18.2. Иерархическая структура и экзистенциальные уровни

18.2. Иерархическая структура и экзистенциальные уровни

Материя структурирована иерархически: живые организмы состоят из клеток, клетки — из молекул, молекулы — из атомов, включающих в себя ядра и электроны; ядра состоят из протонов и нейтронов, а те — из кварков. Последовательные уровни познания материи включают в себя химию, основанную на физике, минералогию, основанную на физике и химии, геологию, основанную на минералогии, и так далее[167]. Учитывая число низкоуровневых элементов (например, в 1 грамме водорода содержится 6 х 10²³ молекул), детальное описание низших уровней в большинстве случаев непрактично и в условиях, близких к равновесности, заменяется статистическим описанием, в котором применяются законы статистической физики, описывающие взаимоотношения низших и высших уровней.

Великое открытие молекулярной биологии состоит в том, что, несмотря на необычную природу биологических молекул, полностью механизированное описание применимо на микроуровне и к живым организмам, в том числе к человеку и человеческому мозгу[168]. Однако биологические системы — это системы открытые, далекие от теплового равновесия, так что статистическая физика к ним неприменима. То, что в них происходит, описывается скорее через детализированные структурные взаимоотношения и молекулярные взаимодействия.

На классических структурных уровнях (то есть тех, где мы можем использовать феноменологические отношения без обращения к квантовой теории), отношения микро- и макроструктуры в принципе детерминированы, если учитывать полное описание микроструктуры и низкоуровневых причинно–следственных отношений. Таким образом, основной характеристикой структурной иерархии в физическом мире является действие снизу вверх, происходящее на каждом следующем уровне обусловлено причинно–следственным функционированием, имеющим место уровнем ниже; таким образом, то, что происходит на самом высшем уровне, в конечном счете обусловлено происходящим на нижнем уровне. Такова глубинная основа редукционистского взгляда на мир. Основываясь на этом представлении, люди часто высказываются так, как если бы высших уровней вовсе не существовало («в сущности, ты просто набор атомов»): по–настоящему существует только микроструктура, поскольку она рассматривается как основа причинности на всех уровнях.

В ответ прежде всего необходимо заметить, что нам неизвестна даже природа самого нижнего уровня (возможно, он состоит из кварков, а возможно, и нет), и, следовательно, такая точка зрения, если принимать ее всерьез, обрекает нас на полную беспомощность — мы не знаем, что же на самом деле реально! Но помимо этого такой абсолютистский взгляд просто не принимает всерьез экзистенциальный статус высших уровней. Напротив, мы в этой статье принимаем мнение, что кварки и электроны, протоны и нейтроны, столы и стулья, планеты и звезды, муравьи и люди — все это одинаково реально. То, что каждое явление состоит из явлений более низкого уровня, не подрывает его статуса существующего и имеющего самостоятельное бытие. На определенном уровне это утверждение само собой понятно: в самом деле, я сейчас сижу на стуле. Отрицать этот простой факт — значит игнорировать очевидность. Повседневная жизнь обладает собственным очевидным экзистенциальным статусом: те, кто это отрицает, играют в философские игры, неинтересные, поскольку в них не принимаются в расчет весьма важные для нас аспекты жизни.

Высокоуровневые характеристики основаны на упорядоченных отношениях между составными частями: эти отношения не представляют собой «ничто», напротив, они составляют существенную суть, позволяющую высокоуровневым структурам существовать и образовывать собственные уровни эмерджентного порядка и поведения. Эти высшие порядковые уровни обусловлены не одной только низкоуровневой микрофизикой. В сущности, язык, применяемый к микроуровням, даже не способен описать высокоуровневую структуру и ее поведение: здесь требуются новые понятия и схемы. На микроуровне их ни понять, ни описать невозможно[169]. Более того, низшие уровни накладывают удивительно мало ограничений на происходящее на высших уровнях, где вступают в действие независимые уровни причинности и феноменологии. Например, я могу набрать на компьютере любой текст, какой только захочу: детерминистическое взаимодействие частиц, составляющих компьютер на микроуровне, это допускает. Феноменологические причинно–следственные отношения, действующие на каждом уровне иерархии, могут быть изучаемы как самодостаточные: например, компьютер, на котором я набираю эту статью, действует как текстовый процессор с установленными и известными правилами поведения, однако на низших уровнях он функционирует как машинный код со своим точным языком. В сущности, мы можем искать и достигать высокой репрезентационной точности и предсказательной способности для свойств и отношений на каждом уровне, независимо от любых знаний о взаимоотношениях на нижних уровнях, при условии, что у нас имеются надежные, хорошо подтвержденные описания высших уровней, точно описывающие условия возникновения свойств и значений, неразложимых на составные элементы.

Физические причины, дающие такую независимость свойств высших уровней от природы элементов, составляющих нижние уровни, обсуждаются у Андерсона [3], Швебера [46] и Каданоффа [25]. Речь идет о важнейшем свойстве физики, лежащем в основе нашей повседневной жизни и ее реальности. Его источник — природа квантовой теории поля, которая применяется к микросвойствам материи, суммированным в стандартной модели физики элементарных частиц; важнейшую роль играет здесь масштабное поведение материи, характеризуемое группой перенормировки [46]. В результате возникают эффективные теории поля, описывающие поведение материи на каждом уровне [23], или, говоря более обобщенно, феноменологические отношения, дающие надежное описание поведения на более высоких уровнях. Высокоуровневое поведение оказывается в целом независимо от деталей природы низкоуровневых элементов, его составляющих. Приведем уже упоминавшийся пример: цифровые компьютеры с иерархической логической структурой, выраженной в иерархии компьютерных языков, которая лежит в основе высокоуровневых пользовательских программ [50]. Пользователю не обязательно знать машинный код — и в самом деле, поведение компьютера на высшем уровне не зависит от того, какое именно «железо» и какие именно программы используются на уровне машины. На каждом уровне компьютер обладает реальным существованием, и это позволяет нам разумно взаимодействовать с ним как с целостным явлением на уровне «виртуальной машины», не заботясь о подробностях его низкоуровневой структуры. Другой пример — механический мотор: чтобы им пользоваться, не нужно изучать физику элементарных частиц.

Ключевой пункт, лежащий в основе очевидной эффективности высокоуровневного порядка в терминах каузальности, — это характеристика, комплиментарная движению снизу вверх, а именно движение сверху вниз, имеющее место как в биологии, так и в практических приложениях физики [10, 18, 27, 32, 33, 36, 37]. При движении сверху вниз высокоуровневые явления координируют огромное множество действий на низших уровнях таким образом, что на высших уровнях возникает желаемый эффект; и так движение снизу вверх происходит благодаря контролю, осуществляемому сверху вниз. Таким образом, высокоуровневные явления функционируют на своем уровне вполне осмысленно; следовательно, онтологическая реальность высших уровней иерархии существует — высокоуровневные явления обладают собственным бытием и имеют собственные эффективно действующие поведенческие законы. Пример мы привели выше — работа компьютера: электроны циркулируют в компьютерных кабелях согласно командам, вводимым нажатием на клавиатуру или движением «мыши», и надежно выполняют полученные инструкции. Если нажать на другие клавиши — электроны начнут двигаться по–другому. Эта характеристика полностью меняет природу причинно–следственных взаимоотношений в иерархической системе (см. рис. 18.1), позволяя высокопричинным уровням быть каузально эффективными в контексте системы, где в основе происходящего на высших уровнях лежит действие, направленное снизу вверх.

Холистическое действие (действие сверху вниз) занимает центральное положение как в физике [28], так и в молекулярной биологии, несмотря даже на то, что в большинстве текстов основное внимание уделяется механистическим (снизу вверх) аспектам. Важнейшая центральная тема эволюционной биологии — развитие кодировок ДНК (особых последовательностей оснований в молекулах ДНК) в ходе эволюционного процесса, приводящее к адаптации организма к его экологической нише [11]. Это классический случай действия сверху вниз, от окружающей среды — к деталям биологической микроструктуры; благодаря процессу адаптации окружающая среда (вместе с другими причинными факторами) создает особую кодировку ДНК [10]. Невозможно предсказать эту кодировку, основываясь на одной биохимии или микрофизике. Вторая центральная тема молекулярной биологии — прочтение ДНК организмом в процессе развития [53, 12]. Это не механистический процесс: он зависим от контекста, где происходящее сначала оказывает прямое влияние на то, что произойдет потом. Центральный процесс биологии

развития, в котором позиционная информация определяет, какие гены в каждой клетке заработают, а какие нет, иначе говоря, определяет их судьбу в процессе развития, основан на существовании в теле градиентов позиционных индикаторов [53]. Без этой характеристики структурное развитие организма было бы невозможно. Таким образом, функционирование важнейших клеточных механизмов, определяющих тип развития каждой клетки, несомненно, контролируется «сверху вниз». Если подняться на более высокий уровень, последние исследования генов и различных наследственных заболеваний показывают, что существование генов определенного заболевания в организме еще не является достаточной причиной для фактического развития болезни: результат зависит от природы гена, от генома в целом и от окружающей среды [52].

Рис. 18.1: Действия снизу вверх и сверху вниз.

Фундаментальная значимость действия сверху вниз состоит в том, что оно полностью изменяет причинно–следственные отношения между высшими и низшими уровнями в структурной и организационной иерархии, что отражено в различии между рисунками 18.1.А и 18.1.В. Прежде всего, оно создает возможность многоуровневых петель с обратной связью.

Происходящее определяется не самими по себе микрохарактеристиками, действующими механистически; прежде всего на конечный исход влияют макроситуации, возникающие в контексте высокоуровневых значений. Отметим особенно, что макросреда включает в себя результаты сознательных решений (например, пациент может лечиться или не лечиться от наследственного заболевания), следовательно, они также являются важным причинным фактором.