Принцип эмерджентности в экологии

Появление у системы абсолютно нового свойства явно противоречит законам сохранения. Подход к решению проблемы можно найти в определении целостности по И. И. Шмальгаузену (1982, с. 15): «Нельзя говорить, что целое больше или меньше, чем сумма частей. Мы вообще не имеем суммы, так как свойства частей сняты, а в целом мы имеем новые свойства». Таким образом, свойства частей сняты и перенесены на целое, но в новом качестве, с новой силой выражения. Перенос этих свойств осуществляется при взаимодействии элементов системы, за счет связей между ними. «...Целостность характеризуется новыми качествами и свойствами, не присущими отдельным частям (элементам), но возникающим в результате их взаимодействия в определенной системе связей» (Блауберг, Юдин, 1972, с. 16). «Какие бы удивительные свойства ни возникали при объединении элементов в систему, ничего мистического, взявшегося ниоткуда, здесь нет: новые свойства возникают благодаря конкретным связям между конкретными элементами... Новые качества систем определяются в сильной степени характером связей между частями» (Саламатов, 1991, с. 291–293). Обобщая высказывания цитированных авторов, можно сказать, что свойства системных элементов, объединенных в систему, существенно усилены («сняты»!), благодаря взаимодействию между ними (эффективность системы выше эффективности элементов). Любое «новое» системное свойство уже представлено у каких-либо элементов данной системы, но в неразвитом, зачаточном виде. Эмерджентное (качественное) своеобразие объекта проявляется в том случае, если остальные элементы системы работают на усиление этих свойств. 

3. Сущность эмерджентного принципа мышления

Сущность эмерджентного принципа мышления, с одной стороны, состоит в целенаправленном поиске тех свойств, которые присущи системе, но слабо выражены у ее элементов, с другой стороны, в поиске тех свойств элементов, которые «усилились» при композиции в систему, но вместе с тем – и в исследовании специфики системной композиции (структуры), позволяющей элементам существенно активизировать свою сущность. Ярким примером использования принципа эмерджентности служит теория вепольного анализа (раздел АРИЗ, алгоритма решения изобретательских задач) (Альтшуллер, 1973), смысл которого и состоит в создании таких новых конструкций из ряда типичных элементов, которые демонстрировали бы новые «системные» качества. В биологической науке приходится действовать обратным порядком: изучение проявления эмерджентного свойства биосистемы должно вестись в направлении поиска его зачатка у системных элементов, только тогда можно понять способ существования и генезис самой биосистемы. В качестве ключевого примера рассмотрим популяционное свойство «жить вечно»: оно основано на таких «зачатках», реализованных в особях, как «жить недолго» и «передавать жизнь новым особям, своим потомкам». Композиция этих свойств (размножение) обеспечивает потенциально бесконечное существование популяции.

В этом контексте важно рассмотреть попытки обосновать или проиллюстрировать проявление эмерджентности «методом от противного» – показать исчезновение эмерджентных качеств после деления или дробления «системы» на части. «Поскольку свойства системы присущи только ей самой, но не ее частям, то стоит разделить ее на части, как эти свойства исчезнут» (О’Коннер, Макдермотт, 2006, с. 35). Авторы приводят пример с телевизором, разделив который на две половинки, мы получим не две половинки изображения, но отсутствие изображения вообще. Конечно, половинка телевизора – это его часть, которая не показывает телевизионные передачи, т. е. явно не обладает эмерджентным качеством «системы» (правда, половинка жидкокристаллического телевизора все же будет показывать свою половинку изображения). Иерархические подразделения всегда целесообразны, и если задаться целью (даже бессознательно) запутать вопрос, всегда можно разделить систему на такие элементы, у которых явно нет никаких зачатков системных качеств. Однако смысл системного подхода состоит не в том, чтобы остроумными манипуляциями поразить воображение, а в том, чтобы выяснить принципы функционирования исследуемых объектов, предметно и понятно объяснить содержание явления. Для этого следует выполнить рациональную декомпозицию целого. Если нижний уровень иерархии телевизора представить состоящим из кинескопа (способного светиться в потоке электронов), аналогового преобразователя (способного передавать электронным лучам последовательность сигналов) и антенны с усилителем (способным воспринимать радиоволны передач), то «волшебство» эмердженции пропадет. Взаимодействие частей телевизора приводит к взаимному усилению («востребованности») их свойств – визуализации радиоимпульсов. Для простоты мы не включили в эту систему человеческую способность синтезировать динамическое изображение по серии кадров; для насекомых картинка телевизора останется набором точек, а не фрагментом реальности – эмерджентность телевидения есть порождение человеческой психики. Этот пример показывает следующее. Конечно, делить систему можно на какие угодно части, мысленно хоть бы и распылить на атомы. Однако цель этого деления должна состоять в выяснении принципов функционирования объекта. И если первичное деление никак не объясняет нам генезис феномена, его следует отбросить и выполнить новую декомпозицию объекта (принять иную иерархическую организацию, композицию), которая, возможно, приблизит нас к пониманию его работы (существования). Корректной (системной) можно считать только целесообразную декомпозицию объекта исследования, выполненную для прояснения, а не для запутывания вопроса. В этом случае становятся понятны источники «эмерджентных» качеств.

Принцип эмерджентности в том и состоит, чтобы, определив у объекта исследования некие особенные, важные, яркие свойства, выяснить их источник (внешний и внутренний), понять их генезис (а в системном анализе — и предпринять усилия по их изменению в желательную для нас сторону).  

Критика идеи «супераддитивности» может быть построена и по-иному. Чтобы утверждать особенность сверхсуммативных свойств, нужно быть уверенным, что у объектов природы есть суммативные свойства. Обычно в качестве таких свойств берут размер, массу и т. п. простые характеристики, которые в физическом отношении могут быть выражены простыми уравнениями a = b + c. Однако подобные примеры, апеллирующие только к интуиции, могут быть до смешного неудачны. Известно, что сумма масс электронов, протонов и нейтронов больше массы атома с тем же составом лептонов. Другая иллюстрация. Литр воды очевидно равен сумме 500 и 500 мл воды. Однако, смешав 500 мл воды и 500 мл спирта, мы получим не один, а 0.964 л смеси (явление контракции) (Фармацевтические технологии…, 2012).

Продолжая анализировать пример с водой с помощью сознательного (научного, контринтуитивного) подхода к явлениям, можно понять, что интуиция исключила из поля зрения Землю и емкость, которые консолидируют воду в одном месте за счет притяжения и непроницаемости стеклянных стенок. Изучаемой (взвешиваемой) «системой» становится не литр воды, а емкость с водой в условиях тяготения. С помощью этих дополнительных объектов вода отчетливо организована в единство. И только такой организованный объект обладает свойством «иметь объем» или «иметь массу». Система «литр воды» не существует в реальности, следовательно о ее свойствах (суб- или супераддитивных) нельзя ничего сказать. Рассуждение о массе можно вести только в отношении объектов, обладающих эмерджентным качеством «иметь определяемую массу», которое обеспечено взаимодействием группы элементов. С весом твердых тел еще проще – они «имеют вес» благодаря жесткому соединению частей, обеспечивающих единство формы. Сумма массы бусинок и нитки, конечно, равна общей массе бус, но только если все бусинки скреплены нитью. О значимости взаимодействий между элементами при определении массы и других свойств целого можно поспорить – но лучше с теми, кто именно в булыжнике видел оружие пролетариата, а не в горсти песку, равной ему по массе. Если в свойствах объекта мы видимо только суммативность, значит, не видим чего-то главного, не способны понять истоки проявления этой «суммативности».

Эмерджентные свойства – это свойства частей объекта, преобразованные (усиленные, стабилизированные и т. д.) благодаря взаимодействию друг с другом; свойства одних элементов «набирают силу» от своих соседей посредством связей между ними – и становятся системными.  

4. Приемы научного исследования эмерджентности.

Человеческая практика свидетельствует о том, что у вещей, которые отличаются по строению и элементарному составу, имеются разные свойства. «При объединении частей в целое возникает нечто качественно новое, такое, чего не было и не могло быть без этого объединения» (Перегудов, Тарасенко, 1989, с. 291). «Когда мы используем информацию для упорядочения множества разрозненных частей, целое будет иметь новое упорядочение, которое превосходит сумму частей» (Саати, Кернс, 1991, с. 84). В поисках источника эмерджентных качеств «систем» используются разные методологии – элементаризм, холизм и системный подход.

4.1. Элементаризм

Прием научного исследования, когда целое объясняется на языке свойств частей, с помощью которого (эмерджентное) качество системы стремятся выразить на базе изучения свойств ее элементов, носит название «элементаризм» (физикализм). Этот прием также часто называют редукционизмом, хотя элементаризм – то лишь одна из форм метода редукции. «Использование редукционизма предполагает попытки познать систему, разделяя ее на части и в деталях исследуя эти части» (Саати, Кернс, 1991, с. 89). «Целое можно изучать, расчленив его (редуцируя) на части, а затем, изучив их свойства, определить свойства целого» (Флейшман, 1982, с. 14).

Опыт показывает, что для многих явлений природы редукционное описание зачастую позволяет прогнозировать эмерджентные качества. Эмерджентная сила уравнения, объединяющего множество отдельных фактов и приобретающего содержание эмпирического закона, состоит в возможности объяснять и предсказывать явления. Еще один пример описания новых свойств у совокупности элементов – моделирование динамики численности промыслового стада диких оленей (рис. 1 в приложении). В обычных условиях при диком выпасе рост численности популяции периодически приводил к перенаселению, подрыву кормовой базы, нарушению репродукции, повышению смертности и в конечном итоге – к резкому снижению поголовья. Привнесение обязательного и строго регламентированного отстрела привело к нетривиальным результатам. «В управляемой популяции... численность стабилизирована на уровне, обеспечивающем получение максимальной продукции популяции без подрыва ресурсов кормов и возникновения автоколебаний». 

Описать систему с позиций элементаризма – это значит описать элементы и их свойства, т. е. взаимоотношения между ними. При этом системное эмерджентное свойство не может быть ничем иным, кроме как свойством некоторого элемента (или блока элементов), продленным за границы системы, как бы выведенным из структуры взаимоотношений элементов и ориентированным на элементы внесистемной среды. Носителем системного свойства оказывается один (или несколько) из элементов системы, представляющие систему в ее связях с внешней средой. В примере с оленями описание популяционных процессов (роста, размножения, смертности, отстрела) проводилось с целью выразить общую численность животных.

Важное обстоятельство состоит в том, что редукционное описание зачастую строится на нескольких языках. Для популяции оленей – это язык популяционной биомассы (кг) (питание и уничтожение кормовых запасов) и язык популяционной численности (экз.) (число участников в размножении, число выживших, число отстрелянных). При этом многие элементы оказываются мультифункциональными, играющими разные роли в динамике системы в целом. Например, взрослые особи принимают участие во всех функциях системы.

Характерной чертой этого вида редукции является игнорирование того факта, что в действительности изучаемая «система» демонстрирует свое системное качество, только вступая в отношения с объектом околосистемной среды. Наличие внешнего объекта лишь предполагается, но явно не обозначается, его восприятие передается области интуиции. В приведенной модели популяции оленя один из внешних объектов (человек-промысловик) определен явно, он введен в качестве элемента системы «эксплуатируемая популяция». Однако многие компоненты среды (ареал, запасы питания, уровень численности хищников и т. п.) остаются за рамками рассмотрения модели.

4.2. Холизм

В практике количественного описания природы широко распространен другой прием научного описания, когда внимание акцентируется главным образом на взаимоотношении между «системой» и ее средой. «Объект объясняется как часть объемлющей его целостности, по отношению к этой целостности... он выступает в качестве элемента» (Блауберг, Юдин, 1972, с. 23). Этот вариант редукции именуется холизмом (если отбросить виталистические идеи собственно холистов). «Холисты пытаются исследовать систему, проверяя ее функции с точки зрения их отношений с окружающей средой» (Саати, Кернс, 1991, с. 89). При холистическом подходе целое рассматривается как неделимая данность, как «черный ящик», имеющий неизвестную внутреннюю структуру. Свойства системы изучаются в процессе выполнения какой-либо внешней функции. При этом подходе свойства изучаемой системы явно соотносят с определенными внешними системами, с которыми она вступает во взаимодействие. Чаще всего в таких описаниях свойства систем выражаются как реакции объекта на действие фактора – другого внешнего объекта.

Такое мышление апеллирует к практике исследования физико-химических систем, в которых пропорциональность зависимости «фактор – реакция» сохраняется в пределах широкого диапазона их варьирования. Зачастую это диапазон «антропоморфного оптимума» – для температуры –20...+50˚С, размеров от 1 мм до 1 км, периода времени от 1 с до 1 года.

Такая идеология формальной (линеарной) логики оказывается полезной и во многих биологических исследованиях. Аллометрические зависимости, приведенные выше, могут служить хорошими примерами: чем больше размеры (масса) тела животного, тем ниже интенсивность метаболизма, меньше плотность митохондрий в тканях; чем выше температура среды, тем выше интенсивность обменных процессов в организме экзотермных животных; чем больше урожай кормов, тем больше жировые запасы медведя, тем раньше он уходит на зимовку; чем меньше число зимних дней с ледяной коркой на поверхности земли, тем выше численность полевок летом и т. д. (В скобках заметим, что холистическую идеологию явно использует элементаризм. Свойства элементов многокомпонентной системы выражены на языке «черного ящика».