Кибернетическая эволюция биологических организмов

А.Ю. Кульпин (Новосибирск)

kulpin@inp.nsk.su

Аннотация

В работе на основании рассмотрения биологического организма, как функциональной системы, состоящей в общем случае из двух функциональных подсистем, вводится понятие двумерной эволюционной плоскости и рассматриваются различные аспекты ее применения для исследования эволюционных процессов.

1.Введение

Возникновение в ходе эволюции, таких свойств живых организмов, как адекватное реагирование на изменение внешних условий, нахождение правильного решения в незнакомой ситуации, способности обучаться, накапливать опыт, появление человеческого мышления, разговорной речи, зарождение науки - вызывает закономерное удивление. Изучение мозга животных, управляющего их поведением, показало, что он представляет собой особым образом организованное сообщество связанных между собой нейронов - нейронную сеть.

Из палеонтологических исследований известно, что по мере эволюции живых организмов происходило их последовательное усложнение. Детальным рассмотрением того, каким образом шел этот процесс, занимаются области знания, в центре внимания которых лежит явление естественного отбора - это популяционная генетика, синтетическая теория, теория нейтральности. Эти теории оперируют понятием приспособленности организма к внешним условиям. В них показывается, что жить и оставить после себя потомство могут только наиболее приспособленные особи. Однако при таком рассмотрении живых организмов исчезает разница между, например, амебой и высшими обезьянами отряда приматов.

Ведь и те и другие организмы одинаково хорошо приспособлены к жизни в окружающей их среде. Почему же, тем не менее, в ходе эволюции происходило и происходит постоянное усложнение организации живых существ? Какие закономерности ответственны за это? По каким законам происходит это усложнение?

На эти вопросы теории естественного отбора напрямую не отвечают. Для понимания и изучения закономерностей, вследствие которых развитие жизни на земле не остановилось на уровне первобытной протоплазмы, особенно эффективным представляется кибернетический подход к изучению эволюции живых существ.

2. Появление метода

По-видимому впервые попытка проанализировать эволюционные изменения живых существ с позиций совершенствования управления их состоянием, поведением была предпринята в конце 60-х годов 20-го века, русским физиком В.Ф. Турчиным, хотя конечно, представления о живых организмах, как о неких механизмах, автоматах возникали и ранее. В его книге "Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции" [1], посвященной этой теме, излагается теория метасистемных переходов (МТП). Суть предложенной им теории МТП заключается в том, что для различных эволюционирующих систем (и не только биологических) постулируется существование общей закономерности - последовательного объединения систем в метасистему с возникновением каждый раз нового уровня управления. И затем в книге на конкретных примерах рассматривается, как в ходе эволюции живых организмов происходил процесс образования все новых метасистем.

Слабость теории МТП заключается, с одной стороны, в ее общности, а с другой, в некоторой туманности связи с традиционными эволюционными теориями, базирующимися на явлении естественного отбора.

Однако, ценность книги [1] не исчерпывается только теорией МТП. Несомненно, что предложенный В.Ф. Турчиным кибернетический подход (КП) к исследованию эволюции жизни открывает новые возможности для развития нашего понимания того, каким образом с течением времени происходили изменения биологических организмов.

Подробное и интересное изложение различных методов и способов исследования эволюционных процессов при кибернетическом рассмотрении возникновения и развития жизни содержится в лекциях по эволюционной кибернетике [2], которые можно найти по адресу: http://www.keldysh.ru/BioCyber/Lectures.html

3.Универсальность кибернетического подхода

Одной из особенностей КП к эволюции биологических систем является то, что он позволяет рассматривать живой организм, как некую систему, состоящую из нескольких функциональных подсистем, каждая из которых выполняет определенный набор задач. Такое рассмотрение биологического организма (БО) дает возможность по-новому взглянуть на процесс его выживания в ходе естественного отбора.

3.1 Функциональность построения

У любого БО можно выделить несколько общих типов функциональных подсистем. В наиболее общем виде эти подсистемы можно разделить на два класса - подсистему управления и подсистему исполнения. Подсистема исполнения по сути представляет собой набор устройств, осуществляющих сбор и переработку необходимой для существования БО энергии, а также используемых для его жизнедеятельности веществ и поддержания нужных состояний.

Кроме подсистемы исполнения у БО имеется подсистема управления внутренним состоянием. БО, способные перемещаться в пространстве, помимо того, могут осуществлять ряд действий - поиск пищи, отдых, поиск партнеров для спаривания, бегство от опасности и т.д. Стратегию последовательности выполнения и комбинации этих действий можно назвать поведением БО. Для построения оптимального поведения необходимо иметь подсистему управления им. Две подсистемы управления организма состоянием и поведением образуют систему управления (СУ) БО.

3.2 Способы выживания

Вследствие того, что управляющие и исполняющие подсистемы, входящие в состав организма, могут изменяться независимо друг от друга, возможны два независимых направления эволюцию БО - совершенствование исполнительных систем организмов и совершенствование их СУ.

Исходя из такого общего, функционального рассмотрения БО, можно понять следующее: с точки зрения приспособленности его к окружающей среде у БО имеются два принципиально разных способа выживания.

Первый способ - это совершенствование исполнительной системы

Второй способ - это совершенствование поведения БО

Естественно, что совершенствование поведения, подразумевает отбор особей по признаку более совершенной СУ - скопления нейронов на ранних этапах эволюции, или совершенствование мозга животных - на более поздних.

Необходимо также подчеркнуть высказывавшуюся в литературе мысль, см. например [3], что для теорий, акцентирующих внимание только на явлении естественного отбора, не важно каким из этих способов БО выжил - раз выжил, значит более приспособлен, чем другие. Другими словами, не важно, в каком из этих направлений действовал естественный отбор - главное, что происходил отбор более приспособленных к данным условиям особей.

С таких позиций, совершенно обоснованным является утверждение, что нет принципиальной разницы между, например, мухой и шимпанзе - и тот и другой БО прекрасно приспособлен к окружающему их миру.

3.3 Представление способов эволюции

Важность способа, при помощи которого достигается выживание, как раз и становится очевидным при рассмотрении эволюции с точки зрения совершенствования СУ. Одно животное выживает за счет того, что у него длиннее и сильнее лапы, острее зубы, крепче когти, а другое - за счет более совершенной стратегии поведения. Понятно, что при КП интересным является рассмотрение второго пути, а вследствие этого, возникает необходимость их разделить.

Соответственно, первый способ выживания БО представляется менее интересным при кибернетическом рассмотрении развития жизни. Его условно можно назвать направлением горизонтальной эволюции, или горизонтальной составляющей эволюционного процесса. При движении в этом направлении в организме происходит совершенствование способов перемещения, добычи пищи, способов ее усвоения и т.д.

Второй же путь эволюции приводит к отбору особей, обладающих более совершенным поведением. Понятно, что для того чтобы у особи, представляющей данный вид животных было более совершенное поведение, необходим более совершенный, по каким-то параметрам, мозг. Следовательно, отбор в направлении второго эволюционного пути, в конечном итоге, происходит по критерию более совершенного мозга. Этот путь условно можно назвать направлением вертикальной эволюции, или вертикальной составляющей эволюционного процесса. Изменение БО именно в этом направлении, как раз и исследуются при кибернетическом рассмотрении эволюции. При этом каждый метасистемный переход является поднятием на новый уровень, по вертикальной эволюционной составляющей.

3.4 Отображение способов эволюции

Наглядным способом отображения эволюции БО, при таком двумерном рассмотрении эволюционного процесса, является изображение разных видов животных, находящихся на различных стадиях развития, на двумерную плоскость, по одной из осей которой откладывается вертикальная составляющая эволюционных изменений, а по другой - горизонтальная составляющая. Отображая на такой плоскости различные виды животных, можно наглядно убедиться, что высшие формы млекопитающихся - действительно являются высшими, по уровню сложности организации системы управления. На приведенном рисунке 1, эллипсами, условно изображено положение различных групп биологических организмов, а также положение научно-технических систем (НТС).

 

На такой плоскости наглядно видно, что каждый новый метасистемный переход сопровождается поднятием эволюционирующей системы на новый уровень, по вертикальной эволюционной составляющей.

Теориями естественного отбора рассматриваются изменения под действием отбора, свойств особей, которое на такой плоскости можно соотнести с перемещением

где (x0 , y0 ) - начальное состояние вида, (x1, y1 ) - конечное состояние вида, (x1 - x0) - смещение по горизонтальной составляющей, а (y1 - y0 ) - смещение по вертикальной составляющей эволюционного процесса. Смещение - это адаптационная перестройка организма под действием внешних условий, причем не всегда (x1 - x0) или (y1 - y0 ) - бывает положительным по знаку.

Использование вертикальной эволюционной составляющей дает возможность ввести понятие амплитуды метасистемного перехода - A. Если предположить, что эта величина, прямо пропорциональна перемещению по вертикальной эволюционной составляющей, то тогда

 ,

где q - коэффициент пропорциональности.

Амплитуда A показывает, насколько различаются два вида по развитию используемых ими СУ, или, по другому, показывает разницу между внутренней сложностью используемых видами СУ. Однако для того, чтобы знать насколько развита та или иная СУ, необходимо иметь набор критериев сложности СУ.

Одним из путей построения такого набора критериев является рассмотрение последовательного усложнения СУ, которое происходило в ходе эволюции БО.

3.5 Экспоненциальный рост сложности систем управления

Раздельное рассмотрение различных составляющих эволюционного процесса, позволяет понять еще одну важную закономерность - экспоненциальный рост сложности СУ во времени. Или по другому, экспоненциальное возрастание величины вертикальной, эволюционной составляющей от времени.

Действительно, при естественном отборе по критерию более сложного поведения - происходит отбор организма с более сложной СУ, а это в свою очередь, предполагает более сложное ее устройство. Более сложное устройство СУ, дает большие возможности для ее последующего усложнения, при дальнейшем отборе по критерию сложного поведения и т.д. Другими словами, в первом приближении, скорость нарастания сложности СУ, пропорциональна ее текущей сложности, или

где S - сложность СУ, t - время, k - коэффициент пропорциональности. Решением такого уравнения, как известно, является экспонента –

Полтора-два миллиарда лет понадобилось, для того чтобы возникли простейшие СУ живых организмов, осуществляющие безусловный рефлекс, сотни миллионов лет длилась эволюция биологических СУ, в ходе которой возник условный рефлекс. За полтора десятка миллионов лет был пройден путь от общего, примитивного предка приматов, до отделения линии шимпанзе и человека. Полтора миллиона лет длилась эволюция вида homo. Всего 40 тысяч

лет назад сформировался человек современного типа... И вот, мы уже обсуждаем устройство и принципы построения такой сверхсложной СУ, как всемирный мозг - цепочка этих событий наглядно демонстрирует существование такой экспоненциальной зависимости.

4. Применение двумерного подхода

Использование введенной выше двумерной плоскости, дает возможность рассматривать эволюционный процесс, под несколько иным углом зрения, чем это обычно делается. Некоторые проблемы развития видов терялись, при исследовании их традиционными эволюционными теориями, в центре внимания которых находится явление естественного отбора. Метод исследования этих теорий, можно охарактеризовать, как одномерный, скалярный метод. Ведь при таком исследовании интересным является то, насколько сильны изменение вида (морфологические, или по генотипу) т.е. – и за какое время эти изменения произошли, т.е. скорость изменений -

Какими же были эти изменения - прогрессивными или регрессивными, на этот вопрос, находясь в рамках этих теорий, ответить непросто.

При двумерном рассмотрении эволюционного процесса, можно раздельно изучать изменения разных функциональных подсистем БО, наблюдая не только величину, но и направление изменений. В силу того, что внимание при этом особенно акцентируется на отборе по признаку более совершенного поведения, вполне естественным также становится вопрос о том, как осуществляется это управление и какими способами?

4.1. Эволюционный прогресс и регресс

Интерес к тому, насколько данное явление позитивно, полезно, прогрессивно - является глубинной, чертой человеческого способа познания. В силу этого, вопросы о прогрессивной направленности эволюции, для многих исследователей вполне естественны.

В рамках теории МТП, ответ на этот вопрос был очевидным - процесс с образованием метасистемы - прогрессивный, обратный процесс, диссипации метасистемы - это регресс.

Проблема была в том, как увязать данные палеонтологов, прослеживавших орфологические изменения живых существ за огромные периоды времени с довольно абстрактным понятием метасистема, которое является более близким для кибернетики, чем для биологии.

В тоже время любой биолог согласится с тем, что если популяция находится в условиях, когда отсутствуют хищники, имеется почти неограниченное количество пищи, ее добыча не требует ни усилий, ни ума, то понятно, что отбора в таком случае не будет, и накопленные в ходе предыдущего эволюционного пути свойства будут постепенно утеряны. Интуитивно понятно, что это будет регресс, но как это выразить в виде теоретических построений.

При рассмотрении траектории, пройденной видами за большие промежутки времени, на двумерной эволюционной плоскости, прогрессивные и регрессивные участки становятся заметны. На рисунке 2, условно изображена такая, траектория развития. Видно, что эта траектория представляет собой граф, причем по-видимому, очень важными точками, являются вершины этого графа. Здесь можно вспомнить о спорах ведущихся в теоретической биологии, по поводу таксонов - их возникновения и способов классификации. Быть может, подобное рассмотрение поможет, хотя бы отчасти, прояснить ситуацию.

На рисунке видно, что направление развития может быть практически любым. Имеются участки, на которых совершенствуются исполнительные системы БО, а системы управления регрессируют. На рисунке такой характерный участок помечен цифрой 1. Характерный участок, на котором происходит совершенствование и СУ и исполнительных механизмов, помечен цифрой 2. Участок, помеченный цифрой 3, отражает ситуацию, когда при усложнении поведения вида теряются какие-то его физические качества.

Видимо существуют глубокие зависимости между численностью вида, изменением структур организма, числом поколений, за которое эти изменения произошли, и наклоном траектории вида на такой эволюционной плоскости.

4.2. Два способа управления поведением

СУ сформировавшиеся в ходе эволюции у БО, помимо иных функций, осуществляли и управление поведением. В работе [4], два разных способа управления называются кибернетическим (КУ) и интеллектуальным (ИУ) управлением.

При этом управление поведением соответственно, тоже может строиться двумя разными способами. Один из этих способов, воспроизводящийся сейчас в нейронных сетях многих аниматов [2,5] - это, когда в ответ на какую-то определенную информацию, организм (анимат) выдает неизменную, определенную реакцию, действие. Второй способ управления поведением подразумевает, что СУ воспринимает информацию из среды и может оперативно менять свое поведение - обучаться.

При первом способе управления поведением, оптимизация этого управления, осуществляется отбором и закрепляется в виде комплекса инстинктов. В тоже время отбор постепенно вырабатывает у животных способность все более точно, более оптимально реагировать на изменения оперативной обстановки, другими словами, вырабатывает у них интеллектуальные способности. Соответственно первый способ управления поведением можно назвать инстинктивным поведением, а второй способ - интеллектуальным поведением.

В общем-то понятно, что комплексы инстинктивного поведения формируются в ходе эволюции медленно и при этом практически все особи популяции обладают схожей стратегией поведения (естественно при условии, что пол, возраст и иерархия в группе схожи). Другими словами при инстинктивном поведении, разброс стратегий поведения отдельных особей, внутри вида - очень мал. Вид в целом, шлифуя свое инстинктивное поведение, переходит на более высокий уровень развития СУ. При этом вид с более совершенным комплексом инстинктивного поведения выживает, а с менее совершенным - постепенно вымирает.

При интеллектуальном поведении, стратегия поведения определяется уровнем интеллектуальных способностей отдельной особи. В силу этого появляется возможность дифференцированного действия отбора внутри вида, по критерию более высокого уровня развития СУ, в данном случае систем с ИУ.

4.3. Интеллектуальное поведение

Появление интеллектуального способа управления поведением дает еще одну возможность действия отбора, которой не было ранее. Так, как интеллектуальное управление подразумевает возможность более точно, более оперативно реагировать на изменения обстановки, менять модель поведения, обучаться, то эта способность становиться новой силой, которой раньше у животных не было.

Силовые качества животных, до появления интеллектуального способа управления поведением, целиком определялись характеристиками их исполнительной системы - рост, вес, сила и длинна конечностей, крепость и острота когтей, или зубов, скорость перемещения и реакции и т.д.

Защитные свойства поведения, которые, несомненно, были у животных, нивелировались, из-за того, что доминирующим способом поведения было инстинктивное поведение, а оно у всех особей внутри вида было одинаковым.

Однако с появлением интеллектуальной составляющей управления поведением у отдельного животного появляется возможность защитить себя, не только используя свою исполнительную систему, но и с помощью более оптимального изменения поведения. В силу того, что такие способности в отличие от инстинктивного управления поведением глубоко индивидуальны, то для отдельной особи уровень ее интеллектуальных способностей превращается в силу (слабость).

4.4. Рост интеллектуальной составляющей

Естественно, что сила, даваемая интеллектуальным способом управления поведения, на протяжении эволюции, очень длительное время оставалась слишком малой добавкой к физической силе особи. И поэтому рост интеллекта происходил по другим причинам. Так же, как и при формировании инстинктивного поведения, вид в целом, интеллект особей которого, был выше - имел большие шансы на выживание, при глобальных климатических, или экологических изменениях.

Другими словами при быстром, в эволюционном смысле, изменении среды обитания, комплексы инстинктов, управляющие инстинктивным поведением, могли не успеть перестроится и вид вымирал в силу того, что поведение особей этого вида, управляемое старым комплексом инстинктов, становилось не оптимальным в новых условиях. Однако если у особей вида средний уровень интеллекта был достаточно высок, то недостатки инстинктивного управления могли компенсироваться интеллектуальным управлением поведения. Именно это и было определяющим фактором постепенного роста интеллекта.

Однако в какой-то момент эволюции у одного из видов средний уровень интеллекта повысился настолько, что у отдельных особей его сила стала сопоставима с физической силой наиболее могучих представителей того же вида. Такая ситуация впервые возникла в ходе эволюции и приводила к тому, что появилась возможность возникнуть индивидуальному отбору, по признаку более высокого уровня интеллекта, а это в свою очередь давало возможность очень быстрого его роста.

Так, как в палеонтологии, имеется только один момент необъяснимо быстрого роста уровня интеллекта, а именно при формировании человека современного типа - homo sapiens sapiens, то можно предположить, что в результате именно такого направленного, индивидуального отбора по интеллекту и мог сформироваться человек современного типа.

4.5. Соотношение исполнительной и управляющей составляющих

В предыдущем пункте говорилось о том, что однажды, у какого-то вида уровень интеллектуальной силы отдельной особи мог стать сопоставим с максимальной физической силой у особей этого вида, и это в свою очередь могло стать причиной запуска индивидуального, направленного отбора по интеллекту. Назовем такой уровень интеллекта - пороговым.

При этом особо нужно подчеркнуть, что для запуска механизма такого отбора важен не только абсолютный интеллектуальный уровень, у особей вида, но и соотношение его с физической силой особей этого вида. При этом из двух родственных видов, большие шансы на запуск индивидуального интеллектуального отбора имеет физически менее развитый вид.

Поясним это на примере. На рисунке 3 на двумерной эволюционной плоскости схематически изображена траектория развития некоторого вида. В какой-то момент вид разделился, у одной его части стали быстро совершенствоваться исполнительные механизмы, например увеличиваться размеры тела, возрастать сила мышц. Другими словами, его особи стали большими и могучими, а уровень интеллекта вырос немного. Конечно, такой вид имеет гораздо большие шансы на распространение по обширному ареалу, чем его родственный вид, оставшийся маленьким и слабым. Но если уровень интеллекта у видов до размежевания был близок к пороговому, а после размежевания немного подрос (у обоих видов) - на рисунке он обозначен как y0 - то намного большие шансы для быстрого интеллектуального скачка в область y1, имеет именно физически более слабый вид. На рисунке, точка начала этого интеллектуального скачка обозначена кружком.

Описанная модель, также, видимо, имеет непосредственное отношение к нам, людям. Наши могучие неандертальские родственники, широко распространившиеся по всей планете, в какой-то момент вымерли, не выдержав конкуренции со своим маленьким и слабым собратом, которому именно в силу своей слабости, наверное было легче совершить интеллектуальный скачок и стать сильнее всех живых существ на Земле.

5. Заключение

Необычайная сложность нейронных сетей составляющих мозг высших животных, не позволяет напрямую смоделировать его в "железе", или на компьютере. Можно бесконечно долго и подробно изучать, как устроен и как работает мозг, см. например [6], но при этом так и не понять, как животные или люди думают, каким образом принимают решение? Как связывается информация с рецепторных нейронов на входе с моторными нейронами на выходе?

При этом задача понимания того, как устроена "мыслительная машина" мозга - необычайно интригующа. Ее решение - построение систем искусственного интеллекта, обещает человечеству новые, огромные возможности.

Однако несмотря на значительный интерес и понимание необычайной важности выяснения тех механизмов с помощью которых нам удается думать, мечтать, творить – положение практически не меняется. Как заметил Нобелевский лауреат Ф. Крик, в статье [7], посвященной анализу работы мозга, "Мы чувствуем, что есть что-то трудно объяснимое, но не в состоянии объяснить в чем состоит трудность" – безусловно эти слова актуальны и сейчас.

Быть может, разнообразие методов, различных подходов и способов к решению этой проблемы в конце концов приведет к тому, что человеку удастся, наконец, осознать, как происходит осознание.

Литература

1. В.Ф.Турчин "Феномен Науки. Кибернетический подход к эволюции", М.: Наука, 1993.

2. В.Г.Редько "Лекции по эволюционной кибернетике" http://www.keldysh.ru/BioCyber/Lectures.html

3. В.А Бердников "Эволюция и прогресс", Новосибирск, "Наука", 1991 г.

4. А.В.Чечкин "Активирующая подсистема интеллектуального управления и теория функциональных систем П.К. Анохина" http://www.keldysh.ru/BioCyber/RT/Papers.htm

5. В.А.Непомнящих "Поведение "аниматов", как модель поведения животных" http://www.keldysh.ru/BioCyber/RT/Papers.htm

6. "Мозг", сборник статей, М. "Мир" 1982 г.

7. Ф.Крик "Мысли о мозге", статья в [6].