книги из ГПНТБ / Жуков Н.И. Философские основы кибернетики

По мере усложнения н потери газообразного состоя­ ния масса органических веществ выпадала в «теплый питательный бульон»— первородные моря и океаны, где развернулся процесс образования высокомолекулярных соединений п превращения их в исходные для синтеза живого сложные системы. О путях появления таких систем существует много различных мнений. А. И. Опа­ рин, например, полагает, что наиболее вероятной исход­ ной формой могли быть коацерваты, которые нетрудно получить лабораторным путем при смешивании разно­ родных белков, нуклеиновых кислот, различного рода ферментов и других органических соединений.

Необходимым условием дальнейшей эволюции коацерватов была их способность взаимодействовать с окружающей средой путем увеличения своей массы. Но эти коацерваты еще нельзя считать живыми, поскольку их устойчивость в отличие от устойчивости и способ­ ности к длительному существованию живой протоплазмы основывалась на совсем иных принципах. Устойчивость таких систем статична, тогда как устойчивость живого существа носит динамический характер (А. СентДьердыі, Д. Уолд). Живое существует благодаря не­ прерывно совершающемуся обмену веществ, происходя­ щим в нем с большой скоростью п вполне упорядочен­ ным образом биохимическим процессам. Непрерывное самообновление, изменение выступает необходимым до­ полнением устойчивости системы, ее противополож­ ностью, условием существования организма.

Поточность доклеточного живого вещества тоже принципиально отлична от поточности систем неоргани­ ческой природы. В горном озере, например, где есть вы­ ход и вход, вода при ее поступлении может и «обнов­ ляться», и находиться на одном и том же уровне. Однако в этом случае отсутствует обратная связь, а стало быть, и регулирование в строгом смысле этого слова. Другое дело — живой организм. Окружающие его условия не­ прерывно изменяются, и в этой обстановке для достиже­ ния устойчивого равновесия требуется соответствующее регулирование процессами на основе использования по­ лучаемой извне информации. Без подобного упорядочен­ ного и согласованного изменения скорости и направлен­ ности реакций была бы невозможна и сама жизнь. Воз-

40

ннкновение жизни, таким образом, следует связывать с появлением саморегуляции, которая обеспечила в итоге приспособление организма к среде, его выживание.

Будучи «открытой» системой, живое способно как к получению вещества, энергии и информации извне, так и к последующему выделению ненужных веществ. При этом энергия нужна не только для обеспечения внутрен­ них процессов метаболизма, но н для перемещения си­ стемы в обитаемой среде. Наконец, чрезвычайно важным признаком живого является рост и размножение, что связано с дальнейшим усложнением всей сетки обмена веществ и действием биологического закона естествен­ ного отбора, сыгравшего в эволюции решающую роль.

Со времени появления первых живых систем до фор­ мирования клетки той сложности, которую мы наблю­ даем сегодня, прошло, по мнению А. И. Опарина, при­ мерно столько же времени, сколько с момента ее форми­ рования до наших дней. Самым существенным здесь для нас является то, что возникновение жизни есть антиэнтропийный процесс, движение от хаоса, неупорядочен­ ности к порядку, процесс, диалектически противополож­ ный тенденции возрастания энтропии в объектах неживой природы. Даже смерть организма можно рассматривать как цену, которая платится за прогресс и продолжение рода. В этом смысле эволюция, «биологи­ ческая работа, — по меткому выражению Д. Уолда,— дело не Великого Автора, а Великого Редактора».

Значительный интерес представляет вопрос о том, на основании каких воздействий внешней среды выпол­ няют свою регулирующую роль внутриклеточные си­ стемы. Здесь мы сталкиваемся с «опережающим отра­ жением» (П. К. Анохин) действительности, сущность которого заключается в следующем.

Все воздействия внешней среды грубо можно подраз­ делить на закономерные, периодически повторяющиеся (в этом смысле необходимые) и не повторяющиеся (в этом смысле случайные). При отражении воздействий первого рода, имеющих существенное значение для жиз­ ни данного организма (смена времен года, дня и ночи и т. п.), в процессе филогенеза проторяются соответству­ ющие пути биохимических реакций, формируется биохи­ мическая «память» простейшего. Благодаря огромной скорости реакций внутреннее состояние клетки способно

41

теперь предвосхищать закономерное наступление после­ дующих событий. Информационные процессы в клетке, ее состояние как бы с опережением моделируют процес­ сы внешней среды, обусловливая формирование «модели потребного будущего» (Н. А. Бернштейн). Иначе говоря, указанные раздражители несут теперь организму инфор­ мацию, используемую им для адекватного поведения, приспособления к внешней среде. Биологическое значе­ ние опережающего отражения действительности не вы­ зывает, таким образом, никаких сомнений.

Что касается неповторяющихся воздействий, то они организму практически никакой информации не несут (хотя и имеют иногда огромное биологическое значе­ ние); организм к ним просто не приспособлен. Можно заключить, что для любого организма раздражители, на которые он целесообразно реагирует, имеют сигнальный характер в широком смысле слова, несут внешнюю ин­ формацию.

ченности, связанной информацией внутриклеточных структур. Саморегуляция — суть условие и основа жизни (Г. И. Поляков).

Единство управления, информации и обратной связи. Посмотрим теперь, как выглядят информационно-регу­ лятивные процессы в одноклеточном организме.

Простейшими элементами, способными в условиях из­ менения окружающих условий регулировать скорость и порядок метаболических процессов в различных частях организма, являются ферменты. Их согласованное дей­ ствие в итоге обеспечивает достижение необходимого общего равновесия живой системы, самосохранение организма, приспособление его к среде. С точки зрения кибернетики работа ферментов происходит на основе использования принципа обратной связи. Выступая регулятором определенных биохимических реакций и взаимодействуя с «опекаемым» веществом по принципу «замка и ключа» (Дж. Холум),' ферменты могут не только значительно ускорить синтез тех или иных по­ требных клетке веществ, но и при необходимости с удиви­ тельной быстротой и точностью замедлить их синтез, а в случае излишков в данном месте — даже разложить на

42

исходные компоненты. В клетке имеется целая согласо­ ванная в своем действии сеть обратных связей (схе­ ма 5).

Активность ферментативной системы (цепочки фер­ ментов Фі, Ф2, Фз, ФД, синтезирующей через ряд про­ межуточных стадий А, Б, В, Г конечный продукт Д, мо­ жет снижаться как на начальном этапе (линия 1) путем «продуктного угнетения», связанным с чисто энергети­ ческим воздействием, так и методом «ретроингиби­ рования», предполагающим ответное воздействие про­ дукта Д не на конечные, а на первые этапы этого много­ ступенчатого процесса (так называемое аллесторическое регулирование). Ответное воздействие на активность ферментативных цепей воспринимается в последнем слу­ чае как информация об объеме выполненной «работы». В результате использования этой информации и про­ исходит регулирование с помощью ферментов синтезом веществ, обеспечение концентрации соответствующих веществ на данном участке клетки в нужных границах, а в итоге — активное уравновешивание организма со средой путем приспособления.

Внутриклеточные процессы в полном соответствии со стохастической внешней средой тоже имеют вероят­ ностный характер. Последнее обусловливает моделиро­ вание организмом внешних условий и его относительно (по причине двойной детерминации) адекватное пове­ дение.

Характерной особенностью регулятивных процессов в клетке является и то, что константы, постоянство ко­

наивыгоднейший режим работы, которая позволяет ему оптимизировать свои внутриклеточные процессы. При

43

этом определяющая роль в последовательности осуще­ ствления реакций принадлежит цитоплазме, а через нее отчасти и внешней среде.

Рассмотренная нами схема регулирования представ­ ляет собой лишь вырванный из общего метаболизма клетки фрагмент. Ферментативные системы действуют согласованно, обеспечивая слаженность всей сетки об­ мена веществ в данных условиях, всесторонние внутрен­ ние обратные связи; каждая движущаяся частица ве­ щества клетки не может не нести соответствующей ин­ формации на физико-химическом уровне. Поэтому обмен веществ в клетке — это не только вещественный и энер­ гетический, но и информационно-регулятивный процесс. Процесс чрезвычайно сложный, поскольку в клетке имеются сотни тысяч различных химических веществ,

одного участка клетки в другой, причем по мере надоб­ ности соответствующие протоки на время перекрывают­ ся. При этом главным регулятором процессов является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) ядра. Одно­ временно она выступает и своеобразной исходной «ма­ трицей» для синтеза необходимых клетке белков — ферментов.

Краткое рассмотрение информационно-регулятивных процессов в клетке позволяет сделать некоторые выводы.

Появление живого организма означало возникновение первой естественной системы саморегуляции. В условиях закономерного развития природы формируются системы, в отличие от обычных тел способные сохранять свою качественную определенность, с опережением моделируя ситуации окружающей среды. Последнее предполагает наличие организации, необходимой и достаточной для уравновешивания системы со средой путем приспособле­ ния к ней. Кстати, можно говорить об обобщении этого биологического понятия (равно как н приспособления, двойной детерминации поведения, опережающего отра­ жения) до уровня кибернетических абстракций.

Будучи кибернетической системой, простейшее обра­

44

роль среды в филогенезе, онтогенезе и конкретной си­ туации, учитывать трехплановость отражения, удель­ ный вес генов и среды в онтогенетическом развитии особи.

В информационном отношении клетка является замкнутой системой для внутренней и разомкнутой для внешней информации (Р. Эшби). Роль центрального ре­ гулятора принадлежит ДНК ядра. Как управляющий аппарат функциональной системы «организм — среда» она обладает значительной стабильностью, которая по­ зволяет ей выполнять главную роль и в передаче на­ следственных признаков. Считываемая часть структур­ ной информации ядра является своеобразной проекцией состояния клетки в целом.

Развитие организма п его поведение соответственно имеют двойную детерминацию — генотипа и среды, организма и конкретной ситуации. Внутренние обратные связи позволяют организму самоуправляться в самых разнообразных ситуациях. Что же касается внешней об­ ратной связи, то у простейшего опа осуществляется главным образом в филогенезе благодаря действию за­ кона естественного отбора (Р. Эшби, РІ. И. Шмальгаузен).

Информация, управление и обратная связь, таким образом, предполагают друг друга, так что эту «троицу» разделить невозможно. Как это единство выглядит в бо­

45

Х о в а н о в Н. В. Вероятность как мера необходимости. «Вопро­

Понятия управления, информации и обратной связи — это, образно говоря, три кита, на которых зиждется все теоретическое здание кибернетики. Пришло время за­ няться анализом каждого из них в отдельности. Пред­ ставляется логически оправданным начать с важнейшего принципа кибернетики — принципа обратной связи, ко­ торый Н. Винер не случайно назвал «душой» кибер­ нетики.

Причина, следствие и обратная связь. Известно, что все в мире находится в универсальной связи и взаимной обусловленности. Любой объект действительности испы­ тывает со стороны окружающих его тел определенные воздействия, которые определяются природой и состоя­ нием взаимодействующих объектов. В свою очередь, на целый ряд других предметов отражающее тело тоже оказывает действие, чаще всего ответного характера.

В последнем случае мы имеем взаимодействие, взаимоотражение. При этом прямое действие на объект рассматривается как причина, тогда как соответствую­ щие изменения в нем выступают следствием, которое обычно обусловливает, в свою очередь, ответное дейст­ вие на вызвавшую его причину (отражение в целом представляет собой разомкнутую дугу, центральной частью которой является отображение).

Все осложняется, если взаимодействие dc'yiuëc'fg.ffH'ëfся через промежуточную среду или промежуточные звенья, т. е. опосредованно, поскольку ответного дей­ ствия следствия на причину может и не быть (скажем, ответным действием небольшого земного объекта на солнце практически всегда пренебрегают).

До сих пор мы рассматривали только два взаимодей­ ствующих объекта, вырывали причинно-следственную связь из общей сложной, цепи зависимостей (что, кстати сказать, методически оправдано и неизбежно). Теперь

46

посмотрим на все это с несколько иных позиций, расши­ рив сферу взаимодействующих объектов (см. а схемы 6).

либо другого тела А, в свою очередь, является причиной изменений в третьем по счету объекте В и т. д. без конца. Естественно, что следствие может при этом оказывать ответное действие на вызвавшую его причину. Однако такое ответное действие еще нельзя назвать обратной связью. Обратная связь имеет место только там, где ответное действие объекта В, в качестве которого вы­

тот (А), который мог бы явиться непосредственной при­

упорядоченный характер и направлены на достижение какой-то цели или целесообразного эффекта.

Значит, не всякое ответное действие является обрат­ ной связью, а лишь то, которое осуществляется через ряд промежуточных звеньев, целесообразно дозировано и обязательно предполагает информационный канал связи, по которому можно было бы на основе получае­ мой «осведомительной» информации о состоянии управ­ ляемого объекта (у. о. на схеме 6) посылать корректи­ рующую информацию управления для достижения целесообразного эффекта. Обратная связь предполагает, таким образом, управление, информацию и цель.

Необходимый уровень организации, «память» кибер­ нетической системы позволяют при этом осуществлять' своеобразное «предвидение» событий (В. А. Бокарев), предполагая такую сложную форму детерминизма, когда разные внешние причинные воздействия могут вызвать одно и то же следствие (случай гомеостатического регу­ лирования), а одна и та же причина — различные след­ ствия (в случае управления).

47

неживой естественной природы не обладает таким раз­ нообразием, или — что одно и то ж е —'имеет одну един­ ственную степень свободы). В ней закодирована целе­ вая установка, некий функциональный инвариант. Вот почему физико-химические закономерности оказываются здесь в «подчиненном положении», хотя и не нару­ шаются.

Совершенно очевидно, что необходимость в обратной связи диктуется стохастпчностыо окружающей среды: в случае абсолютно полной регламентации протекающих внешних процессов потребность в обратной связи, регу­ лировании, а стало быть, и в получении осведомитель­ ной информации вообще бы отсутствовала.

При выяснении структуры системы управления (в на схеме 6) мы сталкиваемся с трудностью определе­ ния прямой и обратной связи. Если считать канал связи управляющей системы (у. с.) с управляемым объектом (у. о.) прямым, а в направлении от у. о. к у. с. — обрат­ ным (линия 1), то обратная связь не будет совпадать с ответным действием отражающего объекта В на пред­ меты А п Б. Не только не будет совпадать, но окажется прямо противоположной по направлению. П с этим при­ дется примириться, имея в виду господствующую в лите­ ратуре трактовку обратной связи (см. общепринятую схему обратной связи б). Основоположник кибернетики Н. Винер писал, что система обладает обратной связью, если регулятор (управляющая система) использует информацию о состоянии управляемого объекта для до­ стижения цели, если все его последующие действия на­ правлены на ликвидацию рассогласования между фак­ тическим состоянием у. о. « «заданным». Осведомитель­ ную информацию об этом рассогласовании регулятор получает по каналу обратной связи, в то время как кор­

48

означает коррекцию в ходе управления или регулирова­ ния. Представляется разумным для большей ясности на­ зывать этот важнейший принцип кибернетики принципом коррекции. Последний термин, на наш взгляд, хорошо выражает сущность этого принципа.

Еще раз подчеркнем, что принцип обратной связи означает не только информационную связь в системе управления, но и развитие процесса управления в опре­ деленном целесообразном направлении, обеспечить ко­ торое в стохастической среде можно только путем кор­ рекции первоначальных действий (именно поэтому регу­ лятор мы рассматриваем в качестве отражающего). Оба эти момента (информационная взаимосвязь и целена­ правленное развитие) выступают частным случаем проявления основных принципов материалистической диалектики и дают их своеобразный сплав в рамках принципа обратной связи.

Характерной особенностью проявления основных принципов диалектики в данном случае является то, что процесс управления имеет упорядоченный, направлен­ ный характер. Направленность эта обусловлена дейст­ вием цели, которая справедливо рассматривается как имманентно присущая регулятору внутренняя информа­ ционная причина,его поведения (Б. С. Украинцев).

Мы все время говорили об обратной связи по отноше­ нию к управляющей системе. Возникает вопрос, может ли она иметь место по отношению к управляемому объекту. Для ответа на этот вопрос управляемую си­ стему надо представить теперь в качестве управляющей. Если последняя окажется также способной управлять, вопрос должен быть решен положительно. В этом случае перед нами будет взаимоуправление, взаимодействие двух управляющих систем с двусторонней обратной связью: информация о всех последующих изменениях в любой из систем будет использоваться для корректи­ ровки управления, для достижения «своей» цели другой системой. Подобные ситуации, часто встречающиеся в живой природе (обманные движения в бою между жи­ вотными и т. п.) и технике, в количественном плане рас­ сматриваются математической теорией игр.

Итак, принцип обратной связи тесно связан с причи­ ной и следствием, взаимодействием и взаимоотраже­