CC BY
232
ЭПИСТЕМОЛОГИЯ & ФИЛОСОФИЯ НАУКИ, Т. XV, № 1
энергетика и сложноорганизованные
системы
і
Г. И. РУЗАВИН
М
2
го
а
о
х
т
н
Синергетику сами основоположники этого междисциплинарного направления исследований рассматривают как учение о сложных системах. Г. Хакен, автор самого термина «синергетика», перечисляя её основные понятия, подчеркивает, что все они «отражают различные аспекты особой области науки, занимающейся изучением сложных систем, - синергетики»2. И. При-гожин и Г. Николис в специальной монографии «Познание сложного», обращают особое внимание на две дисциплины, в корне изменившие наши представления о сложных процессах. Первая из них - это физика неравновесных состояний, вторая - современная теория динамических систем3.
В настоящей статье мы рассмотрим, как изменились традиционные и классические научные представления
о сложноорганизованных системах в связи с возникновением парадигмы синергетики.
1 Подготовлена при поддержке РГНФ, грант № 06-03-00033 а.
2 Хакен Г. Основные понятия синергетики // Синергетическая парадигма. М., 2000. С. 29.
3 Николис Г., Пригожин И. Познание сложного: Введение. М., 1990. С. 7.
Традиционный взгляд НА ПРОСТОЕ И СЛОЖНОЕ
В обыденном представлении сложные системы, обычно связываются с процессами, происходящими в живых и социальных системах, а простые - с явлениями и процессами неорганической природы. Однако такие представления учитывают лишь особенности субстрата системы и игнорируют специфический характер взаимодействия её составных компонентов, которые определяют как целостные свойства, так и поведение самой системы. В классическом естествознании простыми считались все системы и процессы, которые могут быть объяснены с помощью фундаментальных универсальных законов, подобных законам механики и всемирного тяготения Ньютона. Более того, поскольку классическая механика начала свои исследования с изучения механического движения, т.е. простейших изменений положения тел в пространстве и во времени, то легко могла возникнуть иллюзия, что сложные процессы можно, в конечном итоге, свести к процессам простым или элементарным. Действительно, первые опыты Галилея с падением тел или движением их по наклонной плоскости основывались на предположении, что природа во всех своих частях однородна и проста. Именно предположение об однородности природы дает возможность формулировать общие, универсальные законы на основе экспериментального изучения отдельных её частей.
В дальнейшем эта тенденция исследования сложного и объяснения его на основе простых, элементарных его частей сформировалась в классической физике в особый метод редукции, т. е. сведения сложных процессов к простым и элементарным явлениям. При таком подходе сложность, как реальное свойство объективно существующих вещей и явлений, исчезает из поля зрения исследователей и рассматривается как своеобразная иллюзия нашего познания. Причина этого заключается в том, что сами вещи и явления в рамках механистического мировоззрения хотя и рассматриваются в изменении и движении, но эти изменения не сопровождаются качественными преобразованиями их свойств и состояний. Идея об однородности природы, универсальности её законов и об отсутствии в ней сложности пустила настолько глубокие корни, что её следы до сих пор можно обнаружить в высказываниях даже известных ученых. Например, Р. Фейнман в своих популярных лекциях по физике считает сложность природы только кажущейся, а каждый ход природы - подчиняющийся простым правилам.
Одновременно с этим долгое время в классической науке пре- о, обладал также строго детерминистический взгляд, согласно которому мир уподоблялся огромной механической машине, все т
будущие состояния которой точно определены её предшествую- е
Цанорам^
щими состояниями. Такое механистическое представление наиболее ярко выразил П. С. Лаплас, по имени которого такой детерминизм получил название лапласовского детерминизма.
Постепенно механистический и строго детерминистический взгляд на природу все больше приходил в противоречие с такими выдающимися открытиями в естествознании XIX и особенно XX вв., как эволюционное учение Ч. Дарвина, теория относительности и квантовая механика. В настоящее время вместо стационарной и неизменной Вселенной классической космологии появляется картина эволюционирующей и расширяющейся Вселенной, в ходе которой возникали самые разнообразные и все усложняющиеся системы неорганической и органической природы. Все эти процессы нельзя было объяснить ни с точки зрения механистического, ни появившегося позднее атомно-молекулярного редукционизма, которые сводят сложные процессы к простым и элементарным движениям материальных частиц, атомов и молекул. Даже равновесная термодинамика, которую И. Пригожин справедливо называет первой наукой о сложности, оказалась не в состоянии объяснить возникновение новых сложных структур в сильно неравновесных условиях и тем самым пришла в противоречие с эволюционной теорией Дарвина, доказавшей возникновение в живой природе новых структур и систем. Такое доказательство было дано на основе представлений о естественном отборе и о борьбе за существование и объясняло, как возникают новые виды растений и животных, однако более глубоких процессов самоорганизации и усложнения живых систем оно не касалось. Процессы происхождения жизни, возникновения живого из неживого теория Дарвина не затрагивала. Для этого необходим был принципиально новый подход, основанный на исследовании механизмов самоорганизации и эволюции сложноорганизованных систем.
Синергетический анализ СЛОЖНООРГАНИЗОВАННЫХ СИСТЕМ
Если редукционизм и атомизм классической физики основываются на редукции, или сведении, сложных систем к системам простым, то синергетика стремится раскрыть связь и взаимодействие между ними. Поэтому она рассматривает, например, изменения, которые происходят на макроскопическом, наблюдаемом уровне как результат взаимодействия огромного числа элементов системы на ненаблюдаемом микроуровне. Такое взаимодействие, в отличие от редукционизма классической физики, не означает сведения сложного к простому, при котором сложность фактически исчезает. В действительности же простое и сложное оказываются самостоятельными сущностями, хотя между ними, бесспор-
но, существует взаимосвязь и взаимодействие. Следует особо подчеркнуть, что в синергетике понятия простого и сложного рассматриваются не столько как свойства самих систем, сколько как характеристики их поведения в процессе изменения и эволюции. Поскольку поведение систем зависит от условий, в которых они находятся, то противопоставление простого сложному приобретает относительный характер: в одних условиях поведение системы можно охарактеризовать как простое, в других - как сложное.
Чтобы пояснить механизм возникновения самоорганизации, обратимся к тому историческому примеру возникновения сложного поведения системы в форме образования гексагональных ячеек на поверхности жидкости, который впервые наблюдал французский физик Бенар. Если разница температуры жидкости между нижней частью Т\ и верхней частью Т2 будет ниже некоторого критического значения ас, т. е. Т2 - Т\ < а, тогда нагревание жидкости будет происходить путем теплопроводности и оно не отразится на её поведении. Но как только эта разница превысит критическое значение, спонтанно возникнет конвективное течение, когда огромное число молекул, как бы по единой команде, начнут участвовать в когерентном, или согласованном, движении. Результатом такого движения будет образование на поверхности жидкости шестиугольных ячеек, названных по имени первого исследователя, ячейками Бенара. Однако существовавшая в то время классическая термодинамика равновесных систем не могла объяснить это новое явление, ибо оно не укладывалось в рамки представлений об изолированных системах. Поэтому долгое время оно оставалось непонятным, и на него обратили внимание только с возникновением сначала неравновесной термодинамики, а потом и синергетики. С точки зрения этих направлений исследования, появление ячеек Бенара на поверхности жидкости связано с обменом энергией между рассматриваемой системой и внешней средой. Флуктуации, или случайные отклонения, в открытой системе от некоторого стационарного состояния не подавляются, а, напротив, по мере возрастания неравновесности между системой и окружающей средой усиливаются. В результате этого беспорядочное тепловое движение молекул в критической точке сменяется согласованным, кооперативным их движением, что и приводит к образованию новой структуры на поверхности жидкости. Возникающая при этом энтропия в системе сопровождается диссипацией, или рассеиванием, энергии в окружающей среде. Таким обра- -
ЗОМ, если поведение молекул ЖИДКОСТИ ДО критической ТОЧКИ НО- Л
сило хаотический, беспорядочный характер, то после достижения О,
этой точки - характер упорядоченный, организованный. Переход от беспорядка к порядку и организации представляет собой ти- га пичный пример самоорганизации системы. В
Ц
Более сложный характер поведения показывают процессы самоорганизации, происходящие при химических реакциях, которые впервые еще в 50-х гг. XX в. исследовали наш соотечественник Б.П. Белоусов, а затем обобщил А.М. Жаботинский со своими сотрудниками. Не входя в подробности, отметим, что в этих реакциях, кроме обмена энергией, происходит также обмен между веществами: новые реагенты вступают в реакцию, а использованные выводятся из неё. Важным условием возникновения такой само-организующейся реакции является также наличие катализаторов, ускоряющих её процесс. В ходе реакции на поверхности раствора спонтанно образуются упорядоченные пространственные и временные структуры. Наиболее примечательными из них являются так называемые «химические» часы, которые представляют собой периодический процесс изменения цвета раствора, например, с красного цвета на синий и обратно. Показателем более сложного характера поведения рассмотренной реакции, и в частности «химических часов», является появление нового аттрактора, который представляет собой уже не точку, а линию, описывающую периодическое изменение концентрации химических веществ в системе. Третьим примером может служить самоорганизация, происходящая в процессе лазерного излучения, которую впервые подробно исследовал Г. Хакен. В этом случае когерентное поведение, например, атомов газового лазера достигается посредством электрического разряда, под воздействием которого возбужденные атомы начинают испускать фотоны. Когда критическая точка будет достигнута, лазер начнет излучать мощный цуг электромагнитных волн с высокой энергией. Беспорядочное движение атомов в лазере после достижения критической точки сменяется их когерентным взаимодействием и коллективным, кооперативным поведением. Все эти примеры, как впервые предложил Хакен, можно описать общей схемой.
Любая открытая система, взаимодействуя с окружающей средой, испытывает определенные флуктуации, которые сначала подавляются системой. Под воздействием энергии или веществ, поступающих извне, эти флуктуации могут усиливаться и начинают «расшатывать» старые связи между элементами системы. Возникшая неустойчивость со временем усиливается, и когда она достигнет определенного критического значения, система резко меняет свое макроскопическое поведение. Между её элементами возникает новое взаимодействие, и они начинают вести себя когерентно, создавая кооперативные процессы. Поэтому Г. Хакен свя-
<|
*
т
О. зывает самоорганизацию именно с появлением кооперативных процессов, а И. Пригожин - с возникновением диссипативных т структур, Идеальная система, как, например, математический ма-
н ятник, не является такой системой, но любой реальный, физиче-
предсказуемого до хаотического.
S®
скии маятник испытывает трение и сопротивление воздуха и, следовательно, является диссипативной системой. В конце концов, маятник останавливается в точке своего равновесия, которая и будет его точечным аттрактором. Такой же точечный аттрактор имеет термодинамическая система, стремящаяся к равновесию. Существуют, однако, более сложные аттракторы, геометрически представленные линией, поверхностью, объемом или даже пространствами различных измерений.
Отношение между простым и сложным поведением систем в синергетике анализируется с помощью такого понятия аттрактора, которое определяет конечное состояние при эволюции диссипативной структуры. Это состояние, образно говоря, притягивает к себе множество траекторий системы, которые определяются её начальными условиями. Если система попадает в сферу действия аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к такой устойчивой структуре. Раньше предполагалось, что все системы, эволюционирующие к аттрактору, являются одинаковыми. В настоящее время понятие аттрактора связывается с разнообразием диссипативных структур. Если для физического маятника аттрактором служит точка, то для неравновесной химической системы, представляющей собой «химические часы», аттрактором является определенная линия, изображающая периодический колебательный процесс.
Такой геометрический способ представления аттракторов оказывается весьма удобным для изучения поведения различных диссипативных систем.
Обобщая эти случаи, вполне допустимо предположить, что аттрактором может служить поверхность и объем. Но самым удивительным было открытие фрактальных аттракторов. Такие аттракторы имеют не целочисленные, а фрактальные, или дробные, размерности. Их отличительная особенность состоит в том, что они описывают весьма сложные типы поведения, которые зачастую невозможно ни воспроизвести, ни предсказать. Их связь с начальными условиями настолько тонка и дифференцирована, что малейшее различие между этими условиями или возмущение не затухают, а, напротив, усиливаются аттрактором. В результате две системы, почти сходные по начальным условиям, определяют качественно различные пути эволюции. Именно поэтому, указывают И. Пригожин и И. Стенгерс, аттрактор определяет режимы, «чувствительные к начальным условиям»4.
Если равновесный мир физики считался предсказуемым миром и управлялся точечными аттракторами, то современный мир странных и фрактальных аттракторов демонстрирует, в зависимости от условий, разные типы сложного поведения системы - от Q,
О X
я
Пригожин П., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994. С. 80. S
(О
Основная идея, выдвигаемая синергетикой, заключается, таким образом, в том, что самоорганизующиеся системы качественно меняют свое поведение в зависимости от условий и конкретных обстоятельств, поэтому оно становится более сложным и запутанным. Это конкретно выражается в изменении макроскопического состояния систем в результате изменений, происходящих на микроуровне. Эти изменения оказывают свое воздействие на процессы, происходящие на макроуровне, которые определяются управляющими параметрами системы. При критическом значении параметров система переходит в новое макроскопическое состояние. Установить связь между невидимыми количественными изменениями на микроуровне и видимыми качественными изменениями на макроуровне, как и определить критическое значение управляющего параметра из чисто абстрактных, теоретических соображений, не представляется возможным. Поэтому здесь прибегают к конкретному исследованию сложноорганизованных систем с помощью наблюдений или экспериментов. В опыте Бенара управляющим параметром является градиент температуры подогреваемой жидкости, в реакции Белоусова и Жаботинского - концентрация химических веществ, в лазере - напряженность электромагнитного поля внутри его.
Изменяя управляющий параметр, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние. Поэтому анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке имеет решающее значение для понимания процесса самоорганизации.
Во-первых, именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между поведением простым и сложным, менее сложным и более сложным. Введение понятия аттрактора дает возможность рассматривать сложность как результат взаимодействия между начальными состояниями систем и природой их аттракторов. Действительно, если закрытая термодинамическая система эволюционирует к точечному аттрактору, то реакция Белоусова-Жаботинского в форме «химических часов» имеет своим аттрактором периодический процесс в форме гармонических колебаний. Более того, после введения понятий странных и фрактальных аттракторов и их геометрической интерпретации стало возможным охарактеризовать эволюцию систем как в сторону их усложнения, так и деградации, что выражается в переходе к хаотическим режимам поведения.
Во-вторых, процесс самоорганизации системы сопровождался переходом от случайности к необходимости. Флуктуации в ходе взаимодействия со средой и возрастания неравновесности, постепенно усиливаются, пока не достигнут определенной критической
щт
Ий
Щ
і
р!
ш
точки. Именно в этой точке, называемой точкой бифуркации, и происходит превращение случайных изменений в детерминированное движение системы. Однако какое направление дальнейшего движения вблизи критической точки «выберет» при этом система, зависит, в свою очередь, от ряда случайных обстоятельств. Используя заимствованный из математики термин «бифуркация», можно сказать, что, в зависимости от таких сложившихся случайных обстоятельств, система может выбрать, по крайней мере, два возможных направления будущего развития, хотя их может быть и больше. В связи с этим отметим, что исследованием критических точек при переходе от устойчивости к неустойчивости еще до возникновения синергетики занялся в своей «Теории катастроф» известный французский математик Рене Том. Он установил, что при уходе от равновесия система может пройти ряд зон неустойчивости, в которых её поведение качественно меняется.
В-третьих, в процессе постепенного изменения состояний на микроуровне обычно возникает множество различных конфигураций состояний, и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка. Это принцип управления, или подчинения, параметрам порядка, который четко сформулировал и образно представил Г. Хакен5. «В определенном смысле параметры порядка действуют как кукловоды, заставляющие марионеток двигаться. Однако между наивным представлением о параметрах порядка как о кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или “куклы”, сами воздействуют на параметры порядка, т. е. на “кукловодов”»6.
Принцип подчинения параметрам порядка играет важнейшую роль в понимании процессов самоорганизации. В каждом таком процессе существует сравнительно немного параметров порядка, в то время как система может состоять из огромного числа компонентов и соответствующих им состояний.
В-четвертых, принцип подчинения поведения сложноорганизованной системы параметрам порядка проливает дополнительный свет на понимание категории причинности в современном научном познании. Он ясно показывает на циклический характер взаимодействия причины и действия: не только причина, но и действие оказывает свое влияние на породившую ее причину. рлч
В-пятых, существенная особенность самоорганизующихся процессов и систем заключается в том, что взаимодействие между
---------- а
5 Хакен Г. Основные понятия синергетики // Синергетическая парадигма. С. 42. «в
6 Там же. С. 37. Н
элементами системы имеет нелинейный характер, и это математически может быть выражено дифференциальными уравнениями степени выше первой, откуда и происходит название этих систем как нелинейных. Такие уравнения дают, по крайней мере, два решения, или бифуркацию (от лат. Ы/игсиз - раздвоение, разветвление). Пропорциональная зависимость, выражаемая в виде линейного отношения между величинами, не отражает сложного характера развития и качественных различий между его стадиями. Математическое отображение подобных процессов достигается с помощью нелинейных функций и уравнений. В абстрактной форме нелинейные уравнения отображают различные типы поведения и функционирования самоорганизующихся систем.
В-шестых, если в классическом естествознании хаос играл чисто негативную роль, являясь символом дезорганизации и разрушения порядка, то в синергетике он выступает в качестве конструктивного фактора. С одной стороны, из хаоса или беспорядка возникает порядок, а с другой - сам хаос представляет собой весьма сложную форму упорядоченности.
Наконец, в-седьмых, в синергетике становится возможным говорить о категории времени, отображающем реальные процессы изменения систем не только в направлении их дезорганизации и разрушения, но и самоорганизации и становления. Классическая термодинамика, хотя и ввела понятие необратимости и «стрелы» времени, но эта «стрела» была направлена в сторону увеличения энтропии системы, а тем самым - возрастания в ней беспорядка. Однако такое понимание времени не согласуется как с представлениями здравого смысла, так и с теориями биологической эволюции и социального развития. В этом отношении особого внимания заслуживает позиция И. Р. Пригожина. Начиная со студенческих лет, он поставил своей целью переосмыслить представления о времени, господствовавшие не только в классической физике, но и в современной квантовой механике и в теории относительности, ибо они опираются в своих уравнениях на представления о симметрии или обратимости времени.
Относительность противопоставления простого СЛОЖНОМУ
цщ При традиционном подходе, категории простого и сложного
абсолютно противопоставляются друг другу, ибо простое оказы-Л вается элементарным объектом, поведение которого при всех ус-
О. ловиях остается неизменным. Сложное же демонстрирует специ-
фическое поведение, принципиально отличное от простого, эле-щ ментарного поведения. Поэтому ему дается чисто отрицательное
И определение: сложное не есть простое. При редукционистском
подходе сущность и свойства сложного сводятся к свойствам его простых частей или элементов. Следовательно, отношение между понятиями простого и сложного при этом сводится к отношению подчинения, или иерархии. Простое оказывается подчиненным сложному, а сложное сводится к своим простым частям.
В действительности такое представление оказывается неадекватным и поверхностным, поскольку оно, во-первых, не раскрывает реальную связь между категориями простого и сложного, во-вторых, не видит относительного характера их различия.
Начнем с того, что простое может состоять из громадного числа частиц; например, в 1 кубическом сантиметре воды содержится 1014 молекул. Но такое впечатляющее число частиц не может говорить в пользу сложности вещества. Как известно, молекулы воды в нормальных условиях могут двигаться с разными скоростями и по разным направлениям. Никакой координации в их движениях не существует, и поэтому их поведение определяют как молекулярный хаос.
Стоит, однако, начать нагревать воду, как поведение составляющих её молекул в критической точке резко меняется. Как свидетельствует рассмотренный выше опыт Бенара, они начинают двигаться вполне упорядоченным образом, участвуя в общем, кооперативном движении. Именно благодаря этому на макроскопическом уровне возникают гексагональные ячейки. Аналогично этому, изменение концентрации веществ в реакции Белоусова-Жаботинского приводит к образованию различных пространственных структур и периодических процессов («химические часы»). Таким образом, уже в этих простейших физико-химических системах характер их поведения существенно зависит от условий, в которых они находятся или наложены на них. В наших примерах такими условиями являются взаимодействие со средой (их открытость), удаленность от точки равновесия (неравновесность), изменение взаимодействия между элементами (нелинейность) и для химических систем дополнительно наличие каталитических процессов. Следовательно, системы, которые нам представляются весьма простыми, могут показывать сложное поведение, а потому различие между простыми и сложными системами имеет относительный характер. В силу этого предпочтительней говорить о сложном и простом поведении систем, а не о простых и сложных системах самих по себе, хотя это и не приводит к серьезным недоразумениям.
Заслуга синергетики как раз и состоит в том, что она впервые
я
показала: элементы сложноорганизованного поведения можно О, обнаружить уже в простых системах физико-химической природы. Например, математический маятник, движущийся без трения, щ
служит идеальным примером простой механической системы. Но 3
а
стоит наложить на него определенные условия, например заставить точку подвеса двигаться, как его поведение приобретет более сложный характер.
Все это, таким образом, показывает, что различие между простым и сложным имеет не абсолютный, а относительный характер. Оно зависит во многом от точки зрения, с которой рассматривается та или иная система.
Граничные условия системы и её сложность
Понятие сложности систем чаще всего, как мы видели, связывают с особой спецификой её аттракторов. Точнее говоря, характер поведения системы рассматривают в зависимости от того, какое влияние аттрактор оказывает на траектории эволюции систем относительно заданных начальных условий.
Существует, однако, и другой, как нам кажется - более ясный и конструктивный, способ оценки сложности систем. Он связан с анализом граничных условий функционирования системы7.
Согласно этому способу, сложность любой физической системы зависит не столько от объективных законов её функционирования, сколько от тех конкретных условий, которые определяют границы их применения. В качестве простого и наглядного примера можно рассмотреть работу машины, которая действует на основе определенных физических законов, но специфический характер её функционирования зависит от сконструированных её создателем особенностей расположения и взаимодействия частей. Именно эта особая конструкция частей определяет границы возможностей действия машины, основанной на использовании соответствующих физических законов. Хотя законы могут оставаться теми же самыми, но характер их применения к конкретным условиям существенно зависит от расположения и взаимодействия частей машины. Другими словами, такое расположение и взаимодействие частей можно рассматривать как граничные условия функционирования. Таким образом, простота или сложность системы при таком подходе определяется именно характером её граничных условий.
По аналогии с машиной живой организм можно рассматривать как систему, существование и деятельность которой зависит, во-первых, от тех известных физико-химических законов, на которых основана эта деятельность; во-вторых, она определяется гранич-j| ными условиями, характеризующими возможности применения
Q. таких законов. Граничные условия представляют собой обуслов-
О ______________
X 7
re Küppers В.-О. On a Fundamental Paradigm Shift in the Natural Scien-
1—j ces// Self-organization. Dordrecht, 1990. P. 55-57.
-I
I
ленный комплекс природных явлении, которые определяют дальнейшее развитие системы. Следовательно, они служат важнейшей характеристикой живых систем. Если мы можем понять эти граничные условия и их развитие с течением времени, тогда мы будем в состоянии понять сложные системы и их развитие8.
Однако эта аналогия нуждается в существенном уточнении.
Если план построения машины и программа её работы проектируется конструктором, то программа построения и дальнейшей деятельности живой системы содержится в самом организме. Как известно, такая программа содержится в молекулах ДНК, служащих носителями и передатчиками наследственной информации. Следовательно, программа построения живого организма является частью самого организма, которая и определяет поэтапную её реализацию и дальнейшее функционирование. Если молекула ДНК окажется в подходящих физико-химических условиях, например будет помещена в яйцеклетку, то вся информация о плане построения организма, содержащаяся в ней, будет считана и pea-лизована шаг за шагом в материальные структуры. Таким образом, молекула ДНК может рассматриваться как первичное 1ранич-ное условие, которое определяет все другие граничные условия.
На этом основании её можно назвать начальным условием. Все физические и химические процессы в организме, в конечном счете, определяются структурой молекулы ДНК, являющейся в физическом смысле подлинным граничным условием.
Однако граничные условия сложных систем, в первую очередь систем живых, существенно отличаются от простых физических систем тем, что малейшее изменение в граничных условиях живых систем может привести к их неустойчивости. Так, например, изменение отдельного нуклеотида в структуре молекулы ДНК может привести к неустойчивости и гибели живого организма.
В простых физических системах изменение граничных условий не влияет существенным образом на поведение системы. Следовательно, в таких системах выбор граничных условий допускает известную произвольность или случайность. Например, произвольный выбор начального состояния свободно падающего тела не влияет на его траекторию и пройденный путь.
В связи с этИхМ Кюпперс в цитированной статье предлагает различать простые и сложные системы по характеру их граничных условий. В простых системах изменение некоторых из них, относительный произвол и случайность в их выборе существенно не сказываются на поведении системы. Напротив, в сложных системах, к которым, несомненно, относятся системы живые, такая
__________ О
8 X
Küppers В.-О. On a Fundamental Paradigm Shift in the Natural Seien- щ
ces. 1990. P. 55. g
случайность исключается. Согласно определению Кюпперса, «сложность системы будет характеризоваться степенью неслучайности её граничных условий» .
Есть основания предполагать, что такой подход к определению сложности вызван не оправдавшимися надеждами открыть новые, более сложные физико-химические законы для описания поведения сложноорганизованных, в том числе и биологических, систем. Поскольку надежда на открытие таких законов постепенно исчезала, постольку все внимание было сосредоточено на анализе граничных условий применения существующих законов. Но здесь возникает ряд других проблем, касающихся, в частности, разграничения степени неслучайности граничных условий, их отношения к законам функционирования и эволюции систем, и другие, которые требуют своего разрешения.
Й|Й
яш!!
№
СЛОЖНОСТЬ И ПРОБЛЕМА РЕДУКЦИОНИЗМА
Редукция, или сведение одних явлений, в особенности сложных, к простым, как мы видели, возникает из представления об однородности природы. Именно оно дает возможность формулировать общие, универсальные законы на основе экспериментального изучения отдельных частей и классов природных явлений. В дальнейшем эта тенденция исследования сложного и объяснения его на основе простых, элементарных частей сформировалась в классической физике в особый способ или метод редукции, или сведения сложного к простому.
Первоначально, в период господства механистического мировоззрения редукция применялась для объяснения сложных явлений и процессов посредством понятий и законов механики. После открытия атомно-молекулярного строения вещества ученые использовали редукцию для объяснения целого ряда макроскопических свойств тел и эмпирических законов посредством простейших свойств составляющих их мельчайших частиц - атомов и молекул. И хотя с помощью такой редукции удалось объяснить многие свойства тел неорганической природы и достичь выдающихся результатов, тем не менее со временем стало ясно, что подобный подход является ограниченным и односторонним.
С философской точки зрения, его основной недостаток заключается в том, что он не учитывает коренного, качественного различия между разными уровнями строения материи. По суги, при ¡¡I этом все качественные различия тел в природе сводятся к количе-
Q, ственной комбинации простейших её элементов. В наивной
О _______________
ГО 9 Küppers В.-О. On a Fundamental Paradigm Shift in the Natural Scien-
[Üj ces. P. 57
форме такие представления были выражены еще в учениях античных атомистов - Демокрита и его учителя Левкиппа. В позднейших теориях классической физики и химии они получили более рафинированное объяснение и обоснование и - что самое главное опирались на экспериментальные результаты. Поэтому концепция атомизма, опирающаяся на представление о редукции сложных систем и процессов к простым и элементарным процессам, находила широкое признание в классическом естествознании. Следовательно, редукционизм является вполне оправданным, когда речь идет о поиске взаимосвязи и единства между кажущимися, на первый взгляд, различными явлениями и процессами природы. Хорошо известно, что открытие законов земной и небесной механики позволило раскрыть единство между перемещениями тел на земной поверхности и движениями небесных тел. С глубокой древности считалось, что между ними существует непроходимая пропасть. Точно так же с помощью спектрального анализа было доказано, что химический состав небесных тел содержит те же самые элементы, которые встречаются на Земле. Все эти и многие другие открытия свидетельствуют о том, что между процессами и системами в мире существует глубокая взаимосвязь и единство.
Но такие взаимосвязь и единство не исключают, а предполагают, наличие богатого разнообразия в природе. Недостаток редукционизма как раз в том и состоит, что он не учитывает «многообразия в единстве», качественных различий в природе. Однако при таком подходе сложное оказывается количественной комбинацией неких простых частиц, называются ли они молекулами, атомами, элементарными частицами или кварками. Такого рода частицы считаются далее неразложимыми, неделимыми, едиными, и потому лишенными тех характеристик, которые присущи сложным телам, веществам и явлениям. Следовательно, категория простого при таком понимании, с одной стороны, оказывается лишенной каких-либо различий и потому абсолютно противопоставляется сложному, поскольку никогда не может рассматриваться как сложное. С другой стороны, сложное не содержит каких-либо специфических, целостных свойств, ибо редукционизм сводит их к сумме свойств образующих его простых частей и элементов. Со временем такие представления пришли в резкое противоречие с реальными фактами, обнаруженными в процессе развития научного познания, и подверглись коренному пересмотру сначала в рамках системного метода, а затем синергетики.
Основываясь на таких фактах, системный метод обосновал глубокую внутреннюю связь не только между целым (системой) И О,
её частями (элементами), но и между простым и сложным. Главное внимание при этом было обращено на то, что свойства целого щ
не могут быть сведены к свойствам своих частей - принцип, кото- [■§
5
<о
8 Зак. 625
113
ill
X
рый был направлен своим острием, прежде всего, против редукционизма.
Однако в связи с успехами применения физико-химических методов исследования в биологии, редукционизм возрождается на новой основе. Речь идет о редукции понятий и законов биологии к понятиям и законам физики и основанной на ней химии. Для обоснования своей позиции современные физикалисты ссылаются на такие разделы биологии, как метаболические процессы в клетке, на достижения молекулярной биологии в раскрытии генетического кода и другие. Но для описания и объяснения эволюционных процессов и биологии развития нельзя найти подходящие понятия и принципы ни в физике, ни в химии. Действительно, как объяснить, например, с помощью чисто физических и химических понятий и принципов процесс развития оплодотворенного яйца через клеточное деление, дифференциацию и другие стадии, и превращения его во взрослый организм? Почему, несмотря на то что живые организмы состоят из компонентов, которые допускают одинаковое описание и объяснение в физико-химических понятиях и принципах, они тем не менее оказываются различными по своей морфологии, физиологии и поведению? Никаких убедительных ответов на эти и другие вопросы, современные редукционисты не дают. Основной недостаток их позиции состоит в том, что они не учитывают того факта, что свойства компонентов, входящих в любую систему, существенно изменяются в результате их взаимодействия в рамках целого, вследствие чего и возникают новые, системные свойства. Это особенно относится к живым системам, которые состоят из необычных макромолекул сложной природы, обладающих необычными свойствами самовоспроизведения и самосохранения.
Против современных редукционистов, пытающихся описать и объяснить биологические процессы с помощью чисто физических понятий и законов, решительно выступают сторонники эмерд-жентизма (от англ. emergence - возникновение, появление нового). Это направление получило особую популярность среди целого ряда биологов, которые решительно заявляют, что свойства системы, в частности живого организма, не могут быть объяснены свойствами его компонентов, а следовательно, сведены к ним.
Один из видных защитников эмерджентизма биолог Эрнст Майр настойчиво подчеркивает, что характеристики живых организмов, даже в теории не могут быть выведены из наиболее пол-
я ного знания их компонентов, взятых отдельно или в определенной
О. комбинации10. Когда образуется новая система из прежних ком-
О X п
[■ні ю
понентов, то возникают новые характеристики и свойства целого,
Mayr Е. The Growth of Biological Thought. Cambridge, 1982.
которые нельзя было предвидеть на основании знания его компонентов.
Э. Майр и его сторонники не отрицают того, что живой организм состоит из тех же физико-химических компонентов и не предполагают наличия какой-либо мистической жизненной силы, которая придаст ему специфическую структуру и организацию.
Однако они считают, что знания этих компонентов недостаточно, чтобы предсказать или вывести из них свойства системы как целого. Такие свойства, по их мнению, являются эмерджентными, возникающими в результате организации компонентов в систему.
В связи с этим эмерджснтисты предлагают признавать существование разных иерархических уровней организации.
Поскольку организация системы определяется характером взаимодействия её компонентов, постольку основной вопрос, который при этом возникает, касается отношения свойств компонентов к способу их взаимодействия. Как известно, любые свойства возникают только в результате взаимодействия вещей и явлений, и поэтому не существует свойств самих по себе. Следовательно, каждое свойство возникает из взаимодействия, а каждое взаимодействие приводит к появлению некоторого свойства.
Дискуссии между редукционистами и эмерждентистами, по существу, идут вокруг вопроса об отношении различных видов взаимодействия и разных типов свойств в эволюции систем. Сторонники редукционизма не хотят признавать, что в процессе различных видов взаимодействия возникают совершенно разные свойства, которые нельзя свести к прежним свойствам.
В связи с этим вряд ли можно согласиться с некоторыми оценками редукционизма, встречающимися в нашей философской литературе. Фундаментальные законы более простого уровня могут, по-видимому, подсказать эвристический путь к открытию однотипного, общего закона. Законы Галилея и Кеплера послужили для Ньютона отправной точкой для открытия закона всемирного тяготения, а принципы общей теории относительности Эйнштейна дали возможность объяснить явления, которые не могла объяснить теория гравитации Ньютона. Следовательно, даже при объяснении однотипных явлений и процессов именно фундаментальные законы общего характера можно использовать для объяснения законов частного характера и конкретных явлений. Если объяснение представляет собой дедукцию, или вывод, от общего к частному, то как может закон более простого уровня объяснить качественную специфику сложных образований. В ряде случаев, О.
признавая возможность иной редукции, по-видимому, имеют в О
виду так называемые структурные теории и математические моде- да
ли. В частности, речь идет о моделях нелинейных систем, когда на \ ■5
*
Я
«определенном уровне абстракции начинает проступать... некая фундаментальная общность процессов, происходящих, казалось бы, в совершенно несопоставимых областях событийной реальности»11. Но абстрактные построения и математические модели требуют качественного анализа и экспериментальной проверки. Признавая принципиальную допустимость и плодотворность редукции, следует не забывать о тех ограничениях, с которыми она связана. Защитники эмерджентизма, отрицая принципиальную сводимость свойств одного уровня к свойствам другого уровня, напротив, не видят определенной связи между ними.
С точки зрения соотношения категорий простого и сложного позиция современного редукционизма, как и их предшественников, заключается в том, что весь познаваемый нами мир оказывается, в принципе, однородным и простым, а мир сложности - это неисследованный и нераскрытый пока мир простого. Поэтому единство мира при таком подходе сводится к его простоте и однообразию. Сторонники эмерждентизма, провозглашая абсолютное различие между свойствами разных уровней и отрицая принципиальную связь и зависимость одних свойств от других, наоборот, превращают мир в совокупность изолированных, несвязанных, разнородных частей. Другими словами, для них мир превращается в многообразие отдельных классов вещей, явлений и процессов, лишенных внутреннего единства. Однако с диалектической точки зрения существование качественно разнородных частей мира, разнообразных классов явлений, событий и процессов, не исключает, а, напротив, предполагает различные формы и типы связей между ними, которые свидетельствуют об универсальном единстве мира. Редукционизм и эмерджентизм подчеркивают и преувеличивают одну из сторон этого универсального диалектического отношения в развитии мира и противопоставляют их друг другу. В действительности же задача состоит в том, чтобы исследовать их во взаимосвязи и взаимодействии, указав при этом возможности и границы применения каждого из подходов в отдельности.
<|
X
ю
О.
О ________________
Я 11 Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Законы эволюции и самоорганиза-
|ищ ции сложных систем. М., 1994. С. 35.
