Глава вторая
Память. Ее генезис в преддверии интеллекта
1. Возникновение генетической памяти и обратных связей
В предыдущей главе я изложил исходные принципы той методологии, которая должна лежать в основе глобального анализа: сама Земля и все, что на ней происходило вчера, происходит и сегодня и будет происходить завтра, суть следствия общего процесса саморазвития, самоорганизации материи, подчиняющегося единой системе законов (правил), действующих в нашем мире. Пользуясь терминологией, получившей сегодня распространение, мы можем сказать, что все наблюдаемое нами, все, в чем мы сегодня участвуем, – это лишь фрагменты единого мирового синергетического процесса. Его течение обусловливается законами, характерные времена изменения которых лежат за пределами доступных нам знаний, что позволяет нам считать их постоянными. Все развитие нашего мира выглядит сложной борьбой различных противоположных начал и противоречивых тенденций на фойе непрерывного действия случайных причин, разрушающих одни устойчивые (точнее, стабильные) структуры и создающих предпосылки для появления новых.
Несмотря на огромные успехи науки последних десятилетий, от нее сегодня, как и во времена В. И. Вернадского, остаются пока скрытыми основные детали важнейшей «земной тайны» – появления жизни на нашей планете, возникновения буфера («пленки», по терминологии В. И. Вернадского) между космосом и «косным» веществом Земли. Мы знаем только, что около 3,5–4 млрд лет тому назад на Земле появилась качественно новая форма организации материи, которая обладает удивительной способностью усваивать внешнюю энергию, прежде всего энергию Солнца, с помощью реакции фотосинтеза1. На этом этапе своего развития Природа нашла новый ряд состояний, которые обеспечивают материальным объектам значительно более глубокое значение минимума функционала, отвечающего обобщенному принципу минимума диссипации, – возникли организационные формы, способные не только рассеивать энергию, но и накапливать ее. Одновременно эти формы обладали невероятной способностью сохранять свой гомеостазис. В самом деле, первые прокариоты появились и жили. на Земле в условиях почти кипящего океана, при исключительной сейсмической активности и очень высоком уровне коротковолновой радиации. Я думаю, что из всех живых организмов, когда-либо существовавших на планете, они были, вероятно, самыми «жизнестойкими». Они обладали самой высокой способностью адаптации к быстрому изменению условий обитания, которое было характерно в то время для поверхности нашей планеты. И к этому надо добавить еще следующее – первые прокариоты были практически бессмертными. Именно бессмертными, как всякое неживое образование. Их можно было, конечно, разрушить, но собственной смерти они, вероятно, еще не знали. На этом этапе развитие уже отделило живое от неживого, но пропасть между жизнью и смертью еще не была столь глубока, как сегодня.
Тем не менее будущее принадлежало не этим существам, обладавшим удивительной способностью сохранять гомеостазис. В конечном итоге эта ветвь процесса самоорганизации оказалась тупиковой. Господство прокариотов на Земле тянулось, вероятно, значительно больше одного миллиарда лет. Это они создали газовую оболочку планеты и условия, которые позволили появиться гораздо позднее эукариотам. Последним и была передана эстафета дальнейшего развития. Обладая кислородным дыханием, эукариоты могли утилизировать внешнюю энергию неизмеримо более эффективно. Другими словами, они в гораздо большей степени могли добиваться локального снижения энтропии. Но возникшие формы организации жизни заплатили за все это дорогой ценой: эти новые живые существа сделались смертными. Они потеряли способность первых прокариотов сохранять свой гомеостазис практически в любых условиях.
В предыдущей главе я пытался показать, что многообразие форм жизни связано определенным образом со множеством возможных компромиссов между тенденциями обеспечения собственного гомеостазиса и стремлением реализовать обобщенный принцип минимума диссипации. Возникает ситуация, которая чем-то напоминает движение по поверхности Парето. Как известно, это многообразие замечательно тем, что увеличение значения одного из критериев сопровождается уменьшением (строго говоря, неувеличением) значений другого или других: на нем нельзя добиться одновременного роста значений всех критериев.
Примечание. Множество Парето играет важную роль в теории многокритериальной оптимизации. Предположим, что мы стремимся найти такую стратегию (вектор х), которая наилучшим образом отвечала бы нашим стремлениям увеличить значения критериев – скалярных функций φ1 (х), φ2 (х) … – Тогда, задавая некоторое значение вектору х = х1в пространстве критериев мы получаем некоторую точку Р(х1) с компонентами φ1 (х1), φ2 (х1) … Предположим теперь, что мы нашли такую стратегию х, для которой
Очевидно, что теперь стратегию х1мы можем уже не рассматривать – оно по всем критериям хуже х^. Значит, нас могут интересовать только те точки Р(х^) в пространстве критериев, для которых нельзя найти другой точки Р(х), такой, чтобы по всем критериям φi (х^) ⩽ φi (х). Совокупность всех подобных точек Р в пространстве критериев и называется поверхностью (или множеством) Парето.
Появление эукариотов, которые на определенном этапе сменяют прокариотов и становятся носителями дальнейшего развития жизни, служит иллюстрацией «паретовских компромиссов»: уменьшение стабильности отдельного организма, появление индивидуальной смертности сопровождались увеличением эффективности в использовании внешней энергии, что открывало совершенно новые возможности для развития жизни. Именно потеря бессмертия позволила включить в единый процесс развития новые механизмы эволюции. С момента появления эукариотов начинается быстрое совершенствование видов и стремительный рост их разнообразия.
Однако об этом периоде развития Земли мы знаем мало. Но нет сомнений в том, что он был одной из важнейших страниц истории нашей планеты. Появление эукариотов (и современных прокариотов) на авансцене жизни привело к возникновению генетического кода или, во всяком случае, было тесно связано с ним: без него ничто смертное не могло бы появиться в биосфере. Появление существ, индивидуальная жизнь которых конечна, стало возможным лишь при наличии специальной формы памяти, обеспечивающей реализацию принципа наследственности. И она возникла. Это был генетический код, с помощью которого запоминалась и передавалась необходимая наследственная информация. Напомню, что сейчас алфавит генетического кода состоит из четырех букв. Ничему не противоречит гипотеза о том, что в начале истории земной жизни могли быть и другие его варианты, но в наших земных условиях – подчеркну, в конкретных условиях земной жизни – сложившаяся форма передачи наследственной информации оказалась, вероятно, наиболее стабильной. Она позволила более надежно воспроизводить себе подобных, сохранив при этом оптимальную (для тех времен) изменчивость – «уровень мутагенеза». Генетическая память резко интенсифицировала весь эволюционный процесс.
Примечание. Я думаю, что генетический код, как и все гениальные «находки природы», возник и утвердился в результате жесточайшей конкуренции и естественного отбора. Живые существа, наделенные другими способами кодирования наследственной информации, просто не выдержали бы конкуренции и погибли. Разумеется, высказанное мнение не более чем гипотеза. Никаких подтверждений для него мы не знаем. Но оно не противоречит изложенным выше принципам самоорганизации материи и согласуется с ними. Если жизнь возникла (или существует) и в других мирах, в других частях Вселенной, то вовсе не обязательно, что ее генетический код, т. е. структура ее наследственной памяти, будет такой же, как на Земле. В других условиях более надежной может оказаться иная форма хранения и передачи наследственной информации. Возникновение наследственной памяти, взаимосвязанное с появлением смерти и редупликации, т. е. способности воспроизводить себе подобных, означало появление качественно новых возможностей для расширения многообразия организационных структур. В самом деле, конечность существования отдельного организма обеспечивает высокий уровень изменчивости и, следовательно, адаптации к изменяющимся условиям и «открытие» возможностей более эффективно совершенствовать способы освоения внешней энергии.
Особую роль в эволюции жизни играет история развития нервной системы. Говоря о нервной системе, мы неизбежно вступаем в область кибернетики или, точнее, теории управляющих систем. Ведь вместе с жизнью возникает целенаправленная деятельность, прежде всего стремление сохранить гомеостазис.
Мы уже не раз употребляли понятие «гомеостазис», и настало время уточнить его смысл, тем более что это понятие очень широкое. В медицине и биологии говорят о внутреннем равновесии и внутренней стабильности организма или об устойчивости живой системы, например популяции. Но не менее важна и оценка внешних характеристик, т. е. характеристик окружающей среды, их соответствия возможностям функционирования живой системы. Этот контекст более важен для данной работы, и именно в нем мы и будем использовать в дальнейшем понятие гомеостазиса.
Условимся называть границей области гомеостазиса (или просто гомеостазиса) данной живой системы множество (линию, поверхность, гиперповерхность) в пространстве параметров внешней среды, отделяющее область их значений, внутри которой существование живой системы возможно, от остального пространства. Переход из области гомеостазиса через ее границу означает прекращение существования живой системы.
Когда мы говорим о тенденции к сохранению гомеостазиса, мы имеем в виду стремление живого организма расширить границы своего существования. Это может быть достигнуто двумя путями. Во-первых, организм может так изменить свои собственные характеристики, чтобы область его гомеостазиса расширилась. Во-вторых, он, чтобы отодвинуть опасную границу, может изменить саму внешнюю среду, ее параметры. Эволюция живой природы использует, разумеется, обе эти возможности. Другими словами, живые существа стремятся не только сами адаптироваться к окружающей среде, но и изменять эту среду так, чтобы ее характеристики в наибольшей степени соответствовали их возможностям существования.
Чтобы обеспечивать свой гомеостазис, живое существо должно обладать целым рядом свойств. Во-первых, оно должно быть способным оценивать свое положение по отношению к границе гомеостазиса. Но для этого необходимы специальные устройства. В физиологии они называются рецепторами. Если использовать терминологию теории управления, то мы должны будем сказать, что для сохранения своего гомеостазиса живое существо должно обладать специальной информационной системой. В простейшем случае рецепторы – это датчики (как гироскоп у автопилота) информирующие организм о его состоянии и состоянии окружающей среды. Далее, полученная информация должна перерабатываться и оцениваться. Наконец, на основе проведенного анализа должно приниматься определенное решение. Все эти функции и реализует нервная система, которую мы с полным правом может назвать системой управления организма, ибо все перечисленные функции присущи любой системе управления.
Примечание. Следует заметить, что нервная система – это не единственная управляющая система, которой обладает организм. Функции управления в достаточной степени рассредоточены. К числу управляющих относится, например, эндокринная система. Но нервная система, конечно, занимает в жизнедеятельности организма совершенно особое место.
Самая трудная для понимания функция системы управления – это акт принятия решений. Именно он ответствен за образование обратных связей, существующих в организме и связывающих организм и среду. Благодаря этой функции нервной системы организм способен не только оценивать свое положение по отношению к границе гомеостазиса, но и вырабатывать определенную. совокупность действий, компенсирующих нежелательные отклонения.
Хотя природа сформировала цепочки обратных связей еще на заре истории жизни, люди поняли их принципиальное значение и начали сознательно использовать относительно недавно – при проектировании технических систем. Наверное, интуитивно люди уже давно прибегали к принципу обратной связи – вспомним поведение рулевого на любом судне. Но первой технической системой, в которой принцип обратной связи был не только реализован, но и послужил источником специальной теории, стал регулятор Уатта. Создателями этой теории принято считать И. А. Вышнеградского (бывшего при Александре II министром финансов Российской империи) и Дж. К. Максвелла. Они разработали теорию регулятора независимо друг от друга в конце 40-х годов прошлого века. Теорию управления техническими системами можно было бы назвать, не делая большой ошибки, теорией отрицательной обратной связи. Главные задачи, которые она долгое время решала, так или иначе были связаны с отысканием такой обратной связи, которая позволила бы компенсировать возникающие помехи и обеспечивать устойчивость некоторых избранных состояний или движений системы. Лишь в последние десятилетия возникли новые разделы теории управления, значительно расширившие область ее применения.
Н. Винер еще в 40-х годах нашего века утверждал, что существование отрицательных обратных связей у живых существ является одной из основных (может быть, и главной) особенностей, отличающих живую природу от неживой, если исключить технические системы, обладающие обратной связью по воле их создателя – человека. Это утверждение Н. Винера получило широкую известность. И в литературе нередко высказывается убеждение, будто факт существования отрицательных обратных связей как основное отличие живых существ от неживых предметов является открытием Н. Винера. Более того, Н. Винера иногда называют «отцом биокибернетики». Однако, несмотря на все заслуги этого выдающегося ученого в области кибернетики, подобное утверждение вряд ли оправданно. Еще за 15 лет до Винера П. К. Анохин также утверждал, что наличие отрицательных обрвтных связей, обеспечивающих устойчивость организмов, – это то самое главное, что присуще жизни, что создает у живых существ целеполагание – стремление к сохранению гомеостазиса, что отличает жизнь от процессов, протекающих в неодушевленной природе. Ученики П. К. Анохина считают именно его зачинателем современной биокибернетики. Но, по-видимому, ни П. К. Анохин, ни Н. Винер не были правы. Правильную точку зрения первым высказал, скорее всего, А. А. Богданов, который еще в 1911 г. занимался проблемами организационных структур. Его книга «Всеобщая организационная наука, или Тектология» написана довольно архаичным языком, и, конечно, самого термина «обратная связь» у автора просто нет, да и не могло быть, поскольку он появился лишь в 20-х годах в лексиконе технических специальностей. Однако, если перевести рассуждения А. А. Богданова на современный язык, можно будет сказать, что он утверждал, что для развития организации любой природы необходимы не только отрицательные, но и положительные обратные связи. Любая организованная система, любое живое существо в частности, если присмотреться внимательно к его деятельности, проявляет способности реализовывать оба типа обратных связей. Ведь одни только отрицательные обратные связи, доведенные до своего логического конца, приводят к застою, к деградации организации, к прекращению всякого развития и к исчезновению той вариабельности, без которой никакая эволюция живого невозможна. Прекращение эволюционного процесса вовсе не означает потерн живой системой устойчивости и способности сохранять гомеостазис. Природа демонстрирует удивительные примеры стабильности, когда на протяжении десятков, а то и сотен миллионов лет организмы того или другого вида – как растительного, так и животного царств – остаются практически неизменными. Поэтому для «прогрессивной» эволюции, т. е. такого процесса, который ведет к появлению новых качеств, к росту сложности организмов, к повышению уровня разнообразия, необходимы и положительные обратные связи. Они позволяют расширить поиск, полностью использовать потенциальные возможности изменчивости. В частности, тенденция к повышению эффективности использования внешней энергии вряд ли может быть реализована без использования положительных обратных связей.
В последующем изложении наряду с термином «организованная система» мы будем использовать в большей степени понятие «организм». Под организмом, следуя терминологии теории управления, будем понимать любую систему, которая не только имеет собственные цели, но и обладает определенными возможностями следовать им. Живое существо всегда является организмом, поскольку оно не только имеет цель – сохранение гомеостазиса, но и обладает определенными возможностями ее достижения. Организмами являются и многие сообщества живых существ. Используя эту терминологию, мы можем сказать, что любой организм обладает способностью реализовывать как отрицательные, так и положительные обратные связи.
Редупликация, метаболизм, возникновение и устойчивость неравновесных с точки зрения термодинамики структур – все это укладывается в более или менее понятные схемы, и мы сталкиваемся с этими процессами уже на предбиологическом уровне развития вещества. Работы М. Эйгена и его последователей уже наметили определенные пути их математического моделирования. Что же касается механизмов обратных связей обоих типов (которые необходимо присущи всему живому), то их возникновение пока остается для нас «тайной за семью печатями». Это ведь такое изобретение природы, для понимания которого у нас еще нет никаких аналогий. Мы пока еще очень далеки от того, чтобы представить себе модель процесса, который мог бы привести к появлению какого-либо подобного механизма. Следуя терминологии В. И. Вернадского, факт существования сложных механизмов обратной связи следовало бы назвать главным «эмпирическим обобщением» в той науке, которая занимается изучением развития Земли и жизни на Земле. В процессе естественной эволюции планеты на ней возникли живые структуры, обладающие механизмами обратной связи, – это мы можем только констатировать!
Сегодня часто употребляют выражение теоретическая биология». В попытках расшифровать его говорят о необходимости создания теоретической биологии (на манер теоретической физики) и нередко сходятся на том, что такой науки пока еще нет. И это справедливо. Объем накопленного эмпирического материала действительно требует создания стройной теоретической системы, связанной единым становым хребтом, который подобен законам Ньютона в классической механике. Но такой фундаментальной основы в биологии пока еще нет. Поэтому мне представляется, что альтернативой царствующей эмпирии и разрозненным концепциям и теориям, являющимся результатом озарения гениев (а не следствиями дедуктивного анализа), суждено будет сделаться модели, описывающей возникновение обратных связей.
На этот путь нам указывает и опыт последнего десятилетия – М. Эйгену удалось построить модель редупликации биологических макромолекул. Если бы удалось сделать следующий шаг и построить нечто подобное для объяснения отрицательных обратных связей, сохраняющих гомеостазис, и положительных обратных связей, которые обеспечивают рост эффективности использования внешних энергии и вещества, то мы могли бы заменить сформулированное выше «эмпирическое обобщение» стройной логической схемой и тем самым заложить фундамент теоретической биологии.
2. Рефлексное управление и нервная система
Итак, в процессе эволюции живые организмы обзавелись системой обратных связей, которая помогает нм обеспечивать собственную стабильность и дальнейшее развитие. Носителями реакций обратных связей являются нервная и гормональная системы. Эволюционируя как система управления организмом, нервная система непрерывно усложняется и в результате превращается в систему, содержащую сложнейшие блоки переработки информации и выработки команд исполнительным органам.
В первой главе мы сослались на «синергетику». Этот термин включает в себя понятие эволюции в тот смысле, что любой эволюционный процесс, происходящий в живом мире, является проявлением синергизма, т. е. характеризуется возникновением стабильных, квазистационарных, но существенно термодинамически-неравновесных структур. Поэтому можно сказать, что в рамках единого синергетического процесса возникли более или менее устойчивые структуры, способные реализовывать обратные связи, которые играют роль новых принципов отбора, сужающих множество движений (вариантов поведения), доступных живому организму в силу законов неживой природы.
Проблема возникновения устойчивых структур, реализующих обратные связи, невольно сталкивает нас с проблемами редукционизма, с вопросом о сводимости законов, описывающих развитие живого мира, к законам, определяющим процессы, протекающие в неживой природе. Ответа на этот вопрос сегодня еще нет, и поэтому, может быть, представляет известный интерес переформулировать его с использованием принятого языка.
Любой процесс самоорганизации способен реализовать лишь те потенциальные возможности, которыми располагает природа. По мере развертывания этого процесса происходит непрерывное усложнение его деталей. В этой связи можно считать, что в своем усложнении Природа вводит в действие все новые и новые механизмы и принципы отбора из своего арсенала. Другими словами, усложнение организации означает, по существу, все более глубокое использование потенциальных возможностей Природы. Такой взгляд на мировой процесс развития не противоречит общим принципам диалектики. Но в то же время он является лишь гипотезой. В основе его лежит тот факт, что для описания процессов, протекающих в живом мире, мы вынуждены вводить новые принципы отбора, которые отсутствуют в мире «косной» материи.
Тот «физикалистскнй подход», который был объявлен в этой книге, неизбежно приводит нас к следующему вопросу: можем ли мы быть уверенными в том, что принципы отбора, действующие в живом мире, заложены в «синергетнческий потенциал» Природы? Нельзя ли считать их только новым ракурсом рассмотрения общефизических законов, управляющих и неживой природой? Мне кажется, что проблему редукционизма сегодня следует формулировать именно таким образом.
После этих замечаний общего порядка вновь обратимся к проблемам развития нервной системы и анализу тех следствий ее постепенного совершенствования, которые нам потребуются для дальнейшего изложения.
Мы сказали, что функционирование механизмов обратной связи в живом организме обеспечивает прежде всего нервная система. Справедливо, возможно, и такое утверждение: все, что связано в организме с процессами регистрации, переработкой информации и с последующей затем процедурой выработки его поведения (т. е. принятия решения), можно назвать его нервной системой.
Последовательное совершенствование нервной системы в процессе эволюции является, может быть, наиярчайшим примером, демонстрирующим возможности самоорганизации в живом мире. Проследить этот процесс во всех его деталях было бы чрезвычайно важно и с чисто приклад ной точки зрения. Такое знание могло бы не только дать огромный материал для размышления естествоиспытателям, но и стать источником аналогий в инженерном деле и в исследованиях по кибернетике и искусствен ному интеллекту.
К сожалению, начальные этапы, начальные эпизоды возникновения нервной системы от нас скрыты очень прочной завесой. А как важно было бы знать, каким образом и на каком этапе возникла дифференциация клеток, среди которых были первые нервные волокна? Как происходило усложнение функций нервной системы? Здесь возникает, конечно, и целый ряд других вопросов, важных для биологов и физиологов. А кибернетический подход к анализу деятельности нервной системы, т. е. системы управления организмом, ставит, в свою очередь, еще множество других интереснейших проблем.
Выше я постоянно стремился подчеркнуть существование и значение двух противоречивых, но тесно связанных между собой тенденций – стремления сохранить гомеостазис и тенденции реализовать обобщенный принцип минимума диссипации энергии. Возникновение нервной системы было связано, по-видимому, с необходимостью сохранения гомеостазиса, с выработкой определенных рефлексов, обеспечивающих существование (выживание) организма. Что же касается второй тенденции, т. е. стремления в максимальной степени использовать внешние вещество и энергию, то сказать что-либо определенное по поводу ее реализации на первоначальных этапах развития нервной системы очень трудно. Наверное, еще никто и не пытался исследовать эту проблему. Я могу лишь предполагать, что на ранних этапах развития живого несовершенная нервная система вряд ли оказывала заметное влияние на рост эффективности в использовании внешних энергии и вещества. Этот процесс развертывался, вероятно, на физико-химическом уровне. В конечном итоге рост эффективности в использовании внешних ресурсов достигался, разумеется, через посредство естественного отбора, поскольку усвоение энергии и вещества оказывало определенное влияние на развитие организма и, следовательно, его нервной системы. Но проследить какие-либо детали этого процесса сегодня уже невозможно.
По мере совершенствования организмов и развития нервной системы положение начинает меняться, а с появлением зачатков интеллекта именно на нервную систему возлагается ответственность за совершенствование механизмов использования внешних ресурсов. С общенаучной и методологической точек зрения, очень важно было бы понять, как линия развития системы управления целенаправленной деятельностью живых существ приводит однажды к тому, что именно нервная система становится решающим фактором эволюции и формирования компромиссов между указанными двумя тенденциями.
Итак, развитие жизни можно рассматривать и в ракурсе тех возможностей использования внешних ресурсов, доступных организмам и видам, которые они вырабатывают в процессе эволюции. Конечно, до поры до времени единственным источником энергии было Солнце (ролью хемосинтеза в земной эволюции, на уровне нашего анализа, вероятно, можно и пренебречь). И вначале в распоряжении жизни был лишь одни механизм использования солнечной энергии – фотосинтез с его ничтожно малым коэффициентом полезного действия. За те 1,5–2 млрд лет, которые были эрой господства микроскопических водорослей и плесени (прокариотов) и которые понадобились для того, чтобы процесс самоорганизации смог создать механизм кислородного дыхания и его носителей (эукариотов), коэффициент полезного действия использования внешней энергии возрос в несколько раз. Количество используемой энергии на единицу биомассы по мере развертывания эволюционного процесса непрерывно росло. И этот рост происходил, по-видимому, по экспоненциальному закону.
Следующим фундаментальным шагом в развитии жизни после того, как она обрела кислородное дыхание, было появление живых существ, пищей для которых стали служить растения. Такие живые существа усваивали энергию в гораздо больших концентрациях, нежели сами растения. Затем появились животные, которые стали питаться животными. Это еще больше увеличило эффективность использования внешней энергии. Наконец появился человек. Однажды он научился использовать не только энергию окружающей его живой природы, но и ту энергию, которую накопили прошлые биосферы, – ту энергию Солнца, которую биота сумела сохранить на Земле в форме ископаемых углеводородов. А в самом конце современного этапа истории жизни человек научился использовать эту энергию, которую наша планета получила из космоса в период своего образования. На этом этапе нервная система уже имеет Разум, и ее роль в дальнейшем развитии биосферы становится определяющей.
Конец ознакомительного фрагмента.