不完全な自然

不完全な自然：物質から心が生まれた経緯

2011年版の表紙
著者	テレンス・W・ディーコン
言語	英語
主題	科学
公開済み	WW Norton & Company; 第 1 版 (2011 年 11 月 21 日)
出版地	アメリカ合衆国
メディアタイプ	印刷
ページ	670
番号	978-0393049916
OCLC	601107605
デューイ十進分類法	612.8/2

『不完全な自然: 物質から心が生まれるまで』は、生物人類学者 テレンス・ディーコンが2011年に著した本です。この本は、生物記号学、心の哲学、生命の起源などのトピックを扱っています。大まかに言えば、この本は「 aboutness」、つまり意図性、意味、規範性、目的、機能などの概念を自然主義的に説明しようとしており、ディーコンはこれらをまとめて意図的現象と呼んでいます。

ディーコンの最初の著書『象徴的種族』は、人間の言語の進化に焦点を当てたものでした。その本で、ディーコンは、言語の起源を取り巻く謎の多くは、記号過程そのものの性質に関する深い混乱から生じていると指摘しています。したがって、『不完全な自然』の焦点は、人間の起源から生命と記号過程の起源に移っています。『不完全な自然』は、意識の問題と生命の起源の問題は不可分に関連していると仮定する、増え続ける研究に対して、大きな貢献をしていると言えます。 ^{[1] [2]}ディーコンは、基本に戻ることで、これら2つの関連する問題に取り組んでいます。この本は、仕事と情報の古典的な概念を拡張して、唯物論と一致する意図性 の説明を与えていますが、生命の非物理的特性を説明したり、付随現象として片付けたりしようとはしていません。

この本の中心的な論点は、不在は依然として有効である可能性があるというものである。ディーコンは、ゼロの概念が数学に革命をもたらしたのと同じように、制約（つまり、何が不在であるか）の観点から生命、心、その他の意図的現象について考えることは、心身問題という人為的な二分法を克服するのに役立つと主張する。この概念の良い例は、荷馬車の車輪のハブを定義する穴である。穴自体は物理的なものではなく、車輪の構成要素の配置の可能性を制限するのに役立つ制約の源であり、その結果、全体的な規模で、転がるという特性が出現する。創発現象を生み出す制約は、パターンの構成要素の構成を見ることで理解できるプロセスではない可能性がある。創発現象は、その複雑さが必ずしも部分に分解されるとは限らないため、研究が難しい。パターンが分解されると、制約はもはや機能せず、穴も、気付くべき不在もない。ハブ、つまり車軸用の穴を想像してください。これは車輪が回転しているときにのみ生成されるため、車輪を壊してもハブがどのように現れるかはわかりません。

ディーコンは、生体システムが示す因果関係のパターンは、ある意味では非生体システムの因果関係のパターンの逆であるように見えると指摘している。^{[要出典]目的}論的説明に関連する哲学的問題の解決策を見つけるために、ディーコンはアリストテレスの 四因論に立ち戻り、熱力学の概念でそれを現代化しようと試みている。

正行性変化は内部的に引き起こされる。つまり、正行性変化は、不均衡な熱力学系における非対称性の自発的な解消によって生成される。正行性変化は変化する系の内部構造によって引き起こされるため、正行性原因はアリストテレスの 形式的原因に類似していると見なすことができる。より緩く言えば、アリストテレスの 最終原因も正行性と考えることができる。なぜなら、目標指向の行動は内部から引き起こされるからである。^[3]

逆行性変化は外部から課せられる。それは非自発的な変化である。逆行性変化は、ある熱力学系が別の熱力学系の順行性変化と相互作用するときに誘発される。相互作用により、最初の系はより高いエネルギー、より非対称な状態になる。逆行性変化は機能する。逆行性変化は別の変化する系との外部相互作用によって引き起こされるため、逆行性原因はアリストテレスの 効力原因に類似していると見なすことができる。^[4]

この本の大部分は、古典的な熱力学の考え方を拡張することに費やされており、平衡から遠く離れたシステムがどのように一貫して相互作用し、組み合わさって新しい特性を生み出すのかについて詳しく説明されています。

ディーコンは、熱力学システムの階層的にネストされた 3 つのレベルを定義します。ホメオダイナミックシステムが結合して形態力学システムが生成され、それが結合して目的力学システムが生成されます。目的力学システムをさらに結合して、より高次の自己組織化を生成することができます。

ホメオダイナミックシステムは、圧力下のガスや溶液中の溶質などの古典的な熱力学システムと本質的に同等ですが、この用語は、ホメオダイナミックスが古典的な熱力学の範囲を超えた形で実現できる抽象的なプロセスであることを強調しています。たとえば、通常、感情状態に関連付けられる拡散脳活動は、そのコンポーネント（神経活動）が分散する一般的な平衡状態があるため、ホメオダイナミックシステムと見なすことができます。^{[5]一般に、ホメオダイナミックシステムとは、最大}エントロピー状態（無秩序）が達成されるまでパーツを再配置することで制約を自発的に排除するコンポーネントの集合です。

形態力学システムは、2 つの恒常力学システムの結合で構成され、それぞれの制約消散が他のシステムを補完し、微視的相互作用から巨視的秩序を生み出します。形態力学システムは、その構造を維持するために一定の摂動を必要とするため、自然界では比較的まれです。形態力学システムの典型的な例は、レイリー・ベナール細胞です。その他の一般的な例としては、雪片の形成、渦巻き、レーザー光 の誘導放出などがあります。

最大エントロピー生成:形態力学システムの組織化された構造は、最大エントロピー生成を促進するように形成されます。レイリー・ベナールセルの場合、液体の底部の熱によって高エネルギー分子が不均一に分散され、表面に向かって拡散する傾向があります。熱源の温度が上昇すると、密度効果が作用します。単純な拡散では、エネルギーが追加されるのと同じ速さで消散することができないため、液体の底部は上部のより冷たく密度の高い液体よりも熱くなり、浮力が大きくなります。液体の底部が上昇し始め、上部が沈み始め、対流が発生します。

2 つのシステム:液体の大きな熱差により、2 つの恒常力学システムが生成されます。1 つ目は拡散システムで、底部の高エネルギー分子が上部の低エネルギー分子と衝突し、熱源から追加された運動エネルギーが均等に分散されます。2 つ目は対流システムで、底部の低密度流体が上部の高密度流体と混合し、密度が均等に分散されます。2 つ目のシステムは、最初のシステムで効果的に消散するにはエネルギーが多すぎる場合に発生し、両方のシステムが配置されると、相互作用し始めます。

自己組織化:対流により流体内に流れが生じ、下から上への熱拡散パターンが乱されます。熱は、流体の密度の高い部分の垂直位置に関係なく、流れの密度の高い領域に拡散し始めます。拡散が最も速く起こっている流体の領域は、分子が互いに反対方向にこすれ合うため、最も粘性が高くなります。対流は、流体がより容易に流れる部分を優先して、これらの領域を避けます。そのため、流体は自発的にセルに分離し、高エネルギーで密度の低い流体がセルの中心から上向きに流れ、より低温で密度の高い流体が端に沿って下向きに流れ、各セルの中心と端の間の領域では拡散効果が優勢になります。

相乗効果と制約:形態動力学プロセスで注目すべき点は、結果として生じる秩序立ったシステムは混沌としたシステムよりもエントロピーの増加に効率的であるため、秩序が自発的に明確に出現することです。レイリー・ベナールセルの場合、拡散も対流も単独では、両方の効果が結合した場合ほどのエントロピーは生成されません。両方の効果が相互作用すると、特定の幾何学的形状に相互に制約されます。その形状により、2 つのプロセス間の干渉が最小限に抑えられるためです。エネルギー差が続く限り、秩序立った六角形の形状は安定していますが、秩序立った形状は他のどの形状よりも効果的にエネルギー差を低下させます。これが、自然界の形態動力学プロセスが通常非常に短命である理由です。これらは自己組織化されますが、自己破壊的でもあります。

テレオダイナミックシステムは、2つの形態力学システムを結合して、それぞれの自己破壊的な性質が他方によって制約されるように構成されます。各システムは、利用可能なエネルギーをすべて消費することを他方が防ぎ、その結果、長期的な組織安定性が得られます。ディーコンは、2つの形態力学システムが相互に制約し合う瞬間を、機能、目的、規範性などの意図的性質が出現する時点として特定すべきだと主張しています。^[6]

ディーコンは、オートジェンと呼ばれる化学的に妥当なモデルシステムを説明することで、テレオダイナミックシステムの特性を探求しています。ディーコンは、彼が説明する特定のオートジェンは最初の生命体の提案された説明ではなく、むしろ最初の生物が持っていた可能性のある熱力学的相乗効果の種類の説明であることを強調しています。^[7]

相互触媒作用:オートジェンは、ケモトンに似た 2 つの自己触媒周期的形態動力学化学反応から構成されます。1 つの反応では、有機分子がループ状に反応し、1 つの反応の生成物が次の反応の反応物になります。このループ反応は自己増幅し、すべての基質が消費されるまで、ますます多くの反応物を生成します。この相互触媒ループの副産物は、2 番目の反応で反応物として使用できる脂質です。この 2 番目の反応により、最初の反応を封じ込める境界 (微小管または他の閉じたカプシドのような構造) が作成されます。境界は拡散を制限し、必要な触媒をすべて互いに近接した状態に保ちます。さらに、境界により、最初の反応が環境内の利用可能な基質をすべて消費することが防止されます。

最初の自己:孤立した形態力学的プロセスではその組織化によって構造を維持するために必要なエネルギー勾配が急速に排除されますが、テレオダイナミック プロセスは自己制限的かつ自己保存的です。2 つの反応は互いに補完し合い、どちらも平衡状態 (つまり完了、停止、および死) に至らないようにします。したがって、テレオダイナミック システムには、生物学的機能の予備的なスケッチを具体化する構造があります。内部反応ネットワークは境界反応の基質を作成する機能を持ち、境界反応は内部反応ネットワークを保護し、制約する機能を持ちます。どちらのプロセスも単独では非生物的ですが、一緒になるとその構成要素の機能に依存する 規範的なステータスを持つシステムが作成されます。

本書の他の概念と同様に、ディーコンは仕事についての議論において、ニュートンの「仕事」の概念を一般化して、その用語が精神現象を記述および区別するために使用できるようにしようとしている。つまり、「空想にふけることは楽だが、代謝的に同等の問題解決を困難にする」ものを説明するために。 ^[8] 仕事は一般的に、「変化への抵抗を克服するために必要な活動」と説明される。抵抗は能動的または受動的のいずれかであり、したがって、仕事は、そうでなければ起こらない変化を起こすこと、または抵抗がなければ起こる変化を防ぐことに向けられる。 ^[9]本書の前半で展開された用語を使用すると、仕事は「逆行性プロセスの場所が作成される、正行性プロセス間の差異の組織化。または、もっと簡単に言えば、仕事は、非自発的変化を誘発する自発的変化である」と考えられる。^[10]

熱力学システムの仕事を行う能力は、システムの総エネルギーよりも、その成分の幾何学的分布によって決まります。20 度の水の入ったコップは、半分に割って上部の液体を30度、下部を 10 度にした場合と同じ量のエネルギーを持ちますが、2 番目のコップでのみ、上部の液体が下部に仕事を行う能力を持ちます。これは、仕事がマクロレベルとミクロレベルの両方で発生するためです。ミクロレベルでは、分子が衝突すると、ある分子に対して別の分子によって一定の仕事が行われています。しかし、このミクロレベルの仕事がマクロレベルの仕事に加算される可能性は、粒子速度の非対称分布に依存し、平均衝突が集中した方向に押すことになります。ミクロレベルの仕事はマクロレベルの仕事に必要ですが、十分ではありません。非対称分布のグローバルな特性も必要です。

ディーコンは、非対称性が仕事の一般的な特性であること、つまり、非対称なシステムが自発的に対称性に向かうにつれて仕事が行われることを認識することで、仕事の概念を抽象化し、古典的な熱力学で扱われるものよりもはるかに複雑な対称性を持つシステムにそれを適用します。形態力学システムでは、対称性に向かう傾向は全体的な平衡ではなく、六角形のベナールセルやフルートの共鳴周波数のような複雑な幾何学的形状を生み出します。この複雑な対称形状に向かう傾向は、システムが適切に結合されている場合、他の形態力学システムで仕事をするために利用できます。

共鳴の例:形態力学のよい例として、ハープやギターなどの弦楽器の横で歌ったりフルートを演奏したりすることで観察できる誘発共鳴が挙げられます。フルートから発せられる振動する空気は、張られた弦と相互作用します。いずれかの弦が演奏されている音と一致する共鳴周波数に調整されている場合、その弦も振動し始め、音を発します。

逆行変化:フルートに息を吹き込むことでエネルギーが加えられると、フルート内の空気を特定の周波数で振動させることで、システムが加えられたエネルギーを消散させるという自発的な (正行性の) 傾向があります。この正行性の形態力学的形態生成は、それに結合しているシステム (張られた弦) に逆行変化を誘発するために使用できます。フルートを演奏すると、弦は結合していない状態では自発的に到達できない高エネルギー状態になり、弦に作用します。

構造と形態:重要なのは、これはランダムな微小振動が 1 つのシステムから別のシステムへマクロ規模で伝播するだけではないということです。システムの全体的な幾何学的構造が不可欠です。フルートから弦に伝達されるエネルギー全体は、伝達中にとるパターンよりもはるかに重要ではありません。つまり、結合された音の振幅は無関係で、重要なのはその周波数です。弦の共鳴周波数よりも高いまたは低い周波数の音は、形態力学的な作業を行うことができません。

仕事は一般的に、2つの順行性変化システムが相互作用して逆行性変化が生み出されることであると定義されます。^[11]テレオダイナミックシステムでは、自発的な順行性傾向は、均衡化（ホメオダイナミックシステムの場合）でも自己単純化（モルフォダイナミックシステムの場合）でもなく、むしろ自己保存に向かう傾向があります。生物は自発的に治癒し、繁殖し、これらの目的に向けて資源を追求する傾向があります。テレオダイナミック仕事はこれらの傾向に作用し、逆行性で非自発的な方向にそれらを押し進めます。

進化という作業: 自然選択、あるいはもっと正確に言えば適応は、目的力学的作業の普遍的な形態であると考えられる。個々の生物の順行性の自己保存と繁殖の傾向は、同種の生物の同じ傾向を弱める傾向がある。この競争は、生物を環境に適応した形態、つまり自発的には存続しない形態に形作る傾向がある制約を生み出す。

たとえば、ニュージーランドのミミズクの群れは岩の下の幼虫を探して生活していますが、曲がった嘴を持つ個体はより多くのカロリーを摂取できます。曲がった嘴を持つ個体は、幼虫をよりよく養うことができますが、同時に、環境から不釣り合いな量の幼虫を取り除くため、まっすぐな嘴を持つ個体が幼虫を養うことが難しくなります。一生を通じて、この群れのすべてのミミズクは次の世代の形態を形成するために働きます。曲がった嘴の効率性の向上により、その形態が次の世代を支配するようになります。このようにして、嘴の形状分布の非対称性が、この群れで生み出されます。これは、テレオダイナミックな働きによって生み出された非対称性です。

思考は仕事である:精神的な問題解決は、目的力学的仕事とも考えられます。思考形態は自発的に生成され、問題解決の課題は、それらの形態を目の前の問題の文脈に合うように形作る課題です。ディーコンは、目的力学的仕事としての進化と目的力学的仕事としての思考とのつながりを明確にしています。「感覚を持つという経験は、進化していると感じるようなものです。」^[12]

ディーコンは、このように仕事を捉えることで、「宇宙における因果的開放性の基盤を見極め始めることができる」と主張している。 ^[13]複雑性が増しても物理法則はまったく変わらないが、システムを並置することで、システムが結合する前は考えられないほどに起こりそうになかった自発的な変化の道筋が利用可能になる。複雑な生命システムの因果力は、基礎となる量子力学だけでなく、その構成要素の全体的な配置にもかかっている。部品を注意深く配置することで可能性が制限され、以前はあり得ないほど稀だった現象が、あり得ないほど一般的になる可能性がある。

『Incomplete Nature』の中心的な目的の 1 つは、生物学的情報の理論を明確にすることです。情報に関する最初の正式な理論は、1948 年にクロード シャノンが著書『コミュニケーションの数学的理論』で明確にしました。シャノンの著作は情報化時代を先導したと広く評価されていますが、いくぶん逆説的に、意味と参照、つまり情報の内容に関する疑問についてはまったく触れられていませんでした。エンジニアとして、シャノンは、メッセージをある場所から別の場所に確実に送信するという課題に関心を持っていました。メッセージの意味と内容はほとんど無関係でした。そのため、シャノンの情報理論はコンピューターなどのデバイスの開発に不可欠であった一方で、情報の本質に関する多くの哲学的な疑問が未解決のままになっています。『Incomplete Nature』は、これらの疑問のいくつかに答えようとしています。

シャノンの重要な洞察は、エントロピーと情報の関係を認識したことでした。エントロピーは無秩序性またはランダム性の尺度として定義されることが多いですが、これは誤解を招く可能性があります。シャノンの目的において、システムのエントロピーとは、システムが取り得る状態の数です。これらの潜在的な状態のいずれも、メッセージを構成できます。たとえば、タイプライターで打たれたページには、ページ上に配置できる文字の組み合わせと同じ数の異なるメッセージを載せることができます。メッセージの情報内容は、送信できたはずだったが送信されなかったすべてのメッセージの背景コンテキストを踏まえてのみ理解できます。情報は、メッセージ媒体のエントロピーの減少によって生成されます。

シャノンの情報に基づくエントロピーの概念は、ルートヴィヒ・ボルツマンらが 19 世紀末に開発した、より古典的な熱力学的エントロピーの概念とは区別する必要があります。シャノンのエントロピーは静的で、信号伝達システムが取る可能性のあるすべてのメッセージ/状態の集合に関係しますが、ボルツマンのエントロピーは、すべての動的システムが平衡に向かう傾向に関係します。つまり、粒子の集合が十分に混合される方法は、速度、質量、またはその他の特性に基づいて分離される方法よりもはるかに多くあります。ボルツマンのエントロピーは、エントロピーによってシステムが自発的に傾向する方向が決まることから、本書の前半で展開した仕事の理論の中心となります。

ディーコンがシャノンの情報理論に加えたのは、メッセージがどのように伝達されるかだけでなく、どのように解釈されるかを説明する方法を提案したことだ。ディーコンはシャノンのエントロピーとボルツマンのエントロピーを融合させ、目的力学に基づく解釈理論を開発した。解釈は本質的に規範的である。データは、解釈者にとって意味を持つときに情報となる。したがって、解釈システムは目的力学であり、解釈プロセスはそれ自体が永続するように設計されている。「何かを情報として解釈することは、それを再び行う能力を間接的に強化する。」^[14]

• 不完全な自然：物質から精神が生まれる仕組み。 ニューヨーク：WWノートン＆カンパニー。2011年。ISBN 978-0-393-04991-6 
• ディーコン、T.（2006）自己組織化プロセス間の相互リンクは自己再生と進化に十分である。生物学理論1（2）2006、136-149。