Принцип эмерджентности в экологии

4.3. Системный подход

Реальный объект в силу своей энергетической или вещественной определенности реагирует на воздействие любых внешних факторов, если они нарушат эту его материально-энергетическую обособленность. Структура объекта является основой специфики его реакции на фактор. Если энергия стороннего фактора будет влиять на энергию реального объекта, то он, безусловно, продемонстрирует какую-нибудь реакцию в ответ. Как именно отреагирует объект, будет зависеть от характера влияния, строения и истории самого объекта. «Все бесконечные формы проявления вещи зафиксированы в самой вещи... как возможность» (Лосев, 1994, с. 349). Свойство – это проявление отношений между объектами, зарегистрированное у одного из них. Поскольку окружающих систему объектов (факторов) бесконечно много, то и ее возможных реакций бесконечно много (другое дело, что некоторые из них могут действовать крайне редко). «...Существуют не качества, а только вещи, обладающие качествами, и притом бесконечно многими качествами» (Энгельс, 1987, с. 539).

 Что касается темы новизны  «эмерджентных качеств», нам кажется очевидным, что никакого «появления» «новых» свойств целого нет. Имеет место (часто неожиданное для наблюдателей) явление свойств вещей, вызванное взаимодействием специфически устроенной вещи с объектами окружающего мира. В этом взаимодействии поведение вещи внешне выступает как ее свойства. По-разному устроенные вещи могут иметь одинаковые свойства при сходных взаимоотношениях со средой, равно как и одинаково устроенные вещи «обретают» разные свойства в отличающихся условиях. Эмерджентные черты объектов природы имеют не только внутренний источник, но и внешний – взаимодействие с миром. Разрезанная пополам пластиковая лимонадная бутылка может служить воронкой, эфесом для кисточки, кормушкой для птиц, умывальником и пр.

Нашу предметную аргументацию можно продолжить логической. Системный подход – это методология. Чтобы сохранить логическое содержание своих категорий, он не может предписывать объектам природы тех или иных определенных свойств, то или иное поведение. «...Попытки построения теории систем, основанной на понятии силы... удовлетворяют лишь своих создателей» (Блауберг, Юдин, 1973, с. 30). Утверждение о существовании у определенных систем неких особенных (эмерджентных) качеств – это утверждение фактов (онтология), а не предписание хода исследовательской мысли (методология). Выявлять определенные свойства у объектов природы может только специальная наука, а не методологическая. Например, все утверждения общей теории систем сделаны в отношении определенных математических объектов. Несмотря на то, что это идеальные, а не вещественные объекты, их свойства и отношения между ними специально задаются при формулировании математической проблемы. Обнаруживаемые при этом «эмердженции» являются следствием предзаданного взаимодействия и характеризуют не «системы вообще», а вполне определенный класс математических объектов. В отношении подобных объектов системный подход может высказываться так же, как и в отношении материальных тел, – все они потенциально имеют бесконечное число свойств. Однако он не может утверждать, что некоторые из них – особенные, эмерджентные. В то же время, системный подход не может отрицать многочисленных фактов проявления эмерджентных свойств реальных объектов, обнаруженных частными науками.

Все свойства системы – эмерджентны, любое качество объектов природы связано как с его составом и строением, так и с взаимодействием с объектами среды; количество этих свойств в потенции бесконечно велико у каждого объекта.

5. Эмерджентные качества

В качестве своеобразного эмерджентного качества исследователи отмечают непредсказуемый характер поведения многих объектов. «Во взаимодействии между функциями двух или более компонент часто возникает непредвиденное или внезапно появляющееся свойство, которое не обнаруживается в любой отдельной компоненте» (Саати, Кернс, 1991, с. 76–77). «…Качественно новые, эмерджентные, свойства… экологической единицы нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляющих …единицу» (Одум, 1986, с. 15). «...Дать удовлетворительный прогноз о поведении сложной системы..., опираясь только на собственный опыт и интуицию, практически невозможно. Сложные системы... реагируют на воздействия совсем иным образом, чем это нами интуитивно ожидалось» (Розенберг, 1984, с. 10). На это явление впервые обратил внимание Дж. Форрестер (2003, с. 196): «Интуитивно очевидные «решения» социальных проблем имеют тенденцию заводить в одну из нескольких ловушек, обусловленных характером сложных систем»; оно получило название «принцип контринтуитивного поведения» систем.

5.1. Контринтуитивное поведение

В качестве примера можно привести следующие, казалось бы, очевидные зависимости. Масса сердца всех видов млекопитающих независимо от размера составляет около 0,6 % от массы тела: Мсердца = 0.0058 × Мтела0.98. Адаптивное снижение массы сердца сопровождается увеличение частоты пульса. Однако у самых мелких млекопитающих (таких, как бурозубка S. cunereus) для обеспечения необходимого для жизни числа сердцебиений (3000 уд/мин) требуется такая скорость проведения нервного импульса, которая невыполнима для нервной ткани. Ограничения нервной системы компенсируются ростом массы (и систолического объема) сердца бурозубки – до 1.7 % вместо 0.58 %. Другой пример. Несмотря на существенные изменения температуры среды (воздуха, почвы, субстрата), при условии прямой инсоляции поведенческая терморегуляция обеспечивает довольно стабильную температуру тела рептилий (температурный гистерезис). Интенсивность метаболизма этих пойкилотермных животных в прохладных условиях предсказуемо снижается, но лишь на первых порах – спустя одну-две недели их ферментативная система перестраивается, и уровень метаболизма восстанавливается до нормы даже при довольно низких температурах среды (температурная компенсация) (Шилов, 1985). В каждом из этих случаев наблюдается изменение не того свойства, которое «интуитивно» должно бы измениться, или оно меняется совершенно не так, как можно было (линеарно) предположить.

Наблюдая подобные явления, многие авторы отмечают большие сложности в поиске источника эмерджентных качеств. «Поведение системы не может быть предсказано на основании наблюдения за ее изолированными частями» (Саати, Кернс, 1991, с. 21). Сложные свойства сложной системы нельзя изучить путем ее «расчленения».

Причин этой проблемы несколько. С одной стороны, изучаемая реакция биосистемы, как правило, представляет собой не простое физическое или химическое противодействие воздействию (третий закон Ньютона, принцип  Ле Шателье), но является биологической реакцией, подготовленной всем ходом филогенетического и индивидуального развития биологических объектов. Природный фактор лишь высвобождает заранее подготовленную адаптивную реакцию; он как бы информирует биосистему о состоянии среды, позволяя биосистеме выработать наиболее эффективную стратегию для использования этой ситуации себе во благо. Эмерджентность в биологии проявляется как выживание биосистемы в самых разнообразных природных условиях.

В качестве более развернутого примера рассмотрим контринтуитивные результаты реакклиматизации соболя на обширном сибирском ареале в середине прошлого века. Как и других реакклиматизируемых животных, зверьков выпускали небольшими группами на незаселенной территории. Однако эти искусственные группировки (в отличие от многих видов интродуцентов) исчезали через несколько лет. Исследователи сначала не учли, что «...только на уровне такой системы, как популяция, возможно создание и функционирование специфических механизмов... популяционного гомеостаза... Особое значение имеет функциональная структура, или структура... взаимосвязи как между особями, так и между внутрипопуляционными группировками... Особенности пространственной структуры популяции соболя определяются... наличием латентного периода развития эмбриона и комплекса поведенческих реакций, ...(«ложный гон»). Оплодотворенная в июле яйцеклетка... в марте следующего года... внедряется в стенку матки, и эмбрион начинает интенсивно развиваться... Проявление ложного гона тесно связано с числом контактирующих между собой особей... Активно он протекает при 12 и более особей, ...гон... стимулирует гормональную активность... имплантацию эмбриона... Если в такой группировке менее 8 особей, ложный гон не проявляется, ...у оплодотворенной самки прекращается беременность». Итак, простое снижение числа особей, контактирующих во время ложного гона, приводит к катастрофической реакции – нарушению репродукции популяции в целом. Исходные модели не охватывали многие отношения между элементами изучаемых систем, и для адекватного описания динамики численности соболя потребовалось учитывать не только половозрастную, но также пространственную и этологическую структуру популяции.

Реакцию биосистемы как целого на окружающую среду удается объяснить, лишь проникнув в ее структуру. Если для «физических» систем характерна независимость многих отдельных качеств (в сходных диапазонах параметров среды), то биологические системы имеют в большинстве взаимообусловленные качества. Как бы дробно не исследовался биологический объект, рано или поздно в тех или иных условиях найдется свойство, коррелятивное изменение которого изменит поведение системы до неузнаваемости. Принцип эмерджентности направляет внимание исследователей на поиск специфической взаимообусловленности свойств биологических объектов.

5.2. Омнипотентность

Аналогичное непредвиденное, контринтуитивное поведения системы может быть сопряжено и с ее реакцией на некий внешний фактор, который ранее не учитывался в модели, поскольку в прежних условиях он имел уровень, несущественный для биологического объекта. «Факторы, не включенные в модель экосистемы в силу их малой значимости в прошлом, ...могут оказаться в будущем всемогущими» (Брусиловский, 1989, с. 22). Термин «омнипотентность» (всемогущество) введен В. В. Налимовым, который рассмотрел ситуации, когда «ранее малозначимый фактор приобрел решающее значение» (Налимов, 1983, с. 112). В основе большинства методов долгосрочного прогнозирования лежит аналого-инерционная экстраполяция – перенос прошлых тенденций на будущее... Предполагается, что закономерности динамики экологической системы любого уровня организации, выявленные в прошлом, будут проявляться в будущем. Такие модели воплощают в себе «...отрицание потенциально возможной омнипотентности тех факторов, которые оказались не включенными в модель в силу их весьма малой значимости в прошлом...» (Налимов, 1983, с. 112).

Несовпадение теоретических представлений и реальной ситуации должно стать объектом особенно пристрастного анализа, поскольку речь идет об обнаружении нового фактора, значимого для изучаемой биосистемы.

При лабораторном исследовании состояния полевок, загрязненных через корм тяжелыми металлами, удалось определить пороговые уровни загрязнения организма, при которых наблюдается физиологическая патология; по данным о загрязнении растительности и животных тяжелыми металлами в районе их добычи теоретически был рассчитан показатель «доля пораженных особей» в дикой популяции полевок. Однако при натурных исследованиях состояния этих животных из дикой популяции «пораженных» особей обнаружить не удалось, несмотря на превышение порогов загрязнения, определенных в лаборатории как критические. Модель не совпала с реальностью. «Прямая диагностика состояния животных в выборках в большинстве случаев не подтверждает теоретической оценки... Подобное несоответствие мы видим в следующих возможных причинах... Практически невозможно установить в природных популяциях наличие у животных признаков поражения ЦНС... Эти отклонения ведут к неадекватной реакции зверьков на изменения внешней обстановки и являются мощным фактором избирательной элиминации “пораженных” особей хищниками» (Безель, 1987, с. 100). Неучтенный фактор – естественный отбор – оказался более могущественным, чем все прочие (токсикологические) факторы, включенные в модель.

В рассмотренных примерах «эмердженция» выступает синонимом «неожиданности» поведения объектов, однако это понятие относится не к объекту исследования, но к исследователю. Чем меньше у автора багаж личного опыта наблюдений объекта в разных условиях, чем менее развито общее представление о нем (меньше «объем интуиции»), тем более неожиданными будут проявления свойств любых объектов. Для ребенка любое свойство – ново, непредсказуемо. Очевидно также, что степень «неожиданности» не может служить методологическим принципом.

Эмердженция – это ограниченные по числу свойства изучаемых объектов, на которые человек обращает внимание в контексте своих целевых устремлений; особенно ярко проявляется эмерджентность в тех случаях, когда эти свойства оказываются непредсказуемым.

6.Технология системного исследования

Каким же образом должно строиться моделирование биологических объектов, если ни редукционизм (игнорирование системного окружения), ни холизм (игнорирование внутренней структуры) не могут дать вполне адекватной модели биосистемы? 

Полноценное определение целостного объекта можно получить лишь, явно учитывая и структуру, и окружение «системы». Это понимал еще Ж. Кювье (1937, с. 129): «Различные части каждого существа должны быть таким образом координированы, чтобы сделать возможным существования данного существа как целого не только в самом себе, но и в отношении с другими». Эмерджентность – объективно двуликая черта системного мира. С одной стороны, потенции системы предопределены ее строением, с другой стороны, именно от объектов системного окружения зависит, какие именно потенции проявятся. Модельное описание эмерджентных качеств требует и редукционного, и холистического описаний свойств системы, чтобы на этой базе прийти к их синтезу, к целостной модели системы.

В случае конкретного экологического исследования это означает, что систему важно исследовать на трех уровнях иерархии: на уровнях субэлементов, самой системы, надсистемы. «По мнению Пэттена (Patten, 1978), идеальное изучение какого-либо уровня системы включает изучение трехчленной иерархии: системы, подсистемы (соседний нижний уровень) и надсистемы (следующий верхний уровень)» (Одум, 1986, с. 17). При этом важно помнить, что никакое подразделение биосистем не может быть окончательным, дробность и состав систем меняются по мере углубления знания и появления новых задач исследования; адекватность модели всегда относительна и повышается по мере выдвижения и отбраковки промежуточных моделей. (Специальное исследование должно вести к формулировке закона, отбрасывающего необходимость системных построений.)