System
Ein System besteht aus Elementen (Komponenten, Subsystemen), die untereinander in Beziehung stehen.
Ein System lässt sich von seiner Umwelt (den übrigen Systemen) abgrenzen.
Bei Systemen unterscheidet man die Makro- und die Mikroebene: Auf der Makroebene befindet sich das System als Ganzes. Auf der Mikroebene befinden sich die Systemelemente.
Strukturierung, Eigenschaften und Wechselwirkungen der Elemente auf der Mikroebene bestimmen die Eigenschaften des Gesamtsystems auf der Makroebene.
Die Beziehungen (Relationen) zwischen den Elementen auf der Mikroebene sind Wirkungen sowie Stoff-, Energie- und Informationsflüsse.
Auf der Makroebene lassen sich zuweilen Beobachtungen machen, die aus dem Verhalten der Elemente auf der Mikroebene nicht vorhersehbar sind. (So lassen sich z. B. Konvektionszellen, die beim Erwärmen einer Flüssigkeit entstehen können, nicht aus dem Verhalten einzelner Moleküle der Flüssigkeit ableiten.)
Das System selbst ist wiederum Teil eines Ensembles von Systemen und bestimmt mit ihnen die Eigenschaften eines übergeordneten Systems.
Viele Systemtheoretiker verstehen ein System nicht als realen Gegenstand, sondern als Beschreibung oder Modell der Realität. Diese Beschreibung ist nicht richtig oder falsch sondern mehr oder weniger zweckmäßig.
Die Abgrenzung von Systemen gegeneinander, das Herausgreifen bestimmter Elemente und bestimmter Wechselwirkung und das Vernachlässigen anderer Elemente und Beziehungen ist stets vom Betrachter abhängig, also subjektiv, und dem jeweiligen Untersuchungszusammenhang angepasst. Insofern sind Systeme so wie Modelle nicht real existierende Objekte.
Jede Wissenschaft beschäftigt sich mit Systemen. Jede Wissenschaftsrichtung definiert Systeme aus ihrer Sicht. So kommt es, dass gleiche Begriffe mit unterschiedlichen Bedeutungen belegt werden. Die Entwicklung einer einheitlichen Systemtheorie ist zur Zeit noch nicht abgeschlossen.
Sie ist gekennzeichnet durch die Art und Zahl der Elemente sowie Art, Stärke, Zahl und Dichte der Wechselbeziehungen auf der Mikroebene.
Beschreibung der Extrema:
. | einfache Systeme | komplexe Systeme |
Anzahl der Elemente | gering | groß |
Ähnlichkeit der Elemente | in allen Merkmalen gleich | in allen Merkmalen verschieden |
Menge der Beziehungen | gering | groß |
Dichte der Beziehungen (Vernetzungsgrad) | gering | groß |
Beispiel: | Pendel | Chloroplast |
Zwischen einfachen und komplexen Systemen sind alle Übergänge möglich.
Die Komplexität eines Systems hängt von der Definition der Systemgrenzen, von der Zahl der als relevant erachteten Elemente und von den als relevant betrachteten Wechselbeziehungen ab.
Viele komplexe Systeme weisen eine hierarchische Gliederung auf: Je näher (zeitlich und/oder räumlich) man herantritt, um so mehr Details werden sichtbar.
Dabei können unabhängig vom Maßstab immer wieder die selben Strukturen auftreten. In diesem Fall liegt Selbstähnlichkeit vor.
Selbstähnlichkeit ist in der Biologie meist nicht bei Strukturen (siehe aber Blumenkohl) sondern bei Grundprinzipien zu finden, z. B. gelten die Regeln der Evolution (Überproduktion – Variation – Selektion) auf allen Struktur- und Zeitebenen.
Sie ist gekennzeichnet durch das zeitliche Verhalten des Systems.
Statische Systeme zeigen ohne Einflüsse von außen sowohl auf der Makroebene als auch auf der Mikroebene keine Veränderungen. (Beispiel: ruhendes Pendel)
Dynamische Systeme sind auf der Mikroebene dauernden Veränderungen unterworfen, können aber zumindest zeitweise auf der Makroebene einen stationären Zustand einnehmen. (Beispiel: chemische Gleichgewichtsreaktion)
Ob ein System als statisch oder dynamisch betrachtet wird, hängt vom Zeitmaßstab und von der Zeitdauer der Beobachtung des Systems ab. Dies wird deutlich bei Systemen im Gleichgewicht, die aber um ihre Gleichgewichtslage schwanken: Ist der Beobachtungszeitraum zu kurz, kann nicht ermittelt werden, ob es sich um Schwankungen um einen Mittelwert handelt oder ob ein ansteigender oder absinkender Trend vorliegt. (Beispiel: Klimaschwankungen seit Beginn der direkten Messungen). Wird ein sehr großer Maßstab gewählt, sind die Schwankungen gar nicht feststellbar, das System verhält sich scheinbar statisch.
Wechselwirkung
Systeme und Elemente sind durch Beziehungen miteinander verknüpft. Diese Beziehungen können Energie-, Stoff- und Informationsflüsse sein.
Möglichkeiten auf der Makroebene:
- Isolierte Systeme haben weder einen Stoff- noch einen Energieaustausch mit der Umwelt.
- (Ab)geschlossene Systeme können zwar Energie mit der Umwelt austauschen, nicht aber Stoffe.
- Offene Systeme tauschen mit der Umwelt sowohl Stoffe als auch Energie aus.
Je nach den definierten Systemgrenzen kann ein System als isoliert, abgeschlossen oder offen betrachtet werden, da hiervon die Unterscheidung zwischen System und Umwelt abhängt.
Isolierte und geschlossene Systeme kommen in der Realität praktisch nicht vor, ihre Modellierung ist aber bei der Untersuchung von sehr komplexen Systemen notwendig.
Sie ist der Grad der „Vorbestimmtheit“ des Systems:
Ein System geht von einem Zustand Z1 in den Zustand Z2 über: Z1 ® Z2.
Bei deterministischen Systemen ist dieser Übergang bestimmt (zwingend), bei stochastischen wahrscheinlich.
Deterministischem Systeme erlauben prinzipiell die Ableitung ihres Verhaltens aus einem vorherigen Zustand, stochastische Systeme nicht.
Klassische deterministische Systeme erlauben eine eindeutige Bestimmung ihres Zustandes zu jedem Zeitpunkt der Vergangenheit und Zukunft mit hinreichender Genauigkeit.. (Beispiel: Planetenbewegung)
Die Entwicklung chaotischer Systeme ist nicht immer eindeutig bestimmbar, da alle Parameter mit theoretisch unendlich großer Genauigkeit bekannt sein müssen, sie sind empfindlich gegenüber den Anfangsbedingungen.
Mit entsprechenden (mathematischen) Modellen lassen sich relevante Aussagen über Vergangenheit und Zukunft von deterministischen und stochastischen Systemen machen.
Aus der Komplexität eines Systems lässt sich keine Aussage über die Vorhersagbarkeit treffen: Es gibt einfache deterministische Systeme, die chaotisch sind (z. B. Doppelpendel) und komplexe deterministische Systeme, die sich vorhersagbar verhalten (Chloroplasten bei der Photosynthese).
a) Betrachtungen der Reaktion eines Systems auf der Makroebene im stationären Zustand auf Störungen von außen:
WasserMöglichkeiten | stabil, robust | metastabil | instabil, labil | grenzstabil, indifferent |
Reaktion | kehrt in den ursprünglichen Zustand zurück | kehrt in den ursprünglichen zurück oder geht in einen neuen stabilen Zustand über | kehrt nicht mehr in den ursprünglichen (labilen) Zustand | jede Störung führt zu einem neuen (stabilen) Zustand |
Beispiel chemisches System | Systeme mit minimaler Enthalpie und maximaler Entropie | Ein Wasserstoff-Sauerstoffgemische ist stabil, bis es aktiviert wird, dann reagiert es | zu | aktivierter Übergangszustand |
. | Beispiel Balkenpendel | Schwerpunkt liegt unterhalb des Drehpunktes | . | Schwerpunkt liegt oberhalb des Drehpunktes |
Schwerpunkt und Drehpunkte fallen zusammen
b) Betrachtung der Elemente auf der Mikroebene:
Bei stabilen Systemen ändert sich die Struktur des Systems nicht. Zahl, Art und Wechselwirkung der Elemente bleibt konstant. Bei instabilen Systemen genügen geringe Änderungen der Systembedingungen, um eine Änderung der Struktur herbei zu führen.
Mit zunehmender Komplexität geht die Austauschbarkeit der Elemente und damit die strukturelle Stabilität verloren. Wird bei hochkomplexen Systemen ein Element gegen ein anderes ausgetauscht, das nicht mehr die selben Eigenschaften hat, kann sich das Gesamtverhalten des Systems verändern. (Beispiel: Gehirn des Menschen).
Welche Stabilität eines Systems festgestellt wird, hängt vom festgelegten Zeitmaßstab und dem Beobachtungszeitraum ab sowie von der Definition der Störung: Manche stabilen Systeme gehen bei genügend starken Störungen in instabile Zustände über (Beispiel: Aktivierung chemischer Reaktionen). Alle Systeme können bei starken Störungen zerstört werden.
Die Zuordnung zu einer der Stabilitätskategorien hängt auch von der Definition der Systemgrenzen ab:
Beispiel System Kugel / Schüssel: Bei Störung, d .h. Anstoßen der Kugel, rollt die Kugel wieder in ihre Ausgangslage zurück. Ein zu starker Stoß befördert Kugel aus der Schüssel heraus, die Kugel fällt zu Boden. Damit ist das ursprüngliche System zerstört. Wird aber das System Kugel/Schüssel/Boden betrachtet, ist die Kugel in der Schüssel nur in einem metastabilen Zustand, da sie am Boden einen stabileren Zustand einnimmt.
Liegt die Kugel auf einer umgekehrten Schüssel (labiles System), führt jede Störung auch zur Zerstörung. Wird aber das System umgekehrte Schüssel/Kugel/Boden betrachtet, führt jede Störung zu einem neuen Zustand.
Beispiel Balkenpendel Hier kann das System je nach dem Lageverhältnis Schwerpunkt zu Drehpunkt drei verschiedene Zustände einnehmen, die sich gegenüber Störungen unterschiedlich verhalten: exzentrische Anordnung: Es gibt genau einen stabilen Zustand, alle anderen Zustände sind instabil. Für ein anders Pendelsystem mit zentrischer Lagerung (Drehpunkt und Schwerpunkt fallen zusammen) gibt es unendlich viele Möglichkeiten der Ausrichtung des Balkens, die aber alle instabil sind.
weitere Eigenschaften
- diskret (zeit- oder zustandsdikret) – kontinuierlich
- zeitvariant (Ablaufbecken) – zeitinvariant (Glas Wasser)
- linear - nichtlinear
- adaptiv (anpassend)
- autonom (unabhängig von äußerer Steuerung)
- autopoietisch (selbstfortpflanzend)
- denkend
- lernend
- steuernd
- regelnd, selbstregulierend
Ein System entsteht durch eine formende Instanz oder durch Selbstorganisation (oder eine Kombination beider). Für die formende Instanz kann die Motivation unterschiedlichster Art sein. Etwa die Bildung eines Subsystems für ein anderes System (sprich ein Systembestandteil bzw. Systemfunktion wird aufgebaut). Dafür kommen alle typischen Systemfunktionen in Frage. Für die organisierten Elemente ergeben sich Vorteile durch Reduktion von Komplexität.
Die folgenden Phasen sind in erster Linie charakteristisch für Lebewesen, d.h. offene, autopoietische, adaptive, dynamische und (bis zu gewissen Grenzen) robuste Systeme. Betrachtet man deren übergeordnete Systeme, wie in diesem Fall das Ökosystem, verlängert sich die Zeitskala, die Abfolge als solche bleibt aber gültig.
- Aufbauphase
- Zusammenbringen von Einheiten bzw. Einleiten eines sich selbstorganisierenden Anlagerungsprozesses nach einem Plan. Starke strukturelle Änderungen, hoher Materieumsatz. Keine Autonomie, kein Gedächtnis. Bildung von Wirkungsverbindungen. Spezielle interne und/oder externe Einrichtungen, die speziell diese Phase unterstützen. Keine Schutzsysteme.
- Entwicklungsphase
- Immer noch starke strukturelle Änderungen. Lernen; Entstehung eines Gedächtnisses. Keine Stabilität.
- Reife-, Autonomiephase
- Relative Autonomie erreicht. Stabilität in Form und Funktion. Ausgebildete Funktionen. Selbsterneuerung. Weiteres hinzufügendes Lernen.
- Alterungsphase
- Autonomie schwindet. Abbau von Funktionen, von Wirkungszusammenhängen. Abkopplung aus übergeordneten Systemen.
- Abbauphase
- Keine Autonomie mehr. Beenden von Rückkopplungsvorgängen. Beendung der selbsterhaltenden Funktion. Auflösung der Struktur. Zerfall und Abtransport der Materie.
Der Betrachter des Systems konstruiert ein Modell.
Dabei trifft er eine Auswahl bezüglich der Elemente und Beziehungen des Systems.
Dieses Modell ist eine begrenztes, reduziertes, abstrahiertes Abbild der Wirklichkeit, mit dessen Hilfe Aussagen über vergangene und zukünftige Entwicklungen und Verhaltensweisen des Systems in bestimmten Szenarien gemacht werden sollen.
Arbeitschritte einer Systemanalyse
- Festlegen der Systemgrenzen zur Unterscheidung von System und Umwelt.
- Feststellen derjenigen Systemelemente, die für die Fragestallung als relevant betrachtet werden.
- Feststellen derjenigen Beziehungen zwischen den Systemelementen, die für die Fragestallung als relevant betrachtet werden.
- Feststellen der Systemeigenschaften auf der Makroebene.
- Feststellen der Beziehungen des Systems zur Umwelt bzw. zu anderen Systemen, wenn von der Betrachtung des Systems als isoliertes oder geschlossenes System zum offenen System übergegangen wird.
- Darstellung der Analyseergebnisse:
- qualitativ: Concept map, Fluss-Diagramm, Wirkungsdiagramme
- halbquantitativ: Pfeildiagramm (je-desto-Beziehungen)
- quantitativ: x-y-, x-t-Diagramme u. a., mathematische Gleichungssysteme
Beispiel: Unter Systemanalyse wird in der Informatik die erste Phase des Softwareerstellungsprozesses verstanden. Es wird hier untersucht, was ein (Software-)System leisten soll. Es wird versucht ein Modell des zukünftigen Systems aus der Sicht des Anwenders zu erstellen.
Es wird nicht untersucht, wie das System implementiert wird und es werden auch keine Entscheidungen über die Implementierung vorweggenommen.
Siehe auch: Sinnesorgane, Materietransport, Materiewandlung, Informationstransport, Informationsumwandlung, Gedächtnis, Schutzeinrichtungen, Entsorgung, Handlungsorgane, Artikulationsorgane, Strukturveränderung, Steuerung, Selbstregulation, Energietransport, Energiespeicher, Energiewandlung
Beispiele für Systeme, in alphabetischer Reihenfolge
- Computersystem
- Handel
- Immunsystem
- Künstliches virtuelles System
- Kultur eines Landes
- Lebewesen
- Mathematik
- Mensch (Verdauungssystem, Nervensystem)
- Nachrichtensystem
- Ökosystem
- Organisationen (Unternehmen, Bildungseinrichtungen, Medien)
- Landwirtschaftlicher Betrieb
- Fabrik
- Stadt
- Politisches System
- Psychisches System
- Rechtssystem
- Soziales System
- Sprache
- Suprasystem
- System (Stratigraphie)
- Technisches Sachsystem
- Telefonsystem
- Telematiksystem
- Theorien
- Transportsystem
- Wirtschaft
- Zelluläre Automaten
- sozial, das Zusammenleben der Individuen steht im Zentrum des sozialen Systems.
- kognitiv, auch Psychisches System, ...
- soziotechnisch, ist ein System das aus Personen und Maschinen besteht z.B. ein Unternehmen mit seinen Arbeitsplätzen ist ein Soziotechnisches System.