человек и ноосфера. Никита Николаевич МоисеевЧеловек и ноосфера
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Глава III. Память, ее генезис в преддверии интеллекта Возникновение генетической памяти и обратных связей В предыдущих главах я изложил исходные принципы той методологии, которую принимают в качестве основы для глобального анализа: сама Земля и все, что на ней происхо- дило, происходит сегодня и будет происходить' завтра – суть частные проявления единого, общего процесса саморазви- тия материи, подчиняющегося единой системе законов (пра- вил), действующих в нашей Вселенной. Пользуясь терминологией, получившей ныне широкое распространение, мы можем сказать, что все наблюдаемое нами, все, в чем мы сегодня участвуем, – это лишь фраг- менты единого синергетического мирового процесса. Его те- чение обусловлено законами, характерные времена которых лежат за пределами доступных нам сегодня знаний и изме- рений. Это позволяет считать их постоянными. Все развитие нашего мира выглядит сложной борьбой различных противоположных начал и противоречивых тен- денций на фоне непрерывного действия случайных причин, разрушающих одни устойчивые (точнее, квазистабильные) структуры и создающих предпосылки для появления новых. Несмотря на огромные достижения науки последних де- сятилетий, от нее сегодня, как и во времена В. И. Вернад- ского, остаются пока скрытыми основные детали важнейшей «земной тайны» – появления жизни на нашей планете, воз- никновения буфера – пленки, по терминологии В. И. Вер- надского, между космосом и неживым веществом Земли. Мы знаем только, что около 3,5–4 миллиардов лет тому на- зад на Земле появилась качественно иная форма организа- ции материи, которая обладает удивительной способностью усваивать внешнюю энергию, прежде всего энергию Солнца, с помощью реакции фотосинтеза. Примечание. Впрочем, может быть, и иным путем. В конце прошлого века С. Н. Виноградским был открыт хемосинтез – процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из двуокиси углерода за счет химических реакций, например, окисления серы. Открытие наряду с фотосинтезом реакции хемосинтеза существенно расширило наши представления о возможностях возникновения и развития форм жизни, которыми располагает Природа. На этапе возникновения жизни Природа нашла новый ряд организационных форм, которые обеспечивают материаль- ным объектам значительно более глубокое значение мини- мума функционала, отвечающего обобщенному принципу диссипации энергии, – возникли организационные формы, способные не только рассеивать энергию, но и накапливать ее. Одновременно эти формы обладали невероятней способ- ностью сохранять свой гомеостазис. В самом деле, первые прокариоты появились и жили на Земле в условиях почти кипящего океана, при исключительной сейсмической актив- ности и очень высоком уровне коротковолновой радиации – ведь тогда еще не было озонового слоя! Я думаю, что из всех живых организмов, когда-либо су- ществовавших на планете, эти первые организмы были, ве- роятно, самыми «жизнестойкими». Они обладали самой вы- сокой способностью адаптации к быстрому изменению усло- вий обитания, которое было характерным для поверхности нашей планеты тех времен. И к этому надо добавить еще следующее: первые прока- риоты были практически бессмертными. Именно бессмерт- ными, как и всякое неживое образование. Их можно было, конечно, разрушить, но собственной смерти они, вероятно, еще не знали. На этом этапе развития материи уже произо- шло отделение живого от неживого, но пропасть между жи- вым и неживым еще не была столь глубока, как сегодня. И тем не менее будущее принадлежало не этим суще- ствам, обладающим фантастической способностью сохра- нять гомеостазис. В конечном итоге эта эволюционная ветвь земной жизни оказалась тупиковой – не им принадлежало будущее. Господство прокариотов на Земле тянулось, веро- ятно, значительно больше одного миллиарда лет. Это они со- здали газовую оболочку планеты и условия, которые позво- лили появиться гораздо позднее эукариотам. Последним и была передана эстафета дальнейшего разви- тия. Они уже овладели кислородным дыханием. И, обладая им, эукариоты могли утилизировать внешнюю энергию неиз- меримо более эффективно. Другими словами, они в гораз- до большей степени могли добиваться локального снижения энтропии. Но эти новые формы организации материи заплатили за свое возникновение дорогую цену: в отличие от прокариотов эукариоты сделались смертными. Они потеряли способность первых прокариотов сохранять свой гомеостазис практиче- ски в любых земных условиях. В предыдущей главе я попытался показать, что многооб- разие форм жизни определенным образом связано с множе- ством возможных компромиссов между тенденциями обес- печения собственного гомеостазиса и стремлением живых систем реализовать обобщенный принцип минимума дисси- пации. Возникает ситуация, которая чем-то напоминает дви- жение по поверхности Парето. Как известно, это многообра- зие замечательно тем, что увеличение одного из критериев (показателей) сопровождается уменьшением значения дру- гого или других: на ней нельзя добиться одновременного ро- ста значений всех критериев. Когда система находится на по- верхности Парето, то для того, чтобы улучшить какую-либо из своих характеристик, она неизбежно должна поступиться уменьшением других. Примечание. Множество Парето, названное так по имени известного итальянского экономиста Парето, играет важную роль в теории многокритериальной оптимизации. Предположим, что мы хотим найти такую стратегию – вектор х, которая наилучшим образом отвечала бы нашим стремлениям увеличить значение целого ряда показателей – скалярных функций φ 1 (x), φ 2 (x)…. Тогда, задавая некоторое значение вектору х = х 1 в пространстве этих показателей мы получаем некоторую точку Ρ(x 1 ) с компонентами φ 1 (x), φ 2 (x)… Предположим теперь, что мы нашли такую стратегию х=х *, для которой имеют место неравенства: φ 1 (x 1 )<φ 1 (x*); φ 2 (x 1 )<φ 2 (x*);… Очевидно, что в дальнейшем стратегию х=x 1 мы можем уже не рассматривать – она по всем показателям хуже стра- тегии х = х*. Значит, нас могут интересовать только те точки Р(х) в пространстве показателей, для которых нельзя найти другой точки х*, такой, чтобы по всем показателям имели бы место неравенства φ 1 (x 1 )<φ 1 (x*); φ 2 (x 1 )<φ 2 (x*);… Совокупность всех подобных точек Ρ в пространстве по- казателей и называется поверхностью (или множеством) Па- рето, а точки, лежащие на ней, – компромиссами Парето. Появление эукариотов, которые на определенном этапе земной истории сменяют на вершине жизненной пирамиды прокариотов и становятся носителями дальнейшего разви- тия жизни, служит наглядной иллюстрацией «паретовских компромиссов». Уменьшение стабильности отдельного орга- низма, появление индивидуальной смертности как генетиче- ского свойства этой формы жизни сопровождались увеличе- нием эффективности (во много раз) в использовании внеш- ней энергии. Это открывало живому веществу совершенно новые возможности для своего развития. Именно потеря бессмертия позволила включить в единый процесс развития новые механизмы эволюции, резко интен- сифицировать естественный отбор. Переход от царства про- кариотов к царству эукариотов – это такой же гигантский шаг в мировом эволюционном процессе, как и переход от человекоподобного австралопитека к современному челове- ку, а может быть, даже и больше. С момента появления эукариотов начинается все ускоря- ющееся совершенствование видов и стремительный рост их разнообразия. Однако об этом начальном периоде земной истории, о возникновении первых прокариотов и появлении первых эу- кариотов мы знаем очень мало. Но нет сомнений в том, что это была одна из важнейших страниц истории жизни на пла- нете. Появление эукариотов (и современных прокариотов) на авансцене жизни привело к возникновению генетическо- го кода или, во всяком случае, тесно связано с ним: без него ничто смертное не могло бы появиться в биосфере. Появление существ, индивидуальная жизнь которых ко- нечна, стало возможным лишь при наличии специальной формы памяти, обеспечивающей реализацию принципа на- следственности. И она возникла! Это был генетический код, с помощью которого запоминалась и передавалась необхо- димая наследственная информация. Напомню, что сейчас алфавит генетического кода состоит из четырех букв – четырех нуклеотидов. Ничему не проти- воречит гипотеза о том, что в начале истории земной жиз- ни могли существовать и другие варианты языка, кодирую- щего наследственные признаки. Но в наших земных услови- ях – подчеркну, в конкретных условиях земной жизни – сло- жившаяся форма передачи наследственности, наследствен- ной информации, – оказалась, вероятно, наиболее стабиль- ной. Она позволила более надежно воспроизводить себе по- добных, сохранив оптимальную для тех времен, конечно, из- менчивость, то есть уровень мутагенеза. Становление гене- тической памяти резко интенсифицировало весь эволюци- онный процесс. Примечание. Я думаю, что генетический код, как и все «гениальные находки жизни», возник и утвердился в результате жесточайшей конкуренции и естественного отбора. Живые существа, наделенные другими способами кодирования наследственной информации, просто не выдержали конкуренции и вымерли. Разумеется, высказанное соображение не более чем гипотеза. Никаких подтверждений для него мы не знаем. Но оно и не противоречит изложенным выше принципам самоорганизации материи и согласуется с ними. Если это так, если жизнь возникла или существует в других мирах, в других частях Вселенной, то вовсе не обязательно, что ее генетический код, то есть структура ее наследственной памяти, будет такой же, как и на Земле. В других условиях более надежной может оказаться иная форма хранения и передачи наследственной информации. Возникновение наследственной памяти, взаимосвязанное с появлением биологической смерти как естественного явления и с редупликацией, то есть способностью воспроизводить себе подобных, означало появление качественно новых возможностей для расширения многообразия организационных структур материального мира. В самом деле, конечность существования отдельного организма сама по себе обеспечивает высокий уровень изменчивости и, следовательно, адаптацию 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 говоря, теории управляющих систем. Ведь вместе с жизнью возникает и це- леполагание, и целенаправленная деятельность, прежде все- го стремление сохранить свою стабильность, свой гомеоста- зис. Мы не раз уже употребляли понятие «гомеостазис», и на- стало время уточнить его смысл, тем более что это понятие очень широкое и разными специалистами трактуется по-сво- ему. В медицине и биологии, говоря о гомеостазисе, имеют в виду внутреннюю стабильность, внутреннее равновесие ор- ганизма. То же, если речь идет о системе живых существ, на- пример о популяции. Но для той популяции не менее важна и оценка внешних характеристик окружающей среды, их со- ответствия возможностям функционирования живой систе- мы. Этот контекст более важен для данной работы, и имен- но в нем мы и будем в дальнейшем использовать понятие го- меостазиса. Условимся называть границей области гомеостазиса (или просто гомеостазиса) данной живой системы множество – линию, поверхность, гиперповерхность в пространстве па- раметров внешней среды, отделяющей область их значений, внутри которой существование живой системы возможно, от остального пространства. Переход из области гомеостазиса через ее границу означает прекращение возможности суще- ствования данного организма, данной живой системы. Когда мы говорим о тенденции к сохранению гомеостази- са, то мы имеем в виду стремление живого организма или си- стемы организмов расширить границы возможностей своего существования. Это может быть достигнуто двумя путями. Во-первых, организм может так изменить свои собственные характеристики, что становится способным существовать в более сложных условиях, то есть расширить зону гомеоста- зиса за счет своих внутренних возможностей. 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 стре- мятся не только сами адаптироваться к окружающей среде, но и изменить эту среду так, чтобы ее характеристики в наи- большей степени соответствовали их возможностям суще- ствования. Чтобы обеспечить свой гомеостазис, живое существо должно обладать целым рядом свойств. Во-первых, оно должно быть способным оценивать свое положение по отно- шению к границе гомеостазиса. Но для этого необходимы специальные устройства. В физиологии они называются ре- цепторами. Если использовать терминологию теории управ- ления, то мы должны сказать, что для сохранения своего го- меостазиса живое существо должно обладать специальной информационной системой. В простейшем случае рецепто- ры – это датчики (как гироскоп у автопилота), информиру- ющие организм о его состоянии и состоянии окружающей среды. Далее, информация, полученная датчиками, должна пере- рабатываться и оцениваться. Наконец, на основе проведен- ного анализа должно приниматься определенное решение. Вот все эти функции и реализует нервная система, которую мы с полным правом можем назвать системой управления организмом, ибо она выполняет все перечисленные функ- ции, которые присущи любой управляющей системе. Следует заметить, что нервная система – это не един- ственная управляющая система, которой обладает организм. Функции управления в достаточной степени рассредоточе- ны (как во всякой сложной управляемой системе, целиком централизованное управление невозможно). К числу других управляющих систем организма относится, например, эндо- кринная система. Но нервная система, «возглавляемая» моз- гом, занимает в жизнедеятельности организма совершенно особое место. Самая трудная для понимания и исследования функция системы управления – это акт принятия решений. Именно он ответствен за образование обратных связей, существую- щих в организме и связывающих организм и окружающую среду. Благодаря этой функции нервной системы организм способен не только определять свое положение по отноше- нию к границе гомеостазиса, но и вырабатывать определен- ную совокупность действий, компенсирующих нежелатель- ные отклонения от «нормы». Хотя природа сформировала цепочки обратных связей еще на самой заре жизни, люди поняли их принципиальное значение и начали сознательно использовать сравнительно недавно – лишь при проектировании технических систем для придания устойчивости их работе. Наверное, интуитивно люди уже давно прибегали к ис- пользованию принципа обратной связи – вспомним поведе- ние рулевого на любом судне. Но первой технической си- стемой, в которой сознательно реализовался принцип обрат- ной связи, послужившей к тому же основанием для созда- ния большой современной науки (Теории управления тех- ническими системами), был регулятор Уатта. Создателями этой теории принято считать инженера И. А. Вышеградского (бывшего при императоре Александре II министром финан- сов Российской империи) и знаменитого английского физи- ка Дж. К. Максвелла. Они разработали математическую тео- рию этого регулятора независимо друг от друга в конце со- роковых годов прошлого века. Теорию управления техническими системами можно бы- ло бы назвать, не делая большой ошибки, теорией отрица- тельной обратной связи. Главные задачи, которые она долгое время решала, так или иначе были связаны с отысканием та- кой обратной связи, которая позволяла бы компенсировать возникающие помехи и обеспечивать устойчивость некото- рых избранных состояний или движений системы. Лишь в последние десятилетия возникли новые разделы теории управления, значительно расширившие область ее примене- ния. Норберт Винер еще в сороковых годах нашего века утвер- ждал, что существование отрицательных обратных связей у живых существ является одной из основных, а может быть, и главной особенностью, отличающей живую природу от неживой. Технические системы с обратной связью в счет не идут, поскольку они обладают обратной связью по воле их создателя – человека. Это утверждение Н. Винера получило широкую извест- ность. В литературе нередко высказывается убеждение, буд- то бы факт существования отрицательных обратных связей как основное отличие живых существ от неживых предметов является открытием Н. Винера. Однако еще за 15 лет до ра- бот Н. Винера П. К. Анохин также утверждал, что наличие отрицательных связей, обеспечивающих устойчивость орга- низмов, – это то самое главное, что присуще жизни, что со- здает у живых существ возможность целеполагания – стрем- ление к сохранению гомеостазиса, что отличает жизнь от процессов, протекающих в неживой природе. Ученики и по- следователи П. К. Анохина считают именно его зачинателем современной биокибернетики. Но, по-видимому, ни П. К. Анохин, ни Н. Винер не были правы. А правильную точку зрения первым высказал скорее всего А. А. Богданов, который еще в 1911 году занимался общими проблемами организационных структур. Его книга «Всеобщая организационная наука или тектология», кото- рая была опубликована в 1911 году, написана довольно арха- ичным языком, и, конечно, самого термина «обратная связь» у автора просто нет, да и не могло быть, поскольку он по- явился лишь в двадцатых годах, да и то в лексиконе техниче- ских специальностей. Однако, если перевести рассуждения А. А. Богданова на современный язык, можно будет сказать, что для развития организаций любой природы, в том числе и биологических, необходимы не только отрицательные, но и положительные обратные связи. И действительно, любая организационная система, любое живое существо, в частности, если присмотреться к их де- ятельности, всегда проявляют способности реализовать оба типа обратных связей. Ведь одни только отрицательные об- ратные связи, если они достаточно совершенны, приводят систему в столь устойчивое состояние, что она уже не спо- собна изменяться. А это означает застой и деградацию ее ор- ганизации и ведет к прекращению всякого развития и к ис- чезновению той вариабельности, без которой никакая эво- люция живого невозможна. Заметим, что прекращение эволюционного процесса мор- фологического совершенствования далеко не всегда означа- ет потери живой системой устойчивости по отношению к изменяющимся условиям существования и способности со- хранять 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 прак- тически неизменными. И происходит это за счет удивитель- ного совершенства отрицательных обратных связей. Поэто- му для «прогрессивной» эволюции, то есть такого процесса, который ведет к появлению новых качеств, к росту сложно- сти организмов, к повышению уровня разнообразия, необ- ходимы также и положительные обратные связи. Они позво- ляют расширить поиск, более полно использовать потенци- альные возможности изменчивости. В частности, тенденция к повышению эффективности использования внешней энер- гии вряд ли может быть реализована без использования по- ложительных обратных связей. В последующем изложении наряду с термином «органи- зация системы» мы будем часто применять и термин «орга- низм». Под организмом, следуя терминологии теории управ- ления, мы будем понимать любую систему, которая не толь- ко имеет свои собственные цели, но и обладает определен- ными возможностями им следовать. Живое существо всегда является организмом, поскольку оно не только имеет цель – сохранить свой гомеостазис, но и обладает определенными возможностями его обеспечения. Организмами являются и многие сообщества живых существ. И-спользуя эту терминологию, мы можем сказать, что лю- бой организм обладает потенциальной способностью реали- зовать как отрицательные, так и положительные обратные связи. Редупликация, метаболизм, возникновение и устойчи- вость неравновесных структур (неравновесных с точки зре- ния термодинамики) – все это укладывается в более или ме- нее понятные схемы, и мы сталкиваемся с подобными про- цессами уже на предбиологическом уровне организации ве- щества. Работы М. Эйгена семидесятых годов и его последовате- лей уже наметили определенные пути их математического моделирования. Что же касается механизмов обратной свя- зи обоих типов, которые присущи всему живому, то их воз- никновение и сегодня остается тайной за семью печатями. Это такое изобретение природы, для которого у нас нет по- ка никаких аналогий. Мы еще очень далеки от того, чтобы представить себе модель процесса, который мог бы приве- сти к возникновению какого-либо из механизмов подобного типа. Следуя терминологии В. И. Вернадского, факт суще- ствования сложных механизмов обратных связей следовало бы назвать главным «эмпирическим обобщением» в той на- уке, которая занимается изучением развития Земли и жиз- ни на Земле. В процессе естественной эволюции планеты на ней возникли живые структуры, обладающие механизмами обратной связи, – это мы можем только констатировать. Сегодня часто употребляют термин «теоретическая био- логия». В попытках расшифровать это выражение 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 в биологии эмпирического материала действительно требует создания стройной теоретической системы, связанной еди- ным становым хребтом, который подобен закону Ньютойа в классической механике. Но такой фундаментальной основы в биологии пока еще нет. Поэтому мне представляется, что альтернативой цар- ствующей эмпирии и разрозненным концепциям и теориям, являющимся озарением гениев, а не следствием дедуктивно- го анализа, суждено будет сделаться модели, описывающей возникновение в живом веществе обратных связей. На этот путь нам указывает и опыт последних десятиле- тий. М. Эйгену удалось построить модель редупликации и метаболизма биологических микромолекул. Если бы удалось сделать следующий шаг и построить нечто подобное для объ- яснения механизма обратных связей, то мы могли бы за- менить сформулированное выше эмпирическое обобщение стройной логической схемой и тем самым заложить основу теоретической биологии. |