Турчин Фёдорович - Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции

Мы описали первую половину действия сложного рефлекса, которая состоит в анализе ситуации с помощью иерархии классификаторов. Бывают случаи, когда вторая — исполнительная — половина рефлекса чрезвычайно проста и сводится к возбуждению какой-то локальной группы эффекторов, например, эффекторов, активизирующих деятельность определенной железы. Именно в таких условиях поставлено большинство опытов И. П. Павлова, которые сыграли важную роль в исследовании высшей нервной деятельности животных и привели к созданию им широко известного учения о безусловных и условных рефлексах. Однако элементарные наблюдения над поведением животных в естественных условиях показывают, что оно не может быть сведено к совокупности рефлексов, которые никак не связаны между собой, а связаны только с состоянием внешней среды. Всякое сколь-нибудь сложное действие состоит из последовательности более простых действий, объединенных общей целью. Часто бывает, что отдельные компоненты в этой совокупности действий не только бесполезны, но и вредны животному, если они не сопровождаются другими компонентами. Например, чтобы прыгнуть, надо предварительно присесть, чтобы схватить добычу удобнее, надо на какое-то время ее выпустить. Две фазы действия — подготовительная и исполнительная, которые мы видим в этих примерах, — не могут явиться следствием независимых рефлексов, так как первое действие само по себе бессмысленно и, значит, такого рефлекса выработаться не могло.

Рис. 2.6. Схема регулирования

Понятие о рефлексе при описании поведения должно быть дополнено понятием о цели и о регулировании . Схема регулирования изображена на рис. 2.6. Действие, которое предпринимает система, зависит не только от ситуации самой по себе, но также и от цели , т. е. от той ситуации, которую система стремится достигнуть. Действие системы определяется в результате сравнения ситуации и цели и направлено к устранению несоответствия между ситуацией и целью. Через блок сравнения ситуация определяет действие. Через изменение среды действие оказывает обратное влияние на ситуацию. Эта петля обратной связи является характерной чертой схемы регулирования, отличающей ее от схемы рефлекса, где ситуация просто вызывает действие.

Как могла в процессе эволюции возникнуть система, устроенная по схеме регулирования? Мы видим, что возникновение иерархически устроенных классификаторов может быть объяснено как результат совместного действия двух основных факторов эволюции: редупликации биологических структур и нахождения полезных связей по методу проб и ошибок. Не приводит ли действие этих факторов и к появлению схемы регулирования?

Рис. 2.7. Редупликация рецепторов

Не имея возможности опереться на данные о том реальном эволюционном процессе, который миллионы лет назад породил сложную нервную систему, мы вынуждены удовлетворяться чисто гипотетическим комбинаторным построением, показывающим теоретическую возможность возникновения схемы регулирования. Будем систематически исследовать все возможности, к которым приводят редупликация и отбор. Естественно предположить, что в процессе редупликации сохраняются как связи внутри удвояемой подсистемы, так и связи ее с теми частями, которые не редуплицируются. И еще мы предположим, что между только возникшими подсистемами существует вследствие их близкого расположения связь, которую мы будем изображать штриховой линией и которая может либо укрепиться, либо исчезнуть. Начнем с самого начала, т. е. с того случая, когда мы видим всего одну нервную клетку, являющуюся одновременно и рецептором, и эффектором ( рис. 2.7, а ). Здесь всего одна возможность редупликации, которая приводит к появлению двух клеток ( рис. 2.7, б ). Если одна из них оказывается ближе к поверхности, а другая — к мышечным клеткам, то полезно разделение труда между ними .Так возникает схема рецептор — эффектор ( рис. 2.7, в ). Здесь уже две возможности редупликации. Удвоение рецептора дает схему г на рис. 2.7, которая после исчезновения штриховой связи преобразуется в схему д . Аналогичный процесс порождает схемы е , ж и т. д. Таким образом происходит разрастание нулевого уровня иерархии (рецепторов), о котором говорилось выше.

Рис. 2.8. Редупликация эффекторов

На рис. 2.8показаны схемы, которые возникают из схемы 2.7, в путем редупликации эффектора. В схеме б возбуждение одного рецептора должно по двум каналам передаваться двум эффекторам. Однако известно, что электрическое сопротивление синапсов резко падает после того, как по ним первый раз проходит ток. Поэтому если возбуждение направится по одному каналу, то этот канал связи будет закреплен, а второй окажется шунтированным и может «отсохнуть» (схема в ). Затем возбуждение может продолжить дорогу через штриховую связь (схема г ), что знаменует зарождение первого уровня классификаторов.

На рис. 2.9представлены возможные варианты развития трехнейронной схемы 2.8, г . Три группы схем соответствуют редупликации различных подсистем исходной системы. Редуплицируемая подсистема обведена кружком. Первая группа ( a , б , в ) объясняет разрастание нулевого уровня, вторая группа ( г , д , е ) — первого уровня иерархии классификаторов. В третьей группе ( ж , з , и , к ) мы видим схемы, возникающие при редупликации одного классификатора первого уровня без связанного с ним рецептора. Переход от схемы з к схеме и объясняется тем «отсыханием» шунтированного канала, которое мы описали выше. Схема к , появившаяся в конечном счете, существенно отличается от всех остальных схем, представлявших иерархии классификаторов. В этой схеме один из классификаторов «повисает в воздухе» — он не получает информации из внешнего мира. Может ли такая схема быть полезной животному? Да: ведь это и есть схема регулирования!

Рис. 2.9. Варианты развития трёхнейронной схемы

Мы можем предположить такое, например, воплощение схемы 2.9, к . Рассмотрим некое гипотетическое животное, живущее в морской воде. Пусть R — рецептор, воспринимающий температуру окружающей среды. Вместе с ним регистрирует — путем изменения частоты импульсов возбуждения — температуру воды и классификатор A . Пусть большее или меньшее возбуждение эффектора E вызывает растяжение или сжатие оболочки животного, вследствие чего его объем изменяется, и оно либо поднимается к поверхности моря, либо опускается вглубь. И пусть для нашего животного полезнее всего какая-то определенная температура, скажем 16℃. Тогда нейрон Z (фиксатор цели) должен сохранять определенную частоту импульсов, равную той частоте, которую имеет нейрон A при температуре 16℃. Эффектор Е должен регистрировать разность возбуждений нейронов A и Z и соответственно с ее знаком поднимать животное к поверхности, где вода теплее, или погружать в более прохладные нижние слои воды. Такое приспособление премного способствовало бы благоденствию измышленного нами животного.