Tớnh tổng hợp của sinh thỏi học
Nghiờn cứu khoa học thường cú hai hướng chớnh: một là cố gắng phõn chia đối tượng nghiờn cứu thành những phần rất nhỏ, rất thuần; hai là hướng tổng hợp tổ chức những đối tượng chia nhỏ lại. Phương phỏp luận của hướng thứ nhất là rỳt lấy một phần tử trong hệ thống thực tế hết sức phức tạp, cố gắng cụ lập nú với mụi trường xung quanh, cấu thành một trường thuần “nhiệt độ và ẩm độ cố định” cú lợi cho thực nghiệm, tỡm ra quy luật nào đú trong phần hệ thống đú; trỏnh những cỏi bờn ngoài hệ thống được nghiờn cứu “lẫn vào” trong phạm vi thực nghiệm, tỡm mọi cỏch làm cho hệ thống thực nghiệm trở thành “thuần khiết” nhất và thuần tuý; thậm chớ phỏ hoại cả mụ tế bào phức tạp, làm đi làm lại để lấy ra một loại men nào đú, rồi dựng men “thuần” đú tiến hành thực nghiệm sinh hoỏ theo kiểu “hệ thống ống nghiệm”.
Một hệ thống thực nghiệm dự là “thuần” đến đõu, nhưng nếu nghiờn cứu tỉ mỉ hơn, thỡ hệ thống đú lại cú thể được cấu thành bởi nhiều thành phần thứ cấp, nghĩa là việc chia nhỏ lại được tiếp tục khụng giới hạn.
Một phỏt hiện mới bất kỳ nào đú trong nghiờn cứu kiểu chia nhỏ như vậy, chỉ cần nú cú liờn hệ với bản chất của cựng sự vật, cú khi cũng cú hiệu quả trực tiếp và cú tớnh ứng dụng tương đối lớn. Thớ dụ: nếu phỏt hiện được một chất nào đú cú tỏc dụng làm tổn thương mạnh đối với hệ thống hụ hấp hoặc hệ thống quang hợp của sinh vật, cú thể là một phần cực nhỏ, sẽ cú thể trở thành một biện phỏp cú hiệu quả hạn chế sõu bệnh hại và cỏ dại.
Cho đến nay, phần lớn cỏc nghiờn cứu khoa học đều theo phương phỏp “chia nhỏ” như vậy. Nhưng kết quả nghiờn cứu như thế, một khi ứng dụng một cỏch đơn thuần vào trong thực tế phức tạp, thường luụn bị va vấp, cú khi cũn cho kết quả trỏi ngược với ý muốn. Thớ dụ: việc phun thuốc bảo vệ thực vật nhằm bảo vệ cõy trồng và tớnh chống thuốc của sõu bệnh. Loài cỏ dại ớt bị tỏc dụng của thuốc trừ cỏ lại phỏt triển mạnh khi ta dựng thuốc trừ cỏ (như loài Eleocharis trong ruộng nước). Từ những thực tế đú, con người nhận thức được rằng tự nhiờn là phức tạp, do đú phải đối xử với nú như những sự vật phức tạp và cần phải tiến hành nghiờn cứu tổng hợp. Từ đú, một số thuật ngữ như “hệ thống”, “kỹ thuật học hệ thống” được sử dụng ngày một phổ biến hơn.
Như đó núi ở trờn, cú khỏ nhiều phương phỏp phõn tớch mà sinh thỏi học ỏp dụng, nhưng suy cho cựng đều xoay quanh yờu cầu tổng hợp. Sinh thỏi học là mụn khoa học cú tớnh tổng hợp rất cao. Bởi vỡ: 1) sự hỡnh thành của sinh thỏi học cũn tương đối trẻ, cũn chưa được chia nhỏ ra; 2) sinh thỏi học là một mụn khoa học phải lấy địa bàn nghiờn cứu thực địa làm chớnh để phỏt triển; 3) ở điều kiện thực tế, quan hệ giữa sinh vật và mụi trường, quan hệ giữa sinh vật với sinh vật rất phức tạp cả về cấu trỳc và chức năng, khụng dễ dàng gỡ mà lấy một phần đưa vào phũng thớ nghiệm. Người ta núi tớnh tổng hợp của sinh thỏi học rất cao cũng thể hiện ở những mặt đú.
Trong lĩnh vực kỹ thuật, gần đõy việc trang bị cơ giới cho sản xuất đó trở nờn vụ cựng phức tạp và với quy mụ ngày càng lớn. Khi dựng “bộ phận” kiến trỳc trước đõy để nghiờn cứu hoạt động chỉnh thể của những trang thiết bị này, do những chỉnh thể này quỏ phức tạp, nờn đó sinh ra quan niệm hệ thống (system concept). Một số hệ thống phức tạp như vậy được tổng hợp lại với nhau vỡ mục đớch nhất định, hoặc được vận dụng theo một quy luật nhất định (phương phỏp cú tớnh phổ biến). Những phương phỏp tổng hợp này được phỏt triển khụng ngừng và được gọi là kỹ thuật học hệ thống (system engineering).
Phần sau sẽ núi đến quỏ trỡnh nghiờn cứu của sinh thỏi học và kỹ thuật học thoạt nhỡn hỡnh như trỏi ngược nhau. éối tượng nghiờn cứu của sinh thỏi học đó tồn tại từ lõu, cũn kỹ thuật học hệ thống mới được hỡnh thành. Chỗ đứng của hai lĩnh vực tuy khỏc nhau, nhưng khỏi niệm hệ thống của chỳng lại giống nhau. Phần then chốt của phương phỏp xử lý hệ thống mà kỹ thuật học đề ra cú ý nghĩa tham khảo quan trọng đối với sinh thỏi học.
Cấu trỳc của hệ thống
Hệ thống: Hệ thống bao gồm nhiều thành phần cú quan hệ với nhau và tổ hợp lại với nhau một cỏch rất phức tạp để hợp thành một chỉnh thể cú ý nghĩa nhất định.
Trước hết cần bàn là vấn đề xỏc định cấu trỳc của hệ thống. Trong tập hợp nhiều thành phần hợp thành, xếp đặt cỏi nào với cỏi nào vào trong một hệ thống đương nhiờn là cú sự khỏc nhau do mục đớch nghiờn cứu, nhưng cũng khụng thể xếp đặt tuỳ ý được. Hỡnh 1.5 cho thấy, giả thiết cú 6 thành phần hợp thành, tập hợp thành phần [1, 2] và tập hợp [3, 4, 5, 6], những thành phần trong dấu múc [ ] cú quan hệ chặt chẽ hơn, vỡ thế đó trở thành cỏc tập hợp khỏc nhau. Trong trường hợp, nếu khụng cú lý do đặc biệt nào mà tuỳ ý vạch đường chấm chấm coi [1, 2, 3] là một hệ thống thỡ sẽ gõy khú khăn cho bước nghiờn cứu tiếp theo. Núi một cỏch khỏc, hệ thống là tập hợp do một số thành phần kết
hợp hữu cơ với nhau, cú thể phõn biệt nú với mụi trường hoặc hệ thống khỏc và cú
“tớnh độc lập” tương đối ở mức độ nhất định. Hệ thống 1 Hệ thống 1I Thành phần hợp thành 1 Thành phần hợp thành 2 Tớn hiệu ra Tớn hiệu vào Mụi trường Thành phần hợp thành 3 Thành phần hợp thành 4 Tớn hiệu vào Thành phần hợp thành 5 Thành phần hợp thành 6 Mụi trường Tớn hiệu ra
Hỡnh 1.5. Hệ thống là sự hợp thành của nhiều thành phần cú quan hệ với nhau, nối liền với mụi trường bằng đầu vào và đầu ra
Thành phần hợp thành: gọi là thành phần hợp thành tức là một số “bộ phận” hợp thành “hệ thống”, bản thõn chỳng lại do những thành phần cấp thấp hơn hợp thành. Những thành phần cấp thấp này lại do những thành phần cấp thấp hơn nữa tạo ra. Như trờn đó núi, nếu tiếp tục chia nhỏ khụng giới hạn, thỡ cuối cựng (với trỡnh độ hiện tại) cú thể đạt đến mức độ hạt cơ bản. Song dự khụng đạt đến mức độ hạt cơ bản hay nguyờn tử, chỳng ta cũng đủ để tỡm hiểu và nắm vững hệ thống sinh thỏi đồng ruộng, do đú việc chia nhỏ thành phần hợp thành nờn làm đến mức thớch hợp; đối với nội dung của thành phần (nú cấu tạo bởi cỏi gỡ) thỡ vẫn phải thừa nhận: cú tồn tại một “đơn vị thành phần hợp thành” mà đến đú người ta khụng truy hỏi gỡ thờm nữa. éú tức là “thành phần hợp thành” mà chỳng ta muốn núi đến.
Thành phần hợp thành giống như một chiếc hộp đen cú đầu vào và đầu ra (hỡnh 2.5). Giống như chiếc mỏy tự động bỏn hàng, bỏ đồng tiền vào (chuyển vào) thỡ một thứ hàng bật ra (chuyển ra) bất kể là bao thuốc lỏ hay chai nước quả, cơ cấu bờn trong tựa như khụng suy tớnh gỡ cả. Về quan hệ giữa “đại lượng vào” và “đại lượng ra” của cỏc thành phần đú cú thể xỏc định nhờ thực nghiệm, cũng cú thể lợi dụng kết quả nghiờn cứu của cỏc nhà chuyờn mụn liờn quan.
Nhưng dự thế nào đi nữa cũng cú thể xuất hiện một cục diện như sau, nếu khụng xột đến thành phần cấp thấp hay cấp thấp hơn nữa của thành phần hợp thành, sẽ khụng thể biểu hiện tốt hành động của thành phần hợp thành phức tạp hơn. Trong trường hợp này, chỳng ta lần lượt gọi là hệ thống con và hệ thống chỏu (subsubsystem) (hỡnh 3.5).
Thành phần hợp thành Yi Tớn hiệu ra Zi [= f(Xi)] Tớn hiệu vào Xi [= f(Ym)] Yi (Hộp đen)
Hỡnh 2.5. Sơ đồ hỡnh khối của thành phần hợp thành (yếu tố) của hệ thống thụng thường. éơn vị nhỏ nhất xử lý
coi như hộp đen
Mụi trường (tớn hiệu vào)
Ánh sỏng mặt trời Nhiệt độ khụng khớ Cỏ dại Cụn trựng Vi sinh vật Thành phần thổ nhưỡng Vi sinh vật đất Hệ thống tỏi sản xuất chất khụ (cõy trồng) Cơ quan quang hợp Cơ quan vận chuyển Cơ quan dinh dưỡng Cơ quan lưu trữ + + + + Hệ thống Thành phần hợp thành Hệ thống chỏu thành phần hợp thành Hệ thống con chỏu Thành phần hợp thành Hệ sinh thỏi đồng ruộng Hỡnh 3.5.Quan hệ của thành phần hợp thành hệ thống, hệ thống con, hệ thống chỏu Hỡnh 4.5. Phạm vi của hệ thống. Cú sự khỏc nhau do phạm trự vấn đề
khỏc nhau mà người ta nghiờn cứu Gọi là thành phần (yếu tố) của hệ sinh thỏi đồng ruộng là chỉ quần thể cõy trồng, cỏ dại, quần thể cụn trựng, NHB3 trong đất, khối lượng và số lượng vi sinh vật đất...
Hệ thống và mụi trường: Mụi trường của hệ thống là tổng hợp tất cả cỏc thành
phần bờn ngoài hệ thống, thuộc tớnh của nú thay đổi sẽ cú ảnh hưởng đến hệ thống và ngược lại, do hoạt động của hệ thống mà thuộc tớnh của thành phần mụi trường cũng bị ảnh hưởng theo.
Trờn thực tế, cỏi được coi là yếu tố bờn trong hệ thống và cỏi gỡ được coi là mụi trường là do cỏch nhỡn của con người đối với hệ thống, nhất là quy mụ của hệ thống được mở rộng đến mức độ nào, độ dài của toạ độ thời gian xem xột (lấy vấn đề phỏt sinh trong mấy thỏng làm đối tượng, hay xem xột thời gian sau 10 năm, 20 năm) khỏc
nhau mà cú nhiều sai khỏc. Thớ dụ, hệ thống đồng ruộng, như hỡnh 4.5 cho thấy, nếu lấy cõy trồng làm chớnh, thỡ cỏi ngoài cõy trồng như năng lượng mặt trời, nhiệt độ khụng khớ, cụn trựng, cỏ dại, vi sinh vật ... đều là “mụi trường” của nú. Lấy cõy trồng làm chớnh, đú là giải thớch chủ quan của loài người lợi dụng cõy trồng, nếu cho rằng cụn trựng và vi sinh vật trong sự hỡnh thành hệ sinh thỏi đồng ruộng, cũng quan trọng ngang với thực vật mới phự hợp thực tế, thỡ một bộ phận trong mụi trường lại cú thể được đưa vào trong hệ thống (hỡnh 5.5).
Trong việc nghiờn cứu sinh thỏi học đồng ruộng tớnh tổng hợp rất mạnh, dự mới đầu xuất phỏt từ hệ thống quy mụ nhỏ, nhưng theo sự tiến triển của việc nghiờn cứu (dần dần đưa mụi trường vào trong hệ thống), quy mụ của hệ thống tự nhiờn sẽ cú xu thế mở rộng, thậm chớ cuối cựng trở thành “hệ sinh quyển”.
Y1 Y4 Y2 Y3 Mụi trường A Mụi trường B Giới hạn của hệ thống
Hỡnh 5.5.Giới hạn giữa hệ thống và mụi trường
3
1
2
Những đặc trưng của hệ sinh thỏi
So sỏnh với hệ thống kỹ thuật, núi chung hệ sinh thỏi cú một số đặc trưng sau: 1/ Cú nhiều phản ứng tốc độ chậm hơn hệ thống kỹ thuật. So sỏnh quỏ trỡnh sản xuất của nhà hoỏ học và sản xuất sinh vật cần nhiều thời gian thỡ thấy sự khỏc nhau vụ cựng rừ ràng. Do đú, sự điều khiển đối với hệ sinh thỏi đồng ruộng, cú thật đỳng là cần “mỏy tớnh hệ thống tuyến tớnh” (Computer online system) hay khụng là vấn đề rất cần được quan tõm.
2/ Những thành phần cú phản ứng cực kỳ nhanh và những thành phần cú phản ứng rất chậm cựng nằm trong một hệ thống. Thớ dụ, quỏ trỡnh quang hợp xuất hiện phản ứng lấy giõy hoặc phỳt làm đơn vị; biến đổi hỡnh thỏi do sinh trưởng thỡ cần xột nhiều ngày thỏng hoặc nhiều năm. Ngoài ra, như sự phõn giải chất hữu cơ trong đất hay quỏ trỡnh biến đổi tớnh chất lý hoỏ học của đất, cần một thời gian tương đối dài mới đạt đến cõn bằng đại thể. Do đú khi xột đến vấn đề biến đổi trong thời gian ngắn, đối với những thành phần xem ra đó cơ bản ổn định, với thời gian kộo dài nếu vẫn coi chỳng là bất di bất dịch thỡ thường là dẫn đến sai lệch lớn. éối với hệ thống tồn tại hỗn hợp tốc độ phản ứng (định số thời gian) nhanh chậm khỏc nhau, khi tớnh toỏn bằng mỏy tớnh, cũng thường dễ trở thành nguyờn nhõn gõy ra sai số tớnh toỏn.
3/ Bản thõn “cấu trỳc” của cơ cấu (thành phần hợp thành) của hệ thống cũng cú biến đổi. Ở nhà mỏy bản thõn cơ cấu trong một thời gian nhất định khụng thể biến đổi lớn. Cho nờn “cấu trỳc quan hệ” chuyển vào, chuyển ra của đơn vị thành phần hợp thành cũng khụng biến đổi nhiều lắm, cũn trong hệ thống sinh vật lại khụng hề cú sự bảo đảm như vậy. Thậm chớ, cú thành phần hợp thành hoàn toàn khụng tồn tại trong một thời gian nào đú, nhưng sang thời gian khỏc lại xuất hiện phụ thờm vào trong hệ thống (như sự hỡnh thành cơ quan dự trữ của cõy trồng).
4/ Trong quan hệ hàm số chuyển vào, chuyển ra của thành phần hợp thành, phần nhiều là cú đặc tớnh bóo hoà và khụng tuyến tớnh khỏ rừ. Thớ dụ, quan hệ giữa nồng độ chất dinh dưỡng trong đất và tốc độ hỳt của rễ; quan hệ giữa cường độ chiếu sỏng và tốc độ quang hợp. Do đú, một loạt phương phỏp và thuật toỏn tuyến tớnh phỏt triển từ hệ thống kỹ thuật học khụng thể dựng y nguyờn như thế, đó đem lại nhiều khú khăn cho việc xử lý toỏn học đối với hệ thống sinh học.
5/ Bất kể là bờn trong hay bờn ngoài của hệ thống cũng đều tồn tại nhiều nhõn tố con người khú điều khiển. Vỡ thế, mặc dự đó tạo ra mụ hỡnh toỏn học hay mụ hỡnh mỏy tớnh và đó tiến hành thực nghiệm, nhưng muốn chứng thực kết quả thu được ở trong hệ sinh thỏi thực tế, cú khi lại vụ cựng khú khăn.
Quỏ trỡnh phõn tớch hệ thống (mụ hỡnh hoỏ và thực nghiệm mụ hỡnh)
Hệ thống kỹ thuật học là đối tượng mới hợp thành, cũn hệ thống sinh thỏi học đồng ruộng thỡ là đối tượng phõn tớch sẵn cú bày ra trước mắt. Do đú, mục đớch và quỏ trỡnh phõn tớch hai loại hệ thống ớt nhiều cú sự khỏc nhau. Nhưng điểm chung giống nhau là: mụ hỡnh đều cú tỏc dụng quan trọng.
Quỏ trỡnh của kỹ thuật học: Quỏ trỡnh hợp thành của hệ thống kỹ thuật học, trước
hết là từ chế tạo một hệ thống cú chức năng gỡ, cũng tức là bắt đầu từ việc xem xột tỉ mỉ điều kiện thiết kế của nú. Căn cứ vào những điều kiện này để làm thành kiểu dạng cụ thể của bản thiết kế, trải qua quỏ trỡnh kiểm nghiệm cỏc loại chi tiết, cuối cựng hợp thành hệ thống mà ta yờu cầu.
Hệ thống hợp thành, trước khi đưa vào sử dụng, tiến hành “chạy thử” ở cỏc điều kiện mụi trường. So sỏnh kết quả chạy thử với điều kiện thiết kế mong muốn, tiến hành tu sửa những chỗ khụng thớch đỏng. éể chế tạo thành hệ thống chất lượng cao, phải sửa đi sửa lại nhiều lần.
Song, trong mụi trường hệ thống quy mụ lớn cần đầu tư rất lớn, việc dựng thực vật để tiến hành “chạy thử” ở cỏc điều kiện khỏc nhau, hoặc xem kết quả để tiến hành sửa lại, đó ngày càng khú khăn cả về mặt kinh tế và về mặt kỹ thuật, thậm chớ khụng cho phộp làm như vậy. Do đú, trước khi “chế tạo” vật thực, phải chế tạo trước mụ hỡnh, cho thực nghiệm mụ hỡnh lặp đi lặp lại, tiến hành giải tớch trước và sửa đổi trước cho hệ thống (hỡnh 5.6).
Trong kỹ thuật học hệ thống, việc thực nghiệm mụ hỡnh đó trở thành phương phỏp quan trọng của việc giải tớch hệ thống và hợp thành hệ thống. Vỡ thế phương phỏp chế
tạo mụ hỡnh, phương phỏp thu được ngày càng nhiều thụng tin nhờ sử dụng mụ hỡnh và thực nghiệm mụ hỡnh cú sự phỏt triển nhảy vọt. Những phương phỏp đú cũng rất cú triển vọng trong nghiờn cứu sinh thỏi học.
Lập mụ hỡnh Th mụ hỡnh ực hiện Mạch diện hiệu chỉnh 2 Sai lệch 4 3 Mụ tả cỏc tớnh năng cú thể cú của hệ thống mục đớch 1 Hợp thành hệ thống mục đớch 5 [Thủ tục nghiờn cứu kỹ thuật học] Cỏch vận dụng hệ thố6 ng Vận dụng
[ Thủ tục nghiờn cứusinh thỏi ]
Lập mụ hỡnh Thực hiện mụ hỡnh Mạch diện hiệu chỉnh 2 Sai lệch