科学家和科学哲学家通常使用这个术语出现指一些大系统中新的集体现象的表现，这些大系统源于其许多组成部分的复杂组织。[1]
涌现的概念是指与组织复杂性相关的新属性的涌现。在科学背景下，自组织模型在形式化涌现中具有重要地位。[1]-[的确，詹弗兰科·米纳蒂和埃利亚诺·佩萨请注意，自1998年以来约翰·霍兰德,[2]"涌现和自组织这两个术语被认为是同义词".][3]
涌现是指由一些更基本的现象产生并依赖于这些现象，但同时又独立于这些基本现象的现象。[4]
突发现象据说是由更基本的现象产生并维持的，同时对这些维持过程施加“自上而下”的控制、约束或其他影响。[5]
自哲学家以来，涌现的概念一直在发展约翰·斯图亚特·密尔在十九世纪（1843年）以不同的名字引入了它，[6]它仍然是一个积极的，如果不是没有争议的方面，[4]21世纪第二个十年的讨论主题。[5]
在系统生物学和理论生物学，讨论重点出现在生物系统中，包括白蚁和蜂巢的候选实例，这些蜂巢是由大量个体的合作行动建造的。
在生物学中，出现的候选现象包括运动、性爱展示、群居和意识体验等现象，以及在生物学中观察到的现象子系统如线粒体和其他活细胞的细胞器。
一些人认为紧急属性是新的属性、功能和行为，是在系统的子系统及其组件中没有观察到的，即使是从对孤立组件的属性/功能/行为的完整理解中也无法解释或预测。另一些人认为，这些新特性是成分之间相互作用的结果，可以从微观行为中理解，但更容易通过引入新的组织概念来想象。
本文将探讨作为一个具有悠久历史、不同解释和众多争议的概念出现的问题。
水就是一个例子吗？
我们与液态水相关联的属性、透明度、湿度、流动能力等，是否来自氧和氢的属性及其组织动力学？考虑以下问题：
- 我们会期望氧和氢按照它们已知的性质相互作用，使它们能够自我组装成一个自组织的动力学，从而产生一种具有满满一碗水特征的流体吗？
- 我们是否需要彻底了解环境的特征/动力学，以了解它们如何共同确定氢气和氧气的行为，已知氢气和氧气在不同环境条件下的行为不同，从而完成从其颗粒/能量成分、氢气和氧气中可视化水的任务？
- 建造一台需要整个宇宙资源的计算机是否能够提供足够的信息处理能力来解释水作为生命系统及其系统介质的外观和感觉以及化学性质？
- 计算机难道不需要计算水分子与系统中其他化合物/离子相互作用的能力吗？
这些问题表明，将水的某些性质分类为“‘紧急’在某种程度上是我们预测这些行为的能力的问题。然而，我们的知识水平和计算机技术并不是确定紧急属性的一部分。不同的观点是，在微观层面和宏观层面上对水的描述是用不同的词汇表达的ary中使用的术语可能不会出现在另一个描述中，尽管（也许只是原则上）它们可能通过某种中介理论相互关联。例如，水的介电特性，例如在可见光下的透明度，与凝聚态物理水的组成电子和核素的微观量子力学描述。
对于某些系统的某些涌现性质，系统性质与其子系统性质之间的中介理论可能还不存在，一些学者认为，在某些情况下，甚至在原则上，这种中介理论可能是不可能获得的。一种接近科学现状的观点是依赖模型的现实主义它认为解释是使用不同术语的重叠描述的拼凑，在两者都适用的领域中彼此一致，在重叠的领域中与相互关联的词汇一致，但它们涵盖了不同的经验领域，并且在它们的重叠区域之外无法相互还原。可以注意到，随着知识和计算的进步，重叠区域可能会发生变化，新的理论可能会发展，包括和扩展旧的理论，如狭义相对论延伸牛顿力学.
名义上的、强的和弱的涌现
另请参见因果关系
在上述段落中，涌现的独特属性被视为嵌入复杂系统中的子系统的集体行为。有几种可识别的涌现形式，无论它们是否都存在于自然界：[7]
- 紧急情况是名义上的当它依赖于微观层面的现象时，整体依赖于它们的组成部分及其自主的相互作用，而涌现属性并不适用于底层实体本身。
- 紧急情况是坚强的当涌现属性对不可还原为这些实体属性的底层实体具有权力时。这些“宏观因果力量”对宏观和微观层面都有影响，宏观到微观的影响被称为向下因果关系.[8]
- 紧急情况是虚弱的当它被名义上的出现所解释时，但只能由涉及广泛计算的非常重要的推论来解释。
这个强大的涌现思想学派调用整体对其部分的影响，不仅通过部分之间的联系，而且通过整体对其各部分的沟通，可能通过施加“配置力”。一个基本问题是决定什么构成“整体”：例如，制定主义者强调有机体和环境之间的相互作用，每一个有机体都在塑造着另一个。将整体分离为内部自治子系统之间的交互作用的处理方式会影响对两者的理解。[9]
基于整体到部分的通信的这种方法的另一个名称是组织主义:
|
“……复杂整体内在地大于其各部分的总和，因为每个部分的属性取决于它们在整体中运行的部分的上下文。因此，当我们试图解释整个系统的行为时，我们必须讨论整体的上下文，而不能只谈论p艺术。这种哲学立场被称为整体主义,整体主义，或有机主义……自上而下和自下而上的方法两者都必须用来解释现象。"Gilbert和Sarkar，拥抱复杂性 [10]
|
如果对所有子系统的研究都没有可视化捕食者-猎物现象，那么如何解释生物体逃离捕食者的行为？要看到这种突发现象，必须研究有组织的这些子系统的行为和动力学有组织的行为。人们可以将这种观点视为对有组织的交互子系统产生的集体行为的宏观描述，以及自然选择对其变化的影响。一个更极端的观点是，子系统行为不应对这种集体行为负责，宏观层面的描述不能从自治子系统行为中推断出来。[10]
假设有机体主义适用，一些人可能会在生命系统中看到一种“生命力”或“生命力”。然而，由于生物学家和他们的合作科学家可以通过不超越物质和能量相互作用的机制来解释涌现的性质/现象，即使有时只是原则上的解释，任何“生命论”的立场都只能归功于一种新的“生命主义”：“物质主义生命主义”，它融合了有机体自我组织的认识，通过反复试验和自然选择发展了它们的行为模式。有哲学倾向的科学家和科学哲学家喜欢考虑这些有趣的元科学问题。
概念强大的涌现有一些困难。可以观察到：[11]
|
“虽然强大的涌现在逻辑上是可能的，但它就像魔法一样令人不安。一种不可还原但随之而来的向下因果力量是如何产生的，因为根据定义，它不能归因于微观层面潜力的聚集……它们的神秘性只会加剧人们对涌现必然导致非法获取的传统担忧无中生有。"马克·贝多，微弱的涌现 [11]
|
可以注意到，强烈的涌现，通过暗示集体可以引入“向下因果关系”，也为信仰自由意志这是一种观念，认为我们可以通过行使一种假想的心灵因果作用，一种假象的涌现意识来控制我们自己的命运。
温和的观点是强大的涌现如果出现一个更完整的理论来解释虚弱的或名义上的但是，即使这种简化方法是可能的，基于强烈涌现的语言和模型在描述集体行为时可能会继续被证明是有用和有效的。如下文所述，a宏观的，宏观的（大规模或全局）对行为的描述有时比微观的（小规模）描述，概念简单，易于与测量和观察进行比较。
尺度：宏观和微观
无论是在时间上还是在空间上，现象都发生在不同的尺度上。提到原子气体，在微观尺度上可以考察单个原子的运动，而在宏观尺度上，用温度和压力等术语来描述群体更容易理解。
这些不同的尺度是相互关联的。在复杂系统的控制和优化中，微观和宏观尺度之间的反馈操作是常见的，[12]例如在交通控制中：[13]
|
“在微观层面上，车辆适应不断变化的交通条件，影响系统的状态。在宏观层面上，交通控制设备监测系统的状态，并调整系统条件，以保持整体系统的稳定性。”扎利拉·温克斯特恩等。,用于流量管理的自组织架构 [13]
|
在气象学不同尺度的现象之间的相互作用是众所周知的：微型（<1公里），中尺度的（5-1000公里），天气学的（>1000公里）。[14]
另一个例子，在数值计算中偏微分方程,多层次的使用的技术包括多重网格方法.[15]这些方法在分子动力学中也有应用。其思想是将决定原子间作用力的势分离为短程（快速变化）和长程（平稳变化）两部分，然后依次递归求解其中一部分和另一部分。[16]实际上，大规模的涌现性质被反馈给小规模的原子运动反之亦然与仅使用微观计算的方法相比，该方法的模拟效率更高。有人可能会猜测，这些数值算法中使用的尺度的这种相互依赖性是自然本身如何运作的反映或表示。
不同的时间尺度也很重要，例如在气象学中，将天气（短期）与气候（长期）变化联系起来。[17]飓风的发展会持续数天，但取决于数月甚至数年来确定的海水温度。[18]
监督
讨论涌现时经常使用的一个概念是便利，经常被错误地认为是什么控制了什么，并与向下因果关系.州A类是附属的国家的B当且仅当A类需要更改B.[19]
监督是一种欺骗性的描述。例如，考虑如下微观理论之间的关系动力学理论基于特定的相互作用，一种介观理论，如统计力学在很大程度上独立于相互作用的细节，以及宏观理论，如热力学其中不考虑关于相互作用的微观考虑。根据上述定义，微观理论并不取代热力学，因为许多不同的系统具有相同的热力学描述。另一方面，温度的变化是热力学中的一个关键因素，它与统计力学中的微观理论有关，而温度的变化总是意味着微观描述中的相关变化。因此，宏观理论似乎是在更基本的层面上解释宏观理论的更微观理论的之后。虽然严格按照热力学描述，但可以正确地说温度的变化原因一阶段从冰到水的变化，微观理论提供了对相变的更深入理解，完全是从基本原子相互作用的角度。[20]
同样化学键合,原子价等直接用于分子物理学和化学解释原子如何相互作用，可以说特定的分子是这些因素的结果，这些因素伴随着原子行为。但这些因素的解释在于量子力学，它根本不使用“键”一词，并用以下术语描述所有化学电子行为和电磁的互动。[21]
人们很可能会断言“从属关系的贫困”。[19]
出现的例子
出现的一个例子：当信号通路的组成部分，即细胞间通信的组成部分相互作用形成信号系统的功能网络时，可能会出现新的特性/行为，例如自我维持的反馈回路和信号本身的生成；跨多个时间尺度的信号集成；并且，根据输入强度和持续时间生成不同的输出。[22]这种网络是一种突发现象。
另一个例子是，在研究从细胞系统中分离出来并将其嵌入细胞的蛋白质时，可以观察到其许多化学和物理特性。但是，催化生物化学反应的操作，或与其他蛋白质结合形成产生新行为的蛋白质复合物的操作，都是在蛋白质环境的背景下出现的，即蛋白质如何在整个系统的背景下相互作用，这些都是涌现的属性。此外，这些突现性质可能会在系统内产生影响，以反馈方式进一步改变系统中蛋白质的突现行为，就像反应产物改变蛋白质的催化能力一样。
例如，应急过程被认为有助于理解：
甚至在非生物物理系统中也会出现突发现象。[28]突发现象引起了细胞神经科学家的注意；[29]和认知科学家[30]蚂蚁群体的行为和群体智能中都体现了突现的特性。[31]系统科学家已经模拟了紧急现象。[32]人类社会中的紧急现象也受到了关注。[33]生物学家甚至将生物圈本身解释为紧急状态。[34]
为什么会出现？
（PD）图片：John R.Brews Marangoni-Bénard温度传感器，在平行于图像平面的两个平面之间存在较大温差的薄膜中产生的温度图案的有序排列。[35] 复杂系统的某些属性/行为是否是由其组件属性以外的其他因素造成的？毕竟还原论者主导科学方法在20世纪，他们是在这样的假设下运作的。
从任何角度来看，环境对系统行为都很重要，无论是像小提琴手的手指在琴弦上那样简单，还是像心理治疗一样复杂。[36]一个真实的系统总是在一个环境中运行（它的外部环境，或周围环境），而这些环境反过来总是影响系统作为一个整体的属性。
例如，在图中，从下面加热的液膜形成了Marangoni-Bénard温度室，这是一种温度变化的规则模式，当最初具有完全均匀温度模式的膜响应来自下面的足够热量输入而达到稳定状态时，会自发形成。[35]为了获得足够的温差，该系统从均匀稳态切换到图案稳态，图案稳态通过降低对称性和长程相关性而有所不同。在这种情况下，图案基本上取决于系统的非线性以及薄膜厚度和薄膜的横向尺寸。这种对系统尺寸的依赖性并不像振动鼓的模式由于边界层：由于非线性动力学，边界附近可能发生行为快速变化的区域。[37]解释这种行为的方法是基于（例如）流体动力学方程（原则上可以从微观原子或分子行为推导出来）和边界条件，通常是经验或理想化的；简言之，假设采用简化方法。
环境背景的影响影响系统内组件的动态组织。环境信号可以激活或抑制代谢途径，重组细胞活动。例如，人类肾脏的行为细胞不仅取决于其细胞生理学，还取决于肾 器官构成细胞的环境。肾脏的整体结构和功能影响细胞的结构和行为（例如，通过物理限制和细胞间信号传递），进而影响其细胞内成分的组织。肾脏反过来对它的环境，即它所生活的个体身体，以及该身体对其作出的反应它的环境，包括特定食物、淡水和环境等因素温度和湿度.
环境的影响可能是深远的。例如，环境的影响有时可以通过分子信号到达遗传数据库，改变其表达，从而改变细胞的特性，而不改变数据库本身，即所谓的“表观遗传”效应。(表观遗传学试图根据基因水平以上的相互作用来解释特征、特征和发育机制。）当表观遗传改变基因表达发生在生殖器官，系统更改可以传输到下一代。[38]该领域的一个方面是ENCODE项目(ENC公司百科全书 O（运行）（f） D类不适用 E类元素)它发现，以前被认为是“垃圾”DNA的大部分是由决定细胞如何发育和运作的“开关”组成的。[39]将双胞胎研究与基因组的ENCODE图谱相结合，将显示其中一些开关是如何设置的。[40]“就同卵双胞胎而言，环境暴露的微小变化可以轻微改变基因开关，结果是一个双胞胎患病，另一个不会。”[41]
根据有机主义可能是系统组件的固有属性本身无法决定整个系统的固有属性；相反，他们的“组织动力学”确实如此——组件如何在时间和空间上协调交互。这些组织动态可能不仅包括组件之间的相互关系，还包括系统中许多不同组织单位之间的相互作用。科学哲学家D.M.沃尔什这样说：“生物的组成部分和过程通过一种“互为因果”与有机体作为一个整体相联系。”[42]作为吉尔伯特和萨卡[10]他说：“因此，当我们试图解释整个系统的行为时，我们必须在整体的背景下谈论其部分，而不能只谈论部分。”这种立场接近于二元论康德和叔本华“事物本身”，即“我们永远无法通过客观知识深入[其]内在本质”。[43]
然而，“互惠因果关系”，也称为“循环因果关系”，[44]至少在许多情况下，可以追溯到系统与其环境之间或不同交互尺度之间的复杂反馈机制，例如，短程和远程交互之间。系统生物学家有时将突发属性称为自下而上和自上而下反馈效应。“顶部”包括系统与其环境交互的效果。“底部”，即系统组件相互作用的影响。无论更准确的描述是什么，系统的新特性“出现”了，它们既不是环境的特征，也不是不相互作用的内部组件集的特征。
今天流行的一个术语是群体智能应用于计算机和机器人系统以及生物学。[45]以白蚁为例，在没有外部管理的情况下，白蚁的组合个体行为会形成复杂的蚁丘，最近国家研究委员会的一份关于理论在推动21世纪生物学发展中的作用的报告对突现行为的评论如下：[46]
考虑紧急行为的一种合理方式可能是关注规则所在的级别或规模。如果规则是在较低的水平上指定的，例如，单个白蚁，以及模式和结构，如白蚁丘，以没有指定规则的规模出现，我们可以称之为紧急行为。[46]
无规则涌现行为的其他例子，其中“规则”的规定水平低于涌现行为本身，包括鸟类的群集行为，以及氨基酸聚合物折叠成催化蛋白质。
涌现和复杂性
紧急系统总是显示我们所认识的“复杂性”，这是一个我们很难精确定义的特性。系统本身的运行提供了它自己最经济的模型。
根据古生物学家和生命起源研究者罗伯特·黑森（Robert Hazen）的说法，四个基本的复杂性因素支撑着一个系统的出现：[47]
- 足够大的成分“密度”，随着浓度的增加，复杂性增加，达到一定程度；
- 组件具有足够的互连性，在一定程度上，随着互连类型越来越多，复杂性也越来越高；
- 通过系统的足够能量流，使系统组件能够以通电系统的自组织方式特征进行交互工作；
- 能量以循环方式流经系统，可能有助于形成有组织系统的时空模式特征。
PW安德森指出了复杂性的作用，强调了“简化主义”方法（即理论上可以将涌现现象简化为支配基本实体的规律）与“建构主义”方法并不等同（即可以从基本规律出发，重建宇宙）。他指出标准型号例如，似乎与其他科学领域的实际问题无关。“事实证明，基本粒子的大而复杂的聚集体的行为不能用简单的外推来理解……相反，在每一个复杂程度上，都会出现全新的性质……”[48]
相干实体和相干检测器
我们可以把出现看作是一个新的“连贯实体”的出现，相干的就实体以功能一致的方式行事而言，以及实体凭借这种功能一致的行为。也许人体循环系统体现了功能上一致的行为，符合连贯实体的资格。但要看到它，我们需要一种检测循环系统的存在、特性和行为的方法——相干检测器。生理学和系统生物学主要研究突发现象，连贯的实体表现出由极其复杂的动态物理化学过程产生的意外行为。他们研究的突发行为依赖于他们的相干检测器资源，这使得观测依赖性成为突发性的一个特性。在生物学中，涌现系统比比皆是，这表明随着相干检测在灵敏度和功率方面的进步，涌现系统的丰度会更高。
工具书类
引文和注释
