Modularity, antimodularity and explanation in complex systems
Institution:
Paris 1Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work is mainly concerned with the notion of hierarchical modularity and its use in explaining structure and dynamical behavior of complex systems by means of hierarchical modular models, as well as with a concept of my proposal, antimodularity, tied to the possibility of the algorithmic detection of hierarchical modularity. Specifically, I highlight the pragmatic bearing of hierarchical modularity on the possibility of scientific explanation of complex systems, that is, systems which, according to a chosen basic description, can be considered as composed of elementary, discrete, interrelated parts. I stress that hierarchical modularity is also required by the experimentation aimed to discover the structure of such systems. Algorithmic detection of hierarchical modularity turns out to be a task plagued by the demonstrated computational intractability of the search for the best hierarchical modular description, and by the high computational expensiveness of even approximated detection methods. Antimodularity consists in the lack of a modular description fitting the needs of the observer, a lack due either to absence of modularity in the system’s chosen basic description, or to the impossibility, due to the excessive size of the system under assessment in relation to the computational cost of algorithmic methods, to algorithmically produce a valid hierarchical description. I stress that modularity and antimodularity depend on the pragmatic choice of a given basic description of the system, a choice made by the observer based on explanatory goals. I show how antimodularity hinders the possibility of applying at least three well-known types of explanation: mechanistic, deductive-nomological and computational. A fourth type, topological explanation, remains unaffected. I then assess the presence of modularity in biological systems, and evaluate the possible consequences, and the likelihood, of incurring in antimodularity in biology and other sciences, concluding that this eventuality is quite likely, at least in systems biology. I finally indulge in some metaphysical and historical speculations: metaphysically, antimodularity seems to suggest a possible position according to which natural kinds are detected modules, and as such, due to the computational hardness of the detection of the best hierarchical modular description, they are unlikely to be the best possible way to describe the world, because the modularity of natural kinds quite probably does not reflect the best possible modularity of the world. From an historical point of view, the growing use of computational methods for modularity detection or simulation of complex systems, especially in certain areas of scientific research, hints at the envisioning of a multiplicity of emerging scientific disciplines guided by a self- sustained, growing production of possibly human-unintelligible explanations. This, I suggest, would constitute an historical change in science, which, if has not already occurred, could well be on the verge of happening.
Abstract FR:
Ce travail concerne principalement la notion de modularité hiérarchique et son utilisation pour expliquer la structure et le comportement dynamique des systèmes complexes au moyen de modèles modulaires hiérarchiques, ainsi qu'un concept de ma proposition, l’antimodularité, relié à la possibilité de la détection algorithmique de la modularité hiérarchique. Plus précisément, je mets en évidence la portée pragmatique de la modularité hiérarchique sur la possibilité de l’explication scientifique des systèmes complexes, c’est-à-dire, systèmes qui, selon une description de base choisie par l’observateur, peuvent être considérés comme composés de parties élémentaires discrètes interdépendantes. Je souligne que la modularité hiérarchique est essentielle même au cours de l’expérimentation visée à découvrir la structure de ces systèmes. Mais la détection algorithmique de la modularité hiérarchique se révèle être une tâche affectée par la démontrée intraitabilité computationnelle de la recherche de la meilleure description modulaire hiérarchique, et par l’excessive cherté computationnelle même des méthodes de détection approximatives de la modularité. L’antimodularité consiste en le manque d’une description modulaire appropriée aux exigences de l’observateur, manque dû ou à l’absence de modularité dans la description basique choisie du système, ou à l’impossibilité de produire algorithmiquement une description hiérarchique valide, en raison des dimensions excessives du système à évaluer en relation à la cherté computationnelle des méthodes algorithmiques. Je souligne, de plus, que la modularité et l’antimodularité dépendent du choix pragmatique d’une spécifique description de base du système, choix fait par l’observateur sur la base de ses objectifs explicatifs. Je montre comment l’antimodularité entrave la possibilité d’appliquer au moins trois types bien connus d’explication: mécanique, déductive-nomologique et computationnelle. Un quatrième type, l’explication topologique, reste par contre indemne. Ensuite j’évalue la présence de modularité dans les systèmes biologiques, avec ses possibles conséquences, et l’éventualité d’encourir dans l’antimodularité en biologie et en autres sciences: éventualité assez probable, au moins dans la biologie des systèmes. Je me permet enfin quelques spéculations métaphysiques et historiques plutôt libres. D’un point de vue métaphysique, l’antimodularité semble suggérer une position possible, selon laquelle les espèces naturelles sont modules qui ont été détectés et, en raison de l’intraitabilité computationnelle de la détection de la meilleure description modulaire hiérarchique, il est improbable qu’ils constituent la meilleure façon possible de décrire le monde, parce que la modularité des espèces naturelles assez probablement ne reflète pas la meilleure modularité possible du monde. D’un point de vue historique, l’utilisation croissante des méthodes computationnels pour la détection de la modularité ou pour la simulation de systèmes complexes, en particulier dans certains domaines de la recherche scientifique, suggère la possibilité d’imaginer une multiplicité de disciplines scientifiques émergentes, guidées par une production croissante et auto-alimentante d’explications potentiellement inintelligibles pour les capacités cognitives humaines. Cela, à mon avis, constituerait un changement historique dans la science, qui, s’il n’a pas déjà eu lieu, pourrait bien être sur le point de se produire.