6. Случай, отбор, эволюция

После создания Н. Винером кибернетики как науки сразу начались споры: а кто был раньше? Вспомнили Остроградского, Ползунова, Уатта, не забыли и Ломоносова. Автор тоже участвовал в этих спорах и с пеной у рта отстаивал приоритет... Козьмы Пруткова! Козьма сказал бессмертные слова: "Щелкни кобылу в нос, она махнет хвостом", что явно выражает существование строгой функциональной связи между щелчком в нос и взмахом кобыльего хвоста.

Подобные логические преобразователи типа "щелчок в нос - взмах хвоста" или "щелчок в нос - верчение хвоста" лежат в основе современных кибернетических устройств. Специалисты хорошо это знают, но скромно умалчивают о своей органической связи с Козьмой Прутковым. Автор решительно встает на защиту председателя пробирной палаты, великого поэта и мыслителя. Следует исправить историческую несправедливость и признать К. Пруткова отцом кибернетики.

Читатель, конечно, заметил, что подобным образом можно доказать любой приоритет, даже буриданова осла, в любой области, включая и радиоастрономию. Но говорить о влиянии того или иного мужа на рождение и развитие науки не только следует, но и просто необходимо.

Так, на развитие современной кибернетики оказал огромное влияние Чарлз Дарвин - создатель теории эволюции в живом мире.

Едва ли найдется что-либо более естественное и сложное, чем живое существо. Но что такое жизнь? До сих пор строгого ответа наука не дает.

Однако для нашего "кибернетического" разговора о жизни достаточно ограничиться ее тремя основными особенностями.

Три особенности жизни

1. Воспроизводимость, то есть способность порождать существо, себе подобное.

2. Наследственность, то есть способность передавать родительские черты детям. Это консервативное свойство помогает сохранить в организме особенности родителей. Нетрудно же представить, какой ералаш поднялся бы, если бы это свойство было утрачено!

3. Изменчивость, то есть способность к изменению (мутации). Это свойство гарантирует детям блеск индивидуальности и позволяет им не быть копией или средним арифметическим своих родителей.

Роль этих трех факторов для жизни трудно переоценить. Без воспроизведения жизнь перестала бы существовать. Без наследственности не было бы преемственности между поколениями и, значит, видовые особенности родителей не передавались бы детям. И наконец, без мутации не было бы изменчивости и развитие жизни не пошло бы далее ее первоначальных форм.

Носителем случайности в процессе эволюции являются мутации, вызывающие изменчивость, которая обеспечивает нас столь ценными и необходимыми индивидуальными свойствами, которые, как будет показано дальше, являются залогом прогресса.

Что такое мутация!

Ткани любого живого организма состоят из клеток. Каждая клетка содержит ядро. Ядро, в свою очередь, содержит хромосомы - длинные тонкие нити, видимые только в самый сильный микроскоп. Хромосомы несут всю наследственную информацию об организме. При делении клетки сначала делятся хромосомы; каждая хромосома как бы удваивается и образует две совершенно одинаковые половинки, которые немедленно расходятся. После деления всех хромосом, то есть ядра, делится остальное вещество клетки. Потом половинки оформляются в клетки.

Так, из одной клетки возникают сначала две совершенно одинаковые клетки, потом после второго деления - четыре, затем восемь, шестнадцать и т. д.

Процесс, при котором происходит удвоение хромосом, чрезвычайно точен. Едва ли можно в технике найти аналог столь строгого и безошибочного механизма. При зарождении организма из одной клетки развиваются миллионы клеток с совершенно одинаковыми хромосомами. Однако в мире нет ничего абсолютного, имеется предел точности даже такого безошибочного процесса, как деление хромосом. Иногда, очень редко, может быть один раз за миллион делений, в этом процессе что-то нарушается - происходит случайный сбой, и наследственная информация, которую несет хромосома, несколько изменяется. Это происходит из-за того, что в результате какой-то случайной помехи хромосома случайно становится чуть-чуть иной (хромосомы тоже живут в случайном мире). Процесс случайного изменения хромосомы и получил название мутации.

Когда хромосома, в которой произошла мутация, удваивается, она, как и прежде, точно воспроизводит саму себя, повторяя структуру, полученную в результате мутации. Следовательно, "наследство" мутированной хромосомы также мутировано.

А к чему приводят мутации? Может быть, они не оказывают существенного влияния на организм? Как может сказаться незначительное изменение строения хромосомы на развитии организма?

Ответ на эти вопросы будет ясным, если вспомнить, что хромосома, по сути дела, является системой команд, отдаваемых при развитии организма. Эти команды формируют организм. Ясно, что утрата одной из команд или замена ее другой оказывает влияние на развитие отдельных органов и организма в целом. А так как мутации случайны, то они приводят к возникновению у развивающегося организма сугубо индивидуальных особенностей. Мутации создают индивидуальные свойства организма, отличающие его от родителей и сверстников. Эти отличительные свойства организма вследствие случайного характера мутации могут оказать влияние на любую часть или функцию организма.

Они могут вызвать роковой исход, если мутация нарушила работу какого-то ответственного органа или лишила его каких-то приспособительных черт.

Мутация может быть благотворной, если благодаря ей развиваются качества, способствующие лучшему приспособлению организма к окружающей его среде.

Результат мутации может быть безразличным, то есть не оказывать пока ни хорошего, ни плохого влияния на жизнедеятельность организма (например, при изменении формы носа).

Механизм естественного отбора...

Таким образом, каждый организм случайным образом отличается от другого, подобного ему. Природа, создавая мутацию, как бы делает случайный "шаг". Этот "шаг" потом экзаменуется жизнью. Если организм, развившийся под влиянием случайной, но определенной мутации, оказался менее устойчивым и менее приспособленным к окружающей среде, то он погибает скорее, нежели другие. Следовательно, "шаг" сделан неудачно. Погибая, этот организм, как правило, не фиксирует своей неудачи в потомстве (ведь он погиб раньше времени). Если же в результате мутации организм случайно приобрел новые приспособительные свойства, он их передает и закрепляет в потомстве. Именно так осуществляется естественный отбор, открытый Ч. Дарвином.

Следовательно, если мутации обеспечивают случайное отклонение организмов от некоторого "среднего" в данный момент организма, то естественный отбор как бы оценивает результат этого отклонения.

Происходит отбор по принципу: "размножается наиболее приспособленный". Мутация же и обеспечивает осуществление этой формулы, так как обусловливает большую или меньшую приспособляемость организма. Ясно, что без мутации не появилось бы той удивительной приспособленности и "разумности" строения организмов, которой не перестают восхищаться и удивляться по сей день.

Мутации, таким образом, представляют собой одну из величайших движущих сил эволюции, а поскольку эволюционный процесс не прекращается, то и мутации по-прежнему необходимы в развитии жизни на Земле.

Это одна сторона явления.

Другая заключается в том, что большинство мутаций вредно или даже смертельно для организма.

Причина заключается в том, что каждый организм есть результат длительной эволюции, он чрезвычайно тонко приспособился к окружающей среде, и далеко не всякое случайное изменение в его структуре, вызванное мутацией, идет ему впрок. Скорее наоборот. Для улучшения высокоорганизованного организма нужны мутации специального характера, которые, естественно, встречаются редко, и может пройти много времени прежде, чем будет найдена нужная мутация. Может случиться и так, что за то время, пока она произойдет, организмы этого вида вымрут, причем не столько из-за отсутствия нужной мутации, сколько из-за избытка ненужных и вредных.

И выходит, что мутации столь же вредны, как и необходимы. Вид, у которого мутации возникают слишком часто, например, под действием радиоактивного излучения, может исчезнуть, потому что многие его представители в результате неудачных мутаций будут слабыми и недолговечными. В свою очередь, виды, дающие мутации слишком редко, благоденствуют лишь до тех пор, пока изменившиеся условия жизни не потребуют от них новых приспособительных свойств, для чего у них не окажется необходимого запаса изменчивости. Так, по-видимому, относительно недавно вымерли мамонты, не сумевшие приспособиться при быстром похолодании климата на Земле во время ледникового периода.

Представим себе следующий редкий, но вполне возможный случай. Пусть какой-то вид животных или растений находится в полной гармонии с природой. Ему почти не угрожает конкуренция, у него почти нет врагов. Представители этого вида - сильные, здоровые особи с хорошо сформированным организмом; они быстро размножаются, и им пока не грозит опасность перенаселения. Ухудшения породы в результате мутаций пока незначительны и не могут нарушить здорового оптимизма представителей этого счастливого вида. Но вдруг в одно несчастное время золотому веку пришел конец - резко изменились внешние условия, положим, появились сильные конкуренты. Тут же начнет действовать жестокий механизм естественного отбора, и только мутация, которая обеспечила бы если не преимущества перед конкурентами, то хотя бы условия для сосуществования с ними, может спасти этот вид. Если она произойдет слишком поздно, вид погибнет.

...И его блок-схема

Автор нарисовал эту безрадостную картину вовсе не для того, чтобы ужаснуть читателя "безжалостностью" законов природы. Вовсе нет! Просто этот пример хорошо, как мне кажется, иллюстрирует связь между мутациями и естественным отбором. Эту связь можно представить в виде некоторой схемы, которая показывает взаимодействие вида и внешней среды в процессе естественного отбора (рис. 67). На ней показано, как внешняя среда воздействует на вид и предъявляет к нему определенные требования. Эти требования как бы формулируются по каналу А. Вид вырабатывает некоторое поведение в данной среде и "сообщает" об этом поведении по каналу Б. Результат сопоставления требований внешней среды и их обеспечения видом возбуждает по каналу В механизм естественного отбора. Степень возбуждения естественного отбора зависит от степени несоответствия вида требованиям среды. Если вид удовлетворяет всем требованиям среды и его поведение не нарушает запросов среды, то естественный отбор не действует, что, впрочем, бывает очень редко. Естественный отбор воздействует на вид по каналу Г. Кроме того, на этот вид непрерывно действуют случайные мутации.

Рис. 67

Работает "схема" следующим образом. Изменение внешних условий - среды - влечет за собой возникновение или усиление противоречия между видом и требованиями среды, где этот вид обитает. Это противоречие возбуждает и усиливает действие естественного отбора, в результате которого выживают и дают потомство только наиболее приспособленные особи. Мутации создают различные отклонения индивидуумов вида от среднего. Среди этих индивидуумов с новыми признаками, назовем их мутанами, в силу случайного характера отклонений могут найтись и более приспособленные к требованиям внешней среды. Из них-то и строится новый вид. Остальные в результате безжалостного действия естественного отбора преимущественно погибают.

Гомеостат - модель отбора

В 1951 году англичанин Р. Эшби построил прибор, который работает почти так же, как происходит приспособление вида. Этот прибор он назвал гомеостатом (слово "гомеостат" произведено от "гомеостазис", что означает поддержание свойств системы в определенных желательных пределах).

Гомеостат представляет собой динамическую систему, которая в зависимости от значений его параметров может находиться в двух состояниях: устойчивом и неустойчивом. Динамической системой мы называем такую систему, поведение которой зависит от ближайшей предыстории. Так, камень является типичным примером динамической системы. Закон инерции гарантирует ему зависимость от недавнего прошлого. Если он летел в каком-то направлении, то это направление может изменить только определенная сила, например, сила веса, причем новое направление зависит от направления этой силы. В этом и сказывается зависимость летящего камня от предыстории. В случае, если камень лежит неподвижно, то при отсутствии силы он и останется лежать на том же месте.

Следует различать два состояния динамической системы: устойчивое (неизменное) и неустойчивое (состояние изменения движения). Упомянутый нами летящий камень - пример неустойчивой системы, а лежащий на дороге - устойчивой. И часы. Если они тикают, то являются неустойчивой (автоколебательной) системой, а поломанные - устойчивой.

Одна и та же система может иметь много устойчивых состояний. Телевизионная башня, лежащая на боку, находится в устойчивом состоянии, так же как и вертикально стоящая. (Другое дело, что первое состояние более устойчиво, чем второе. Этим и объясняется известный факт, что при землетрясении стоящая башня может лечь, но никогда никто не видел, чтобы лежащая башня встала.)

Но продолжим разговор о гомеостате. Этот прибор, как и всякая динамическая система, мог находиться в двух состояниях: устойчивом и неустойчивом. В устойчивом состоянии он был неподвижен и неизменен. А в неустойчивом - "буйствовал" и в своем поведении выходил за желательные границы.

Не будем уточнять, в чем заключалось это "нежелательное" поведение гомеостата, это чисто технические подробности - ведь гомеостат только лишь прибор, - важно, что одно его состояние (устойчивое) было желательно, а другое (неустойчивое) нежелательно. При этом переход из устойчивого состояния в неустойчивое происходил под действием неконтролируемых факторов - это и влияние внешней среды, и внутренние неполадки в приборе, и многое другое. Значит, в силу второго начала термодинамики гомеостат "стремился" к неустойчивости.

Для управления гомеостатом была введена обратная связь, которая работала следующим образом: как только гомеостат попадал в неустойчивое состояние, его некоторые параметры, от которых зависело поведение гомеостата, начинали изменяться случайным образом, то есть начинался случайный поиск. Продолжался он до тех пор, пока случайно гомеостат не прекращал свое "буйство" и не переходил в устойчивое состояние. Это означало, что случайно были найдены такие значения управляемых параметров, которые необходимы для его устойчивости. После этого случайный поиск немедленно прекращался, и гомеостат "засыпал" до следующего "буйства", вызываемого либо внешним толчком, либо его внутренней неполадкой.

Здесь случайный поиск имитирует случайные мутации в организме. Поиск происходит до тех пор, пока случайно не будут найдены такие значения параметров, которые обеспечат гомеостату устойчивое состояние (это означает, что как бы произошла необходимая мутация). После этого параметры гомеостата фиксируются и механизм поиска новых "мутаций" выключается на время, пока какие-нибудь причины вновь не приведут гомеостат в неустойчивое состояние. Иначе говоря, пока снова не изменятся внешние условия и не появится необходимость в новых мутациях.

Схема гомеостата приведена на рисунке 68. Динамическая система, как сказано, может иметь различные параметры, которые вводятся в нее по каналам А. Эти параметры образуются генератором случайности и переводятся в систему. Проверка состояния системы производится по каналу Б. Если система находится в неустойчивом состоянии, то блок управления включает генератор случайных параметров, который начинает генерировать их и заводить в систему, как бы "примеряя" к ней различные их варианты. Это происходит до тех пор, пока система не придет в устойчивое состояние.

Рис. 68

Получив информацию о том, что система устойчива, блок управления выключит генератор, сохранив в системе последние значения параметров, которые привели ее в устойчивое состояние.

Как легко заметить, гомеостат Эшби довольно сносно копирует механизм приспособления вида и может служить моделью естественного отбора.

Мы показали (и повторим еще), что приспособление вида к внешней среде происходит чисто случайным образом. Случайность входит в виде мутаций, которые создают различные случайные отклонения представителей этого вида от некоторого среднего организма. В результате естественного отбора особи, мутированные "неудачным" образом, вымирают, а организмы с благоприятными изменениями закрепляются в потомстве. Так случайно вид приходит в устойчивое состояние относительно внешней среды. Если внешние условия изменятся, то механизм мутации и естественного отбора снова начнет свой "поиск", пока не приведет вид в устойчивое состояние.

Аналогично работает гомеостат. Он тоже отыскивает устойчивое состояние чисто случайным способом и фиксирует именно те значения своих параметров, которые соответствуют его устойчивому состоянию. Если внешнее воздействие выводит гомеостат из стабильного состояния, то включается механизм случайного выбора параметров, который работает и ищет до тех пор, пока не находится устойчивое состояние. После чего случайный поиск параметров выключается.

Гомеостат подобен спящей кошке. Если ее потревожить, то она проснется, выберет новое удобное положение, устроится и заснет. Точно так же гомеостат, "проснувшись", случайно ищет такие значения своих параметров, которые позволят ему найти новое устойчивое состояние, находит их и "засыпает", выключив механизм случайного поиска.

Усилитель интеллекта

Идея Эшби о случайном поиске, подсмотренная им у природы, имеет глубокий смысл и большие перспективы применения. Изучая роль случайности в природе, ученый пришел к замечательной мысли об использовании неограниченного богатства случая. В самом деле, что может быть проще, чем генератор случайности? Шум - неисчерпаемый источник случайности; его легко получить, и он фактически ничего не стоит. Следовательно, сырье есть в изобилии! Но что можно сделать из этого сырья?

Очень многое, если не сказать, что все.

Случайное сочетание букв может образовать любое известное слово, более того, можно создать слова, которые еще не придуманы, а возможно, и вообще не появятся на свет. Случайное сочетание слов может образовать любое предложение, то есть любую законченную мысль, когда-либо высказанную людьми или которую еще выскажут наши потомки. Случайное сочетание предложений может образовать любое художественное произведение, описание любого научного исследования, сообщение о любом сделанном людьми открытии или открытии, которое когда-либо будет сделано. В общем случайность таит в себе неограниченные богатства.

Комбинируя случайным образом буквы, слова и фразы, можно получить новые данные, новые результаты, новые мысли; короче, из случайности можно создать новую информацию!

Заметим, что эту идею впервые высказал и... высмеял Свифт (кстати, еще один претендент на звание отца кибернетики) почти два века назад в известных "Путешествиях Гулливера". Когда его герой попал в пресловутую Лапуту, то увидел, как лапутяне для создания новых научных и художественных произведений использовали машину, которая последовательно перебирала все возможные сочетания из 1000 букв. Памятуя о том, что всякое научное открытие можно изложить в реферате из 1000 букв, лапутяне не без основания рассчитывали получить все возможные научные статьи. От такой перспективы может захватить дух не только у глуповатых лапутян! Получается, что, сидя дома, можно изучать мир!

Этот парадоксальный вывод мало что дает практически, если вспомнить, что вместе с правильной информацией при таком подходе мы получим огромное количество ложной информации весьма правдоподобного вида (во всяком случае, значительно больше, чем правильной).

Следовательно, чтобы воспользоваться этой идеей, нужно суметь отсеять бессмысленность и ложь. А это можно сделать лишь путем отбора.

Так у Эшби родилась мысль об усилителе отбора. Источник случайности - шум - поступает на устройство, которое в соответствии с этим шумом с непрерывной последовательностью выдает буквы алфавита.

Эта последовательность просматривается при помощи определенных грамматических критериев, и из нее отбираются куски, которые могут быть осмысленными словами. Так, слово "стрл" будет отброшено как не имеющее гласных.

Следующий критерий отбора позволяет отобрать из этих слов только те, которые образуют осмысленные предложения.

Дальнейший отбор должен отсевать заведомо нелепые фразы, оставляя лишь те, которые имеют смысл и явно не противоречат опыту человечества.

После этого отбираются оригинальные мысли и отсеиваются тривиальные, которые либо были известны ранее, либо легко получаются из известного.

Последняя стадия отбора должна производиться на самом высоком уровне при помощи наиболее тонкого критерия отбора. Таким критерием располагает, по-видимому, только человек, который решает, какие из отобранных вариантов следует подвергнуть проверке практикой, за которой, как всегда, остается последнее слово.

Таким образом, новая информация получается в несколько стадий отбора, которые осуществляются при помощи различных критериев отбора.

Схема такого усилителя мыслительных способностей, как его назвал Эшби, показана на рисунке 69. Здесь преобразователь производит переработку шума так, что на его выход Б поступают различные случайные варианты объектов отбора. Преобразователь как бы "перефразирует" информацию, поступающую на его вход в виде шума. В этой информации по-прежнему нет смысла. Результат преобразования по каналу Б сверяется с критерием отбора. Если этот результат удовлетворяет критерию, то блок управления, осведомленный об этом по каналу В, открывает клапан, и отобранная информация проходит на следующий, более высокий этап отбора.

Рис. 69

Именно так можно создавать нечто еще не известное никому. Правда, может потребоваться много времени. Но, производя отбор с очень и очень большой скоростью, можно значительно сократить это время.

Искусственный отбор как усилитесь

Заметим, что предложение Эшби о применении многократного отбора для получения доселе неизвестной информации из случайного шума не ново. Селекционеры пользуются точно таким же приемом при выведении новых пород животных или сортов растений. При этом они обращаются к так называемому искусственному отбору.

Сущность искусственного отбора весьма проста и издавна используется человеком в практической деятельности. Подмечается какая-то полезная особенность организма, возникшая в результате случайной мутации, и принимается решение об усилении этой особенности. На первой стадии отбора критерием служит лишь наличие или намек на эту особенность, то есть отбираются те организмы, у которых это свойство есть или только намечается. На второй стадии отбора - при отборе потомства от первой стадии - применяется более жесткий критерий: отбираются особи уже с явно выраженной особенностью и т. д. В конце концов на какой-то стадии отбора особи имеют эту полезную особенность в достаточной мере. Теперь осталось истребить организмы, не имеющие этой особенности, и новая порода готова.

Схема процедуры искусственного отбора показана на рисунке 70. Здесь мутации воздействуют на вид и создают представителей, отклоняющихся случайным образом от некоторого среднего организма. Если эти отклонения в отдельных особях соответствуют критерию отбора, то они отбираются человеком и поступают на следующую ступень отбора. Если не соответствуют, то уничтожаются.

Рис. 70

Как видно, схема искусственного отбора очень близка к усилителю отбора Эшби. Более того, этот усилитель фактически является моделью искусственного отбора.

Заканчивая главу, следует заметить, что именно случайность образовала те сложные и совершенные формы приспособления организмов к окружающей среде, которые мы наблюдаем вокруг себя. Именно благодаря случайности появилось огромное количество видов животных и растений. Именно благодаря такой случайности на Земле появился человек. Это поразительное свойство природы стало ясным и понятным лишь после объяснения Ч. Дарвином механизма образования приспособительных свойств. А до этого единственно возможной представлялась идея целесообразности и разумности природы, поддерживаемая религией.

Теперь ясно, что никакой целесообразности и никакого разумного подхода у природы нет и быть не может. Если же говорить о разумном начале в природе, то им следует считать случайность.

Именно случай в сочетании с отбором образуют "разум" природы!