Тайны восприятия

Рис. 2.18. Гистерезис в зрительном восприятии. Если рассматривать последовательность рисунков, начиная с левого верхнего, мы увидим, как мужское лицо вдруг превратится в фигуру девушки; произойдет этопримерно в середине нижнего ряда. Разглядывая картинки в обратном порядке (т.е. снизу справа), мы обнаружим, что фигура девушки различима еще и в верхнем ряду, и только под конец она вновь становится мужским лицом

образом. Это утверждение явно противоречит представлениям, основанным на ньютоновской механике: если удвоить силу, воздействующую на некое тело, ускорение этого тела также удвоится. Но когда мы удваиваем силу тока в трубке лазера, поведение лазера полностью изменяется. И такие молниеносные изменения в поведении типичны для нелинейных систем. Изучением общих закономерностей таких изменений и занимается синергетика; именно поэтому она оказывается столь подходящим инструментом для раскрытия тайн психической деятельности мозга.

Изменения, подобные вышеописанным, обнаруживаются в психических процессах всех уровней. Например, у морских зайцев (аплизий) были найдены нейроны, ведущие себя подобно лазеру. Эти нейроны способны работать в самых различных режимах: генерировать неупорядоченные импульсы, соответствующие хаотическим на микроскопическом уровне волновым цугам, излучаемым обычной лампой, упорядоченные импульсы, соответствующие свету лазера, регулярные короткие импульсы, подобные ла-

Ofi&Cf

Рис. 2.19. Еще один пример гистерезиса в восприятии. Начиная читать с верхней строки, мы видим три строки со словом Chaos («хаос») и лишь в последней «хаос» обращается в «порядок» (Order). Теперь начнем с нижней строки: «порядок» снова становится «хаосом» лишь в самом конце

зерным вспышкам, и, наконец, детерминированно хаотические импульсы. Исследования нервных клеток аплизий приводят нас к интересным предположениям: возможно, их нейроны имеют совершенно одинаковое строение

иразнятся только количеством рецепторов.

Всвете этого предположения понятнее становятся изменения в поведении людей. В качестве иллюстрации приведем пару примеров. Когда мы пьем какой-нибудь стимулирующий напиток типа кофе, наше поведение изменяется. Единственным «управляющим параметром» при этом изменении системы (человеческого мозга) оказывается концентрация кофеина в крови. Для читателей, ближе знакомых с нейронами и их медиаторами, уточню: кофеин блокирует рецепторы серотонина. Число рецепторов также является неспецифичным управляющим параметром. При лечении шизофрении часто используется сильнодействующий медикамент «халдол», вызывающий

Рис. 2.20. Основное отличие между световым излучением лампы (слева) и лазера (справа). Лампа испускает абсолютно некоррелированные отдельные короткие волновые цуги, хаотичные на микроскопическом уровне. Испускаемые лазером волны, напротив, высокоупорядочены, однородны и когерентны

время

Рис. 2.21. При увеличении подводимой к лазеру мощности достигается так называемый порог лазерной генерации, что приводит к возникновению регулярных ультракоротких световых вспышек

изменения в поведении: он блокирует так называемые дофамин-2-рецепто- ры. Аналогия с лазером, правда, не объясняет такие изменения в поведении, однако дает возможность предположить, что речь идет о возникновенииновых параметров порядка, подчиняющих себе всю систему в целом. Отсюда

время

Рис. 2.22.Придругих условиях возбуждения иином расположении зеркал излучение лазера становится совершенно неупорядоченным. Однако в данном случае речь идет не о хаотичности на микроскопическом уровне (как на рис. 2.20, слева), а о детерминированном хаосе

становится очевидным, насколько важна оказывается дозировка препаратов подобного типа, ведь, следуя нашей аналогии, мы должны быть готовы к тому, что один и тот же препарат в различных дозах может оказать совершенно различное действие на организм пациента.

В приведенных примерах мы коснулись, естественно, лишь самой вершины айсберга, которому можно уподобить синергетику. Что же представляет собой его большая часть, скрытая от глаз? Синергетика, собственно, занимается комплексным исследованием процессов возникновения новых свойств в сложных системах, или — говоря научным языком — эмергенцией новых качеств упомянутых систем. Получив таким образом первое представление о системах высокой степени сложности, мы намерены в дальнейшем это представление углубить и развить.

3. Синергетика в живой природе

Как мы уже отмечали в начале предыдущей главы, применение синергетики для объяснения биологических феноменов вовсе не означает, что мы льем воду на мельницу физикализма и стремимся все биологические процессы свести к феноменам физическим. Смысл существования синергетики

достигает определенной величины, в работу включаются гены, которые и определяют дальнейшую судьбу клетки, т. е. дифференцируют ее как,например, нервную клетку или клетку глаза. На основании выводов, сделанных нами в предыдущих главах, мы можем считать эти морфогенетические поля не чем иным, как параметрами порядка. Пользуясь этим положением, можно объяснить не только полосы у зебр, но любую подобную «периодическую» структуру (например, позвоночный столб, элементы которого — при переменных размерах — очень точно повторяют друг друга).

Обсудим еще один пример, обнаруженный нами в ходе последних исследований; пример этот позволяет увидеть фундаментальные проблемы биологии в новом свете. Как известно, человеческое тело состоит из миллиардов отдельных клеток, среди которых есть клетки, образующие костные ткани, мышечные ткани, нервные клетки и т.д. Все эти клетки тесно взаимодействуют друг с другом и обеспечивают протекание процессов, характерных для высших организмов: дыхание, движение, кровообращение и т. п. Рассмотрим процесс движения. Конечности (руки и ноги) должны двигаться совершенно особым образом, в соответствии с неким «паттерном движения», в равной степени присущим человеку при ходьбе или беге и скачущей любым из аллюров лошади. Каким образом можно обобщить результаты наблюдений за столь различными, казалось бы, типами поступательного движения? Как раз здесь и вступает в игру синергетика — она поможет нам разобраться с качественными отличиями между всеми упомянутыми (и неупомянутыми) типами движения. Американским физиологом Скоттом Келсо был проведен очень простой и в то же время красивый эксперимент, который мы сейчас и опишем. Каждый читатель легко может повторить действия, которые выполнялись испытуемыми в ходе этого опыта. Келсо просил испытуемых двигать указательными пальцами, расположенными, как показано на рис. 3.2. Пальцы двигались параллельно до тех пор, пока Келсо не давал указания ускорить движение. К величайшему удивлению участников эксперимента, изменение ритма движения неожиданно — и при этом совершенно непроизвольно! — изменяло положение пальцев относительно друг друга. Пальцы больше не двигались параллельно; они сходились и расходились с различной степенью симметричности, но никак не параллельно! (См. рис. 3.3.)

Несколько лет назад, услышав о наших работах по синергетике, в которых рассматривались фазовые переходы, Скотт Келсо приехал к нам в Зиндельфинген и предложил объяснить обнаруженный им феномен. Мы (Г.X.) решили применить к этому случаю синергетический подход. Первый

одичными. Этих несложных условий вполне достаточно для достижения нашей цели.

На рис. 3.4 приведена последовательность рисунков, на которых представлены интересующие нас ландшафты. По горизонтальной оси каждой системы координат откладывается фаза, а по вертикальной — высота холмов, по которым скатывается мяч. Рассмотрим каждый рисунок отдельно, начиная с верхнего левого. Каждый последующий рисунок отличается от предыдущего тем, что описывает изменения в движении пальцев с увеличением скорости. Начальному медленному движению пальцев (рис. 3.2) соответствует положение мяча, показанное на рис. 3.4 вверху справа; фаза при этом равна тг. По мере того как скорость движения пальцев увеличивается, верхняя долина деформируется и становится все более плоской — в конце концов, мяч с нее скатывается. Так как скорость продолжает увеличиваться, мяч остается лежать в нижней долине; это положение соответствует движению пальцев, показанному на рис. 3.3, а фаза при этом равна нулю.

Продемонстрировав Келсо эту нехитрую последовательность, мы еще и сделали несколько прогнозов, верность и точность которых он вскоре смог проверить с помощью новых экспериментов. Мы утверждали, например, что если процесс запустить в обратном направлении, то мяч так и не сможет покинуть глубокую долину. Для испытуемых это выглядело так: они начинали быстрое движение пальцами из положения, показанного на рис. 3.3, и постепенно снижали скорость, однако — как бы медленно ни двигались пальцы — возвращение в положение, показанное на рис. 3.2, не происходило; раз за разом в ходе эксперимента Келсо наблюдал эффект гистерезиса. Кроме того, следует обратить внимание на так называемые критические флуктуации, столь часто встречающиеся в синергетике при исследовании параметров порядка переходных процессов. Возникновение флуктуации связано с изменением верхних долин; мы предложили Келсо измерить колебания фаз, при которых у испытуемых совершался переход от одного положения пальцев к другому — хоть и непроизвольный, но всегда зависящий от скорости движения. Келсо удалось экспериментально подтвердить существование неких критических колебаний. Это, в свою очередь, превосходно согласуется с выводами синергетики относительно самоорганизующихся систем (кроме того, мы с вами уже рассмотрели несколько примеров из физики, наглядно подтверждающих это положение).

Однако мы можем сделать и куда более значительный вывод. Исходя из представлений о том, как именно происходит управление движением пальцев и переход от одних движений к другим, можно утверждать, что популярная сегодня модель функционирования мозга неверна. Предполагая,

у 0,375

0.000

Рис. 3.4. Поведение параметра порядка «сдвиг по фазе» проиллюстрировано серией рисунков, на которых изображен катящийся по холмистому ландшафту мяч. Ландшафт накаждом рисунке определяется значением фазы ip. Помере того, как скорость движения пальцев возрастает, ландшафт начинает деформироваться, что отражено в последовательности рисунков, которые следует рассматривать, начиная с верхней строки и слева направо. На верхнем левом рисунке мяч находится в абсолютно устойчивом положении в одной из долин; этот рисунок соответствует медленному «параллельному» движению пальцев. На нижнем правом рисунке этадолина исчезает совсем, и мячнаходится в единственной точке минимума; этот рисунок отражает ситуацию, в которой пальцы уже совершили переход к «симметричному» движению

что мозг работает подобно электронному компьютеру, приходится согласиться с тем, что существуют некие «моторные программы», управляющие движениями отдельных конечностей, и при переходе от одного вида движения к другому мозгом осуществляется некое «переключение» с одной программы на другую. Такого рода переключения, действительно производимые компьютером при переходе от программы к программе, ни в коей мере не связаны с какими бы то ни было колебаниями (машины колебаниям не подвержены). Появление критических колебаний в данном случае является признаком того, что речь идет не о механической смене заложенных в машину программ, а о протекающих в нервной системе процессах само-

организации. Иными словами, эксперимент и его теоретическое обобщение указывают на то, что мозг является самоорганизующейся системой.

Эффект самоорганизации, описанный на примере движения пальцев — лишь первый пример интерпретации координации движений с помощью синергетики. Вообще же существует целый ряд других координационных процессов, прикоторых происходит переход от одного вида движения к другому; среди них исследованные тем же Келсо движения плеча, предплечья и кисти (рис. 3.5), или эксперименты, в которых дза сидящих человека покачивают правыми ногами, сначала медленно и в противофазе; с увеличением скорости движения ноги начинают двигаться параллельно. На конференции, которая проходила в 1991 году в Амстердаме и была посвящена биомеханике человека, выяснилось, что эксперименты Келсо и наши теоретические работы по синергетике вызвали целую лавину других исследований в этой области.

_^~r^^?*'.v^g.4?-

Рис. 3.5. Дваразличных типа движения руки: плеча, предплечья и кисти (линиями показаны положения руки через равные промежутки времени)

Естественно, имея перед глазами ту картину мира, что была порождена механистическим мировоззрением и все еще не сдает позиций, невольно задаешься вопросом: каким же образом параметр порядка —столь нематериальное нечто —способен управлять вполне материальными клеточными