Турчин Фёдорович - Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции

В процессе эволюции жизни, насколько нам известно, всегда происходило и происходит сейчас увеличение общей массы живого вещества и усложнение его организации. Усложняя организацию биологических образований, природа действует по методу проб и ошибок. Существующие образования воспроизводятся во многих экземплярах, которые, однако, не вполне тождественны оригиналу, а отличаются от него наличием небольших случайных вариаций. Эти экземпляры служат затем материалом для естественного отбора. Они могут выступать и как отдельные живые существа — тогда отбор приводит к закреплению полезных вариаций, и как элементы более сложного образования — тогда отбор направлен также и на структуру нового образования (например, при возникновении многоклеточных организмов). И в том и в другом случае отбор является результатом борьбы за существование, в которой более жизнеспособные образования вытесняют менее жизнеспособные.

Этот механизм развития жизни, открытый Чарльзом Дарвином, можно назвать основным законом эволюции. В наши цели не входит обоснование или обсуждение этого закона с точки зрения тех законов природы, которые можно было бы провозгласить более фундаментальными. Будем принимать основной закон эволюции как нечто данное.

Историю жизни до появления человека можно разбить на два периода, которые мы назовем «химической» эрой и «кибернетической» эрой. Границей между ними служит появление животных с четко оформленной нервной системой, включающей органы чувств, нервные волокна для передачи информации и нервные узлы для ее преобразования. Такая терминология не означает, конечно, что понятия и методы кибернетики неприменимы к жизни «химической» эры; просто животное «кибернетической» эры является классическим объектом кибернетики, на котором она возникла и оформилась как научная дисциплина.

Историю и логику эволюции в докибернетическом периоде мы рассмотрим лишь бегло, ссылаясь на воззрения современных биологов 1 . В этом периоде можно выделить три этапа.

На первом этапе закладываются химические основы жизни, образуются макромолекулы нуклеиновых кислот и белков, обладающие свойством редупликации — снятия копий, «отпечатков», когда одна макромолекула служит матрицей для синтеза из элементарных радикалов подобной ей макромолекулы. Основной закон эволюции, который вступает в действие на этом этапе, приводит к тому, что матрицы, обладающие большей интенсивностью воспроизведения, получают преимущество перед матрицами с меньшей интенсивностью воспроизведения, в результате чего образуются все более сложные и активные макромолекулы и системы макромолекул. Биосинтез требует свободной энергии. Первичным ее источником является солнечное излучение. Продукты частичного распада живых образований, непосредственно использующих солнечную энергию (фотосинтез), также содержат некоторый запас свободной энергии, который может быть реализован с помощью уже имеющейся химии макромолекулы. Он и реализуется специальными образованиями, для которых продукты распада служат вторичным источником свободной энергии. Так возникает расслоение жизни на растительный и животный миры.

Второй этап эволюции — возникновение и развитие у животных двигательного аппарата.

В характеристике доступа к источнику энергии есть существенное различие между растениями и животными. При данной освещенности интенсивность поглощения солнечной энергии зависит только от величины поверхности растения, но никак не от того, движется оно или покоится. Совершенствование растений пошло по пути создания выносных светоуловителей — зеленых листьев, крепящихся на системе опор и стрел — стеблей, веток и т. п. Конструкция эта отлично работает, обеспечивая медленное перемещение зеленых поверхностей к свету, отвечающее медленному изменению освещенности.

Совсем другое положение у животного, в частности, у самого примитивного животного, например, амебы. Источник энергии — пища — заполняет среду вокруг него. Приток энергии определяется скоростью диффузии пищевых молекул через оболочку, отделяющую пищеварительный аппарат от внешней среды. Скорость диффузии зависит не только — и даже не столько — от величины поверхности пищеварительного аппарата, сколько от движения этой поверхности относительно среды, дающего возможность выедать пищу из различных ее участков. Поэтому даже простое хаотическое движение в среде или, напротив, движение среды относительно организма (так делают, например, губки, прогоняя через себя воду с помощью ресничек) имеет большое значение для примитивного животного и, следовательно, появляется в процессе эволюции. Возникают специальные образования (внутриклеточные — у одноклеточных организмов и содержащие группы клеток — у многоклеточных), основной функцией которых является производство движения.

На третьем этапе эволюции движения животных становятся направленными, и у них появляются зачатки органов чувств и нервной системы. Это также является естественным следствием основного закона. Животному выгоднее двигаться в том направлении, где концентрация пищи выше, а чтобы осуществить это движение, надо иметь датчики, характеризующие состояние внешней среды в различных направлениях (органы чувств), и информационные каналы связи между этими датчиками и двигательным аппаратом (нервная система). Вначале нервная система чрезвычайно примитивна. Органы чувств различают лишь несколько ситуаций, на которые животное должно реагировать по-разному. Объем информации, который передает нервная система, ничтожен. Специальный аппарат для обработки информации отсутствует. С течением времени органы чувств усложняются и поставляют все больше информации о внешнем мире. Одновременно совершенствуется двигательный аппарат. Это предъявляет все увеличивающиеся требования к пропускной способности нервной системы. Появляются специальные образования — нервные узлы, которые перерабатывают информацию, поступающую от органов чувств, в информацию, управляющую органами движения. Начинается новая — «кибернетическая» эра.

Анализ эволюции в кибернетический период, вскрытие законов, по которым происходит усложнение организации живых существ этого периода — мы будем для краткости называть их «кибернетическими животными», — требует введения некоторых фундаментальных понятий и законов кибернетики.

Сам термин «кибернетика« ввел, как известно, Норберт Винер, определив его описательно как учение о связях и управлении в живом организме и машине. Чтобы более точно дать определение кибернетики, как и всякой научной дисциплины, мы должны ввести ее основные понятия. Собственно говоря, ввести основные понятия — это и значит уже определить данную науку, ибо остается только добавить: описание мира с помощью этой вот системы понятий и есть данная конкретная наука.