Книга: ЧЕЛОВЕК И НООСФЕРА

Редукционизм и механизмы «сборки»

Редукционизм и механизмы «сборки»

Редукционизм в любых дисциплинах означает попытку объяснения того или иного феномена, наблюдаемого на том или ином уровне организации материи, свойствами более простых явлений или наблюдаемых на «более низком» уровне организаций.

Другими словами, редукционизм — это стремление свести объяснение сложного через более простое. Поэтому редукционизм — это есть некоторый своеобразный метод мышления. Он тоже представляет собой феномен и как таковой заслуживает самого пристального внимания и исследования. По существу, редукционизм пронизывает все науки, в разной степени, но все. Это именно образ мышления — специфическое явление интеллектуальной жизни людей.

Эта особенность мышления возникла, вероятно, в процессе эволюции, однако она прививается человеку и в процессе обучения. Редукционизм и «объяснение на пальцах» — это, по существу, одно и то же.

Физики, построившие грандиозное здание модельных конструкций, по своей природе и методам анализа являются в своем подавляющем большинстве редукционистами. Наиболее яркий и простои пример редукционистского мышления нам дает создание кинетической теории газов и современной термодинамики. Именно в его рамках удается понять, что означают общие характеристики движения газа или жидкости, такие, как температура, давление, скорости движения газа, энтропия и т. д., как они связаны с общим характером движения молекул, особенностями их соударений, их энтропией и т. п.

Подобные факты — это не просто важнейшие достижения физики, но и наглядная иллюстрация успехов редукционистского образа мышления. Он породил и своеобразные методы анализа, позволяющие связывать надежными логическими переходами различные этажи того здания моделей, которое выстраивается физикой.

Среди редукционистского инструментария особое место занимают разнообразные асимптотические теории, придающие фундаментальность и архитектурную цельность зданию современной физики. Блестящей иллюстрацией тех возможностей, которыми обладают эти методы, является вывод уравнений движения вязкого газа (уравнения Навье — Стокса) из уравнений, которые описывают движение соударяющихся молекул (уравнения Больцмана). Этот переход от уровня микроописания динамики молекул к макроописанию движения газа требует всего лишь двух предположений — о малости свободного пробега молекул и о максвелловском законе распределения их скоростей.

В первой половине XIX века модель движения газа носила феноменологический характер — она отражала представления естествоиспытателей, их наблюдения и опыт. Теперь эта модель сделалась следствием другой феноменологической модели более глубокого уровня — модели свободного движения молекул, из которой, преодолевая те или иные математические, в конечном счете технические, трудности, выводимы все свойства движения газа.

Таким образом, редукционизм как способ сведения сложного к анализу явлений более простых является мощнейшим средством исследования. Он позволяет изучить сложнейшие явления самой различной физической природы. Однако было бы большой ошибкой думать, что этот способ познания носит универсальный характер и любые сложные явления могут быть познаны с помощью их расчленения на отдельные частные исследования их отдельных составляющих.

Тем не менее «идеология редукционизма» столь глубоко пронизала все физическое мышление, что, по-видимому, подавляющее большинство физиков глубоко убеждены, что все свойства макроуровня уже закодированы в моделях микроуровня.

Другими словами: если в распоряжении исследователя имеется достаточно «хорошая» модель, то есть модель, достаточно полно описывающая свойства микроуровня (свойства элементов системы), то определение всех свойств самой макросистемы ничего неожиданного для нас не содержит. Надо лишь для их изучения преодолеть определенные «технические трудности», но принципиально они выводимы из свойств элементов микроуровня подобно тому, как это делается в кинетической теории газов или гидродинамике вязкой жидкости.

Редукционизм порождает в физике целый ряд важнейших исследовательских программ. Одна из них, может быть, самая важная в современной теоретической физике, способная открыть совершенно новые горизонты познания, посвящена единой теории поля и включения гравитации в общую систему взаимодействий.

К числу подобных программ относятся и исследования И. Пригожина и его школы, посвященные проблеме объединения необратимости времени (проблема «стрелы времени»).

Необратимость времени, совершенно особая роль временной координаты по сравнению с пространственными координатами — это экспериментальный факт, который мы фиксируем на макроуровне. Но возникает естественный вопрос: является ли необратимость времени особым свойством макроуровня или она оказывается следствием свойств микроуровня нашего мира, то есть того уровня, который описывает, например, квантовая механика? Этот вопрос важнейший: он затрагивает самые глубинные слои нашего познания.

Я думаю, что в такой прямой постановке этот вопрос должен иметь, по-видимому, отрицательный ответ. Дело в том, что основное уравнение квантовой механики — уравнение Шредингера — инвариантно относительно направления времени, и, по-видимому, у нас нет серьезных оснований сомневаться в его справедливости: его справедливость подтверждает огромный экспериментальный материал. Противоречивость наблюдаемого на макроуровне и свойств микроуровня может быть разрешена, по-видимому, двумя способами, в основе которых лежат две совершенно разные идеи.

Одна из них — это предположение, что уравнение Шредингера все-таки не совсем точно отражает реальность и в нем должны присутствовать слагаемые, которые не инвариантны относительно замены знака времени.

По этому пути, по существу, идут Пригожин и его последователи. Но могут быть предложены и другие идеи. Об одной из них я расскажу позднее.

Небезынтересна судьба редукционизма в биологии. В прошлом веке, в особенности в его начале, казалось аксиомой утверждение о некой жизненной силе, присущей всему живому, о невозможности объяснить процессы, протекающие в живом веществе, только одними законами физики и химии. Это течение мысли получило название витализма. Однако оно довольно быстро стало размываться. Многие факты начали получать свое относительно простое объяснение, например, явлением наследственности, и они не требовали привлечения, казалось бы, потусторонних соображений о существовании некой жизненной силы. Поэтому влияние редукционизма весьма глубоко проникло и в различные области естествознания.

Бертран Рассел, кажется, сказал однажды, что, как это ни удивительно, но все свойства живого вещества можно будет предсказать однажды, ибо они однозначно определяются особенностями электронных оболочек атомов, в него входящих.

Конечно, такая точка зрения весьма упрощена, если угодно, рафинирована. Но ей трудно отказать в привлекательности, и, что, может быть, еще важнее, она дает указание о направлениях возможных исследований. И в той или иной степени ей следуют многочисленные работы выдающихся ученых. Уже упомянутые мной работы М. Эйгена, посвященные изучению эволюции биологических макромолекул, относятся к числу тех исследований, в которых делается попытка объяснить процессы, протекающие в живом организме, законами физики и химии.

Вместе с тем найдется не так много биологов, которые готовы принять безоговорочно основной постулат редукционизма, смысл которого состоит в том, что никаких неожиданностей, никаких новых свойств макроуровня, не выводимых из свойств микроуровня, не существует. Другими словами, свойства системы однозначно определяются свойствами ее элементов и структурой их связей. Если этот процесс в таком крайнем виде неприемлем для биолога, то он тем более не может быть принят науками об обществе.

Я думаю, что существует некоторая общая проблема, актуальная для любых уровней организации материи. Я ее называю «проблемой сборки», или, может быть, точнее, «проблемой механизмов сборки». При объединении элементов, то есть при переходе к макроуровню, происходит образование новой структуры, обладающей своими специфическими качествами.

Кое-что об этих алгоритмах сборки мы уже знаем. Один такой пример нам дает изучение движения того же вязкого газа, о чем мы только что говорили. Если мы знаем механизм соударения молекул и если газ достаточно плотный, то есть если длина свободного пробега молекул достаточно мала, то мы, в принципе, владеем алгоритмом сборки: мы можем определить температуру, плотность, давление и другие характеристики системы «движущийся газ», которые не имеют смысла для произвольной совокупности молекул. Приведенный пример относительно прост, ибо мы знаем, как получаются общие свойства системы из свойств ее элементов.

Более сложный пример, хотя тоже еще относительно простой, нам дает кристаллография. Кристаллизация вещества — это один из примеров «сборки системы». В конце прошлого века Е. С. Федоров установил так называемый закон Федорова. Ему удалось перечислить все возможные формы (286) кристаллических структур. Оказалось, что, какое бы ни было вещество, способное к кристаллизации, будь то поваренная соль или алмаз, оно может принять лишь одну из перечисленных возможных форм.

Этот пример — тоже относительно простая иллюстрация возможных алгоритмов сборки, поскольку форма равновесия кристалла является в конечном счете следствием закона минимума потенциальной энергии. Однако здесь уже есть одна принципиальная трудность. Далеко не всегда мы можем предсказать финальное состояние процесса сборки. Как и в случае механизмов бифуркационного типа, оно определяется не только внешними условиями, но и неконтролируемыми случайными флюктуациями и внешними воздействиями.

Эти и многие подобные примеры действительно просты, ибо свойства системы могут быть установлены заранее — они определяются известными законами физики и химии (с учетом случайных флюктуаций, конечно).

Но такие примеры, как правило, счастливые исключения. Проблема сборки, то есть определение свойств системы на основе информации о свойствах ее элементов, не только труднейшая, но она только начинает осознаваться как одна из самых актуальных и самых универсальных проблем современной науки. Известных успехов достигли специалисты в области создания новых полимеров. Им действительно удается порой создавать искусственные материалы, обладающие заранее заданными свойствами. Однако их достижения в большей степени обязаны накопленному опыту и интуиции инженеров и химиков, нежели строгим выводам науки.

Проблемами сборки на молекулярном уровне занимается квантовая химия. Однако ее успехи пока еще очень ограниченны, и многие экспериментальные факты, нам всем известные, продолжают оставаться глубокой тайной. Так, например, мы очень много знаем о свойствах кислорода и водорода и, конечно, знаем, что их соединение — вода — будет образовывать систему, молекула которой состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но мы совершенно беспомощны в объяснении свойств этой системы. Почему, например, плотность воды до поры до времени, как и у других веществ, растет вместе с падением температуры? Но ниже 4 градусов Цельсия она падает. В чем секрет такой аномалии? Можно ли сборку этой системы, называемую водой, полностью объяснить известными нам законами физики и химии и редуцировать изучение свойств воды к изучению атомарного уровня ее компонентов?

На подобный вопрос у нас пока нет ответа. И такие безответные вопросы нас встречают всюду. Можно ли было, например, предсказать свойства высокотемпературной сверхпроводимости у таких диэлектриков, как металлокерамика? Вот почему, когда я прочел последнюю книгу Пригожина, посвященную проблемам необратимости времени, мне показалась не очень оправданной его попытка редуцировать проблему «стрелы времени» к изучению тех уточнений, которые следует, может быть, внести в основное уравнение квантовой механики. Мне кажется вполне допустимой мысль о том, что на квантово-механическом уровне нет «стрелы времени». Там царствует обратимость, и замена знака временной координаты на обратный ничего не изменяет в характере процессов, протекающих на этом уровне, а наблюдаемая потеря временной симметрии на макроуровне — это всего лишь следствие особенностей механизмов сборки.

И для этого, как мне кажется, существуют определенные основания. В самом деле, мы видим, что для объяснения необратимости процесса эволюции на макроуровне достаточно факта стохастичности и существования механизмов бифуркационного типа. И оно не требует редукции к законам микромира. Кроме того, процесс перехода от микроуровня к макроуровню, то есть процесс сборки, так же как и другие процессы, проходящие во Вселенной, реализуется в условиях недертеминированных и подверженных бифуркациям.

Вот почему мне представляется непротиворечивой возможность сочетания временной асимметрии макроуровня с временной симметрией микроуровня.

Если процессы сборки и изучение тех или иных свойств системы зависят от свойств ее элементов и представляются столь сложными в мире неживой природы, то можно себе представить, сколь глубоки они в мире живого вещества и тем более в обществе! Рассматривая объединение отдельных элементов в систему, мы сталкиваемся с необходимостью рассматривать его как некоторый процесс, учитывающий его историю, то есть стохастику, неопределенность и наследственность.

Очень интересные данные нам дает этология — наука о поведении животных, особенно стадных. Стадо, например, северных оленей (карибу) начинает обладать присущим ему свойством лишь в том случае, если оно достигнет определенной численности. Несколько отдельных оленей, даже если они находятся вместе, не проявляют тех свойств совместного поведения, которые свойственны большому стаду.

При его формировании большую роль играет наследственность, точнее, своеобразная память, о которой я буду говорить в одном из следующих разделов. Но, во всяком случае, если в стадо диких оленей попадают домашние олени, то их поведение всегда несколько отлично от стандартного, и они, например, в первую очередь оказываются добычей волков.

Таким образом, чтобы изучить поведение стада, его свойства как некоторой системы, а стадо является системой, совершенно недостаточно знать особенности отдельных животных. Механизм сборки — это в данной ситуации особый процесс, требующий изучения неизмеримо большего, чем изучение поведения отдельных животных. Во всяком случае, этот процесс порождает определенное кооперативное поведение, обеспечивающее в известном смысле «оптимальное» функционирование системы. В подобных ситуациях говорить о редукционизме просто не имеет смысла.

Но это утверждение вовсе не означает признание витализма или какой-либо из его разновидностей. Просто в процессе «сборки» возникают новые системные свойства, не выводимые из свойств объектов более низкого уровня.

Я уже произнес одно выражение — «кооперативное поведение». Оно, конечно, имеет смысл лишь тогда, когда речь идет об объектах, для которых можно говорить о «целеполагании», например, для живых существ, стремящихся сохранить свой гомеостазис. Кооперативность поведения, которой будут посвящены несколько разделов этой книги (если ее рассматривать с позиций механизмов сборки), есть лишь специальный случай возникновения общих для системы свойств. Но при переходе к изучению общесистемных характеристик человеческого общества именно это свойство коллективов и любых организаций нашего общества приобретает важнейшее значение. А в проблемах коэволюции биосферы и человека — решающее!

Я уже говорил, что развитие нашего мира на всех его уровнях представляется в форме некоторого процесса непрерывного возникновения (и разрушения) новых систем, новых организационных структур. И механизмы сборки, определяющие процессы становления этих систем, их возникновение как синтез, объединение более просто организованных систем, элементов, возникновение новых свойств, нового качества, являются стержнем всего мирового процесса развития.

Несмотря на их роль в нашем понимании общих процессов развития, столь необходимого нам сегодня в выработке стратегии во взаимоотношении человека и природы, мы очень мало можем сказать об общих свойствах «механизмов сборки», а тем более прогнозировать результаты их действий. Задача изучения свойств этих механизмов, как мне кажется, еще толком не поставлена.