Книга: ЧЕЛОВЕК И НООСФЕРА

Рефлексное управление и нервная система

Рефлексное управление

и нервная система

Итак, в процессе эволюции живые системы (организмы) обзавелись механизмами обратных связей, которые помогают им обеспечивать собственную стабильность и дальнейшее развитие. Носителями реакций обратных связей являются все управляющие системы живого существа и прежде всего нервная и гормональная системы. Эволюционируя как система управления организмом, нервная система непрерывно усложняется в процессе эволюции и в результате превращается в систему, содержащую блоки переработки информации и выработки команд исполнительным органам.

В предыдущей главе я не раз использовал слово «синергетика». Этот термин включает в себя понятие эволюции в том смысле, что любой эволюционный процесс, протекающий в живом мире, является проявлением синергизма, то есть 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 возможных 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 вопросами 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 помощью того языка, который используется в книге.

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 структур и связей между ними Природа вводит в действие все новые и новые принципы отбора из своего арсенала. Другими словами, усложнение организации нашего мира означает, по существу, все более глубокое использование потенциальных возможностей Природы, всего того, что заготовлено ею впрок при рождении Вселенной.

Такой взгляд на мировой процесс развития не противоречит общим принципам диалектики и нашему опыту. Но в то же время он не более чем гипотеза. В его основе лежит тот факт, что для описания процессов, протекающих в живом мире, мы вынуждены вводить новые принципы отбора, которые отсутствуют в мире неживой материи.

Тот «физикалистский 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 «синергетический потенциал» Природы? Нельзя ли их считать только новым ракурсом рассмотрения законов физики, управляющих и неживой природой? Мне кажется, что проблему биологического редукционизма следует сегодня формулировать именно таким образом.

После этих замечаний общего порядка обратимся вновь к проблемам развития нервной системы и анализу тех следствий ее постепенного усовершенствования, которые нам потребуются для дальнейшего изложения. Мы сказали, что функционирование механизмов обратной связи в живом организме обеспечивает прежде всего нервная система. Возможно, справедливо и такое утверждение: все, что связано в организме с процессами регистрации, с переработкой информации и с последующей затем процедурой выработки его поведения (то есть принятия решения), следует и называть его нервной системой.

Последовательное совершенствование нервной системы в процессе эволюции является, может быть, наиярчайшим примером, который демонстрирует возможности самоорганизации в живом мире. Проследить этот процесс во всех его деталях было бы чрезвычайно важно с чисто прикладной точки зрения. Такое знание могло бы не только дать огромный материал для размышления естествоиспытателям и медикам, но и стать источником аналогий в инженерном деле и в исследованиях по кибернетике и теории искусственного интеллекта.

К сожалению, начальные эпизоды, начальные этапы истории 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 физиолога и биолога. А кибернетический подход к анализу деятельности нервной системы, то есть изучения ее как системы управления всем организмом, ставит, в свою очередь, еще множество других интереснейших вопросов.

В предыдущем изложении я постоянно стремился подчеркнуть существование и важность для эволюционного процесса двух противоречивых, но тесно связанных между собой тенденций — стремление сохранить гомеостазис и тенденцию реализовать обобщенный принцип минимума диссипации энергии. Возникновение нервной системы было связано, по-видимому, прежде всего с необходимостью сохранения гомеостазиса и выработкой определенных рефлексов, обеспечивающих существование (выживание) организма.

Что же касается второй тенденции, то есть стремления в максимальной степени использовать внешние вещество и энергию, то сказать что-либо определенное о ее реализации на первоначальных этапах развития нервной системы очень трудно. Наверно, еще никто и не пытался исследовать эту проблему. Я могу лишь предполагать, что на ранних этапах развития живого нервная система, которая тогда, может быть, и не представляла собой систему, вряд ли оказывала заметное влияние на рост эффективности в использовании внешних энергии и вещества. В тот период этот процесс развертывался, вероятно, на чисто физико-химическом уровне.

В конечном итоге рост эффективности в использовании внешних ресурсов достигается, 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, по мере их усложнения и развития нервной системы положение начинает меняться, а с появлением зачатков интеллекта именно на нервную систему возлагается основная ответственность за совершенствование механизмов использования внешней материи и энергии. С общеметодологической и научной точки 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 в ракурсе тех возможностей использовать внешние ресурсы, доступные 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 можно пренебречь). И вначале в распоряжении жизни был лишь один механизм использования солнечной энергии — фотосинтез с его ничтожно малым коэффициентом полезного действия. За те 1,5–2 миллиарда лет, которые сначала 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 в использовании внешней энергии возрос в несколько раз. Количество используемой энергии на единицу биомассы по мере развертывания эволюционного процесса непрерывно росло. И этот рост происходил, вероятно, по экспоненциальному закону.

Следующим фундаментальным шагом в развитии жизни, после того как она обрела кислородное дыхание, было появление живых существ, пищей для которых стали фотосинтезирующие растения. Такие живые существа усваивали энергию в гораздо больших концентрациях, нежели сами растения.

Затем появились животные, которые стали питаться другими 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 использовала биота прошлых времен и сумела сохранить в Земле в форме ископаемых углеводородов. А в самом конце современного этапа истории жизни человек научился использовать и ту энергию, которую наша планета получила из космоса в период своего образования, — энергию атомного ядра.

На этом этапе развития нервная система уже сформировала мозг, возник Разум. И его роль теперь уже становится определяющей.

Но вернемся снова на много миллионов лет назад — к тем временам, когда основными управляющими воздействиями, которые могла вырабатывать нервная система, были элементарные рефлексы. Информация о них сохранялась генетической памятью и передавалась по наследству. Следуя терминологии теории управления, нервную систему на этом этапе развития можно назвать системой управления рефлексного типа. Напомню, что этим термином (который, кстати говоря, взят из физиологии) называют управляющие системы, в которых реакция на внешние воздействия является еще достаточно простой и однозначной функцией.

Со временем эволюционный процесс стал приобретать новые черты. Поведение животных по мере усложнения их организаций все время усложнялось. Их нервная система постепенно перестает быть рефлексной управляющей системой. Это происходит потому, что связь между внешними воздействиями и реакцией организма становится очень сложной, в ней появляются многие опосредствующие звенья, перерабатывающие информацию. Среди них особое место принадлежит способности «догадываться», которая начинает проявляться у многих высших животных.

В последние годы очень интересные и показательные наблюдения были проведены этологами — специалистами в области поведения животных — над тем, как при изменении условий обитания постепенно меняется поведение отдельных популяций различных животных. Было установлено, например, что популяция городских ворон проявляет явную склонность к «догадливости» и «изобретательности». Их удивительная способность адаптироваться к быстро меняющимся условиям обитания, умение «решать» задачи добывания пищи с помощью достаточно сложных действий и многое другое свидетельствует об их незаурядных «интеллектуальных» способностях. Во всяком случае, их нервную систему никак нельзя отнести к числу рефлексных систем управления.

Таким образом, на определенном этапе эволюции, задолго до появления человека, возник новый феномен самоорганизации, обусловленный целенаправленным поведением живых существ: нервная система высших животных и птиц перестала быть системой управления рефлексного типа.

Забегая вперед, я хотел бы заметить, что без понимания этого феномена, то есть не поняв, как возник «алгоритм угадывания» и что он в действительности собой представляет, вряд ли можно говорить о создании искусственного интеллекта — даже в том случае, если наши вычислительные устройства будут производить не миллионы, а миллиарды арифметических действий в секунду!

А пока что мы очень плохо понимаем, что представляет собой этот алгоритм. Это еще одна проблема самоорганизации материи, которая встает перед биологами и специалистами в области создания и использования компьютеров — проблема, решение которой может быть очень важной не только в чисто познавательном значении, но и иметь разнообразные прикладные аспекты.

Примечание. С помощью компьютеров мы обычно решаем задачи, связанные с операциями, производимыми над множествами дискретных величин, и при этом используем алгоритмы (чаще всего переборного типа), которые не дают ключа к пониманию механизмов отгадывания. А ворона, догадываясь, как надо открыть клетку, в которой лежит корм, явно не использует алгоритма переборного типа. В чем же состоит ее алгоритм отыскания решения?