מערכת מפזרת

סופת הוריקן היא דוגמה למערכת מפזרת. הסופה היא בעלת מבנה מובחן שאינו כאוטי, ומצד שני היא תלויה בהפרשי טמפרטורה כדי להמשיך ולהתקיים. בסופו של דבר המערכת גורמת לפיזור אחיד יותר של החום בסביבה. בתמונה סופת ציקלון (הוריקן) קתרינה שפגעה באוקיאנוס האטלנטי ב-2004.

מערכת מפזרת (באנגלית: Dissipative System) הקרויה גם מבנה מפזר או מבנה דיאספטי (באנגלית: Dissipative Structure) היא מערכת פתוחה מבחינה תרמודינמית, שפועלת במרחק מסויים משיווי משקל תרמודינמי בתוך סביבה שאיתה היא מחליפה אנרגיה ו/או חומר.

הסבר

מערכת תרמודינמית מבודדת היא מערכת שלא מחליפה חומר או אנרגיה עם סביבתה. לפי החוק השני של התרמודינמיקה מערכת כזו שואפת לשיווי משקל תרמודינמי. כלומר, אם המערכת היא מבודדת ובמצב ההתחלתי יש לדוגמה הפרשי טמפרטורה בין 2 חלקים שלה, החום יזרום בתוך המערכת מהמאגר החם אל המאגר הקר. כל עוד קיימת זרימה כזו, ניתן לנצל אותה כדי להפיק עבודה, עקרון זה מנוצל בכל מנועי החום (כמו מנוע קיטור לדוגמה). הזרימה תתקיים עד שהטמפרטורה בתוך המערכת תהיה אחידה, והחום יהיה מפוזר בה באופן אחיד. דבר זה מכונה מות החום של המערכת, וללא התערבות חיצונית, לא יהיה בה שום שינוי.

מערכת תרמודינמיות פתוחה, היא מערכת שבה קיימת זרימה של זרם של אנרגיה ו/או של חומר דרך גבולות המערכת. דוגמה למערכת כזו היא תא, יצור חי, מנוע או מכונה. מקרה פרטי למערכת פתוחה היא מערכת תרמודינמית סגורה שבה יש אפשרות זרימה של אנרגיה דרך גבולות המערכת, אבל אין זרימה דומה של חומר. דוגמה למערכת כזו היא כדור הארץ שמקבל אקסרגיה מהשמש, ופולט חום (אבל כמעט אין זרימה של חומר אליו למעט מטאוריטים או לוויינים). מערכות אלה נמצאות במרחק מסויים משיווי משקל תרמודינמי - לדוגמה יש בתוכן הפרשי טמפרטורה, והן עצמן או תת מערכות בתוכן יכולים להשתמש בזרם האקסרגיה כדי לבצע עבודה. מערכות תרמודינמיות כאלו שומרות על צורה או על מבנה על ידי פיזור מתמשך של אנרגיה. משום כך מערכות אלה קרויות "מבנים מפזרים". מערכות אלה נחקרו על ידי הפיזיקאי הבלגי איליה פריגוז'ין (Ilya Prigogine) ועמיתיו, מחקר שזיכה את פריגוז'ין בפרס נובל לכימיה בשנת 1977.

פריגוז'ין הראה כי מבנים מפזרים יכולים לשמור על מצב יציב במשך זמן ממושך שבו מתקיימת אנטרופיה נמוכה באופן מקומי. דבר זה מוביל להגדלת האנטרופיה במערכת הכללית יותר (שמכילה את המבנה המפזר), בהתאם לחוק השני של התרמודינמיקה. המערכות המפזרות תלויה בזרימת אנרגיה אל ומתוך המעטפת של המערכת כדי לשמור על הארגון הפנימי שלהן - כלומר כדי ולשמור על המצב האנטרופי הנמוך שלהן.

מערכות מפזרות כוללות תופעות כמו תאי זרימה, סופות טורנדו וסופות הוריקן. דוגמאות מסובכות יותר כוללות לייזרים, תאי בנארד (Bénard cells) ואת Belousov-Zhabotinsky reaction. דוגמאות מורכבות עוד יותר כוללות מערכות חיות, כמו תאים, יצורים חיים או מערכות אקולוגיות, כמו כן מכונות שונות, מערכות חברתיות - מוסד חברתי כמו כסף, שוק משוכלל, פירמות מדינות הן בעצם סוג של מערכות מפזרות.

התיאור הרשמי של פריגוז'ין מוגבל לסביבה של מצבים קרובים לשיווי משקל. דבר זה נובע מכך שהניתוח שלו תלוי בהתפשטות לינארית של פונקציית האנטרופיה בשיווי משקל. דבר מהווה מגבלה רצינית ליישום התאוריה שלו במערכות מורכבות יותר כמו מערכות חיות או מערכות כלכליות, שיש בהן כמות נמוכה יותר של אנטרופיה ולכן הן רחוקות יותר משיווי משקל.

אנטרופיה פנימית וחיצונית

במערכת תרמודינמית נתונה, ניתן להגדיר את dS כשינוי באנטרופיה במערכת על פני פרק זמן מסויים.

במערכת תרמודינמית פתוחה ניתן לחלק את dS לשני חלקים: dS_e ו-dS_i כך ש:

dS = dS_e + dS_i

dS_e - השינוי באנטרופיה במערכת עקב החלפת חומר או אנרגיה עם הסביבה, e - Exchange
dS_i - השינוי באנטרופיה במערכת עקב תהליכים אי-הופכיים פנימיים למערכת, i - Internal

מהחוק השני של התרמודינמיקה מתקיים dS_i>= 0 (ומתקיים שיוויון במצב של שיווי משקל) - שכן כל תהליך יוביל לגידול באנטרופיה הפנימית, למעט במצב של שיווי משקל. כמו כן החוק השני מוביל לכך שבמערכת מבודדת dS_e = 0. ואילו במערכת פתוחה dS_e יכול להיות חיובי או שלילי - תלוי אם קיים יצוא או יבוא של אנטרופיה לסביבה.

במובן זה מערכת פתוחה שונה ממערכת מבודדת. אם dS_e הוא שלילי, יש יצוא של אנטרופיה מתוך המערכת והיא יכולה לשמור על רמה קבועה של אנטרופיה או להוריד את האנטרופיה הפנימית.

סוגי מערכות מפזרות

ניתן להבחין במספר סוגים של מערכות מפזרות, שכולן צורכות אקסרגיה פולטות חום כדי לשמור על סדר פנימי כלשהו, רחוק משיווי משקל. הגעה לשיווי משקל תרמודינמי פירושה מוות או הקפאת פעילות:

שמשות - הופכות אנרגיית כבידה ואנרגיית היתוך גרעיני לאנרגיית חום ולסוגי קרינה שונים כמו אור. בסופו של התהליך השמש מכלה את האנרגיה הגלומה בה והופכת לננס לבן, סופרנובה, או חור שחור בתלות במסה שלה.
מערכות גאופיזיות נוספות כוכבי לכת, שביטים, סופות ותופעות מזג אוויר, תהליכי זרימה של נוזלים. הן גם מערכות מפזרות. הוריקן לדוגמה הוא מערכת מפזרת שמנצלת את החום הגלום באוקיינוס ורותמת אותו לשמור על מבנה מרחבי מוגדר של סופה בעלת צורה מוגדרת. כאשר ההוריקן מגיע ליבשה, נגמר מאגר החום שמפרנס אותו ולאט לאט הוא מאבד מעוצמתו ומתפוגג.
יצורים חיים כולל חד תאים, ויצורים רב תאיים כמו צמחים או בעלי חיים (כולל האדם). היצורים החיים מנצלים אנרגיה שמקורה הוא בעיקרו אור שמש, מתרגם דרך ייצור ראשוני לאנרגיה כימית שזורמת בתוך המערכות האקולוגיות, כדי לשמור על סדר פנימי - בתוך התאים. ביצורים רב-תאיים יש גם שמירה על סדר פנימי בסדרי גדול גדולים יותר - כמו איברים או מערכות בגוף (כבד, מוח, מערכת העצבים, מערכת החיסון). כאשר נגמרת האנרגיה (רעב) או אם יש פגיעה גדולה מידי בסדר הפנימי - לדוגמה מקרים של סרטן או פגיעה בתאונה - הסדר הפנימי הקיים קורס. על פי תאוריית הגן האנוכי המטרה העיקרית של מערכות אלה היא להעביר גנים הלאה לדורות הבאים, וחלק גדול מהתנהגותן מכוון לשרידה, לרבייה ולשיפור השרידה של דורות העתיד. במילים אחרות - לשכפל את הסדר הפנימי הקיים במערכת החיה הלאה למערכות חיות עתידיות.
מערכות אקולוגיות ומחזורים אקולוגיים אשר שומרים על סידור פנימי כלשהו. בניגוד ליצורים חיים, מבנים אלה הם מבנים מבוזרים ולא היררכיים (בהקשר של מטרה), אין להם מטרה מוגדרת והוא מתקיים תודות לשיווי משקל הדדי בין מינים שונים. עם זאת לפי קיי ושניידר, ממלאים מחזורים אלה תפקיד בשיפור הפיזור של אקסרגיה באופן מהיר יותר.
הון פיזי או טכנולוגיות ובמיוחד מכונות. המכונות הומצאו בידי האדם, מתוך כוונה לשרת מטרות כלשהן. ניתן לטעון שהן המשך של הגופים הביולוגיים בניסיון לתת יתרון בהעברת גנים הלאה (אם כי יש להן מאפיינים שונים כמו יכולת העברת הטכנולוגיה ליצורים אחרים). ניתן לחלק את הטכנולוגיות לכלים (כמו מברג, אבני צור, סל) ולמכונות (נול אריגה, מנוע, מכונית, מחשב). הכלי הוא חסר מצבים פנימיים ואין לו תתי-מערכות, בעוד המכונה מורכבת מתתי-רכיבים ומשנה את המצב הפנימי שלה תוך כדי עבודה. כלים ומכונות זקוקים לתחזוקה שוטפת כדי להישאר במצב תקין (לדוגמה שימון, טיפול נגד חלודה וכו'). הן הכלים והן המכונות זקוקים לאנרגיה חיצונית כלשהי שתפעיל אותן ותאפשר להן לייצר עבודה, אבל מכונה יכולה לשמור בתוכה אנרגיה אצורה על ידי מצב פנימי רחוק משיווי משקל או מאגר אנרגיה. מכונה יכולה להיחשב מערכת דיאספטית בפני עצמה שכן היא יכולה לפעול על ידי דלק מחצבי כלשהו, ללא מגע יד אדם, בעוד שכלים רחוקים יותר מהתואר של מערכת דיאספטית.
מוסד חברתי - כמו בית ספר, שבט, להקה בעלי חיים, תאגיד, מדינה, שוק, פירמה, בית משפט, כסף, שפה - מוסד חברתי צריך לשמור על סדר פנימי כלשהו והוא דורש כילוי של אקסרגיה כדי לשמור על סדר זה. המוסד החברתי מתפרק אם מסה קריטית של חבריו עוזבת אותו, מפסיקה להאמין בעקרונות שיצרו אותו (מיתוס) או מתה ואין מספיק אנשים (או יצורים חיים אחרים) כדי לשמור על תפקוד המוסד. המוסד החברתי יכול להיעזר בטכנולוגיות כדי להתקיים (לדוגמה שימוש במחשבים בבורסה). בניגוד לטכנולוגיה או ליצורים חיים קשה יותר לתחום את המוסד החברתי בגבול פיזי מוגדר ולכן אפשר לערער על הכללת מוסדות חברתיים בתור מערכת מפזרת. עם זאת ניתן לראות כי למוסד חברתי יש נטיה למשוך ל"שיווי משקל" משלו - בלי קשר לרצונם של האנשים שמרכיבים אותו. דוגמה לכך היא ראיית מלחמה כמערכת דיאספטית. בספר "מלחמה ושלום" מציג טולסטוי כיצד המלחמה היא בעלת הגיון משלה, שאינו תלוי בהכרח באנשים שכיבכול מנהלים אותה. מלכים וראשי ממשלות יכולים להשפיע בנקודות מסויימות על מהלך המלחמה, אבל יש תהליכים שיש להם דינמיקה משל עצמם והיכולת לשלוט בהם מוגבלת.
מערכת כלכלית בתחום גאוגרפי מסויים - אם זה איזור גאוגרפי נתון, מפעל, מדינה, עיר או המערכת העולמית כולה - יכולה להיחשב כמערכת דיאספטית שמקבלת אנרגיה באמצעות אנרגיות מתחדשות - כולל מזון ובאמצעות דלקים מחצביים, פולטת חום וקרינת אור, וצורכת גם חומרי גלם מהסביבה, מייבאת ומייצאת סחורות לכלכלות אחרות, ופולטת חומרי פסולת שונים וזיהום.

יישום של ניתוח מערכות מפזרות בתחומים שונים

יישום בפיזיקה ובכימיה

הניתוחים הנפוצים ביותר של תפקוד מערכות מפזרות מופיעים בתחומי הפיזיקה והכימיה, בעיקר בתחומים הקשורים לתרמודינמיקה.

מערכות מפזרות בתורת הבקרה

בתאוריה של תורת הבקרה ושל מערכות, מערכות מפזרות הן מערכות דינמיות עם מצב (X(t, קלט (u(t ופלט y(t), שמקיימות את מה שקרוי "אי שוויון מפזר" ("Dissipation inequality") בהינתן פונקציה W על UxY, עם אינטגרל סופי של המודולים שלה עבור פונקציית קלט u ומצב התחלתי x(0) מעל כל פרק זמן סופי t, שנקרא "קצב ההיצע", נאמר שמערכת היא מפזרת אם קיימת פונקציה V(x) שהיא רציפה ואי-שלילית כך ש-V(0)=0, ואשר קרויה פונקציית אחסון Storage function. כך שעבור כל קלט u ומצב התחלתי x(0) ההפרש V(x(t)) - V(x(0)) לא עובר את האינטגרל של ההיצע מעל הקטע (0,t) עבור כל t.

פיזור חומר ואנרגיה בתהליכים ביולוגיים

ערך מורחב – החוק השני של התרמודינמיקה בביולוגיה

מערכות כמו כלכלה או מערכות ביולוגיות הן מבחינה תרמודינמית מערכות הנמצאות רחוק משיווי משקל תרמודינמי.

בסוף המאה ה-19 היו מספר הוגים שחשבו שיש סתירה בין החיים לבין החוק השני של התרמודינמיקה, שכן מערכות תרמודינמיות פתוחות נותחו כמערכות מבודדות שבהן האנטרופיה עולה תמיד. במערכת מבודדת אין כניסה של אנרגיה למערכת ולכן רמת האנטרופיה או "אי הסדר" במערכת הולך וגדל. לעומת זאת במערכת ביולוגית יש כניסה מתמדת של אנרגיה - בעיקר אנרגיה סולארית המספקת אנרגיה לכל היצורים החיים בצורה ישירה (פוטוסינתזה) או עקיפה ייצור ראשוני). מערכות ביולוגיות (כמו תא, יצור חי, מערכות אקולוגיות יכולות לשמור על רמה מסויימת של אנטרופיה נמוכה (או מבנה מסודר), רק על ידי פרוק מתמיד של חומר ואנרגיה ופיזורם אל הסביבה החיצונית. ארווין שרדינגר הצביע על כך בספרו "מהם החיים" בשנת 1945, וטען כי כל היצורים החיים חייבים לייבא אנטרופיה נמוכה מסביבתם, ולייצא אליה אנטרופיה גבוהה (או פסולת) כדי לשרוד. כיום יש חוקרים אשר מנסים ליישם תובנות של מערכות תרמודינמיות רחוקות משיווי-משקל בתחומי הביולוגיה.

האופי ה"חי" של אוניה

ברוב הניתוחים של מדעי החברה או של טכנולוגיה קיימת הנחה כי העולם בנוי מחלוקה דיכוטומית בין בני אדם לבין טבע דומם. לבני אדם יש רצונות, יכולת פעולה ותגובה, ולעומתם יש עולם דומם אשר מעוצב לפי ראות עיני בני האדם ואין לו מסלול משלו או יכולת פעילות עצמאית. בדוגמה זו, הטבע או טכנולוגיה משולים לערימת אבנים - אם לוקחים אבן ומניחים אותה במקום אחר, היא אינה זזה ממקומה, אין לאבן רצונות משלה ואין לה יכולת פעולה. בניתוח של כלכלה נאו-קלאסית לדוגמה, כלכלנים מניחים שהטבע הוא רק ספק של חומרי גלם וכי מי שקובע איך תתנהג הכלכלה הם רק בני האדם. באופן דומה, בניתוחים של טכנולוגיה יש הוגים רבים המניחים כי רק החלטות של בני אדם (כיחידים או כקבוצות) קובעות דברים כמו כיוון של שינוי טכנולוגי. היות ומכונות הם חומר דומם חסר מודעות, אין למכונות השפעה על תהליכים שנוגעים לכיוון שבו הטכנולוגיה נעה או על תהליכים חברתיים.

מערכות מפזרות הן מערכות שיש להן "אופי" ו"חיים" משל עצמן. למערכות מפזרות רבות יש נקודות שיווי משקל שאליהן הן רוצות להגיע, ונתיבי שיווי משקל, או "מושכים", שבמסלולים שלהם הן "רוצים" לנוע. היות ומערכת מפזרת היא מערכת דינמית שיש בה אקסרגיה; ה, המערכת חייבת להיפטר מאנרגיה זו - היא חייבת לעבור שינוי, ובכך גם לשנות את מצבה-הפנימי ואת מצב הסובב אותה. בכך מערכות דינמיות שוברות את הדיכוטומיה שקיימת לכאורה בין העולם החי (ובמיוחד בני האדם) לבין העולם הדומם. למרות שחלק מהמערכות המפזרות מורכבות מעצמים לא חיים, עדיין יש למערכות אלה היגיון פעילות משל עצמן שאינו תלוי ברצונם של בני האדם או בפעולות שבני האדם נוקטים.

דוגמה טריוויאלית היא חיפושית או בעל חיים אחר. לחיפושית יש הגיון פנימי משל עצמה ולכן הוא פועל אוטונומית, בצורה שאינה מוכתבת על ידי פעילות האדם (אם כי היא יכולה להיות מושפעת ממנה). יש גם תהליכים עקב פעילות גאופיזית כגון רעידות אדמה או סופות הוריקן. גם טכנולוגיה שבני האדם יצרו, לדוגמה ספינת קיטור, היא בעלת "רצון" או חוקיות שאינה מוכתבת על ידי בני אדם.

ספינה שבנויה מפלדה צפה על ידי דחייה כמות מספקת של מים על ידי גוף הספינה שמלא באוויר. כל עוד יש אוויר בספינה ולא מים המשקל הסגולי של הפלדה והאוויר יחד הוא קל יותר מזה של המים והספינה צפה. אם ספינה נוטה בזווית חדה מידי, או סובלת מפגיעה במעטפת, מים עלולים להיכנס לתוכה והיא תאבק את יכולת הציפה שלה. אוניה צריכה לשמור על איזון ב-2 צירים לפחות כדי לשמור על יכולת ציפה. אם כתוצאה מפעילות אנושית ו/או כתוצאה מכוחות חיצוניים (כמו סופה) או תהליך שנוגע לאוניה עצמה (עייפות מתכת) האוניה נוטה יותר מידי על ציר האורך שלה, לדוגמה החרטום נמוך מידי, היא עלולה לצאת משיווי משקל אחד (אוניה מאוזנת) ולנטות יותר ויותר לשיווי משקל אחר (אוניה לא מאוזנת או אוניה טבועה).

כאשר אוניה צפה על המים והחרטום והירכתיים שלה נמצאים באותו גובה היא נמצאת בשיווי משקל יציב באופן מקומי (הכוונה לשיווי-משקל פיזיקלי). יש תחום של הפרעה שבו שיווי המשקל נותר יציב גם אם יש שינוי במשקל היחסי של הירכתיים לעומת החרטום. לדוגמה אם אדם אחד עובר מהירכתיים לחרטום יש הבדל בשיווי המשקל, אבל ההפרעה קטנה מספיק כדי שהיא לא תורגש. מעבר לתחום היציבות יש תחום של אי-יציבות של שיווי המשקל- מעבר לסף מסויים כל הפרעה תגרום לגלישה לשיווי משקל אחר. עם כמה מכולות בבטן האוניה יגלשו קדימה האוניה עלולה להגיע לשיווי משקל חדש שבו החרטום נוטה קדימה והוא נמוך מהירכתיים. הזזה אחורה של המכולות היא קשה יותר במצב זה שכן יש שיפוע שמקשה על כך. המצב החדש עלול לגרור כניסת מים לחרטום האוניה ושקיעה נוספת שלו. מצב זה יוצר לולאת משוב מחזקת שבה החרטום כבד יותר ולכן נמוך יותר ולכן נכנסים יותר מים שמכבידים עליו יותר. אם לא תהיה התערבות מהירה מספיק (כמו שאיבת מים מהחרטום, ריקון מי זיבורית מהחרטום, העברת המטענים אחורה וכו') האוניה תטבע. האוניה הטבועה הנחה על קרקעית הים היא בשיווי משקל יציב בעל יציבות גבוהה יותר מאשר המצב המקורי של ציפה.

בני אדם יכולים לנסות למנוע מהאוניה לא מאוזנת לשקוע על ידי פעילות שונות שדורשות אנרגיה (העברת מטען לאחורי האוניה, שאיבת מים מהחרטום) אבל אם החרטום נוטה קדימה לאוניה יש דינמיקה משל עצמה שעלולה להסתיים בטביעת האוניה, בלי שאדם כלשהו התכוון שזו תהיה התוצאה. המטרה של צוות האוניה היא לשמור על אוניה בתוך "נישה" של תנאים שיאפשרו לה לשמור על שיווי המשקל היציב באופן מקומי בלי לסטות ממנו יותר מידי. אסור שהאוניה תהיה עם משקל יתר, עם מטען לא מאוזן, אסור שתפרוץ בה שריפה, או שיווצר חור בתחתית האוניה, מערכות בקרה שונות צריכות לעבוד ולספק לצוות יכולת ניטור והתערבות מהירה מספיק לפני הגעה לשיווי משקל חדש.

למימד הזמן יש היבט קריטי שכן מרגע מסויים בלתי אפשרי לעצור תהליכים שהחלו- עלולים להיות באוניה מספר תהליכים בלתי הפיכים - לדוגמה שריפה או כניסה של מים אל חרטום האוניה.

מבחינה פורמלית, צוות האוניה צריך לשמור על האוניה בתוך אוסף של שיווי משקל יציבים {A,B,C} כלשהו. שיווי משקל אחד יכול להיות לדוגמה אוניה ריקה ממטען. שיווי משקל אחר יכול להיות אוניה בעלת מטען מאוזן (מבחינת ירכתיים-חרטום). אם האוניה יוצאת משיווי משקל מסויים אלה, היא עלולה להגיע למחלקה של שיווי משקל בלי יציבים {D,E,F}. לדוגמה גל גדול שפוגע באוניה וגורם לשחרור מטען מהמקום שלו כך שחרטום האוניה נוטה בזווית של 3 מעלות קדימה. שיווי משקל בלתי יציבים אלה גורמים להפעלת כוחות בתוך האוניה שעלולים להוביל לתהליכי שינוי נוספים - שכן בזווית של 3 מעלות קדימה מופעל כעת כוח על כל המכולות באוניה כלפי חרטום האוניה וחלק מהם עלולים להנתק גם ולנוע קדימה ולהחמיר את זווית הנטיה. אם תרחישים כאלה מתרחשים האוניה עלולה להגיע למספר שיווי משקל אחרים {X,Y, Z} שבהם האוניה עצמה לא תתפקד (נניח זווית הנטיה קדימה כה גדולה עד כי מדחף האוניה בולט החוצה מהמים ולא יכול לקדם אותה) או תטבע.

יש מצבים שבהם מקבל החלטות כלשהו מציב את האוניה בשיווי משקל A, אבל שיווי משקל זה הוא רגיש מידי לשינויים - לדוגמה מכולה שלא אובטחה כמו שצריך, כתוצאה מתהליכים שונים - נניח קורוזיה של שרשראות או מגל קטן כלשהו המכולה משתחררת ממקוה וגולשת כעת לחרטום ומביאה את האוניה כולה למצב שיווי משקל B. האדם לא רצה להגיע למצב B אלא הגיע לשם עקב חוסר הכרות שלו עם זה ששינוי קטן עלול להוביל לכך, וכן קיום של תהליכים ושל אנרגיה שנמצאת בפעולה וכן מהאופי של האוניה עצמה (נניח האם יש בה חלוקה למחיצות שונות שימנעו החלקה של המכולה למרחק רב מידי קדימה). בכל מקרה, לאוניה יש יכולת להגיע למצב שיווי משקל חדשים שמקבל ההחלטות האנושי לא התכוון כלל להגיע עליהם.

השטת אוניה בתנאים שקטים ופשוטים היא עניין פשוט יחסית, שכן האוניה היא בעלת מערכות אוטומטיות ששומרות על כיוון התקדמות קדימה מכוח האינרציה. אולם תפעול ממושך של אוניה ובמיוחד תפקוד שלה בתנאים קיצוניים יותר מחייב קברניט מנוסה וצוות מקצועי. על הצוות לשמור על האוניה בגבולות בטחון מסויימים שלא יתקרבו יותר מידי לתנאים מסוכנים. מלחים רבים מדברים על אוניות כעל "she" ולא כעל "it" בדיוק בגלל שאוניה היא בעלת "אופי חי" או בעלת "אופי" כלשהו הנובע ממבנה האוניה, מתפקוד המערכות שיש בה וכן מהאופי של הצוות שמתפעל אותה - לדוגמה יש אוניות יציבות יותר או פחות, או אוניות שיש להן חוסן פנימי גדול יותר או פחות - יש אוניות שכאשר הן מתרחקות משיווי משקל בטוח בתחום מסויים - הן בעלות נטיה להחמיר את התנאים ונדרש מאמץ גדול יותר כדי להחזיר אותן לשיווי משקל בטוח.

האופי ה"חי" של טבע וטכנולוגיה בניתוחים במדעי החברה

מה שנכון לאוניה נכון גם למסוק לדוגמה. גם המסוק שואף להסתובב ולצאת מאיזון ועל הטייס לבקר אותו בכל רגע ורגע כדי לשמור על איזון. לעומת זאת מטוס שואף בזמן הטיסה לשמור על איזון והמשיך בדאייה כל עוד המנועים פועלים היטב. באופן דומה לכל טכנולוגיה יש במידה כזו או אחרת נטייה לשמור על איזון בתחום פרמטרים מסויים ולצאת משיווי משקל זה לכיוון שיווי משקל אחר כאשר התנאים משתנים. מערכת חשמלית עלולה לגרום לשריפה, נסיעה במכונית עלולה לגרום תאונת דרכים עקב כשל טכני או טעות אנוש. בתים עלולים להינזק עקב התיישנות החומר, רעידת אדמה, שריפה או סופה.

באופן דומה, מערכות טכנולוגיות באופן כללי עשויים להגיע למצבים לא רצויים ולא מתוכננים על ידי האדם. נהגים לדוגמה רוצים להגיע ממקום אחד לשני, אבל למכוניות יש דינמיקה משל עצמם ו"מושכים" שונים. כך שמכונית עלולה לסטות משיווי משקל שהאדם ייעד לה ולעבור לשיווי משקל אחר מסוכן לאדם.

כשם שיש תהליכים קצרי טווח כמו שריפה או תאונה, יצורים חיים, מערכות גאופיזיות וטכנולוגיות יכולים להיות מעורבים בתהליכים ארוכי טווח, לדוגמה תהליך של פרבור עקב שימוש במכוניות לשם תחבורה, או תהליך התחממות עולמית של פליטת גזי חממה. כמו בתהליכים קצרי הטווח גם בתהליכים ארוכי הטווח הדבר לא נובע בהכרח עקב בחירה אנושית בכך. בני אדם בוחרים להיות בשיווי משקל כלשהו A, אבל למערכות יש במצב זה דינמיקה משל עצמן והן גולשות לעבר שיווי משקל חדש או מסלול של מושך כלשהו B, משם הם עלולים להמשיך לכיוון של שיווי משקל חדש X שעלול להיות קטלני לבני אדם רבים, למערכות אקולוגיות או למין האנושי כולו.

מערכות מפזרות וכלכלה בת קיימא

חלק מההוגים שמנסים להבין כיצד לקיים כלכלה בת קיימא כמו בתחומים של כלכלה אקולוגית, אקולוגיה תעשייתית ואקולוגיה עירונית מיישמים שיטות כמו מטבוליזם תעשייתי. בשיטות אלה מנסים לאמוד על הדמיון בין גופים חיים או מערכות אקולוגיות כמערכות מפזרות, ולייבא שיטות מחקר מהן לשם ניתוח מערכות מפזרות חברתיות וכלכליות כמו מפעל, פירמה או הכלכלה האנושית כולה.

רוברט איירס מעיד כי קיימת אנלוגיה מושכת בין יצורים חיים לבין פעילות תעשייתית ספציפית וכן בינם לבין המערכת הכלכלית כולה. בכל המקרים מדובר ב:

מערכות שנועדו לבצע עיבוד של חומרים שמונעות על ידי אקסרגיה (ג'ורג'סקיו רוגן, 1971)
מערכות מפזרות בעלות ארגון עצמי שנמצאות במצב יציב רחוק משיווי משקל תרמודינמי (איירס 1988).

הפעילות התעשייתית עצמה היא לא בעלת ארגון עצמי ישיר, אלא שארגון כזה מתקבל על ידי מגבלות של בני אדם שמעורבים בתהליך כעובדים וכצרכנים.

מערכות דיאספטיות כגורם מקשר בין תחומים שונים

מערכות דיאספטיות הן כנראה המכנה המשותף הגבוה ביותר שאפשר להצביע עליו בניתוח של מערכות ביולוגיות, טכנולוגיות וחברתיות.

ניתן להסתכל על כלכלה ועל תהליכים ארוכי טווח כעל מערכת שמשלבת שלושה תהליכים אבולוציוניים על מידע - מידע גנטי, מידע חברתי (ממים) ומידע טכנולוגי ואלה באים לידי ביטוי ב- 3 סוגים של מערכות דיאספטיות - יצורים חיים ומערכות אקולוגיות, מוסדות חברתיים (כמו שוק, מדינה, קהילה, בתי ספר, נישואים, נורמות, כסף, מניות, תאגידים) וטכנולוגיה.

שלושת התחומים האלה משפיעים זה על זה- לדוגמה טכנולוגיית הדפוס שינתה את הפופולריות של יכולת הקריאה וזו מאפשרת מוסדות רבים נוספים כמו חוזים מורכבים, דמוקרטיות, מאמרים מדעיים ועוד, שינוי זה הוא בעל השפעה על הכלכלה והחברה ודבר זה משפיע על השכיחות של גנים בקרב בני אדם ובקרב יצורים אחרים על ידי שינוי התנאים הסביבתיים והחברתיים שמשנים את הסלקציה לגנים אלה. הדוגמה הקלאסית היא זיהום אוויר בבריטניה שהוביל לכך שעשים לבנים בלטו יותר על רקע עצים שחורים מפיח ולכן הפכו נדירים יותר ביחס לעשים שחורים. החשיבות היחסית של כוח סבל פיזי, ושל כוח פיזי ועמידות לתנאי סביבה של קור לסיכוי השרידה מול תכונות כמו יכולות מתמטיות ועיבוד מילולי משתנות בין דייגים בפינלנד של המאה ה-10 לבין צאצאיהם במאה ה-21. הקשת הארוכה ואחר כך הרובים הופכו את הצבאות לדבר דמוקרטי יותר (בניגוד לצבא אבירים שנותן יתרון צבאי לקבוצה עשירה ומלוכדת שיכולה לרכוש נשק יקר ולהתאמן בו), הטכנולוגיה גם משפיעה על המערכות האקולוגיות (זיהום, כריתת יערות, שינוי מחזור הזרחן החנקן הפחמן), ועל הברירה הטבעית עבור בני האדם ויצורים אחרים.

אנחנו מוקפים במערכות מתפקדות שצריכות אנרגיה כדי להמשיך לתפקד וכנראה צריכות הרבה תנאים אחרים. הכלכלה מניחה שהיקום לפני עבודה אנושית הוא ריק - רובינזון חי על אי, ואם הוא עובד יותר יש לו יותר תפוחים. קיים מחסור נתון. אם נעבוד יותר - המחסור יקטן. הראיה המערכתית אומרת שהעולם לא ריק - הוא מלא במערכות (כמו מערכות אקולוגיות, אמון שנוצר בקהילות, ידע אודות תזונה טובה, הרגלי כושר גופני ועוד) ולכן נוכל לשפר את מצבנו רק אם אנחנו לא פוגמים תוך כדי במערכות נוספות או אם הפגיעה במערכות אלה מקבלת פיצוי מספיק משמעותי מבניית מערכות אחרות.

ראו גם

קישורים חיצוניים

מערכת מפזרת בוויקיפדיה האנגלית
איכות הסביבה בהיבט אבולוציוני עתידי, פרופ' זאב נאוה, "סביבות", חוברת 32, אפריל 1994, מאתר סנונית.
זמן, מבנה ותנודות ההרצאה של איליה פריגוז'ין בטקס הענקת פרס הנובל, אודות מבנים מפזרים, 1977.
WILLIAM E. REES The Eco-Footprint of Agriculture: A Far-from-(Thermodynamic)-Equilibrium Interpretation

מערכות מורכבות

מושגי יסוד: הוליזם - שיווי משקל - תהליך - אנטרופיה - אקסרגיה - החוק השני של התרמודינמיקה - מידע - ארגון עצמי - הגחה - לולאת משוב - תהליך בלתי הפיך - עמידות - חשל - גידול מעריכי - תגובת יתר

מערכות, מודלים וגישות: מערכת מורכבת - מערכת מפזרת - מודל מבוסס סוכנים - מערכת מורכבת אדפטיבית - חשיבה מערכתית - דינמיקה של מערכות - תורת המידע - כלכלה אבולוציונית - כלכלת מורכבות - שיטת המערכות הרכות

מערכות ואקולוגיה: תהליך ארוך טווח - מחזור ביוגאוכימי - חוק המינימום של ליביג - פרדוקס ג'בונס - עקרון ההספק המקסימלי - הולון - אנרגיה גלומה - שירותי המערכת האקולוגית - ייצור ראשוני - מטבוליזם

ספרים ומאמרים: ספינת החלל כדור הארץ - גבולות לצמיחה - מעבר לגבולות - חוק האנטרופיה והתהליך הכלכלי - תריסר נקודות מינוף להתערבות במערכת - דינמיקת מערכות פוגשת את העיתונות - עיצוב כלכלה הוליסטית לעולם בר קיימא

אישים, הוגים וארגונים: דונאלה מדווז - ניקולס ג'ורג'סקיו-רוגן - האווארד ת. אודום - דיוויד בוהם - איליה פריגוז'ין - מכון סנטה פה