Эволюция модели

Для того чтобы лучше представить модель функционирования информационной системы, подобной мозгу, рассмотрим возможные стадии эволюции модели биологической системы от простого к сложному. Прежде всего, нужно сказать, что модель любой биологической организации, находящейся в условиях реального физического мира, должна пребывать в информационно-энергетическом взаимодействии с этим миром. Самая простая модель имеет всего два канала. Один канал входной, по которому информационно-энергетическое воздействие, например пучок света, поступает на вход модели. Другой канал (тоже инфомационно-энергетический) представляет реакцию на входное воздействие, таковой, например, может быть перемещение модели со светлого на более темный участок пространства.

Для читателей, привыкших к сухому языку чертежей и схем, простейшая модель показана на рис. 1 в виде принятой в кибернетике модели черного ящика, в которой нам не известна (или нас не интересует) внутренняя начинка, устройство этого ящика (на рисунке информационной модели живого организма). Исследователю доступна лишь информация на входе (для живого организма это воздействие внешней среды) и выходе модели (применительно к живому организму выходной информацией следует считать различные реакции организма). Язык представления информации в окружающем нас мире невыразимо богат и практически безграничен, хотя нам известно не так уж много способов передачи информации. Это различные колебательные процессы: звук, свет, радиоволны; разного рода излучения: тепловое, радиационное; различные поля: гравитационное, магнитное, электростатическое (последнее время стало модным говорить о биополях). Информация может переноситься потоком частиц, механическим воздействием и т. д.

Каждое живое существо способно понимать какую-то частицу языка природы. Только в границах этой информационной среды организм может функционировать эффективно. Например, некоторые простейшие организмы (и не только они, конечно) наделены способностью реагировать на направленность магнитного поля; зато, сколько не читай амебе Библию, она не станет от этого верующей. Пусть религиозные люди не сочтут подобное сравнение кощунством автор хотел только подчеркнуть ничтожество первой и величие второй.

В модели на рис. 1 имеются всего два канала передачи информации. По первому из них информация поступает в модель из внешней среды. Выходной канал наблюдаемые реакции, которыми могут быть: ускорение или замедление движения, изменения его направления и т. д. В простейшей модели предполагается наличие весьма ограниченных характеристик входного и выходного каналов и сравнительно несложный алгоритм преобразования входной информации в выходную, при этом, скорее всего, алгоритм с течением времени не изменяется.

В каком направлении могла бы эволюционировать простейшая модель? Следует иметь в виду, что реакция, как только она осуществляется, становится не только свойством модели, но и как бы частью внешней среды, поскольку реакция это отношение, возникающее между моделью и средой ее обитания. Более жизнеспособной, а значит, и совершенной представляется модель, способная данное отношение воспринимать, что соответствует возникновению канала обратной связи (рис. 2). Модель, обладающая обратной связью, получает новое качество, называемое памятью, что позволяет ей обучаться. Обучаемость важное качество, дающее модели возможность лучше адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды.

Обратная связь великое изобретение природы. Несколько слов, сказанных как бы походя о причинах ее возникновения, не могут быть названы даже жалкой лептой, положенной нами на алтарь Природы. Но добавить, по существу, больше нечего. В качестве оправдания разумно сослаться на авторитет: что же касается механизмов обратной связи, которые присущи всему живому, то их возникновение и сегодня остается тайной за семью печатями (21, с. 88).

До сих пор акцент делался на энергетическом воздействии на модель. Однако каждое такое воздействие имеет свои границы изменения интенсивности, различные воздействия могут чередоваться в определенной закономерной последовательности или случайным образом. Модель, следовательно, оказывается не только в энергетической, но и в информационной среде.

Дальнейшее развитие модели может быть связано с обогащением языка представления входной информации и языка реакций, что приводит в свою очередь к усложнению алгоритма (а, следовательно, структуры) преобразования входной информации в выходную. Так как жизнь модели протекает в смешанной энергоинформационной среде, возможно, что более устойчивыми к факторам такой среды оказываются такие модели, которые способны проводить энергетические и информационные воздействия по разным ведомствам. В связи с этим на определенной стадии эволюции в модели могут появиться новые управляющие специализированные структуры, которые следует соотнести с возникновением в организме участка тела, именуемого мозгом. Информационная модель такого организма представлена на рис. 3.

Мы не будем здесь задаваться вопросом, почему направление эволюции организмов, обзаведшихся мозгом, оказался более перспективным, чем гипотетическая эволюция безмозглых существ или фантастических существ со многими мозгами. Общие принципы построения искусственных кибернетических систем допускают существование устройств, как с центральным, так и рассосредоточенным управлением. Примером последнего являются матричные структуры, однородные системы автоматов, многопроцессорные системы и т. д. По-видимому, мозг не является системой с центральным управлением, вероятнее всего, его следует отнести к рассосредоточенной системе, состоящей из множества параллельно работающих процессоров. Однако, рассматривая мозг как единую информационную и управляющую систему, следует отметить, что природа пошла по такому пути, когда одному организму соответствует один мозг. Правда, открытия, связанные с асимметрией полушарий человеческого мозга, позволяют задать вопрос, действительно ли один мозг у человека. Может быть, их два, работающие в паре? Но это уже другой вопрос, нам же пока удобнее руководствоваться традиционным подходом. Модель, показанная на рис. 3, хотя и обладает мозгом, но по своим качественным характеристикам существенно не отличается от предшествующей модели, и ее следует рассматривать как переходную на пути к следующей, более совершенной, изображенной на рис. 4.

По мере усложнения функций мозга, наращивания его структуры и увеличения массы он становится все более обособленной частью тела, которое, в конце концов, становится для мозга как бы внешней средой. Поэтому возникают специфические каналы 5 и 6 (см. рис.4), роль которых до некоторой степени подобна роли каналов 1 и 2 соответственно, но только не по отношению к внешней среде, окружающей модель организма, а по отношению к телу как внешней среде для мозга.

Каналы 5 и 6 это типичная обратная связь между телом и мозгом. Известно, что принцип обратной связи основополагающий принцип построения кибернетических систем. Разумеется, мы не думаем, что природа руководствовалась эти принципом, потому что знала его. Все гораздо проще. Когда в целом обосабливались части, должны же были оставаться связи между этими частями, иначе целое перестало бы быть таковым. Впрочем, это тоже принцип, правда, из области другой науки.

Здесь важно подчеркнуть существенное отличие четвертой модели от первых трех, в которых среда была активна, а реакция модели организма пассивна. В модели на рис. 4 взаимодействие каналов 5 и 6 обратно: активным следует считать канал 6. Иначе говоря, мозг, будучи активным, теперь сам становится как бы внешней средой для тела, которым он управляет. Несколькими строками выше было сказано, что тело выступало как внешняя среда для мозга. Теперь наоборот? Нет, просто тело и мозг образуют замкнутый управляющий контур. Из-за этого понятие стимул-реакция, характерное для пассивной модели, изживает себя, поэтому в последующих моделях оно заменено понятиями информация внешней среды и выходная информация модели. Поскольку каналы 5 и 6 специфичны, так как обслуживают внутренние потребности модели организма и непосредственно не связаны с информационным взаимодействием модели с внешней средой, они на рисунке изображены иначе. Наверное, не будет ошибкой, если мы будем считать каналы 5 и 6 каналами передачи физиологической информации в отличие от других, которые следовало бы называть информационными.

Следующая ступень развития модели живого организма представлена моделью на рис. 5. По мере эволюционного развития мозг становится все более сложной информационной системой. Если в предыдущих моделях он получал сообщения только от внешней среды и физиологическую информацию от тела, то теперь для его нормального функционирования требуется информация о его собственной работе не только как физиологической, но и как информационной системы.

Иными словами, мозг с информационной точки зрения становится внешней средой по отношению к самому себе, что подчеркивает его все возрастающую активность. Эту активную роль, как мне кажется, способен выполнять канал 7. По-видимому, в этой модели можно говорить о наличии еще одного канала 8. Его роль легче будет представить, если подразделить все каналы на два типа: 1) описательной информации; 2) исполнительной (командной) информации. Каналы второго типа на рис. 5 показаны более темным синим цветом. Данное подразделение каналов на типы представляет собой определенную аналогию с разделением каналов на декларативные и процедурные, принятые в ряде работ по искусственному интеллекту, например, в книге Д. А. Поспелова Фантазия или наука (22, с. 162, 163). При такой классификации канал 8 является каналом передачи исполнительной информации от мозга самому себе, т.е. активным каналом.

В модели на рис. 5 существенным представляется то обстоятельство, что мозг и тело с информационной точки зрения не разобщены, поэтому канал 8 является всего лишь ветвью канала 4. Аналогично, мозг не может различить информацию, поступающую через органы чувств из внешней среды и информацию о внешней среде, содержащуюся в нем самом, что показано на рисунке объединением каналов 3 и 7.

Следующая стадия эволюции информационных систем как моделей информационного функционирования живых организмов, как нам кажется, может быть представлена шестой по счету моделью (см. рис. 6). Суть этой модели достаточно ясна из рисунка. Действительно, мозг с информационной точки зрения обособился от тела и внешней среды, став своею внешней средой. (Следует подчеркнуть, что в рассматриваемых моделях физиологические и информационные каналы, хотя и показаны раздельно, на самом деле, конечно же, не являются абсолютно независимыми.)

Если сопоставить гипотетическую эволюцию предложенной нами информационной модели как бы с реальной эволюцией реальных организмов, то в глаза бросается определенное сходство гипотетического и предполагаемого реального путей развития. К простейшим организмам, описываемым моделью рис. 1, можно отнести безъядерные организмы (микробы), появившиеся на земле 3-4 млрд. лет назад. Процесс обработки информации таким организмом весьма прост. Реагируя, например, на градиент химической концентрации какого-либо вещества во внешней среде с помощью специальных хеморецепторов, расположенных на поверхности оболочки, микроб способен перемещаться вдоль градиента, сокращая специальные белковые структуры, находящиеся с внешней стороны оболочки.

Подобную примитивную реакцию демонстрировали и другие одноклеточные организмы, появившиеся 2 млрд. лет назад. Однако язык, который они понимали, был более богатым. Например, инфузория-туфелька, один из простейших организмов, сохранившихся до наших дней, проявляет реакции не только на химические, но и на механические. Световые и тепловые воздействия, а также обладает элементарными навыками обучения. Одноклеточные организмы также не имеют мозга, что вполне вписывается в концепцию информационной модели на рис. 2.

Около 700 млн. лет тому назад появились многоклеточные организмы, обладающие мозгом. Однако основной характеристикой первого мозга (мозг первого типа) была его ригидность, т.е. жесткая запрограммированность. Мозг, получив программу работы по наследству, не мог перестраивать ее в течение жизни особи (модель на рис. 4).

По второму конструктивному варианту эволюция породила мозг, который уже не был рабом инстинкта: он мог самостоятельно уяснять поступающую информацию, запоминать ее (22, с. 13). Однако (мы увидим это в четвертой главе) диапазон подобного уяснения ограничен и врожден, его нельзя изменить (модель на рис. 5). Наконец, третий вариант мозга человеческий мозг. Его способности к обучению и адаптации практически безграничны, человеческий мозг в отличие от первых двух вариантов мозга обладает сознанием.

Поиск по сайту: