Tính tổng hợp của sinh thải học
Nghiên cứu khoa học thường cĩ hai hướng chính: một là cố gắng phân chia đối tượng nghiên cứu thành những phần rất nhỏ, rất thuần; hai là hướng tổng hợp tổ chức những đối tượng chia nhỏ lại. Phương pháp luận của hướng thứ nhất là rút lấy một phần tử trong hệ thống thực tế hết sức phức tạp, cố gắng cơ lập nĩ với mơi trường xung quanh, cấu thành một trường thuần “nhiệt độ và ẩm độ cố định” cĩ lợi cho thực nghiệm, tìm ra quy luật nào đĩ trong phần hệ thống đĩ; tránh những cái bên ngồi hệ thống được nghiên círu “lẫn vào" trong phạm vi thực nghiệm, tìm mọi cách làm cho hệ thống ửiực nghiệm trở thành “thuần khiết” nhất và thuần tuý; thậm chí phá hoại cả mơ tế bào phức tạp, làm đi làm lại để lấy ra một loại men nào đĩ, rồi dùng men “thuần” đĩ tiến hành thực nghiệm sinh hố theo kiểu “hệ thống ống nghiệm”.
Một hệ thống thực nghiệm dù là "thuần” đền đâu, nhưng nếu nghiên cứii ti mi hơn. thì hệ thống đĩ lại cĩ thể được cấu thành bởi nhiều thành phần thứ cấp, nghĩa là việc chia nhỏ lại được tiếp tục khơng giới hạn.
Một phát hiện mới bất kỳ nào đĩ trong nghiên cứu kiếu chia nhỏ như vậy. chi cần nĩ cĩ liên hệ với bàn chất cùa cùng sự vật. cĩ khi cũng cĩ hiệu quá trực liếp và cĩ tính ứng dụng tương đối lớn. Thí dụ: nếu phát hiện được một chất nào đĩ cĩ tác dụng làm tồn thương mạnh đổi với hệ thống hơ hấp hoặc hệ thống quang hợp cùa sinh vật, cĩ thể là một phần cực nhị, sẽ cĩ thể trờ thành một biện pháp cỏ hiệu quà hạn chế sâu bệnh hại và cỏ dại.
Cho đến nay. phần lớn các nghiên cứu khoa học đều theo phương pháp “chia nhỏ" như vậy. Nhưng kết quả nghiên cứu như thế, một khi ứng dụng một cách đơn thuần vào trong thực tế phức tạp. thường luơn bị va vấp. cĩ khi cịn cho kết quá trái ngược với ý muốn. Thí dụ: việc phun thuốc bảo vệ thực vật nhàm bảo vệ cây trồne và tính chống thuốc cùa sâu bệnh. Lồi cị dại ít bị tác dụng cùa thuốc trừ cỏ lại phát triển mạnh khi ta dùng thuốc trừ cỏ (như lồi Eìeocharis trong ruộng nước). Từ những thực tế đĩ, con
người nhận thức được ràng tự nhiên là phức tạp, do đĩ phái đối xứ với nĩ như những sự vật phức tạp và cần phái tiến hành nghiên cứu tồng hợp. Từ đĩ, một sổ thuật ngừ như “hệ thong”, “kỹ thuật học hệ thống” được sừ dụng ngày một phổ biến hơn.
Như đã nĩi ờ trên, cĩ khá nhiều phương pháp phân tích mà sinh thái học áp dụng, nhưng suy cho cùng đều xoay quanh yêu cầu tồng hợp. Sinh thái học là mơn khoa học cĩ tính tổng hợp rất cao. Bời vi: 1) sự hình thành cùa sinh thái học cịn tương đoi trc. cịn chưa được chia nhĩ ra; 2) sinh thái học là một mơn khoa học phái lấy dịa bàn nghiên cứu thực địa làm chính để phát triển; 3) ở điều kiện thực tế. quan hệ giữa sinh vật và mơi trường, quan hệ giữa sinh vật với sinh vật rất phức tạp cà về cấu trúc và chức năng, khơng dễ dàng gì mà lấy một phần đưa vào phịng thí nghiệm. Người ta nĩi tính tồng hợp của sinh thái học rất cao cũng thể hiện ở những mặt đĩ.
Trong lĩnh vực kỹ thuật, gần đây việc trang bị cơ giới cho sàn xuất đã trở nên vơ cùng phức tạp và với quy mơ ngày càng lớn. Khi dùng "bộ phận" kiến trúc trước đây dc nghiên cứu hoạt động chinh thể cùa những trang thiết bị này. do những chinh thê này quá phức tạp, nên đã sinh ra quan niệm hệ thống (system concept). Một sổ hệ thống phức lạp như vậy được tổng hợp lại với nhau vi mục đích nhất định, hoặc được vận dụng theo một quy luật nhất định (phương pháp cĩ tính phổ biến). Những phương pháp tổng hợp này được phát triển khơng ngừng và được gọi là kỹ thuật học hệ thống (system engineering).
Phần sau sẽ nĩi đến quá trình nghiên cứu cùa sinh thái học và kỹ thuật học thoạt nhìn hình như trái ngược nhau. Đối tượng nghiên cứu cùa sinh thái học đã tơn tại từ lâu. cịn kỹ thuật học hệ thống mới được hình thành. Chồ đứng của hai lĩnh vực tuy khác nhau, nhưng khái niệm hệ thống cùa chủng lại ciống nhau. Phần then chốt của phương pháp xử lý hệ thống mà kỳ thuật học đề ra cĩ ý nghTa tham khảo quan trọng đơi với sinh thái học.
lỉệ thống-. Hệ thống bao gồm n h iề u thành phần cĩ quan hệ với nhau và tồ hợp lại với nhau một cách rất phức tạp dc hợp th à n h một c h in h thố cĩ ý nghĩa nhất định.
Trước hết cần bàn là vấn dề xác dịnh cấu trúc cùa hệ thống. Trong tập hợp nhiều thành phần hợp thành, xếp đặt cái nào với cái nào vào trong một hệ thống đương nhiên là cĩ sự khác nhau do mục đích nghiên cứu. nhưng cũng khơng thể xếp đặt tuỳ ý được. Hình 1.5 cho thấy, giả thiết cĩ 6 thành phần hợp thành, tập hợp thành phần [1, 2] và tập hợp [3. 4, 5, 6], những thành phần trong dấu mĩc [ ] cĩ quan hệ chặt chẽ hơn, vì thế đà trớ thành các tập hợp khác nhau. 1'rong trường hợp. nếu khơng cĩ lý do đặc biệt nào mà tuỳ ý vạch đường chấm chấm coi [ 1. 2. 3] là một hệ thống thì sẽ gây khĩ khăn cho bước nghiên cứu tiếp theo. Nĩi một cách khác, hệ thong là tập hợp do một sổ thành phần kết hợp hữu cơ với nhau, cĩ thê phán h iệ t nỏ với mơi trường hoặc hệ thống khác và cĩ
"linh độc lập ” tương đ ối ớ mức độ nhất định. cấu trúc cùa h ệ thống
Hệ thơng I ỉỉệ thổn^ I ỉ
H ình 1.5. Hệ thống là sự hợp thành cùa nhiều thành phần cĩ quan hệ
với nhau, nối liền với mơi trường bằng đầu vào và đầu ra
Thành phần hợp thành: gọi là thành phần hợp thành tức là một sổ “bộ phận” hợp thành “hệ thống”, bản thân chúng 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 trên đã nĩi, nếu tiếp tục chia nhĩ khơng giới hạn, thi cuối cùng (với trình độ hiện tại) cĩ thể đạt đến mức độ hạt cơ bản. Song dù khơng đạt đến mức độ hạt cơ bản hay nguyên từ, chủng ta cũng đủ để tìm hiểu và nắm vừng hệ thống sinh thái đồng ruộng, do đĩ việc chia nhỏ thành phần hợp thành nên làm đến mức thích hợp; đối với nội dung của thành phần (nĩ cấu tạo bởi cái gì) thì vẫn phải thừa nhận: cĩ tồn tại một “đơn vị thành phần hợp thành” mà đến đĩ người ta khơng truy hỏi gi thêm nữa. Đĩ tức là “thành phần hợp thành” mà chúng ta muốn nĩi đen.
Thành phần hợp thành Yi
Tmhiéuvào ^ Yi Tin hiéu ra^
-V/ l-f(rm )ì (Hộp đen)
Thành phần hợp thành giống như một chiếc hộp đen cĩ đầu vào và đầu ra (hình 2.5). Giống như chiếc máy tự động bán hàng, bỏ đồng tiền vào (chuyển vào) thì một thứ hàng bật ra (chuyển ra) bất kể là bao thuốc lá hay chai nước quả, cơ cấu bên trong tựa như khơng suy tính gì cả. về quan hệ giữa “đại lượng vào” và “đại lượng ra” cùa các thành phần đĩ cĩ thể xác định nhờ thực nghiệm, cũng cĩ thể lợi dụng kết quả nghiên cứu cùa các nhà chuyên mơn liên quan.
Nhưng dù thế nào đi nữa cũng cĩ thể xuất hiện một cục diện như sau, nếu khơng xét đến thành phần cấp thấp hay cấp thấp hơn nữa của thành phần hợp thành, sẽ khơng thể biểu hiện tốt hành động của thành phần hợp thành phức tạp hơn. Trong trường hợp này, chúng ta lần lượt gọi là hệ thống con và hệ thống cháu (subsubsystem) (hinh 3.5).
H ình 2.5. Sơ đồ hình khối cùa thành
phần hợp thành (yếu tố) của hệ thốn^ thơng thường. Đơn vị nhị nhất xử lý
coi như hộp đen
H ệ thống Hệ thẳng con cháu Hệ thống cháu ỉhành phần hợp thành Thành phần ■ hợp thành “ Thành phần hợp thành Hình 3.5. Quan hệ của thành phần hợp thành hệ thống, hệ thống con, hệ thống cháu
Mỏ! trường (tin hiệu vào) ^Ảnh .vứrty mậl In r^ ớộ khịỉì^ kỉu^ ’ — ♦ — » r - - - - f 'u íiại — ( ' ơn irùnịỉ --- ị ị'i\inhvụi ___ *_L I__Ị_ _ _ > / ỉ hành phần ^ _
Hệ thống tủi san xuầí ch ai khị (cày trỏng) Cơ quan quang hợỊ 'T--- ( 'ư quan vận chuyéi “"•Ẫ" (V/ quan lưu trử Cơ quan 'Jinh íiườnị “X
Hệ sinh thãi đồng ruộnịi
H ình 4.5. Phạm vi cùa hệ thống.
Cĩ sự khác nhau do phạm trù vấn đề khác nhau mà người ta nghiên cứu Gọi là thành phần (yếu tố) của hệ sinh thái đồng ruộng là chỉ quần thể cây trồng, cị dại, quần thể cơn trùng, NH3 trong đất, khối iượng và số lượng vi sinh vậí đất...
Hệ thống và mơi trường: Mơi trường của hệ thống là tổng hợp tất cả các thành
phần bên ngồi hệ thống, thuộc tính của nỏ thay đổi sẽ cĩ ảnh hưởng đến hệ thống và ngược lại, do hoạt động của hệ thống mà thuộc tính của thành phần mơi trường cũng bị ảnh hưcmg theo.
Trên thực tế, cái được coi là yếu tố bên trong hệ thống và cái gì được coi là mơi trường là do cách nhìn của con người đối với hệ thống, nhất là quy mơ của hệ thống được mở rộng đến mức độ nào, độ dài của toạ độ thời gian xem xét (lây vân đê phát sinh trong mấy tháng làm đối tượng, hay xem xét thời gian sau 10 năm 20 năm) khác
nhau mà cĩ nhiều sai khác, rhí dụ. hệ thống đồng ruộng, như hình 4.5 cho thấy, nếu lấy cây trồng làm chính, thi cái ngồi cây trồng như năng lượng mặt trời, nhiệt độ khơng khí, cơn trùng, cỏ dại, vi sinh vật ... đều là "mơi trường” của nĩ. Lấy cây trồng làm chính, đĩ là giài thích chù quan của lồi ngirời lợi dụng cây trồng, nếu cho rằng cơn trùng và vi sinh vật trong sụ hình thành hệ sinh thái đồng ruộng, cũng quan trọng ngang với thực vật mới phù hợp thực tế, thì một bộ phận trong mơi trường lại cĩ thể được đưa vào trong hệ thống (hình 5.5).
Trong việc nghiên cứu sinh thái học đồng ruộng tính tổng hợp rất mạnh, dù mới đầu xuất phát từ hệ thống quy mơ nhị. nhưng theo sự tiến triển của việc nghiên cứu (dần dần đưa mơi trường vào trong hệ thống), quy mơ của hệ thống tự nhiên sẽ cĩ xu thế mờ rộng, thậm chí cuối cùng trở thành “hệ sinh quyển”.
...
Giới hạn cùa hệ ihống
H ình 5.5. Giới hạn giữa hệ thống và mơi trường N hững đặc trưng của hệ sinh thải
So sánh với hệ thống kỹ thuật, nĩi chung hệ sinh thái cĩ một số đặc trung sau:
1/ Cĩ nhiều phản ímg tốc độ chậm hơn hệ thống kỹ thuật. So sánh quá trình sản xuất cùa nhà hố học và sản xuất sinh vật cần nhiều thời gian thì thấy sự khác nhau vơ cùng rõ ràng. Do đĩ, sự điều khiển đối với hệ sinh thái đồng ruộng, cĩ thật đúng ià cần “máy tính hệ thống tuyến tính" (Computer O nline sỷstem) hay khơng là vấn đề rất cần được quan tâm.
2/ Những thành phần cĩ phản ứng cực kỳ nhanh và những thành phần cĩ phản ứng rất chậm cùng nam trong một hệ thống. Thí dụ, quá trình quang hợp xuất hiện phản ứng lấy giây hoặc phút làm đơn vị; biến đổi hình thái do sinh trưởng thi cần xét nhiều ngày tháng hoặc nhiều năm. Ngồi ra, như sự phân giải chất hữu cơ trong đất hay quá trình biến đổi tính chất lý hố học cùa đất, cần một thời gian tương đối dài mới đạt đến cân bàng đại thể. Do đĩ khi xét đến vấn đề biến đổi trong thời gian ngẩn, đối với những thành phần xem ra đã cơ bàn ổn định, với thời gian kéo dài nếu vẫn coi chúng là bất di bất dịch thì thường là dẫn đến sai lệch lớn. Đổi với hệ thống tồn tại hỗn hợp tốc độ phản úng (định sổ thời gian) nhanh chậm khác nhau, khi tính tốn bàng máy tính, cũng thưịmg dễ trở thành nguyên nhân gây ra sai số tính tốn.
3/ Bàn thân “cấu trúc" của cơ cấu (thành phần hợp thành) cúa hệ thống cũng cĩ biến đổi. ở nhà máy bản thân cơ cấu trong một thời gian nhất định khơng thế biến đồi lớn. Cho nên “cấu trúc quan hệ” chuyển vào. chuyển ra của đơn vị thành phần hợp thành cũng khơng biến đổi nhiều lắm, cịn trong hệ thống sinh vật lại khơng hề cĩ sụ bảo đàm như vậy. Thậm chí, cĩ thành phần hợp thành hồn tồn khơng tồn tại trong một thời gian nào đĩ, nhưng sang thời gian khác lại xuất hiện phụ thêm vào trong hệ thống (như sự hình thành cơ quan dự trữ của cây trồng).
4/ Trong quan hệ hàm số chuyển vào, chuyển ra của thành phần hợp thành, phần nhiều là cĩ đặc tính bão hồ và khơng tuyến tính khá rõ. Thí dụ, quan hệ giữa nồng độ chất dinh dường trong đất và tốc độ hút của rễ; quan hệ giữa cường độ chiếu sáng và toc độ quang hợp. Do đĩ, một loạt phương pháp và thuật tốn tuyến tính phát triển từ hệ thống kỳ thuật học khơng thể dùng y nguyên như thế, đã đem lại nhiều khĩ khăn cho việc xừ lý tốn học đối với hệ thống sinh học.
5/ Bất kể là bên trong hay bên ngồi của hệ thống cũng đều tồn tại nhiều n h â n .tơ con người khĩ điều khiển. Vì thế. mặc dù đã tạo ra mơ hình tốn học hay mơ hình máy tính và đã tiến hành thực nghiệm, nhưng muốn chứng thực kết quà thu được ờ trong hệ sinh thái thực tế, cĩ khi lại vơ cùng khĩ khăn.
Quá trình phân tích hệ í hống (mơ hình hố và thực nghiệm mơ hình)
Hệ thống kỳ thuật học là đối tượng mới hợp thành, cịn hệ thống sinh thái học đồng ruộng thì là đối tượng phân tích sẵn cĩ bày ra trước mắt. Do đĩ, mục đích và quá trình phân tích hai loại hệ thống ít nhiều cĩ sự khác nhau. Nhưng điểm chung giống nhau là: mơ hình đều cĩ tác dụng quan trọng.
Quá trình cùa kỹ thuật học: Quá trình hợp thành của hệ thống kỹ thuật học, trước
hết là từ chế tạo một hệ thống cĩ chức năng gì, cũng tức là bắt đầu từ việc xem xét ti mi điều kiện thiết kế cùa nĩ. Căn cứ vào những điều kiện này để làm thành kiểu dạng cụ thể của bản thiét ké, trải qua quá trình kiểm nghiệm các loại chi tiết, cuơi cùng hợp thành hệ thổng mà ta yêu cầu.
Hệ thống hợp thành, trước khi đưa vào sử dụng, tiến hành “chạy thừ" ờ các điều kiện mơi trường. So sánh kết quả chạy thử với điều kiện thiết kế mong muốn, tiến hành tu sửa những chỗ khơng thích đáng. Để chế tạo thành hệ thống chất lượng cao, phải sứa đi sửa lại nhiều lần.
Song, trong mơi trường hệ thống quy mơ lớn cần đầu tư rất lớn, việc dùng thực vật để tiến hành “chạy thử” ở các điều kiện khác nhau, hoặc xem kết quả để tiến hành sừa lại, đã ngày càng khĩ khăn cả về mặt kinh tế và về mặt kỹ thuật, thậm chí khơng cho phép làm như vậy. Do đĩ, trước khi “chế tạo” vật thực, phải chế tạo trước mơ hình, cho thực nghiệm mơ hình lặp đi lặp lại, tiến hành giải tích trước và sừa đơi trước cho hệ thống (hình 5.6).
Trong kỹ thuật học hệ thống, việc thực nghiệm mơ hinh đã trờ thành phương pháp quan trọng của việc giải tích hệ thống và hợp thành hệ thống. Vì thê phương pháp chê
tạo mị hình, phương pháp itni dược nuày cànù nhiồu thơng tin nhờ sứ dụnu mỏ hình và thực nghiệm mơ hinh cĩ sụ phái Iriơn nháv vọt. Những phưưniỉ pháp dĩ cũng rất cĩ triên vọng trong nghiên cứu sinh thái học.
[Thu tục nỉỊhiữn cihi k\ thuậí lìoc
G ) MƠ tu cúc . Q tinh nủrtịĩ cĩ thê cỏ cua hệ ỉ hơng mục itich ÌmỊì mị hình c Thực hiện mỏ hình Mạch c/icn hiệu chỉnh íi} Sai lệch T ~ thành hệ ỉhon^ mục (iỉch — ... — Cách vận dụng hệ thơng
Thu tục ìiịĩ^hiên cicusinh thủi
ỉ ỉ ẽ D iè ìi tr ư th ự c .SVÍ ịịệ u s in h íh ú i — ^ n g h iệ m hệ ỊỈìỏ n g th ự c íc — ► íỉiẻ ìỉ tr u th ự c nịỊhỉệỉĩĩ i . Q Lập mỏ (ĩ). Thực hỉận hình mị lĩinh Mạch diện hiệu chỉnh. 1 3 ỉệch
Plhìí hiện (lữ íài thực nghiệm mới
Ũ
( 'úcỉì iíiéỉỉ khiên hệ sinh thái
H ình 6.5. Doi chiếu quá trình hợp thành hộ thống kỹ thuật học