Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции

Фёдорович Турчин Валентин

³ Pyc. пер. см. в сб.: Электроника и кибернетика в биологии и медицине. М.: Изд-во Иностр. Лит., 1963.

⁴ См.:Причард Р. Изображение на сетчатке и зрительное восприятие // Проблемы бионики. М.: Мир, 1965. Пер. с англ.: Pritchard R. Stabilized image on the retine // Sci. Amer. 1961. Vol. 204, N 6. P. 72–78.

Глава 3. На пути к человеку

3.1. Метасистемный переход

Как уже было сказано, описание следующих этапов развития нервной системы мы будем проводить в плане более феноменологическом. Для этого нам надо подытожить результаты исследования механизма эволюции на ранних этапах в терминах общих кибернетических понятий. Начав думать в этом направлении, мы легко обнаружим одну общую черту в переходах от низшего

этапа к высшему. А именно все эти переходы совершаются следующим образом. На каждом этапе биологическая система имеет подсистему, которая может быть названа высшим управляющим устройством и которая имеет наиболее позднее происхождение и наиболее высокую организацию. Переход на следующий этап происходит путем размножения этих подсистем (путем многократной редупликации) и интеграции их, т. е. объединения в одно целое с образованием (по методу проб и ошибок) системы управления, во главе которой стоит новая подсистема, которая теперь является высшим управляющим устройством нового этапа эволюции. Систему, состоящую из управляющей подсистемы Х и управляемых ею многих однородных подсистем A₁,A₂, A₃,… мы назовем метасистемой по отношению к системам A₁, A₂,A₃,… Переход с этапа на этап мы назовем, следовательно, метасистемным переходом (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Метасистемный переход

Это понятие будет играть решающую роль в последующем изложении. Метасистемный переход создает высший уровень организации — метауровень по отношению к уровню организации интегрируемых подсистем. С точки зрения функциональной метасистемный переход состоит в том, что деятельность, являющаяся управляющей на низшем этапе, становится управляемой на высшем этапе и появляется качественно новый (высший) вид деятельности, заключающийся в управлении деятельностью. Редупликация и отбор приводят к созданию необходимых структур. Первый метасистемный переход, который мы усматриваем в истории животных, это возникновение движения. Интегрируемыми подсистемами являются части клетки, обеспечивающие обмен веществ и размножение. Положение этих частей в пространстве до поры до времени случайно, неуправляемо. Но вот появляются органы, соединяющие остальные части клетки и приводящие их в движение: клеточная мембрана, реснички, жгутики. Происходит метасистемный переход, который можно определить формулой

Управление положением = Движение.

На этом этапе движение неуправляемо, никак не коррелировано с движением внешней среды. Сделать его управляемым — следующая задача природы. Управлять движением — значит сделать его определенной функцией состояния среды. Так возникает раздражимость — изменение состояния каких-то участков клетки под действием внешних факторов и распространение этого изменения на другие участки, в частности обеспечивающие движение. Итак, формула метасистемного перехода от второго к третьему этапу такова:

Управление движением = Раздражимость.

Интеграция клетки с образованием многоклеточного организма также является переходом от системы к метасистеме. Однако этот переход касается исключительно структурного аспекта и неописуем в функциональных терминах. С точки зрения функциональной неважно в конце концов, происходят ли размножение и интеграция в какой-то части организма или организмы интегрируются целиком. Это, так сказать, вопрос технический. Раздражимость появляется уже у одноклеточных организмов, но полностью проявляет свои возможности после интеграции клеток.

Здесь необходимо указать на одну важную черту метасистемного перехода. Когда интегрируемые подсистемы объединяются в метасистему, то вследствие разделения функций между ними происходит их специализация, т. е. приспособление к определенной частной деятельности и утрата способности к другим видам деятельности. Специализация особенно отчетливо проявляется при интеграции целых организмов. Каждая интегрируемая подсистема содержит в этом случае много «лишнего» того, что было необходимо ей для самостоятельной жизни, но не нужно в сообществе, ибо соответствующие функции выполняются другими подсистемами. Так, в многоклеточном организме появляются специализированные мышечные и нервные клетки.

Вообще надо отметить, что интеграция подсистем отнюдь не является концом их эволюционирования. Нельзя представить дело таким образом, что системы A₁, A₂,A₃, …

размножаются в больших количествах, после чего «над ними» вдруг возникает управляющее устройство X. Напротив, зачатки системы управления образуются, когда число подсистем A_i невелико — всего несколько штук. Только при таком условии, как мы видели выше, может работать метод проб и ошибок. Уже после того, как наметилась управляющая подсистема X, происходит массовая редупликация подсистем A_i, в процессе которой совершенствуются как A_i, так и X. Возникновение структуры управления подсистемами A_i, не завершает, а вызывает бурный рост числа подсистем A_i, и предшествует ему, ибо при этом размножение A_i, становится нужным для организма. Носитель определенного уровня организации разрастается лишь после того, как начинает образовываться новый, более высокий уровень. Эту черту можно назвать законом разрастания предпоследнего уровня. Поэтому и при феноменологическом функциональном описании метасистемный переход проявляется не тотчас же вслед за закладкой нового уровня, а несколько позже, когда предпоследний уровень «войдет в силу». Метасистемный переход всегда затрагивает два уровня организации.

Продолжим наш обзор этапов эволюции. Применим принцип метасистемного перехода к уровню раздражимости. На этом уровне возбуждение каких-то участков одноклеточного организма или специализированной нервной клетки в многоклеточном организме происходит непосредственно внешней средой и это возбуждение непосредственно (один к одному) вызывает возбуждение мышечной активности. Что может означать управление раздражимостью? Очевидно, создание нервной сети, элементы которой, в частности эффекторы, возбуждаются не прямо внешней средой, а через посредство сложной управляющей системы. Это тот этап эволюции, который мы связали с понятием сложного рефлекса. Особенно отчетливо виден факт управления раздражимостью на этом этапе в том, что при наличии цели возбуждение эффекторов зависит не только от состояния внешней среды, но и от этой цели, т. е. от состояния каких-то внутренних нейронов сети. Итак, формула этого метасистемного перехода (от третьего к четвертому этапу):

Управление раздражимостью = Сложный рефлекс.

Что же дальше?

3.2. Управление рефлексом

Сколь бы ни была совершенна нервная сеть, построенная по принципу сложного рефлекса, она обладает одним существенным недостатком: неизменностью функционирования во времени. Животное с такой нервной системой ничего не может извлечь из своего опыта, его реакции всегда будут одинаковыми, его действия всегда будут совершаться по одним и тем же планам. Чтобы животное могло обучаться, его нервная система должна содержать какие-то вариабельные компоненты, которые обеспечивали бы изменение связей между ситуациями и действиями. Эти компоненты, следовательно, будут осуществлять управление рефлексами. Хорошо известно, что животные обладают способностью к обучению и выработке новых рефлексов. По терминологии, введенной Павловым, врожденный рефлекс, заложенный в нервную систему природой, называется безусловным рефлексом, а рефлекс, выработанный под действием внешней среды, — условным рефлексом. Когда мы говорим о сложном рефлексе, мы имеем в виду, конечно, безусловный сложный рефлекс. Наличие компонентов, управляющих сложными рефлексами, проявляется в опытах по обучению животных как способность к образованию условных рефлексов.

Однако мы не можем отождествить понятие условного рефлекса с понятием управления рефлексом. Последнее понятие шире. Ведь наше понятие сложного рефлекса, взятое в контексте описания общих принципов эволюции нервной системы, означает по существу любую фиксированную связь между состояниями классификаторов, фиксаторов представлений и эффекторов. Следовательно, управление рефлексами надо понимать как создание под действием индивидуального опыта любых переменных связей между этими объектами. Такие связи называют ассоциациями представлений или просто ассоциациями. Термин «представление» понимается здесь в широком смысле — как состояние любых подсистем мозга, в частности классификаторов и эффекторов. Образование ассоциаций мы будем называть ассоциированием (терминология тяжеловатая, зато точная). Итак, пятый этап эволюции — этап ассоциаций. Формула метасистемного перехода на этом этапе: