книги / Системный подход в современной науке

(11). Естественно, что человек или животное стремятся удовлетворить максимально все свои потребности, связанные с активностью, т. е. достичь состояния максимума С&. При этом в первую очередь будут удовлетворяться те из этих потребностей, к которым подталкивают наиболее сильные эмоции или наиболее убедительные доводы рас­ судка (если речь идет о человеке). Этому состоянию будет соответ­ ствовать в (9) минимальное значение числителя или максимальная степень благоприятности обстоятельств, что отражается там же

величиной 5 \ zv Естественно, не всякая активность является

полезной как для особи, так и для вида с точки зрения практической пользы, а для человека и с этической точки зрения. Учесть воздейст­ вие такого рода активности на итоговый характер активности орга­ низма в целом можно знаком «минус» при суммировании в (11), что соответственно уменьшит величину полезной активности или даже сделает ее отрицательной.

Приложения теории информации к СТС. Понятия сиэла, про­ граммы и информации позволяют использовать достижения теории информации для исследования организмов и сложных автоматов. Проиллюстрируем это утверждение на следующих примерах. Так Н-набор реакций некоторого сиэла на информацию (т. е. его состоя­ ний) и вероятностей их реализации может быть представлен как

Н = -1 ,Р ,1 Ь р ,

( 12),

где р — вероятность нахождения сиэла в /-ом состоянии; lb — 1одг от латинского binary — двоичный.

Соответственно неопределенность состояний реэла Н может быть выражена

где п2— число сиэлов в реэле, к — номер сиэла в реэле.

Отметим, что} — индекс под знаком р поставлен вместо индекса /, потому что сиэл, включенный в реэл, меняет как число состояний, так и их вероятность. В общем случае очевидно, что зависимость между сиэлами в реэле приобретает условный, байесовский характер. По­ добные этому изменения происходят и на высших уровнях, например с человеком, попавшим в коллектив. Эти изменения для сиэла могут быть выражены разностью

5Н = - ^ p ,lbP ,+ ^ p J bPv

Вобщем случае характеристика организации системы, имеющей

тиерархических уровней, может быть в простейшем случае отраже­

на зависимостью:

Если суммирование производить лишь по разнообразию сигналь­ ных элементов разных уровней, то это будет характеристикой типич­ ной особи данного вида. Если же суммировать по всем элементам, то это даст представление и об ее относительном размере. Из (13-15) следует также, что величина организации зависит не только от коли­ чества элементов, но и от числа их состояний, что подтверждается экспериментами Л.В. Крушинского13. Он показал, в частности, что интеллектуальное превосходство ворон над голубями определяется не столько превосходством в количестве нейронов, сколько количе­ ством контактов (синапсов) между ними. То же, очевидно, справед­ ливо и для человека, масса мозга которого существенно может усту­ пать таковой у слона и ряда китовых.

Однако представляется, что принципиальное разнообразие эле­ ментов не должно быть большим. Так, человек, наливающий стакан воды, уподобляется реэлу, отключающемуся, как только стакан напол­ нится. Попав в незнакомую обстановку, он вынужден искать выход из нее путем проб и ошибок подобно гомеостату Эшби, состоящему из «полей» — реэлов. Руководитель учреждения, распределяющий сред­ ства между его подразделениями, подобен элементу четвертого по­ рядка, распределяя средства между текущими расходами и расхода­ ми на расширение и развитие организации — пятого и т. п. При этом

структурные и информационные вычисления отнюдь не следует начи­ нать с биохимического уровня. Человек на службе, например, может обладать ограниченным набором линий поведения, определяемым должностными инструкциями. В этом случае его поведение аналогич­ но поведению сиэла и описывается выражением (12). Последователь­ ная подготовка документа для руководства сотрудниками до утверж­ дения его руководством — схемой реэла и т. д. Естественно, дальней­ ший анализ структуры организованных систем может выявить прин­ ципиально новые структурные элементы — например элементы, обес­ печивающие обучение. Именно сходством структур высших иерархи­ ческих уровней со структурами низших в организованных системах и объясняется повторение того, что К.В. Судаков называет системоквантами. Однако, если распространять понятие системоквантов на косную материю, следует учитывать, что там природа сходства прин­ ципиально иная: у этих систем она определяется стабильностью или лабильностью их состояний, условия существования которых рассмо­ трены в14, а термодинамический механизм — в15.

Коснемся темы, пронизывающей всю историю философии от Платона до Вл. Соловьева, — темы гилозоизма, одушевленности всей материи16. Начнем с того, что все наши мысли и чувства про­ являются первоначально в виде химических реакций, т. е. перестро­ ек внешних электронных оболочек атомов. По мере движения от сложных организмов к простейшим обедняется не только внешний спектр процессов, но и внутренний — исчезают постепенно мысли и чувства, остается сужающийся спектр ощущений. Отсюда может быть сделано по крайней мере два вывода. Первый — что вмести­ лищем неких праощущений может явиться атом (не берутся же они из ничего) и, как и предполагал Соловьев, их силы сцепления и от­ талкивания — не что иное, как проявление «эмоциональных» реак­ ций. Второй — что сложность и размеры структур организмов кор­ релируют со сложностью душевной сферы, вместилищем которой они могут явиться. Но ведь неорганическая материя состоит из тех же атомов, что и органическая, и усложнение ее идет также многи­ ми качественными этапами. Это минералы, породы, слои и далее с одновременным усложнением ее психосферы, о чем мы пока мо­ жем лишь строить догадки. Действительно, ведь достоверные све­ дения о строении Земли получены лишь в одном месте — на Коль­ ской сверхглубокой скважине, где бур проник на глубину, составля­ ющую 0,2% ее радиуса. Но психосфера различается существенно

даже у разных людей, строение мозга у которых в принципе одина­ ково. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на полотна раз­ личных художников. Тем более она должна быть иной у неорганиче­ ской материи, если она ею обладает. Таким образом, выводы, полу­ ченные здесь о структуре и функционировании организмов и авто­ матов, возможно могут быть перенесены впоследствии на объекты, состоящие из той материи, которую ныне мы рассматриваем как кос­ ную, если сумеем найти способы контакта.

В заключение отметим, что мы далеки от того наивного представ­ ления, что можно описать всю жизнедеятельность организмов фор­ мальными процедурами, игнорируя ощущения, чувства, волю, твор­ ческие решения проблем и т. п. Прибегнем для пояснения этого ут­ верждения к аналогии. Допустим, дикарь находит транзистор и при­ водит его в действие. У него возникает дилемма: все ли генерирует­ ся в транзисторе или приходит из огромного мира. Очевидно, что не только дикарь, но даже интеллектуал прошлого века применил бы здесь «бритву Оккама» и пришел бы к выводу, что в транзисторе. Бо­ лее того, он попытался бы исследовать внутренности приемника, что­ бы найти в нем генерирующие устройства. Не так ли поступают ны­ не нейрофизиологи, исследуя мозг?

ПРИМЕЧАНИЯ

1Судаков К.В., Агаянц Г.Ц., Вагин Ю.Е., Толпыго С М ., Умрюхин Е.А. Системокванты физиологических процессов. M., 1997.

2 Судаков К.В. Голографическое единство мира — основа космического созна­ ния // Экологическая культура и образование. Опыт России и Югославии. М., 1998.

3 Кругликов Р.И. Синергетика и системный подход в изучении интегративной деятельности головного мозга // Экспериментальная физиология. Т. 2. М., 1993.

4 Пенфилд В., Робертс Л. Речь и мозговые механизмы. Л., 1964.

5 Пригожин И., Николис Ж . Биологический порядок, структура и неустойчиво­ сти //Успехи физических наук. 1973. Т. 109, Вып. 3.

6 Смирнов С.Г Симбиоз зрелых наук // Природа. 1975, № 6.

7 Кафиани К.А. Некоторые механизмы биохимической саморегуляции на уров­ не клеток // Биологические аспекты кибернетики. M., 1962.

8 Штеренберг М.И. К вопросу о функциональном определении жизни // Вопро­ сы философии. 1967, № 3; он же. Информация, техника, жизнь // Знание. Сер. Техника. 1971, № 2; он же. О структурных вопросах биологической термодинами­ ки // Институт биологии развития АН СССР. Тезисы докладов. 1977; он же. Про­ блема Берталанфи и определение жизни // Вопросы философии. 1996, № 2; Он же. Феномен жизни, или новый подход к его пониманию // Интеллектуальный мир. Газета РАЕН. 1998, № 17; он же. Сущность жизни и общая, но содержательная

теория систем // Теория эволюции: наука или идеология? Труды XXV Любищевских чтений. Москва-Абакан.1998.

9 Хакен Г Информация и самоорганизация. М., 1991.

10 Судаков К В . Мотивы поведения животных // Знание. Сер. Биология. 1971,

№ 2.

11 Харкевич А.А. О ценности информации. Проблемы кибернетики. Вып. 4. М., 1960.

12Ухтомский А Л . Доминанта. М.-Л., 1966.

13Крушинский П.В. Возможный механизм рассудка // Природа. 1974, № 5.

14Эшби У.Р. Конструкция мозга. М., 1962.

15 Штеренберг М.И. Синергетика и биология // Вопросы философии. 1999,

№ 2.

16 Соловьев Вл.С. Лекции по истории философии // Вопросы философии. 1989,

№ 6.

С.В. Светлов

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ

Весь комплекс наук о живом, составными частями которого явля­ ются такие разные сферы, как молекулярная биология, физиология, экология и многие другие, требует единого осмысления. Такое осмыс­ ление может быть осуществлено только на основе разработки еди­ ных теоретических основ, охватывающих все эти сферы, несмотря на их значительные различия. До тех пор, пока таких теоретических ос­ нов ещё не создано, рано говорить и о создании теоретической био­ логии. Тем не менее за прошедшее столетие были сделаны важные шаги на пути в этом направлении.

Этот путь в значительной мере оказался сопряжен с созданием практических технологий по управлению биологическими организ­ мами и их генетической модификацией, получивших обобщенное на­ звание «биотехнология». По существу, новые теоретические дости­ жения в этой области были теснейшим образом связаны с практиче­ ским воплощением новых знаний, что особенно проявило себя бла­ годаря разработке и применению методов генетической инженерии. Человечество получило возможность целенаправленным образом менять генетические программы развития и функционирования би­ ологических организмов, что кардинальным образом расширило по­ тенциальное возможности воздействия человечества на биосферу в целом.

Значительные достижения стали возможны благодаря установле­ нию глубинной основы организации живого: что информация, запи­ санная в виде последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеи­ новых кислот, реализуется («считывается»), определяя последова­ тельность аминокислот в молекулах белков; что эти две формы за­ писи информации соответствуют друг другу. Это соответствие полу­ чило звучное название «генетический код», хотя иногда этот термин используют и в качестве синонима понятия «геном». После этого бы­ ли разработаны методы, позволяющие изменять последовательнос­ ти нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот, «разрезать»

и «склеивать» эти молекулы произвольным образом. Эти методы по­ лучили не менее звучное название — «генетическая инженерия».

Таким образом, расшифровав генетический код и развив методы генетической инженерии, оказалось возможным произвольно менять последовательности нуклеотидов в геноме биологических организ­ мов с целью придания им новых свойств, что обычно осуществляет­ ся путем «встраивания» уже готовых фрагментов генетических про­ грамм одних организмов в геномы других организмов благодаря чему оказалось возможным модифицировать культивируемые в искусст­ венных условиях микроорганизмы так, что они получают способность продуцировать специфические человеческие белки, широко приме­ няемые в медицине. Этим путём удалось избавиться от старых мето­ дов производства ряда лекарственных препаратов — использования органов животных и даже умерших людей в качестве сырья.

Но знание «генетического кода» отнюдь не закрывает всех про­ блем, связанных с глубинной основой организации живого. Даже пол­ ное выяснение последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеи­ новых кислот всего организма ещё не даёт полного понимания смыс­ ла всего этого генетического «текста». Реализация этой информации в биологическом организме происходит сложным многоступенчатым образом, и то, что именно «закодировано» в данном генетическом «тексте», далеко не всегда понятно. Остаётся также нерешенной пол­ ностью и обратная проблема — кодирование желаемой структуры или функции биологического организма в виде соответствующего ге­ нетического «текста». В настоящее время, зная «генетический код», можно «закодировать» желаемый белок, но каким образом закоди­ ровать определенный орган или структуру организма — этот вопрос остается открытым.

Проблема «генетического кода» в целом ещё полностью не реше­ на, а его «расшифровка» ещё далеко не окончена. Понятна лишь оп­ ределенная часть этого «шифра» — соответствие последовательно­ сти нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот последовательно­ сти аминокислот в молекулах белков. Но остаётся невыясненным принцип кодирования структур и функций биологических организмов в геноме. С этим, в определенном смысле, связана и другая пробле­ ма теоретической биологии — естественное создание новых биоло­ гических видов. Современное решение этой проблемы состоит в том, что новые биологические виды возникают в результате случайных ге­ нетических изменений (мутаций). Организмы с «полезными» мута­

циями выживают и дают начало новым видам, а организмы с «вред­ ными» мутациями — погибают.

Но процесс создания новых биологических видов, несмотря на длительную и детальную проработанность эволюционной теории, не всегда может так легко быть объяснён только случайными мута­ циями. Проблемы возникают в тех случаях, когда для появления но­ вого биологического вида требуется создание принципиально новой сложной структуры, обеспечивающей ту или иную функцию, напри­ мер, ультразвукового локатора, обеспечивающего ориентацию в про­ странстве и определение местонахождения добычи. Такой ультразву­ ковой локатор должен «кодироваться» весьма значительным объ­ ёмом генетической информации, возникновение которой случайным образом довольно проблематично. Но и реальных альтернативных путей появления такой информации, по крайней мере в рамках об­ щепринятых научных теорий, пока ещё не найдено.

Можно было бы предположить существование в биологических организмах специальных механизмов, ответственных за целена­ правленное формирование необходимой генетической информации, обеспечивающей возникновение определенных структур или функ­ ций. Но экспериментально существование таких механизмов до сих пор не установлено, их возможное наличие в биологическом орга­ низме обычно отрицается в принципе. Вместе с тем отсутствие по­ добных механизмов вовсе не означает полное решение проблемы появления значительных объемов генетической информации в ре­ зультате случайных мутаций. Точнее говоря, собственно объем слу­ чайно появившийся генетической информации может быть весьма значительным, но проблема состоит в том, что эта информация должна быть самым тщательным и детальным образом структури­ рована и выверена.

Генетическую информацию можно сравнить с определённым ли­ тературным произведением, и в этом сравнении становится понятной та проблема, которая возникает при объяснении её появления в ре­ зультате «случайности». Собственно говоря, не приходится объяс­ нять то, насколько нереально появление новой повести или романа, даже одной из их глав в результате случайного перебора клавиш пи­ шущей машинки. Другим сравнением, даже ещё более точным, мо­ жет послужить написание компьютерных программ, где даже одна ошибка в каком-либо символе способна привести к полной нерабо­ тоспособности всей программы. Такое строгое соответствие имеет

место и в генетических программах, где также даже одна ошибка мо­ жет привести к нежизнеспособности всего организма. Уникальный ге­ нетический текст, таким образом, должен быть «написан» сразу во всём его объёме и без единой ошибки, причём «написан» чисто слу­ чайно.

С проблемой случайного появления больших объёмов структури­ рованной генетической информации сталкивается и ещё одна дли­ тельно и тщательно разрабатываемая область теоретической биоло­ гии — теория происхождения жизни. Оставаясь в рамках научного подхода, в целом разработка этой теории базируется на представле­ нии о естественном происхождении живого (биологических организ­ мов) из неживого вещества (химических элементов, составляющих биологические организмы, находящихся в форме неорганических со­ единений и простейших органических соединений — «строительных блоков»). Вариации естественного происхождения живого существу­ ют относительно конкретного места появления жизни — планета Зем­ ля, другие планеты Солнечной системы или ещё более дальние кос­ мические объекты. Разумеется, это обстоятельство весьма важно, но не так существенно, как определение самого механизма самопро­ извольного появления простейших биологических организмов из не­ живого вещества.

В том, что произошло естественное самопроизвольное появление простейших биологических организмов из неживого вещества, оста­ ваясь в пространстве современных научных теорий, сомневаться не принято, но каким образом «строительные блоки» самопроизволь­ ным образом объединились именно так, что создали простейший био­ логический организм, остаётся совершенно непонятным. Если не учи­ тывать, что даже для самого простейшего организма помимо генети­ ческой информации требуется наличие уже готового аппарата для её считывания (а это само по себе представляет значительную пробле­ му), необходимый минимальный объём структурированной генетиче­ ской информации оказывается слишком велик, чтобы её возникно­ вение легко можно было объяснить только случайными причинами. Любое другое объяснение также выводит нас из пространства суще­ ствующих научных представлений.

Ещё одной важнейшей проблемой теоретической биологии явля­ ется создание теории, описывающей принципы и механизмы функ­ ционирования биологических организмов на молекулярном уровне. Те химические соединения, которые составляют биологический орга­

низм, ведут себя в химическом отношении весьма сложным образом, отличным от того, как ведут они себя вне организма. Живое состоя­ ние организма как бы оказывает на химические соединения своё, да­ леко ещё не выясненное действие, «заставляя» их вступать в реак­ ции друг с другом именно таким образом и именно в таких объёмах, какие требуются для данного организма в данной стадии его разви­ тия и в данных условиях окружающей его среды. Ничего подобного вне живого наблюдать не приходится — там все химические соеди­ нения реагируют друг с другом таким образом и в таких объёмах, ка­ кие соответствуют уже открытым химическим законам.

В определенном смысле можно сказать, что химические соедине­ ния в биологических организмах подчиняются биологическим зако­ нам, ещё далеко не понятым и не открытым. Эти законы «заставля­ ют» химические соединения реагировать именно так, как нужно био­ логическому организму. Химические реакции в живом организме не протекают «до конца», как протекали бы они вне организма. Их те­ чение осуществляется лишь до того момента, который задается ор­ ганизмом в соответствии с его собственными «целями». Так, напри­ мер, течение химических реакций в микроорганизме может быть пре­ кращено, если он «посчитает» условия окружающей среды неблаго­ приятными и впадёт в состояние анабиоза. В сходное состояние мо­ гут впадать и многие высшие организмы. Существенным обстоятель­ ством является также способность живых организмов осуществлять целые каскады химических реакций, имеющих разное направление и назначение, в одной единственной клетке.

Таким образом, поведение химических соединений в биологичес­ ких организмах не может быть описано известными химическими за­ конами, но и существование особой «жизненной силы» уже давно вы­ ведено за пространство научных представлений. Осознание того фак­ та, что объяснение причин необычного поведения химических соеди­ нений в биологических организмах до сих пор отсутствует, было в не­ которой мере отодвинуто на второй план несомненными успехами биохимии и молекулярной биологии, а также развитием представле­ ний о поведении сложных систем, энтропии, синергетики и т. п. Но во всех этих представлениях нет объяснений глубинных причин необыч­ ного поведения химических соединений в «живом веществе», столь разительно отличающегося от их поведения в «неживом веществе».

Ещё одной проблемой теоретической биологии является объясне­ ние принципов функционирования и причин возникновения разума.