Турчин Фёдорович - Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции
В соответствии с замыслом книги в ней излагается много фактов и концепций, которые весьма разнородны. Одни из фактов хорошо известны, о таких мы стараемся говорить кратко, приводя их в систему и соотнося с основной идеей книги. Другие факты менее известны, тогда мы останавливаемся на них подробнее. То же относится и к концепциям: некоторые общеприняты, другие менее известны и, возможно, спорны. Разнородность материала приводит также к тому, что разные разделы книги требуют от читателя различных усилий. Одни из них описательны и легки для чтения. В других местах, приходится углубляться в довольно специальные вопросы. Поскольку книга рассчитана на широкий круг читателей и не предполагает познаний вне рамок программы средней школы, мы во всех таких случаях сообщаем читателю необходимые теоретические сведения. Эти страницы потребуют от неподготовленного читателя определенной работы.
Важное место в книге отводится проблемам теории познания и логики; они трактуются, конечно, с кибернетических позиций. Кибернетика сейчас ведет наступление на традиционную философскую гносеологию, давая новую, естественно-научную интерпретацию одним ее понятиям и отвергая другие как несостоятельные. Некоторые философы противятся этому наступлению, считая его посягательством на свою территорию. Они обвиняют кибернетиков в “огрублении” и “упрощении” истины, в игнорировании “принципиального различия” между формами движения материи (и это несмотря на тезис о единстве мира!). Но философ, которому чуждо землевладельческое отношение к различным областям знания, должен приветствовать атаки кибернетиков. В свое время развитие физики и астрономии уничтожило натурфилософию, избавив философов от необходимости говорить приблизительно о том, о чем ученые могут говорить точно. Очевидно, развитие кибернетики сделает то же с философской гносеологией или — скажем более осторожно — со значительной ее частью. Этому надо только радоваться. У философов всегда будет достаточно своих забот: наука избавляет их от одних, но доставляет другие.
Так как книга посвящена науке в целом как определенному способу взаимодействия человеческого общества с окружающей средой, в ней почти ничего не говорится о конкретных естественнонаучных дисциплинах; изложение остается целиком на уровне понятий кибернетики, логики и математики, которые общезначимы для всей современной науки. Исключение делается только для некоторых представлений современной физики, имеющих принципиальную важность для теории знаковых систем. В нашу задачу не входит также конкретный анализ взаимодействия науки с производством и общественной жизнью. Это отдельный вопрос, которому посвящена обширная литература; мы и здесь остаемся на уровне общих понятий кибернетики.
Попытки соединить в целостной картине большое количество материала из различных областей знания всегда чреваты опасностью искажения деталей, ибо человек не может быть специалистом во всем. Поскольку данная книга является именно такой попыткой, весьма вероятно, что специалисты в затронутых здесь областях науки найдут в ней упущения и неточности. Ничего не поделаешь, такова цена, которую приходится платить за картины с большим охватом, но такие картины необходимы. Автору остается только надеяться, что картина, нарисованная в этой книге, содержит лишь такие погрешности в деталях, которые могут быть устранены без ущерба для картины в целом.
Глава 1. Начальные стадии эволюции
1.1. Основной закон 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.
1.2. Химическая эра
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 биологов1. 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.
