưỡng an toàn của hệ thống. Kể từ ngưỡng an toàn, hệ thống chuyển sang giai đoạn sự cố.
1.10. Không gian pha và chuyển pha
Vấn đề cốt lõi của tính bền vững có thể được diễn tả bằng thuật ngữ “không gian pha”. Không gian pha là một không gian trừu tượng có số chiều bằng tổng các tham số cần thiết để
mô tả trạng thái của một hệ động lực. Số chiều của không gian pha có thể là số nguyên hoặc
số thập phân. Trường hợp số chiều thập phân ta có một không gian gồ ghề, còn gọi là không gian Fractal. Một điểm trong không gian pha biểu diễn trạng thái của hệ ở một thời điểm đã chọn. Khi hệ tiến hóa, điểm này vẽ lên trong không gian pha một qũy đạo phức tạp. Không
thể khảo sát không gian pha quá nhiều chiều, người ta khảo sát trong một hệ tọa độ phẳng 2
chiều, ứng với một cặp tham số được lựa chọn. Mặt phẳng này có tên là mặt phẳng Poincarê.
ở chương 3, chúng ta sẽ nói đến mặt phẳng SAM cho phép khảo sát đa chiều cùng một lúc, nhưng mặt phẳng đó chỉ phản ánh hiện trạng của hệ thống tại một thời điểm nhất định. SAM thiếu chiều thời gian.
Một hệ thống cực kỳ phức tạp, ví dụ Trái Đất của chúng ta gồm nhiều phân hệ phức tạp tương tác với nhau như sinh học, sinh thái, xã hội, kinh tế... có thể được biểu diễn ở bất cứ thời gian nào như là một điểm trong không gian pha rộng lớn mà trục của nó là các yếu tố kiểm soát và tọa độ của điểm đó là giá trị hiện tại của hệ (xem hình 2).
Về mặt kỹ thuật, tất cả các biến số kiểm soát độc lập đều được đưa vào dưới dạng một trục tọa độ trong không gian pha, vì thế mà trạng thái của hệ hoàn toàn được xác định dựa vào một điểm trong không gian pha mà hệ đăng ký, cũng như có thể xác định toàn diện lịch sử và tương lai của hệ.
pH
pH 9 -
pH 8 -
A
pH 7 -
pH 6 - B
pH 5 -
pH 4 -
C
pH 3 -
pH 2 -
pH 1 -
i i i i i i
i i
toC
Hình 1
Đường cong chữ S cú thể coi là sự ghộp nối 3 đoạn thẳng (tuyến tớnh) được nối với nhau bằng những
đoạn cong [9]
1. Giai đoạn ỡ: hầu như khụng tăng trưởng (tuyến tớnh).
2. Tăng trưởng theo hàm mũ.
3. Tăng trưởng theo hàm tuyến tớnh.
4. Bóo hũa: mức tăng trưởng giảm dần.
5. Hầu như khụng tăng trưởng (tuyến tớnh).
Điểm tới hạn là điểm mà kể từ đú hệ thay đổi đột biến về hành vi. Vớ dụ điểm bắt đầu sinh trượt nếu ta tăng dần gúc nghiờng của sườn dốc. Điểm bắt đầu xung đột nếu tăng dần mức độ mõu thuẫn trong cộng đồng. Điểm phõn nhỏnh là một dạng đặc biệt của điểm tới hạn,
tại đú hệ thay đổi hành vi một cỏch quyết liệt (mạnh mẽ). Tập hợp cỏc điểm tới hạn tạo thành ngưỡng an toàn của hệ thống. Kể từ ngưỡng an toàn, hệ thống chuyển sang giai đoạn sự cố.
Hình 2
Quỹ đạo của một hệ lý thuyết theo mặt cắt 2 chiều (mặt phẳng Poincarê) của không gian pha. Nhiều chu kỳ
có thể xuất hiện nhưng quỹ đạo gần như không bao giờ lặp lại (tính không xác định trong Vũ Trụ) [9]
Hệ thống Trái Đất về một số phương diện cũng giống như các hệ sinh học. Điểm khác nhau quan trọng nhất là hệ Trái Đất không thể tự nhân bản được. Tuy nhiên, Trái Đất cũng tiến hóa và thích ứng, dù rằng cơ thức có khác nhau. Các trạng thái hệ sẽ tiến hóa khi Trái Đất
du hành trong không gian pha (Hình 4).
Có một khuynh hướng chung đối với tất cả các hệ thống là di chuyển về phía trạng thái
ổn định. Tất nhiên sự ổn định chỉ là tương đối. Không có trạng thái ổn định nào là tuyệt đối dù rằng một hệ sẽ dừng lại trong các vùng ổn định nhưng nó luôn luôn ở trạng thái vận động.
Hình 3
Khi Trái Đất vận động trong không gian pha, vùng sinh tồn của nhân loại có xu thế diễn biến theo quỹ đạo cong, thay
đổi hình dạng theo quá trình vận động của Trái Đất. Điều đó là kết quả của những biến đổi tiến hóa và thích ứng, đồng thời cũng là kết quả phát triển công nghệ. Tuy nhiên không hề có đảm bảo rằng vùng sinh tồn sẽ có khả năng theo sát quỹ đạo cong đó một cách thành công; sự di chuyển càng nhanh thì sự theo sát đó càng khó khăn và càng không chắc chắn [9]
Tương tác giữa con người và môi trường có thể được suy xét từ sự di chuyển của hệ Trái
Đất dọc theo các trục khác nhau của không gian pha một cách đồng thời. Nếu điều đó xảy ra ở
tốc độ vượt quá tốc độ mà các hệ thống khác có thể thích ứng tức là vượt quá khả năng theo
kịp của vùng bền vững trong không gian pha, thì các hệ khác sẽ bị hủy diệt. Sự sống trên Trái
Đất đã từng nhiều lần bị hủy diệt trong suốt lịch sử sự sống trên 500 triệu năm qua.
Sự ấm lên toàn cầu là một ví dụ điển hình. Nhiệt độ Trái Đất cứ tăng 1oC thì lớp phủ
thực vật thân gỗ sẽ tiến về phía địa cực khoảng 200 km. Tốc độ di cư thảm rừng vào cuối giai
đoạn băng hà cuối cùng là khoảng 20 100 km/ 100 năm. Giả sử tốc độ ấm lên toàn cầu nhanh hơn 100 lần, nhiều loài cây sẽ không thể di cư về phía địa cực với tốc độ nhanh như vậy, chắc chắn giới thực vật sẽ bị khủng hoảng trầm trọng. Từ đó, giới động vật, và cuối cùng
là con người và xã hội cũng sẽ bị đe dọa bởi thảm họa.
1.11. Tính mềm mại của hệ thống
Vấn đề cốt lõi trong phân tích và phát triển các chính sách kinh tế và chính trị nhằm tiến
đến cách sống bền vững hơn chính là tính mềm mại (flexibility), tức là tiềm năng không liên
kết quá chặt tạo cơ hội cho sự thay đổi. Nếu một biến số kiểm soát tới hạn nằm ở ranh giới dưới hoặc trên khoảng an toàn, thì việc suy giảm tính mềm mại chắc chắn sẽ lan tràn. Cứng nhắc sẽ khó biến đổi và khó thích ứng.
Bùng nổ dân số chính là một cách làm suy giảm tính mềm mại, đặc biệt trong trường hợp liên kết với các yếu tố tai biến như nạn đói hay dịch bệnh. Để giải quyết các vấn đề về tính bền vững, phải giải quyết hai vấn đề cùng một lúc:
Tính mềm mại cần được phát hiện hay tạo ra để có thể được bảo vệ thích hợp.
Phải ngăn ngừa việc làm suy giảm tính mềm mại có thể lại sẽ xuất hiện thêm trong tương
lai.
1.12. Các mức độ bền vững của các hệ thống kinh tế xã hội
Vấn đề quan trọng cần phải làm rõ là liệu tất cả các quốc gia hoặc các khu vực cần phải bền vững một cách nghiêm ngặt, hoặc bền vững tiềm năng hay không. Khái niệm về trạng thái bền vững quốc gia hoặc cộng đồng với những giá trị về kinh tế, chính trị và xã hội là rất quan trọng. Các quá trình địa chất và sinh học đã tạo nên Trái Đất với cả hai loại tài nguyên
tái tạo và không tái tạo, lại không hề phụ thuộc vào các ranh giới hành chính hay ranh giới quốc gia, thì trong trường hợp lý tưởng, các quốc gia cần phải bền vững như nhau. Bởi vì bất
cứ một mức độ nào của tính bền vững, từ mức cá nhân, hãng, vùng, quốc gia, đại lục hoặc các liên minh kinh tế, đều có rất nhiều yếu tố phát triển có nguồn gốc từ bên ngoài. Chỉ có các yếu
tố quyết định phát triển toàn cầu mới là yếu tố bên trong đối với hệ thống Trái Đất. Vì thế về
mặt lý thuyết, nói đến tính bền vững là nói đến phạm vi toàn cầu. Tuy nhiên tình hình thực tế
lại không đúng như vậy. Chấp nhận rằng hiện nay còn chưa có cách ứng xử toàn cầu có hiệu quả, còn thiếu các cấu trúc và cơ chế để áp dụng bất cứ thay đổi có ý nghĩa nào, chúng ta buộc phải giải quyết một nhiệm vụ khó khăn là phải bằng cách nào để phát triển theo hướng bền vững trong phạm vi từng quốc gia, từng khu vực hoặc từng vùng. Từ đó nảy sinh ra một nguyên tắc nổi tiếng của phát triển bền vững “Nghĩ - Toàn cầu, Làm - Địa phương”.
Cần phải chia nhỏ vấn đề nan giải nói trên thành hai giai đoạn, lần lượt được gọi là mức
độ hệ thống và mức độ dự án. Đó là vì yếu tố quan trọng đối với một hệ thống nói chung chỉ được đo lường ở mức độ hệ thống. Các yếu tố cấp dự án kiểm soát từng phần và được lựa chọn ở các mức độ thấp, có thể làm chuyển dịch tác động sang các phần khác của hệ thống. Giả dụ nếu như Hoa Kỳ cắt giảm 1/2 lượng tiêu thụ dầu mỏ, thì lợi nhuận toàn cầu chắc sẽ giảm nghiêm trọng nếu các quốc gia khác cũng tăng cường việc giảm giá dầu, điều này cũng dẫn đến việc giảm tiêu thụ tương ứng ở các nước này.
Về mặt nguyên tắc, có thể đạt được sự kiểm soát toàn diện bằng một số cách, ví dụ triển khai các công cụ kinh tế thích hợp để tăng giá các nguồn tài nguyên, hoặc thực hiện các quy định trực tiếp đối với sự kiểm soát, hoặc cấm sử dụng một vài dạng tài nguyên.
Một ví dụ về việc áp dụng các chính sách bền vững cấp hệ thống là thuế cacbon, hoặc thuế năng lượng. Thứ thuế này tác động đến việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và có hiệu quả hơn trong hệ thống.
Vấn đề thực tế sẽ nảy sinh khi các dự án riêng biệt được đánh giá về khả năng đóng góp của chúng vào tính bền vững chung của hệ. Bởi lẽ dự án nào cũng chỉ nhằm vào một phần nhỏ của hệ mà thôi, do đó việc đánh giá thích hợp và chính xác vai trò của dự án đối với toàn
bộ hệ là khó khăn. Ví dụ một dự án đang làm giảm phúc lợi ở mức địa phương hiện tại, nhưng
lại đóng góp và tăng cường phúc lợi ở mức rộng hơn, hoặc ở thời gian sau này trong tương
lai. Một dự án phát triển phong năng, rõ ràng là có lợi, nhưng lại gây thiệt hại cho tiện nghi môi trường ở địa phương lắp đặt trạm.
Một trong những vấn đề rất thực tế là làm cách nào để thiết lập một “dự án bền vững”
trong bối cảnh trật tự kinh tế hiện tại vốn không bền vững.
Trong giai đoạn triển khai một dự án, kiểu mẫu tiêu chuẩn của đầu tư sẽ dẫn đến một dòng âm (dòng vào) về vốn đầu tư. Đây không phải là sự vững bền về mặt kinh tế, bởi vì một
dự án bền vững không thể phụ thuộc mãi vào nguồn tài nguyên thu hút từ vùng khác. Như vậy, một dự án bền vững ở giai đoạn hoàn chỉnh chắc chắn phải tạo một dòng vốn trung tính hoặc dòng ra. Để đạt được điều đó, các dự án phát triển cần phải dựa trên:
Tăng cường nhu cầu của người tiêu dùng đối với sản phẩm và dịch vụ có tiêu chuẩn đạo
đức và môi trường cao.
Sử dụng các công cụ kinh tế môi trường để phân bổ đúng đắn các chi phí môi trường.
Sử dụng các công cụ luật pháp để cấm các sản phẩm hoặc hành động có hại đến môi trường.
Tiếp cận xã hội học cần được coi trọng và phát huy cùng lúc với các tiếp cận công nghệ,
kỹ thuật hay kinh tế.
Câu hỏi thảo luận chương 1
Tại sao nói "có sự tồn tại của một trật tự trong nhiễu loạn"? Trật tự đó tại sao lại xuất hiện
và xuất hiện như thế nào? Nhiễu loạn có vai trò gì trong sự tiến hóa của các hệ động lực?
Có mối liên quan gì giữa tính trồi và chức năng của một hệ thống? Tại sao một hệ thống bao giờ cũng đa chức năng và đa chiều? Tại sao phần lớn hệ thống lại là hệ thống gồ ghề?
Những hệ thống nào có entropy âm? Quan hệ giữa entropy và lượng thông tin trong hệ thống? Vai trò của môi trường bên ngoài đối với một hệ thống mở? Một hệ thống mở có khả năng xuất khẩu entropy sang các hệ thống khác không?
1.1. Định nghĩa
"Hệ thống là một tổng thể, duy trì sự tồn tại bằng sự tương tác giữa các tổ phần tạo nên nó" (L.v.Bertalanffy, 1956).
Các yếu tố của một hệ thống thường tham gia vào nhiều hệ thống khác. Điều này đòi hỏi mỗi một thành tố phải thực hiện tốt vai trò của mỗi hệ thống mà nó đóng vai.
Tiếp cận hệ thống không hoàn toàn đồng nghĩa với phương pháp phân tích hệ thống vì ngoài phần phương pháp (còn đang được phát triển và hoàn thiện), tiếp cận hệ thống còn đề cập đến vấn đề về lý thuyết hệ thống cũng như phương hướng ứng dụng lý thuyết này trong thực tiễn.
1.2. Các đặc tính và chức năng của hệ thống
Tiếp cận hệ thống nhấn mạnh vào việc xác định và mô tả mối liên kết giữa các yếu tố cấu tạo nên hệ thống và tương tác giữa chúng.
Một hệ thống là một tập hợp các thành tố tương tác với nhau. Sự thay đổi một thành tố sẽ dẫn đến sự thay đổi một thành tố khác, từ đó dẫn đến thay đổi thành tố thứ ba... Bất cứ một tương tác nào trong hệ thống cũng vừa có tính nguyên nhân, vừa có tính điều khiển. Rất nhiều tương tác có thể liên kết với nhau thành chuỗi tương tác nguyên nhân - kết quả.
1.2.1. Chức năng của hệ thống
Một hệ thống thường có nhiều chức năng, trong đó có ít nhất một chức năng chính và nhiều chức năng phụ. Ví dụ một hệ cửa sông vừa có chức năng thoát lũ, vận tải thủy, nuôi trồng thủy sản hoặc cấp nước...
Các thành tố tạo nên hệ thống cũng có những chức năng riêng thuộc hai nhóm cơ bản:
- Chức năng kiểm soát (gây biến đổi thành tố khác).
- Chức năng bị kiểm soát (bị các thành tố khác gây biến đổi).
1.2.2. Mạng phản hồi
Còn được gọi là hiện tượng đa nhân tố (Multi - factionality). Đó là một chuỗi tương tác nguyên nhân - kết quả có thể đan xen lẫn nhau. Điều đó có nghĩa là mỗi thành tố của hệ thống
có thể khởi đầu một chuỗi nguyên nhân - kết quả đan xen, làm cho mỗi thành tố trong mạng lưới trở nên có khả năng gây ảnh hưởng gián tiếp lên chính nó. Cấu trúc này được gọi là mạng lưới phản hồi. Một hệ thống có thể chứa nhiều mạng lưới phản hồi, một số hay tất cả các mạng phản hồi này đan xen với nhau, trong đó một thành tố bất kỳ hoạt động vừa với chức năng kiểm soát, vừa với chức năng bị kiểm soát. Hành vi của mỗi thành tố, vì thế, là kết quả của hàng loạt các yếu tố cạnh tranh.
Mạng phản hồi được gọi là mạng kích động (hay tích cực), khi tác động phản hồi lại thành tố ban đầu có tính kích thích nghĩa là làm cho thành tố ấy khởi phát một chuỗi các sự kiện tương tự tiếp theo; Mạng phản hồi sẽ được gọi là triệt tiêu (kìm hãm, tiêu cực) khi tác động phản hồi trở lại thành tố ban đầu có tính kìm hãm, nghĩa là có xu thế kìm hãm thành tố ban đầu không cho nó khởi phát chuỗi sự kiện tương tự tiếp theo.
1.2.3. Tính trồi
Là đặc tính quan trọng nhất của hệ thống. Tính trồi là tính chất có ở một cấp hệ thống mà không có ở các hệ thống cấp thấp hơn nó hoặc các thành tố tạo ra hệ thống, ví dụ chiếc đồng
hồ có thể chỉ giờ chính xác trong khi từng bộ phận của nó không có khả năng này.
1.2.4. Tính kiểm soát thứ bậc
Thứ bậc là các cấp độ phức tạp của một hệ thống. Một hệ thống luôn luôn được tạo thành
từ các hệ thống con (bậc dưới), và chính nó lại là thành tố của một hệ thống lớn hơn (thượng
hệ - bậc cao hơn). Vì thế hệ thống luôn có tính thứ bậc. Kiểm soát thứ bậc là sự áp đặt chức năng mới, ứng với mỗi thứ bậc, so với các thứ bậc thấp hơn. Sự kiểm soát có tính kích động (khi một số hoạt động được hoạt hóa), hoặc có tính kìm hãm (khi một số hoạt động trở nên trì trệ).
Một trong những thách thức của các hệ thống môi trường là sự tự kìm hãm quá đáng (tạo
ra khả năng thích ứng kém trước những hoàn cảnh mới) và sự tự kiểm soát hời hợt (giảm năng suất của hệ thống, có thể tạo ra rủi ro do các quá trình nội lực của hệ thống vượt ra khỏi ranh giới hệ thống, gây tan rã hệ).
1.2.5. Tính lan truyền thông tin
Lan truyền thông tin nhằm gây tác động điều chỉnh và phản hồi. Thông tin được lan truyền từ tác nhân điều khiển đến tác nhân bị điều khiển để thực hiện chức năng kiểm soát của
tác nhân điều khiển. Thông tin cũng cần phải lan truyền ngược từ tác nhân bị điều khiển đến
tác nhân điều khiển làm cho tác nhân điều khiển có khả năng giám sát sự phục tùng của tác nhân bị điều khiển, từ đó có thể điều chỉnh hoạt động giám sát trong tương lai. Mạng phản hồi kích động và kìm hãm, do đó, là cốt lõi của quá trình lan truyền. Nếu tác nhân bị điều khiển không tạo được sự đáp ứng phù hợp trước tín hiệu cuối cùng phát ra từ tác nhân điều khiển,
thì tác nhân điều khiển phải phát lại tín hiệu hoặc tăng cường tín hiệu. Nếu tác nhân bị điều khiển đáp ứng thái quá thì tác nhân điều khiển có thể phải gửi những tín hiệu điều chỉnh để kìm hãm bớt.
1.2.6. Tính ì và tính hỗn loạn
Tính ì là sự ổn định của một trạng thái giúp hệ thống tách khỏi các trạng thái khác. Khi ở trong trạng thái ì, một hệ thống có xu thế duy trì nguyên trạng cho đến khi có một tác động bên ngoài đủ mạnh hoặc một biến đổi bên trong đủ mạnh để chuyển hệ thống ra khỏi trạng thái ì ban đầu. Lực ì có thể rất mạnh hoặc rất yếu. Một hệ thống có thể vận hành qua một loạt trạng thái ì, lần lượt vượt qua từng trạng thái một (mỗi trạng thái ì đòi hỏi hệ phải dừng một khoảng thời gian).
Tính hỗn loạn là hành vi hỗn loạn không thể dự báo được xảy ra bên trong một hệ xác định. Những hành vi như vậy cực kỳ nhạy cảm với các thay đổi nhỏ, khiến cho chỉ có thể dự báo được các hành vi dài hạn của hệ một cách không mấy chính xác.
Bertalanfyy (1969) là người đầu tiên xây dựng các khái niệm về hệ cô lập và hệ mở [9].
Sự phân biệt giữa hệ cô lập và hệ mở phụ thuộc vào tính chất nhiệt động lực học. ở đây cần phải nhắc lại một trong những quy luật vật lý quan trọng nhất, đó là định luật thứ hai về nhiệt động lực học. Định luật này cho rằng, “Nếu không được cung cấp thêm năng lượng, toàn bộ
hệ thống sẽ chuyển từ trạng thái có trật tự sang trạng thái hỗn loạn”. Đây là một định luật cốt
lõi của lý thuyết Hệ thống. Rõ ràng là, trong số tất cả các cách có thể có dùng để sắp xếp các
tổ phần tạo ra hệ thống, bất kể hệ thống đó là một bông hoa hay một chiếc máy tính, thì các dạng hình thái - vốn là cấu trúc có trật tự nhất và tạo ra các hệ thống con có chức năng riêng biệt - lại là không điển hình nhất, và phần lớn các dạng hình thái thực ra chẳng có gì hơn là những mớ hỗn độn của các phần tử riêng biệt. Định luật thứ hai chỉ rõ rằng, “Theo thời gian, ngay cả các hệ thống có trật tự cao cũng sẽ bị xuống cấp thành các hệ thống có trật tự thấp hơn. Lượng “vô trật tự” trong một hệ thống có thể được đo lường và được gọi là entropy của
hệ thống”. Định luật thứ hai nói rằng, entropy của bất cứ hệ thống nào không được cung cấp năng lượng, chắc chắn sẽ tăng theo thời gian. Điều đó giải thích tại sao vật gì rồi cũng sẽ bị phân hủy và bị tiêu vong.
Sự sống là một quá trình giảm entropy. Hệ thống sống có khả năng xây dựng, tái sinh và
tạo ra trật tự. Lý do cho rằng sự sống có thể tồn tại là bởi vì Trái Đất luôn luôn được mặt trời cung cấp năng lượng. Chính năng lượng Mặt Trời cho phép entropy giảm đi hơn là tăng lên.
Xuất phát từ phân tích trên, chúng ta sẽ phân tích sự khác biệt giữa các hệ cô lập và hệ
mở.
Hệ cô lập có những thành phần không thay đổi, không tương tác với môi trường ngoài.
Chúng cuối cùng sẽ đạt đến một trạng thái cân bằng, nhưng luôn vận động theo hướng có entropy cao hơn vì không được cung cấp thêm năng lượng. Nói như thế có nghĩa là các hệ cô
lập thường đạt đến một điểm mà tại đó sẽ không có thay đổi gì nữa.
Hệ mở, ngược lại, trao đổi liên tục với môi trường của nó. Sự trao đổi này bao gồm vật chất, năng lượng và thông tin. Hệ mở có thể đạt đến một trạng thái ổn định tuỳ thuộc vào mối quan hệ trao đổi liên tục với môi trường được duy trì, khiến cho hệ có khả năng tạo ra và duy
trì trạng thái có entropy thấp. Điều này có nghĩa rằng một số hệ mở có thể duy trì tính toàn vẹn của chúng mặc dù điều đó luôn luôn kèm theo sự gia tăng entropy ở đâu đó.
1.2.7. Cân bằng hệ thống
Cân bằng là sự ổn định. Với hệ thống mở đó là sự cân bằng động. Toàn bộ các hệ thống sống đều là hệ mở. Tất nhiên môi trường trong đó các hệ thống sống tồn tại, tự nó không bao
giờ hoàn toàn ổn định, do đó các hệ thống sống buộc phải cố trao đổi ổn định hợp lý với các nguồn tài nguyên vốn luôn biến động theo thời gian. Điều này có nghĩa rằng các hệ thống sống và các thứ bậc sinh thái của các hệ thống sống phải duy trì các quá trình lan truyền và kiểm soát sao cho chúng có thể giám sát và ứng xử với sự xáo trộn của môi trường sống thực
tế. Cần chú ý rằng việc kiểm soát có hiệu quả, trong một môi trường đầy biến động, đòi hỏi hệ thống phải có một cơ chế kiểm soát với nhiều kiểu ứng xử thích hợp với các kiểu đa dạng của thông tin môi trường. Hiện tượng này đôi khi được gọi là định luật về các biến đổi cần thiết. Các biến đổi này được gọi là cần thiết để duy trì ranh giới/ ngưỡng an toàn của hệ thống.
1.3. Xác định hệ thống
Có một số bước cần tuần tự điểm qua khi xây dựng mô hình của một hệ thống:
1. Xác định các yếu tố gắn kết của một hệ thống và xác định các nguyên tắc gắn kết.
Một số hệ thống chức năng được tổ chức trên một cơ sở đặc biệt, có thể có các thành tố khác nhau tuỳ thuộc vào mục tiêu của hệ thống.
2. Xác định các cơ chế kiểm soát, nhờ đó mà hệ thống duy trì được sự gắn bó giữa các yếu tố cũng như khoảng giá trị mà các cơ chế đó vận hành. Các hệ thống sinh thái và môi trường thường được đặc trưng bằng tính rườm rà, vốn thường dùng nhiều cách kiểm soát khác nhau. Ví dụ hệ thống môi trường có các cách duy trì cân bằng: hướng dẫn, chế tài, kinh tế, quy hoạch, v.v...
3. Xác định ranh giới hệ. Ranh giới hệ quyết định các nguồn vào và nguồn ra của hệ, cũng như ngưỡng an toàn của hệ.
4. Xác định các phân hệ của hệ, hoặc các thượng hệ của hệ (thượng hệ là một hệ
thống cấp bậc cao hơn mà hệ đang xét là một phân hệ của nó).
Không có một sơ đồ phân loại hệ thống nào được coi là khuôn mẫu mặc dù thường các hệ
thống cũng giống như hệ thống kinh tế vậy. Đôi khi người ta phân biệt ra các hệ thống sống
và hệ thống không sống, hệ thống trừu tượng và hệ thống cụ thể, hệ mở và hệ cô lập. Cũng có
thể chia thành các hệ cơ sở, hệ điều hành, hệ mục tiêu và hệ kiểm soát. Các hệ thống được gộp thành 5 nhóm là:
1) Các hệ tự nhiên.
2) Các hệ cơ khí (máy móc).
3) Các hệ trừu tượng (toán học).
4) Các hệ nhân văn.
5) Các hệ huyền ảo (các hệ ngoài tri thức).
Các hệ thống thuộc các nhóm trên đây thuộc các kiểu hoàn toàn khác nhau. Đặc biệt các
hệ 2 - 3 và 4 lại hoàn toàn khác với các hệ tự nhiên.
5. Xác định chức năng. Xác định chức năng chính và các chức năng phụ của hệ thống bằng cách trả lời các câu hỏi: hệ thống có những vai trò gì, có mục tiêu gì trong thượng hệ.
1.4. Mô hình hóa các hệ thống
Nhìn chung, một mô hình tốt phải là mô hình rẻ tiền và có tính dự báo cao. Điều đó có nghĩa là mô hình phải bao gồm tất cả các thành tố có ý nghĩa, bao trùm mọi khoảng giá trị và phản ánh xác thực hành vi thực tế của hệ thống, đồng thời phải loại bỏ các thành tố không có
giá trị và không thích hợp.
Một vấn đề quan trọng khi mô hình hóa hệ thống là làm thế nào để xác định các thành tố phù hợp. Thường không thể có được các trị số đối với tất cả các thành tố cho việc mô hình hóa. Do đó, người ta thường phải làm việc chỉ với các thành tố đã được xác định.
Sau đó, cần làm rõ mỗi thành tố có vai trò gì trong hệ thống, điều này cũng rất khó. Kết quả là các thành tố có thể có tương quan phi tuyến, hoặc có tương quan gãy khúc do đột biến
tính chất ở các ngưỡng hoặc thậm chí là tương quan chậm trễ (lùi). Ngoài ra, số liệu nhiều khi không chính xác khiến cho kết quả bị nhiễu.
Có 4 phương diện cơ bản để đánh giá mô hình:
Tính thống nhất về cấu trúc. Mô hình phải phản ánh cấu trúc cơ bản của hệ thống, cấu trúc đó phải phản ánh các yếu tố, mối liên kết tương hỗ và mạng phản hồi tồn tại trong thực
tế.
Tính thống nhất về hành vi. Mô hình phải có hành vi cùng một kiểu như hệ thực tế, biểu hiện cùng một dạng nhiễu loạn, ngưỡng, tính không ổn định, biến đổi, trạng thái cân bằng...
Sát thực tế. Mô hình phải phản ánh giống như hệ thực tế, có cùng các thông số và điều kiện, có tính thực tiễn, có tính phù hợp địa phương.
Dễ áp dụng. Mô hình phải trả lời được các câu hỏi đặt ra, cung cấp được thông tin có giá
trị.
Mô hình hệ tuyến tính thường cung cấp các đặc tính khá chính xác của một hệ thống
thông qua một bộ phương trình phản ánh hành vi của hệ thống. Ví dụ các mô hình kinh tế
kinh điển có thể gồm hàng trăm phương trình.
Một trong những đặc trưng của mô hình phi tuyến, ngược lại, là ở chỗ động lực cơ bản của hệ đôi khi được thu gọn trong rất ít, đôi khi chỉ 2 3 phương trình.
1.4.1. Hành vi của hệ thống động lực
Các hệ thống thích ứng hoặc động lực ví dụ như thời tiết, quá trình tiến hóa, hoặc vận hành thị trường… tạo ra những vấn đề mới của mô hình hóa. Rất khó mô hình hóa và dự báo hành vi của những hệ thống phức tạp như vậy. Cho đến bây giờ vẫn chưa có được các công cụ
và kỹ thuật cần thiết cho mục tiêu này. Tuy nhiên nhìn chung, có thể thấy rằng kiểu liên kết giữa các yếu tố của một hệ động lực tập trung vào việc xác định hành vi của hệ thống đó.
Hành vi của một hệ động lực thường gồm 4 nhóm như sau:
Nhóm 1: Gắn kết nếu hệ “đóng băng” do sự tự kiểm soát quá mức.
Nhóm 2: Định kỳ nếu hệ vận hành qua một số chu kỳ xác định.
Nhóm 3: Hỗn loạn nếu hệ là không thể xác định dù bất cứ mục tiêu thực tiễn nào. Điều này cũng có thể nảy sinh ở các hệ thống vốn tuân theo một bộ xác định các quy tắc - được gọi
là “sự hỗn loạn được xác định”. Bất kể sự hỗn loạn là được xác định hay thực tế không được xác định, thì hành vi cụ thể của loại hệ thống này cũng không thể nào dự báo được.
Nhóm 4: Gần hỗn loạn, nếu hệ nằm ở vị trí giữa ổn định và biến động. Đây là một đới hẹp nhưng rất quan trọng nằm giữa các nhóm hành vi 2 và 3. Các loài sinh vật thường có hành
vi ở nhóm 4.
Một hệ thống chỉ có một vài mối liên kết giữa các yếu tố sẽ biểu lộ hành vi theo nhóm 1. Nếu một hệ thống như vậy bị xáo trộn trong một phần của hệ, thì hậu quả thường có tính cục
bộ vì tác động sẽ không lan truyền trong toàn hệ. Một hệ thống có mức độ gắn kết đa dạng giữa các yếu tố thì có hành vi ở nhóm 3. Bất cứ sự biến động nào cũng lan toả toàn hệ thống,
có thể dẫn đến điểm mà hệ trở nên hỗn loạn. Nhóm 4 có cách ứng xử khó dự báo hơn. Nếu một hệ thống nhóm 4 bị xáo trộn, thì hoặc sẽ ít phản ứng, hoặc phản ứng sẽ rất rộng rãi, thậm
chí rối loạn tùy theo điều kiện nội tại của hệ thống lúc đó.
Các hệ thống có tính trồi, là hành vi của toàn hệ mà các thành phần riêng biệt của nó không có, các thành phần này cũng có hành vi mà các yếu tố nhỏ tạo ra chúng không có. Một
nét đặc trưng của các hệ động lực là chúng có thể được sắp xếp (được điều khiển) và ổn định. Tính ổn định có thể là tính trồi của hệ, một chức năng chỉ nảy sinh do tương tác giữa các yếu
tố trong hệ. Ví dụ một hệ sinh thái có thể duy trì trạng thái ổn định do sự tương tác giữa các loài có mặt trong hệ. Trong xã hội, hành vi tổng hợp của các công ty, người tiêu dùng, thị trường có thể là ổn định mặc dù quyết định mua bán của các cá nhân tạo nên cộng đồng có thể không dự đoán được.
1.4.2. Các hệ thích ứng phức tạp
Có một nhóm gồm các hệ thống phức tạp rất đặc biệt và rất quan trọng, được gọi là các
hệ thống thích ứng. Đặc điểm duy nhất phân biệt loại hệ thống này với các hệ thống thuộc kiểu khác là ở chỗ, các hệ thích ứng, bằng cách nào đó, tương tác với môi trường và thay đổi hành vi tùy theo sự thay đổi của môi trường. Ví dụ các hệ thống sống là những hệ thích ứng. Chúng có một kho lưu trữ các hành vi giúp cho chúng thích nghi với sự thay đổi của môi trường. Sự thích ứng này có thể diễn ra qua nhiều thế hệ, hoặc thậm chí chỉ trong phạm vi cuộc đời của một cá thể. Tất nhiên có những biến đổi môi trường quá nhanh và quá mãnh liệt khiến các loài hoặc cá thể không tài nào thích ứng được. Điều này thường dẫn đến sự hủy diệt. Chính cái gọi là “kho lưu trữ hành vi” hoặc quy trình ứng xử tạo điều kiện cho các sinh
vật này thích ứng, nhưng nhiều khi cũng không lại so với sự biến động nhanh của môi trường.
1.5. Tiến hóa và thích ứng của hệ thống
Tiến hóa và thích ứng là hai hiện tượng đặc biệt quan trọng và liên kết chặt chẽ với nhau,
rất phổ biến trong các kiểu hệ thống. Nhà sinh vật học tiến hóa Richard Dawkins (1982, 1988)
đã khái quát yếu tố cơ bản của tiến hóa là “bản sao tích cực” . ý tưởng của ông như sau: Một “bản sao” là bất cứ hệ thống nào có khả năng tự tái tạo hoặc được tái tạo. Quá trình tái tạo này không nhất thiết đòi hỏi phải hoàn hảo, tuyệt đối không có sai sót, bởi vì trên thực tế không có quá trình tái tạo nào là không có sai sót.
Ví dụ điển hình cho các bản sao là các cơ thể sinh vật và cơ quan di truyền của chúng. Các bản photocopy, bản fax cũng là một loại bản sao. Dawkins coi các đơn vị thông tin cũng
là bản sao vì khi giao tiếp giữa con người với nhau, thông tin được chuyển giao. Bản sao thông tin được Dawkins gọi là “meme” (từ chữ memo - memory).
Sau khi xây dựng khái niệm về “bản sao”, Dawkins tiến tới phân loại chúng thành 2 nhóm: nhóm chủ động và nhóm bị động tuỳ thuộc vào chất lượng của bản sao tác động đến độ chính xác của quá trình sao chép như thế nào. Gen là các bản sao chủ động vì các gen tốt thường được sao chép tốt trong các cá thể con cháu, làm cho thế hệ con cháu duy trì và cải thiện được khả năng sinh tồn và tránh được kẻ săn mồi, kiếm mồi tốt hơn hoặc có sức hấp dẫn hơn với bạn tình.
Meme cũng là loại bản sao chủ động, vì trong quá trình truyền thông, các thông tin tốt, có
ích được chọn lọc và truyền bá tốt hơn các thông tin vô ích. Trong khi đó, một bản photocopy
lại là loại bản sao bị động vì dù nó có nội dung gì cũng không thể quyết định chất lượng bản copy.
Dawkins phân loại các bản sao thành hai nhóm ngắn hạn và dài hạn tùy thuộc vào việc chúng có khả năng được sao chép mãi hay không. Các tế bào sống của con người (trừ tế bào sinh sản) là nhóm ngắn hạn, dù rằng chúng có thể được sao chép trong thời gian một đời
người, nhưng chỉ có tế bào sinh dục mới được tái tạo trong các thế hệ sau. Meme và bản copy thuộc loại dài hạn vì chúng có thể được tái sinh qua rất nhiều thế hệ.
Bởi vì không có quá trình sao chép nào là hoàn hảo tuyệt đối, do đó hệ thống qua mỗi lần sao chép lại xuất hiện các biến dị (các sai sót do nhân bản). Mặc dù đa phần các biến dị là gây
hại cho các thế hệ sau, nhưng một số trường hợp cũng nảy sinh những biến dị có lợi, điều này
chỉ xảy ra trong trường hợp nhân bản chủ động. Nếu bản sao thuộc nhóm dài hạn, thì rất có
thể các biến dị có lợi sẽ được tích lũy để nâng cấp chất lượng của các thế hệ mới. Đó chính là hiện tượng tiến hóa. Tiến hóa giúp cho tăng cường khả năng sinh sản một số lượng đông con cháu khoẻ mạnh và có khả năng sinh tồn.
Trong trường hợp các hệ thống có khả năng nhân bản (tái sinh), có hai tổ phần tách biệt của “tính chính xác sinh sản” là:
Tính hiệu quả của quá trình nhân bản, có thể tiến hóa được.
Bất cứ yếu tố nào làm cho quá trình nhân bản được thích hợp hơn, giúp cho việc tăng cường khả năng bắt mồi, thích nghi với môi trường, thu hút bạn tình...
Cần phải hiểu rằng tính tiến hóa chính xác của một cá thể sinh vật là không bất biến, mà thay đổi do tự thân tiến hóa, và góp phần làm thay đổi các thông số môi trường trong đó quá trình nhân bản xảy ra. Điều đó dẫn đến sự xuất hiện rất nhiều biến thể tiến hóa. Trong đó có
cả hiện tượng “chạy đua vũ khí” khi vật dữ và con mồi cũng phải tiến hóa để săn mồi hoặc chạy trốn tốt hơn...
Tiến hóa cũng nhằm để thích ứng, nhưng là một dạng thích ứng quan trọng và đặc biệt của quá trình thích ứng rộng rãi hơn. Không giống như tiến hóa, thích ứng nói chung không
đòi hỏi hiện tượng nhân bản dài hạn chủ động. Ví dụ quá trình học tập ở con người và các
động vật khác, sự phát triển cơ bắp, các quá trình sinh học nhằm duy trì sự cân bằng ôxy của khí quyển, sự móc nối của các mạng phản hồi ổn định v.v...
Tất nhiên, thích ứng cũng có nét tương tự như tiến hóa ở chỗ nó cũng không yêu cầu các nguyên tắc tổ chức cao hơn, tri thức (nhận thức) cao hơn và sự có chủ định sẵn. Cả tiến hóa
lẫn thích ứng đều là những “quá trình mù”. Sự đánh giá cốt lõi của một hệ thích ứng là tính
ổn định hơn là tính nhân bản (sao chép) chính xác. ổn định giữ một vai trò rất quan trọng. Vì các hệ thống thường không cô lập, các biến dị liên tục được nhập vào khi hệ bị nhiễu loạn do những ảnh hưởng bên ngoài. Một vài trạng thái của hệ có tính ổn định hơn các trạng thái khác. Điều này có thể là do chúng không hàm chứa các động lực nội sinh cho sự thay đổi, hoặc bởi vì chúng bao gồm các cơ chế kiểm soát có tính chu kỳ. Cũng còn có thể là do chúng
có khuynh hướng kháng cự lại những ảnh hưởng bên ngoài. Cơ chế của tính ì được tạo ra do
các hiện tượng phản hồi triệt tiêu, cũng như các hiện tượng kháng cự số lớn với những tác động bên ngoài.
Có sự liên hệ chặt chẽ giữa tính thích ứng và tiến hóa:
Khả năng tiến hóa đôi khi cũng có thể giúp tăng thích ứng, ví dụ não người tiến hóa làm tăng cường khả năng học tập.
Các hệ thích ứng phức tạp có thể hàm chứa các phân hệ tiến hóa.
Cuối cùng, “sự tiến hóa” của các trạng thái trong một số hệ thống thích ứng, có nghĩa là mỗi trạng thái có thể “nhân bản” một cách không hoàn hảo để hình thành một trạng thái tiếp theo của hệ thống. Theo ý nghĩa không chính tắc này, trạng thái hệ cũng sẽ được phân biệt thành các trạng thái chủ động, dài hạn...
Như vậy, có thể định nghĩa tính thích ứng của một hệ thống là sự chọn lọc, sắp xếp lại các hành vi và cơ cấu tổ chức của hệ thống nhằm thích nghi tốt với một kiểu môi trường nhất định. Sự chọn lọc và sắp xếp này là những biến đổi nội tại, không làm tăng tính phức tạp, không làm nâng cấp quy mô tổ chức và không tăng quá mức độ trật tự sẵn có của hệ thống.
Trái lại, tính tiến hóa của hệ thống là sự thay đổi về chất của hệ thống, định hướng vào việc xây dựng một hệ thống có cấu trúc ở trình độ cao hơn, phức tạp hơn, trật tự hơn, có kho
lưu trữ hành vi đa dạng hơn, và hiệu quả của chúng là tạo ra một cơ hội thích ứng rộng rãi hơn.
Thích ứng tạo cơ hội cho một hệ thống ổn định, còn tiến hóa tạo cơ hội cho một hệ thống thay đổi theo hướng hoàn thiện hơn để thích ứng tốt hơn.
Một ví dụ kinh điển là dù có biến đổi để hình thành hàng ngàn loài cá thích ứng tốt với những sinh cảnh khác nhau, nhưng chỉ có loài cá vây tay di chuyển được trên mặt bùn và có khả năng hấp thụ ôxy trong không khí bằng chiếc bong bóng bị biến đổi thành một loại phổi đơn giản, mới có khả năng tiến hóa thành động vật lưỡng cư sau này.
Một hệ thống nhân bản để thích ứng luôn luôn lưu trữ các biến dị. Một số ít các biến dị
đó sẽ là mầm mống của tiến hóa. Vì thế một hệ thống có khả năng tiến hóa luôn luôn phải có nhiễu loạn, luôn luôn có entropy ở một giá trị mà hệ thống có thể kiểm soát được. Những hệ thống ổn định cao, có entropy thấp thường là một hệ thống có tính thích ứng hơn là có tiềm năng tiến hóa. Các hệ thống “đóng băng” là những hệ thống không có khả năng tiến hóa.
Vì thế, có một nguyên tắc trong điều khiển hệ thống là “không gắn kết quá chặt để tạo tiền đề cho những thay đổi”. Xác định tiềm năng “không gắn kết quá chặt” cần thông qua những hành vi, những cấu trúc “lệch chuẩn” không gây hại cho hệ thống. Nguyên tắc “phân quyền và uỷ quyền” cho các đơn vị quản lý cấp dưới trong quản lý môi trường chính là khung pháp lý cho phép các thành tố của một hệ thống phát huy tính chủ động và sáng tạo. Cũng từ
đó mà hình thành các nguyên tắc khác như “phi tập trung hóa”, “xã hội hóa” trong quản lý môi trường.
1.6. Các ngưỡng của hệ thống và hệ sinh thái toàn cầu
Toàn bộ các hệ thống sinh thái và sinh học đều có tính co dãn (đàn hồi). Chúng có thể
thắng được một số loại sức ép hoặc phá hoại và duy trì khả năng tự phục hồi. Ngay cả khi một
số yếu tố đơn lẻ của hệ bị phá huỷ, chúng cũng thường được khôi phục khiến cho hệ thống được duy trì. Tuy nhiên sự bành trướng hoạt động nhân sinh đã dẫn đến việc phá hủy cả các yếu tố của hệ hoặc toàn bộ hệ, làm giảm tính đàn hồi của hệ.
Có một số quá trình sinh học có vai trò duy trì các điều kiện sinh thái hiện tại. Ví dụ hoạt động sinh học góp phần duy trì khối lượng, tỉ lệ và cân bằng các loại khí tạo nên khí quyển Trái Đất. Tỷ lệ các loại khí trong khí quyển Trái Đất hiện nay là ở trạng thái không cân bằng hóa học, và khí quyển được duy trì như vậy là do mạng phản hồi sinh học. Nếu các quá trình sinh học chấm dứt, khí quyển của Trái Đất dần dần sẽ tiến đến trạng thái cân bằng hóa học khiến cho không có dạng sống nào có thể tồn tại.
Các quá trình sinh học là những quá trình động lực, phản ứng trước một môi trường đầy biến động. Ví dụ, khoảng 4,5 tỷ năm trước khi hệ Mặt Trời mới hình thành, nhiệt bức xạ từ Mặt Trời chỉ cỡ 70% so với ngày nay. Từ bấy đến nay, lượng nhiệt toả ra từ Mặt Trời đã tăng thêm 30%. Chỉ cần mỗi bán cầu thu được lượng nhiệt từ Mặt Trời bớt đi 2% đã đủ tạo ra khí hậu băng hà. Nếu khí hậu Trái Đất chỉ do nhiệt Mặt Trời quyết định, thì nhiệt độ bề mặt Trái
Đất sẽ có giá trị âm (<0o C) cho đến cách ngày nay khoảng 2 tỷ năm, tức là bao gồm cả 1,5 tỷ
năm đầu tiên của lịch sử sự sống. Tuy nhiên thực ra khí hậu trên Trái Đất đã không có biến
đổi nhiều trong suốt thời kỳ này. Trái Đất không hề đóng băng ngay cả khi nó tiếp nhận một lượng nhiệt Mặt Trời ít hơn ngày nay 30% [9].
Lí do cơ bản là ở chỗ khí quyển Trái Đất có đặc tính “nhà kính”, mặc dù hiệu ứng này rất biến đổi tuỳ theo thành phần của khí quyển. Ví dụ vào thời gian Tiền Cambri (cách ngày nay trên 550 triệu năm), khí quyển Trái Đất có khoảng:
1,9% N2
0,1% O2
98% CO2
Trong khi khí quyển ngày nay có gần 79% N2, gần 21% O2 và 0,03% CO2. Chính CO2 và một số loại khí khác (NH3) đã hấp thụ bức xạ hồng ngoại phát ra từ Trái Đất và do đó kìm hãm nhiệt thoát vào khoảng không Vũ Trụ, tạo ra hiệu ứng nhà kính nguyên thuỷ.
Những dạng sống nguyên thủy của Trái Đất đã hấp thụ C, N và H từ khí quyển. C và N
đã được lưu trữ trong cơ thể sinh vật rồi lắng đọng dưới đáy biển dưới dạng các mùn bã hữu
cơ (xác chết của sinh vật), đồng thời NH3 bị phân hủy, giải phóng H để tạo thành nước hoặc
gia nhập vào khí quyển. Nếu không có cơ chế kiểm soát, sẽ xuất hiện sự thiếu hụt CO2 trong
khí quyển, làm cho nhiệt độ sẽ giảm đi, tạo ra khí hậu băng hà. Băng tuyết có tính phản xạ cao càng làm nhiệt độ mặt đất giảm đi, thậm chí dưới 0o C.
Tuy nhiên may mắn thay hiện tượng đó đã không xảy ra. CH4 xuất hiện giúp gia tăng hiệu ứng nhà kính. Sự bùng phát các vi sinh vật nguyên thủy màu sẫm cũng giúp cho việc hấp
thụ nhiệt.
Sự duy trì cân bằng ôxy trong khí quyển ngày nay là một trong những quá trình sinh học đặc biệt quan trọng đối với nhân loại. Khí quyển hiện nay chứa khoảng 21% ôxy. Giả sử hàm lượng ôxy tăng đến 25%, thì chỉ cần một tia lửa nhỏ cũng đủ đốt cháy ngay cả cỏ tươi và gỗ ướt lạnh, toàn bộ nhiên liệu hóa thạch trên Trái Đất sẽ cháy hết. Nhưng nếu hàm lượng ôxy giảm đi, thì khả năng sản xuất của các dạng sinh vật cạn ưa khí sẽ suy giảm đáng kể. Sinh vật biển có thể sẽ đỡ chịu tác động hơn vì đại dương còn tàng trữ nhiều ôxy hoà tan, tuy nhiên nếu hàm lượng ôxy trong khí quyển giảm mạnh thì rồi sẽ đến lúc nước biển cũng trở nên thiếu ôxy và sinh vật biển sẽ bị huỷ diệt hàng loạt, giống như thảm họa đã từng xảy ra vào ranh giới giữa kỷ Pecmi và kỷ Triat (250 triệu năm trước), đã tiêu diệt 95% tổng số loài trên Trái Đất.
Tuy nhiên cũng có cả mạng phản hồi tích cực. Ví dụ nếu nhiệt độ tăng làm tan băng hà,
thì độ phản xạ của Trái Đất sẽ giảm đi, điều đó lại thúc đẩy nhiệt độ càng tăng thêm. Vấn đề
trở nên phức tạp và đa dạng hơn nếu hai hay nhiều yếu tố có quan hệ thuận nghịch tích cực,
sự tăng tiến của một yếu tố sẽ gây ra sự tăng tiến của yếu tố khác và ngược lại. Mạng phản hồi tích cực nhiều khi bị bao vây trong một mạng phản hồi tiêu cực rộng hơn để tạo ra mối cân bằng tổng thể. Cũng có khi mạng tích cực một khi đã khởi động, sẽ vận hành hoặc là cho đến
khi hiện tượng phản hồi tích cực trở nên bão hoà, hoặc cho đến khi tự thân hệ thống bị biến dạng.
1.7. Tính ổn định của hệ thống
Nói chung, hệ thống càng phức tạp, các hệ thống phản hồi càng đan xen, thì các hệ thống càng khoẻ mạnh và càng có khả năng chống lại sự biến đổi tốt hơn. Trên thực tế, các hệ thống phức tạp có tính ổn định cao hơn. Một lí do minh chứng cho điều đó là một số hệ thống phức
tạp (ví dụ các hệ thống sinh học) sử dụng các cách kiểm soát đa diện chứ không phải cách đơn giản, và vì thế có nhiều cơ hội sống sót hơn. Tương tự như vậy, sự đa dạng gen tạo cho hệ sinh thái có khả năng thích ứng tốt hơn đối với sức ép môi trường, đa dạng văn hóa cũng giúp cho xã hội bền vững hơn.
Các hệ phức tạp thường thường tiến hóa từ các hệ đơn giản hơn. Tính phức tạp sẽ phát triển nếu tạo ra sự thích ứng ưu thế hơn thế hệ đi trước. Các hệ thống phức tạp hơn chỉ có khả năng sinh tồn nếu hệ thực sự khoẻ mạnh, vì thực tế chúng phải chịu đựng nhiều can thiệp hơn trong quá trình tồn tại.
Một số vấn đề cần lưu ý:
Các hệ sinh thái khu vực và toàn cầu bao giờ cũng nằm trong các ngưỡng an toàn, bên ngoài ngưỡng, hệ sẽ biến đổi để đạt tới vị trí cân bằng động lực mới.
Vì vậy, nếu bị khai thác quá mức, rất có thể các hệ sinh thái khu vực hoặc thậm chí toàn cầu
sẽ trải qua giai đoạn chuyển tiếp sang một trạng thái ít thuận lợi hơn đối với con người.
Đã có rất nhiều ví dụ về tác động nhân sinh đã gây biến động sâu sắc các hệ sinh thái khu vực khiến cho cuộc sống của con người gặp khó khăn hoặc không thể tiếp diễn được, ví dụ sự ô nhiễm hóa chất hay phóng xạ, sa mạc hóa, axít hóa, nhiễm mặn...
Hãy còn chưa rõ là hoạt động nhân sinh nào khiến cho hệ sinh thái toàn cầu chuyển sang trạng thái không thể tiếp tục tồn tại được: Phát xả khí nhà kính ? Phát xả CFC làm thủng tầng ôzon ? Hay là bùng nổ dân số ?
Một số hệ sinh thái trở nên kém ổn định hơn khi bị làm nghèo đi hoặc bị phân rã mạnh so
với các hệ thuộc thế hệ trước. Các hệ sinh thái bị phân rã tới điểm mà chúng chuyển sang một pha không ổn định, sẽ có xu thế biến đổi cho đến khi chúng đạt được trạng thái cân bằng mới. Việc đạt đến trạng thái cân bằng này có thể dẫn đến những mất mát tiếp tục khó kiểm soát.
Rõ ràng rằng các hoạt động nhân sinh đang gây biến động sâu sắc đến các hệ sinh thái và
các hệ thống khác trong sinh quyển và khí quyển. Một số những biến động này là rất rộng lớn, một số đang diễn ra ở tốc độ khiến cho không có quá trình tiến hóa hay thích ứng theo kịp.
Nếu mức độ tác động môi trường, bao gồm cả việc giảm đa dạng gen, còn tiếp diễn với tốc
độ này, có nhiều khả năng tính bất ổn sinh thái toàn cầu và khu vực sẽ còn tăng lên. Con người
và xã hội phải đối mặt với cuộc đại khủng hoảng về môi trường vượt quá tầm mọi phát minh công nghệ và trình độ quản lý xã hội.
1.8. Rủi ro của hệ thống
Tất cả các mô hình về hành vi của các hệ phức tạp, ví dụ các hệ thống môi trường hoặc
hệ thống kinh tế, hoặc sự tương tác giữa hai loại này, là không bao giờ chính xác và không chắc chắn, hoặc rất hạn chế về phạm vi.
Những hạn chế và sự không chắc chắn này tạo ra rủi ro. Rủi ro hệ thống là những hành vi của hệ thống ngoài dự tính của chúng ta (nhà phân tích), xuất phát từ thuộc tính bất định của
hệ thống. Lí do:
Sự hiểu biết về các hệ thống này chưa hoàn hảo.
Sự hiểu biết về hành vi của các hệ thống phức tạp là chưa toàn diện.
Hành vi của các hệ thống phức tạp, ít nhất cũng tại một số diện tích của không gian pha là không xác định được. Điều này có nghĩa là hành vi của những hệ thống như thế chỉ có thể mô hình hóa theo xác suất, trong một phạm vi nào đấy, hoặc trong khoảng thời gian rất hẹp.
Toàn bộ những đánh giá này được áp dụng cho các hệ phức tạp, ví dụ các hệ môi trường,
xã hội và kinh tế, vốn tạo ra thế giới mà chúng ta đang sống.
Điều đó có nghĩa là cần phải đánh giá các sai sót hoặc rủi ro đi liền với tất cả các kết quả được dự báo. Việc tính toán các rủi ro tự nó đã đi kèm với các sai sót. Những chỗ mập mờ như vậy có thể là khá rộng, và có thể ảnh hưởng đến các kết quả của các quyết sách. Ngoài ra, mỗi kết quả lại có thể chứa những rủi ro khác nhau tuỳ theo sự phân bổ khác nhau về chi phí
và lợi ích. Điều đó có nghĩa là cần phải xem xét về mặt kỹ thuật và chính trị trong bất cứ phép phân tích nào về xác suất và rủi ro.
Có những vấn đề kỹ thuật đi kèm với việc đánh giá rủi ro, kể cả đối với các hệ thống nhân tạo vốn được coi là đã biết rõ. Trong trường hợp các hệ thống tự nhiên phức tạp và thường không được hiểu rõ, việc đánh giá rủi ro thực sự là khó khăn.
1.9. Phi tuyến và điểm tới hạn
Phân biệt giữa hệ phi tuyến và hệ tuyến tính là vấn đề rất quan trọng. Tuy nhiên trong tự nhiên, hệ tuyến tính chỉ là những trường hợp hãn hữu. Thông thường, do hậu quả của sức ì, nhiều hệ thống cả tự nhiên và nhân tạo thường biến đổi theo quỹ đạo chữ S (Hình 1) gồm 5 giai đoạn:
5
Møc ®é 4 •
t¨ng tr−ëng 3 •
2 •
1 •
Hình 1
Thêi gian
Đường cong chữ S có thể coi là sự ghép nối 3 đoạn thẳng (tuyến tính) được nối với nhau bằng những
đoạn cong [9]
1. Giai đoạn ì: hầu như không tăng trưởng (tuyến tính).
2. Tăng trưởng theo hàm mũ.
3. Tăng trưởng theo hàm tuyến tính.
4. Bão hòa: mức tăng trưởng giảm dần.
5. Hầu như không tăng trưởng (tuyến tính).
Điểm tới hạn là điểm mà kể từ đó hệ thay đổi đột biến về hành vi. Ví dụ điểm bắt đầu sinh trượt nếu ta tăng dần góc nghiêng của sườn dốc. Điểm bắt đầu xung đột nếu tăng dần mức độ mâu thuẫn trong cộng đồng. Điểm phân nhánh là một dạng đặc biệt của điểm tới hạn,
tại đó hệ thay đổi hành vi một cách quyết liệt (mạnh mẽ). Tập hợp các điểm tới hạn tạo thành ngưỡng an toàn của hệ thống. Kể từ ngưỡng an toàn, hệ thống chuyển sang giai đoạn sự cố.
1.10. Không gian pha và chuyển pha
Vấn đề cốt lõi của tính bền vững có thể được diễn tả bằng thuật ngữ “không gian pha”. Không gian pha là một không gian trừu tượng có số chiều bằng tổng các tham số cần thiết để
mô tả trạng thái của một hệ động lực. Số chiều của không gian pha có thể là số nguyên hoặc
số thập phân. Trường hợp số chiều thập phân ta có một không gian gồ ghề, còn gọi là không gian Fractal. Một điểm trong không gian pha biểu diễn trạng thái của hệ ở một thời điểm đã chọn. Khi hệ tiến hóa, điểm này vẽ lên trong không gian pha một qũy đạo phức tạp. Không
thể khảo sát không gian pha quá nhiều chiều, người ta khảo sát trong một hệ tọa độ phẳng 2
chiều, ứng với một cặp tham số được lựa chọn. Mặt phẳng này có tên là mặt phẳng Poincarê.
ở chương 3, chúng ta sẽ nói đến mặt phẳng SAM cho phép khảo sát đa chiều cùng một lúc, nhưng mặt phẳng đó chỉ phản ánh hiện trạng của hệ thống tại một thời điểm nhất định. SAM thiếu chiều thời gian.
Một hệ thống cực kỳ phức tạp, ví dụ Trái Đất của chúng ta gồm nhiều phân hệ phức tạp tương tác với nhau như sinh học, sinh thái, xã hội, kinh tế... có thể được biểu diễn ở bất cứ thời gian nào như là một điểm trong không gian pha rộng lớn mà trục của nó là các yếu tố kiểm soát và tọa độ của điểm đó là giá trị hiện tại của hệ (xem hình 2).
Về mặt kỹ thuật, tất cả các biến số kiểm soát độc lập đều được đưa vào dưới dạng một trục tọa độ trong không gian pha, vì thế mà trạng thái của hệ hoàn toàn được xác định dựa vào một điểm trong không gian pha mà hệ đăng ký, cũng như có thể xác định toàn diện lịch sử và tương lai của hệ.
pH
pH 9 -
pH 8 -
A
pH 7 -
pH 6 - B
pH 5 -
pH 4 -
C
pH 3 -
pH 2 -
pH 1 -
i i i i i i
i i
toC
Hình 1
Đường cong chữ S cú thể coi là sự ghộp nối 3 đoạn thẳng (tuyến tớnh) được nối với nhau bằng những
đoạn cong [9]
1. Giai đoạn ỡ: hầu như khụng tăng trưởng (tuyến tớnh).
2. Tăng trưởng theo hàm mũ.
3. Tăng trưởng theo hàm tuyến tớnh.
4. Bóo hũa: mức tăng trưởng giảm dần.
5. Hầu như khụng tăng trưởng (tuyến tớnh).
Điểm tới hạn là điểm mà kể từ đú hệ thay đổi đột biến về hành vi. Vớ dụ điểm bắt đầu sinh trượt nếu ta tăng dần gúc nghiờng của sườn dốc. Điểm bắt đầu xung đột nếu tăng dần mức độ mõu thuẫn trong cộng đồng. Điểm phõn nhỏnh là một dạng đặc biệt của điểm tới hạn,
tại đú hệ thay đổi hành vi một cỏch quyết liệt (mạnh mẽ). Tập hợp cỏc điểm tới hạn tạo thành ngưỡng an toàn của hệ thống. Kể từ ngưỡng an toàn, hệ thống chuyển sang giai đoạn sự cố.
Hình 2
Quỹ đạo của một hệ lý thuyết theo mặt cắt 2 chiều (mặt phẳng Poincarê) của không gian pha. Nhiều chu kỳ
có thể xuất hiện nhưng quỹ đạo gần như không bao giờ lặp lại (tính không xác định trong Vũ Trụ) [9]
Hệ thống Trái Đất về một số phương diện cũng giống như các hệ sinh học. Điểm khác nhau quan trọng nhất là hệ Trái Đất không thể tự nhân bản được. Tuy nhiên, Trái Đất cũng tiến hóa và thích ứng, dù rằng cơ thức có khác nhau. Các trạng thái hệ sẽ tiến hóa khi Trái Đất
du hành trong không gian pha (Hình 4).
Có một khuynh hướng chung đối với tất cả các hệ thống là di chuyển về phía trạng thái
ổn định. Tất nhiên sự ổn định chỉ là tương đối. Không có trạng thái ổn định nào là tuyệt đối dù rằng một hệ sẽ dừng lại trong các vùng ổn định nhưng nó luôn luôn ở trạng thái vận động.
Hình 3
Khi Trái Đất vận động trong không gian pha, vùng sinh tồn của nhân loại có xu thế diễn biến theo quỹ đạo cong, thay
đổi hình dạng theo quá trình vận động của Trái Đất. Điều đó là kết quả của những biến đổi tiến hóa và thích ứng, đồng thời cũng là kết quả phát triển công nghệ. Tuy nhiên không hề có đảm bảo rằng vùng sinh tồn sẽ có khả năng theo sát quỹ đạo cong đó một cách thành công; sự di chuyển càng nhanh thì sự theo sát đó càng khó khăn và càng không chắc chắn [9]
Tương tác giữa con người và môi trường có thể được suy xét từ sự di chuyển của hệ Trái
Đất dọc theo các trục khác nhau của không gian pha một cách đồng thời. Nếu điều đó xảy ra ở
tốc độ vượt quá tốc độ mà các hệ thống khác có thể thích ứng tức là vượt quá khả năng theo
kịp của vùng bền vững trong không gian pha, thì các hệ khác sẽ bị hủy diệt. Sự sống trên Trái
Đất đã từng nhiều lần bị hủy diệt trong suốt lịch sử sự sống trên 500 triệu năm qua.
Sự ấm lên toàn cầu là một ví dụ điển hình. Nhiệt độ Trái Đất cứ tăng 1oC thì lớp phủ
thực vật thân gỗ sẽ tiến về phía địa cực khoảng 200 km. Tốc độ di cư thảm rừng vào cuối giai
đoạn băng hà cuối cùng là khoảng 20 100 km/ 100 năm. Giả sử tốc độ ấm lên toàn cầu nhanh hơn 100 lần, nhiều loài cây sẽ không thể di cư về phía địa cực với tốc độ nhanh như vậy, chắc chắn giới thực vật sẽ bị khủng hoảng trầm trọng. Từ đó, giới động vật, và cuối cùng
là con người và xã hội cũng sẽ bị đe dọa bởi thảm họa.
1.11. Tính mềm mại của hệ thống
Vấn đề cốt lõi trong phân tích và phát triển các chính sách kinh tế và chính trị nhằm tiến
đến cách sống bền vững hơn chính là tính mềm mại (flexibility), tức là tiềm năng không liên
kết quá chặt tạo cơ hội cho sự thay đổi. Nếu một biến số kiểm soát tới hạn nằm ở ranh giới dưới hoặc trên khoảng an toàn, thì việc suy giảm tính mềm mại chắc chắn sẽ lan tràn. Cứng nhắc sẽ khó biến đổi và khó thích ứng.
Bùng nổ dân số chính là một cách làm suy giảm tính mềm mại, đặc biệt trong trường hợp liên kết với các yếu tố tai biến như nạn đói hay dịch bệnh. Để giải quyết các vấn đề về tính bền vững, phải giải quyết hai vấn đề cùng một lúc:
Tính mềm mại cần được phát hiện hay tạo ra để có thể được bảo vệ thích hợp.
Phải ngăn ngừa việc làm suy giảm tính mềm mại có thể lại sẽ xuất hiện thêm trong tương
lai.
1.12. Các mức độ bền vững của các hệ thống kinh tế xã hội
Vấn đề quan trọng cần phải làm rõ là liệu tất cả các quốc gia hoặc các khu vực cần phải bền vững một cách nghiêm ngặt, hoặc bền vững tiềm năng hay không. Khái niệm về trạng thái bền vững quốc gia hoặc cộng đồng với những giá trị về kinh tế, chính trị và xã hội là rất quan trọng. Các quá trình địa chất và sinh học đã tạo nên Trái Đất với cả hai loại tài nguyên
tái tạo và không tái tạo, lại không hề phụ thuộc vào các ranh giới hành chính hay ranh giới quốc gia, thì trong trường hợp lý tưởng, các quốc gia cần phải bền vững như nhau. Bởi vì bất
cứ một mức độ nào của tính bền vững, từ mức cá nhân, hãng, vùng, quốc gia, đại lục hoặc các liên minh kinh tế, đều có rất nhiều yếu tố phát triển có nguồn gốc từ bên ngoài. Chỉ có các yếu
tố quyết định phát triển toàn cầu mới là yếu tố bên trong đối với hệ thống Trái Đất. Vì thế về
mặt lý thuyết, nói đến tính bền vững là nói đến phạm vi toàn cầu. Tuy nhiên tình hình thực tế
lại không đúng như vậy. Chấp nhận rằng hiện nay còn chưa có cách ứng xử toàn cầu có hiệu quả, còn thiếu các cấu trúc và cơ chế để áp dụng bất cứ thay đổi có ý nghĩa nào, chúng ta buộc phải giải quyết một nhiệm vụ khó khăn là phải bằng cách nào để phát triển theo hướng bền vững trong phạm vi từng quốc gia, từng khu vực hoặc từng vùng. Từ đó nảy sinh ra một nguyên tắc nổi tiếng của phát triển bền vững “Nghĩ - Toàn cầu, Làm - Địa phương”.
Cần phải chia nhỏ vấn đề nan giải nói trên thành hai giai đoạn, lần lượt được gọi là mức
độ hệ thống và mức độ dự án. Đó là vì yếu tố quan trọng đối với một hệ thống nói chung chỉ được đo lường ở mức độ hệ thống. Các yếu tố cấp dự án kiểm soát từng phần và được lựa chọn ở các mức độ thấp, có thể làm chuyển dịch tác động sang các phần khác của hệ thống. Giả dụ nếu như Hoa Kỳ cắt giảm 1/2 lượng tiêu thụ dầu mỏ, thì lợi nhuận toàn cầu chắc sẽ giảm nghiêm trọng nếu các quốc gia khác cũng tăng cường việc giảm giá dầu, điều này cũng dẫn đến việc giảm tiêu thụ tương ứng ở các nước này.
Về mặt nguyên tắc, có thể đạt được sự kiểm soát toàn diện bằng một số cách, ví dụ triển khai các công cụ kinh tế thích hợp để tăng giá các nguồn tài nguyên, hoặc thực hiện các quy định trực tiếp đối với sự kiểm soát, hoặc cấm sử dụng một vài dạng tài nguyên.
Một ví dụ về việc áp dụng các chính sách bền vững cấp hệ thống là thuế cacbon, hoặc thuế năng lượng. Thứ thuế này tác động đến việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và có hiệu quả hơn trong hệ thống.
Vấn đề thực tế sẽ nảy sinh khi các dự án riêng biệt được đánh giá về khả năng đóng góp của chúng vào tính bền vững chung của hệ. Bởi lẽ dự án nào cũng chỉ nhằm vào một phần nhỏ của hệ mà thôi, do đó việc đánh giá thích hợp và chính xác vai trò của dự án đối với toàn
bộ hệ là khó khăn. Ví dụ một dự án đang làm giảm phúc lợi ở mức địa phương hiện tại, nhưng
lại đóng góp và tăng cường phúc lợi ở mức rộng hơn, hoặc ở thời gian sau này trong tương
lai. Một dự án phát triển phong năng, rõ ràng là có lợi, nhưng lại gây thiệt hại cho tiện nghi môi trường ở địa phương lắp đặt trạm.
Một trong những vấn đề rất thực tế là làm cách nào để thiết lập một “dự án bền vững”
trong bối cảnh trật tự kinh tế hiện tại vốn không bền vững.
Trong giai đoạn triển khai một dự án, kiểu mẫu tiêu chuẩn của đầu tư sẽ dẫn đến một dòng âm (dòng vào) về vốn đầu tư. Đây không phải là sự vững bền về mặt kinh tế, bởi vì một
dự án bền vững không thể phụ thuộc mãi vào nguồn tài nguyên thu hút từ vùng khác. Như vậy, một dự án bền vững ở giai đoạn hoàn chỉnh chắc chắn phải tạo một dòng vốn trung tính hoặc dòng ra. Để đạt được điều đó, các dự án phát triển cần phải dựa trên:
Tăng cường nhu cầu của người tiêu dùng đối với sản phẩm và dịch vụ có tiêu chuẩn đạo
đức và môi trường cao.
Sử dụng các công cụ kinh tế môi trường để phân bổ đúng đắn các chi phí môi trường.
Sử dụng các công cụ luật pháp để cấm các sản phẩm hoặc hành động có hại đến môi trường.
Tiếp cận xã hội học cần được coi trọng và phát huy cùng lúc với các tiếp cận công nghệ,
kỹ thuật hay kinh tế.
Câu hỏi thảo luận chương 1
Tại sao nói "có sự tồn tại của một trật tự trong nhiễu loạn"? Trật tự đó tại sao lại xuất hiện
và xuất hiện như thế nào? Nhiễu loạn có vai trò gì trong sự tiến hóa của các hệ động lực?
Có mối liên quan gì giữa tính trồi và chức năng của một hệ thống? Tại sao một hệ thống bao giờ cũng đa chức năng và đa chiều? Tại sao phần lớn hệ thống lại là hệ thống gồ ghề?
Những hệ thống nào có entropy âm? Quan hệ giữa entropy và lượng thông tin trong hệ thống? Vai trò của môi trường bên ngoài đối với một hệ thống mở? Một hệ thống mở có khả năng xuất khẩu entropy sang các hệ thống khác không?