Евгений Седов - Одна формула и весь мир
Выявлению общих принципов и была посвящена конференция, открытая доктором Вейлом. Для иллюстрации общих принципов самоорганизации авторы докладов избирали самые разнообразные самоорганизующиеся системы, начиная с простых намагниченных кубиков и кончая сложными нервными сетями и комплексами взаимодействующих ЭВМ.
В науке давно назрела необходимость исследования общих закономерностей формирования таких систем, возникающих самопроизвольно в природе или создаваемых человеком сознательно и целенаправленно. Однако до создания кибернетики, теории информации, математической логики отсутствовал необходимый для подобных исследований теоретический аппарат.
В том же самом 1959 году, выступая на Всесоюзной конференции по философским вопросам естествознания, эстонский академик Густав Наан сказал:
«При анализе совокупности фактов, известных науке трудно избавиться от подозрения, что список фундаментальных законов природы существенно не полон, что в нем не хватает по крайней мере одного очень общего закона. В самом деле. Мы имеем закон или законы ответственные, грубо говоря, за стабильность и преем-ственность мирового порядка. Это законы сохранения, прежде всего закон сохранения энергии. Мы имеем другой закон, ответственный за направленность процессов природы,— второй закон термодинамики. Этот закон говорит об универсальной эволюции в направлении все большего беспорядка, хаоса, в направлении, если угодно, демобилизации энергии.
Между тем, в природе мы наблюдаем самые разнообразные процессы, так сказать, антиэнтропийного характера,— процессы возникновения сложного из более простого Быть может, возникновение звезд, планет, галактик, происхождение жизни, по крайней мере отчасти, именно потому с таким трудом поддаются раскрытию, что нам неизвестен соответствующий общий закон, и мы находимся во власти сильно укоренившегося представления о том, что все эти явления могут получить объяснение только как редкое исключение из общего правила».
Спустя два года, выступая на конференции в США, кибернетик Эшби высказал сходные соображения, отметив, что ошибочный взгляд на происхождение жизни как на «редкое и странное явление» опровергается результатами исследований общих принципов и общей тенденции самоорганизации очень многих существующих в природе систем.
Мысль о том, что в природе действует некий противоборствующий возрастанию хаоса и беспорядка закон, в свое время высказывал Энгельс, считавший, что «... излученная в мировое пространство теплота должна иметь возможность каким-то путем... снова сосредоточиться и начать активно функционировать»
«Концентратором», в котором сосредоточивается и активно функционирует излученная в мировое пространство солнечная энергия, является всякий живой организм. Если рассеивание тепла сопровождается увеличением энтропии, то вся жизнедеятельность — это противоположный, анти-энтропийный процесс. «Впитывая» и перерабатывая энергию Солнца, организмы растений и животных используют ее для движения, развития и продолжения рода Об этом писал и Людвиг Больцман, понимавший, что одновременно с действием закона возрастания энтропии в живой природе действует некий антиэнтропийный закон. По мнению Больцмана, борьба за существование — это не борьба за органические вещества, в избытке рассеянные в окружающем воздухе, в воде и в земле; это не борьба за энергию, которая в форме, названной Больцманом «непревратимой» (то есть в виде тепла), тоже щедро рассеяна по окружающему пространству и добыча которой не составляет для организма большого труда. Борьба за существование — это борьба за энтропию (вернее, за уменьшение энтропии). К такому выводу пришел Больцман около 100 лет назад.
В различных формах ту же самую идею высказывали такие выдающиеся ученые, как Тимирязев, Вернадский, Шредингер.
И тем не менее до разработки теории информации закономерности антиэнтропийных процессов не удавалось сформулировать достаточно четко, поскольку сама энтропия оставалась недостаточно осознанным, слишком абстрактным понятием, по поводу которого советский физик П. Г. Кузнецов сказал:
«Не понимая, «что» возрастает в неживой природе, нельзя показать и «что» убывает в явлениях жизни» С помощью теории информации современная наука начала выявлять не только загадочное «что», но и заманчивое «как».
Начнем с самых наглядных примеров. Допустим, что мы захотели научить собаку различать цифры от 1 до 10. Разложив десять карточек с цифрами в случайном порядке, мы просим собаку выбрать из них, например, цифру 6. До начала дрессировки собака понимает лишь слово «дай», поэтому в ответ на приказ «Дай цифру 6» она выберет карточку наугад. Лишь после множества повторений, поощрений и наказаний собака поймет, что требует от нее дрессировщик. Возросла вероятность того, что в ответ на соответствующую команду собака выберет именно цифру 6.
Нечто подобное происходит в живой природе. Путем «поощрений» и «наказаний» в течение множества поколений накапливается способность дифференцировать вероятности тех или иных реакций на воздействия внешней среды. В процессе такой «дрессировки» организмы, популяции, виды меняют не только свое поведение, но и физиологию, и структуру органов, то есть весь комплекс признаков, определяющих жизнеспособность данного вида. И все эти сложные взаимодействия в общем виде сводятся к одному и тому же процессу — дифференцировке вероятностей функции . При этом, как мы уже знаем, уменьшается энтропия, а количество информации возрастает ровно на столько, на сколько уменьшилась энтропия по сравнению со своим максимумом, когда все вероятности рi были равны друг другу (собака выбирала любую из десяти карточек наугад).
Знаем мы и о том, к чему приводит этот процесс, доведенный до абсолюта: побеждает одна вероятность, текст превращается в повторение одинаковых букв, слов или фраз.
В живой природе такому тексту соответствуют узкоспециализированные (например, паразитические) организмы, приспособившиеся к существованию в условиях неизменной, стабильной среды. При изменении внешних условий организмы эти обречены на вымирание (так же, как текст АААА... при изменении адреса сообщения или других условий, которые были заранее оговорены, теряет смысл). Обреченность вызвана не чем иным, как отсутствием у подобных систем той спасительной энтропии, которая позволила бы осуществить поиск других вариантов существования, методом проб и ошибок приспособиться к изменившимся условиям среды. И тут возникает законный вопрос: если в процессе развития все системы стремятся к детерминации и лишаются возможности дальнейших эволюционных преобразований, то как объяснить присущую живой природе тенденцию к непрерывному образованию все более сложных и совершенных форм?
Дело в том, что биологические системы не достигают «тупикового» состояния жесткой детерминации. Выход из тупика заключается в переходе на более высокие структурные уровни, в умении природы складывать «слова» из «букв», «фразы» из «слов», «концепции» из «фраз» и т. д.
Но вот вопрос: что побуждает живую природу неуклонно шагать по этой иерархической лестнице? Оказывается, не так-то просто ответить на него. Из того факта, что естественный отбор уничтожает вредные признаки, а все полезные признаки закрепляются путем передачи потомству, вовсе не следует, что эволюция должна приводить к усложнению форм.
Дарвиновские законы случайной изменчивости и естественного отбора помогают понять, как происходит процесс эволюции. Современная наука, помимо вопроса «как?», ставит еще вопрос «почему?».
Вот что пишут по этому поводу в своей книге «Процесс эволюции» современные теоретики эволюции П. Эрлих и Р. Холм: «Основной вопрос остается без ответа: почему в ходе эволюции ДНК создала для своего собственного воспроизведения трубкозубов и людей, тогда как бактерии и другие простые организмы, казалось бы, могут не хуже служить для этой цели?»
Известный английский публицист и юморист Сэмюэль Батлер придал этой проблеме форму забавного парадокса, заявив, что для него вообще остается неясным, почему эволюция осуществляется в направлении не от слона к амебе, а от амебы к слону.
Вероятно, ответ на поставленный выше вопрос кроется в статистическом механизме эволюционных процессов. Лишенные органов зрения, обоняния, осязания, низшие организмы находятся в полной зависимости от капризов внешней среды. Сохранение подобных видов оплачивается ценой их массовой гибели и компенсируется способностью к быстрому размножению.
Организм млекопитающих представляет собой многоуровневую и многофункциональную структуру. Высокие уровни организации призваны охранять все нижележащие, обеспечивая тем самым их относительную независимость от изменений условий внешней среды. Высокие уровни организации заключают в себе большое количество информации, помогающей им оперативно и гибко приспособиться к разным условиям. Это значит, что по мере образования высоких уровней организации увеличивается вероятность выживания организмов и передачи их свойств и признаков будущим поколениям. И наоборот: любое упрощение структуры увеличивает вероятность погибнуть, не успев обзавестись потомством и передать ему по наследству тенденцию эволюции вспять. Вот почему в течение всей истории существования биосферы эволюция идет в направлении не от слона к амебе, а от амебы к слону.
