книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

149

выделенные для размножения, образуют у основания башни шар, кото­ рый затем медленно вползает на вершину и оттуда сталкивается в сто­ рону. Выполнив эту операцию, временное многоклеточное образование

снова распадается на отдельные клетки.

Чем выше организация живого существа, тем менее избыточна его наследственная информация, тем более важен контроль '. Вегетативные методы размножения у более сложных организмов становятся все реже и исчезают, а перекрестные господствуют.

Конечно, биологи давно заметили громадное количество приспособ­ лений, накопленных растениями и животными с единственной целью — обеспечить слияние одной из своих клеток с чужой перед тем, как дать начало новому организму. И вполне естественно у них возникла мысль, что главное в этом процессе — какое-то различие между клетками.

Сначала предполагали, что программирующее начало имеется толь­ ко в одной из клеток, и долго спорили, в какой именно — мужской или женской. Аристотель считал, что в мужской.

Потом стали утверждать, что в каждой из клеток имеются вещества, необходимые для развития, которых нет у другой клетки. И снова было непонятно; почему же клетка не может сама добывать себе эти веще­ ства, как это делает другая, очень близкая к ней по происхождению?

В наше время среди биологов идет большой спор, в котором нема­ лую роль играют разногласия по поводу перекрестного оплодотворения '.

Практики-растениеводы давно нашли возможность выбирать и на­ вязывать растениям один из двух путей размножения: во-первых, отвод­ ками и черенками, когда перекрестного оплодотворения не происходит, и, во-вторых, опылением цветов. Опыт показал, что при размножении без перекрестного опыления жизнедеятельность организмов постепенно ухудшается. Поэтому некоторые биологи вполне правильно связали пере­ крестное оплодотворение с повышением жизнеспособности.

Но по традиции они видят источник эффекта в разных качествах двух клеток, которые появляются, по их мнению, от того, что родите­ ли —щеточники этих клеток — испытывают разные воздействия внеш­ ней среды.

А это уже неубедительно. Растения и животные разных полов жи­ вут в совершенно одинаковых условиях. И если бы эволюция шла в на­ правлении разнокачественности родителей, мы повсеместно в природе видели бы осуществление древнего мифа об амазонках — женщинах, живущих отдельно от мужчин.

нии биологических проблем только с распространением кибернетики, излагаемые здесь идеи еще почти неизвестны биологам. Академик И. И. Шмальгаузен, например, признает за двойным набором хромосом контрольные функции, но не распространяет нх на перекрестное оплодотворение. См. И. И. Шмальгаузен. Основы эволюционного про­

цесса в свете кибернетики. «Проблемы кибернетики», вып. 4, М , 1960, стр. 132.

150

что создает разнообразие потомков и позволяет естественному отбору сохранять лучшие комбинации качеств, отсеивая худшие.

Из этого вытекает существование особых «атомов наследственно­ сти» — генов, очень прочных и постоянно перемешиваемых, то переда­ ваемых в скрытом виде, то внезапно проявляющихся в потомстве.

Идействительно, в соответствии с предсказаниями теории удалось проследить перемешивание признаков. Но каких? Окраски лепестков, цвета волос и глаз, некоторых уродств — словом, либо маловажных, несущественных для выживания, либо вредных. Неизменно оказывалось, что главные, существенные для жизни качества имеются у обоих роди­ телей и перемешивание их ничего не дает.

Иэто уже странно: такой сложный механизм заведен в природе, а работает фактически вхолостую!

Больше того, опыт показывает, что если устранить перекрестное оплодотворение, то в потомстве наблюдается не точное копирование родителя, а гораздо больше уклонений от среднего типа, больше разно­ образных новых признаков, больше материала для отбора.

Замечено, что живые существа тщательно прячут свои наследствен­ ные аппараты от всяких внешних воздействий и никак не стремятся давать мутации, чтобы естественный отбор мог проявляться во всем ■блеске. А потом они почему-то прибегают к перекрестному оплодотворе­ нию и наводят беспорядок в признаках своих потомков.

Вполне естественно первое: мутации, как правило, бывают вред­

ными, и легко мутирующие организмы давно должны бы вымереть. И совершенно непонятно второе: однажды сложившийся и хорошо при­ способленный к внешним условиям тип живого существа ничего не вы­ гадывает при отборе, он мог бы существовать прекрасно, лишь бы его потомки просто в точности повторяли формы предков.

Если бы эволюция шла в направлении, вытекающем из старых пред­ ставлений, то в физиологии организмов и в инстинктах животных мы наблюдали бы стремление к подбору крайне несходных родительских пар, а этого никто не замечал. Подбираются здоровые, выносливые, силь­ ные, обладающие яркой раскраской, но никак не резко отличные друг -от друга родители.

Две противоположные точки зрения биологов на оплодотворение сходятся в одном — важны различия. И это, по-видимому, неверно. Не различие, а сходство важно в сливающихся родительских клетках, важ­ но то общее* что отличает данный вид от других, то сокровище порядка и целесообразности, оплаченное горьким опытом мириад предков, ко­ торое вид должен сохранить от разрушительного напора игры слепой случайности, господствующей в деятельности неорганических сил при­ роды.

Итак, наследственные программы живых клеток подчиняются конт­ ролю, и он выполняется двумя способами. Во-первых, сохраняются два экземпляра программ в каждой клетке, и обмен ионами между ориенти­ рованными молекулами позволяет восстанавливать их структуру при

151

случайных нарушениях. Когда же запасы устойчивости в этой системе иссякают, организм стремится заполучить одинарный набор программ

из другого организма и контролирует ими свои программы. Однокле­ точный организм делает это периодически, а многоклеточный — в мо­ мент, предшествующий началу исполнения программы, при оплодотво­

рении.

Старение одноклеточных не оканчивается смертью: каждый из них может обновиться. А старение многоклеточных — это накопление ошибок в программах, уже не поддающееся ликвидации. Клетки в тканях окружены ближайшими родственниками, и обмен ядерным веществом с ними ничего не может дать: ошибки одинаковы. Структура нуклеино­ вых кислот необратимо, вырождается, а за ней следуют расстройство синтеза белков, нарушения обмена веществ и энергии, распад системы управления организма. Только накануне появления нового организма структура ДНК восстанавливается в единственной клетке — зиготе.

Так кибернетика раскрывает старую загадку, над которой задумы­ вался еще Лукреций:

...Коль всему, что от старости в ветхость приходит, Время приносит конец, вещество истребляя, Как и откуда тогда возрождает Венера животных Из роду в род?..

Становятся ясны причины давно замеченного отрицательного влияния самоопыления и скрещиваний между близкими родственника­ ми: контроль оказывается неполным, ошибки частично сохраняются.

Блестящим доказательством контрольной функции пола служит

развитие неоплодотворенных гамет (спор). Таким путем до известного предела могут развиваться мхи, которые образуют гамету уже в про­ цессе развития организма, и даже насекомые, например тли и самцы пчел — трутни. В 1886 г. русский ученый А. Тихомиров доказал на опы­ те, что развитие из гаметы возможно даже у таких животных, которые никогда сами так не воспроизводятся. Для этого надо нагреть гамету или иным способом воздействовать на нее. Сейчас мы знаем, что поло­ винный набор хромосом способен к расщеплению и восстановлению, — следовательно, способен дать двойной набор хромосом, начать жизнен­ ный цикл нового организма. Воздействием температуры на неоплодотворенные яйца тутового шелкопряда Тихомиров добивался этого расщеп­ ления и получал сформировавшиеся многоклеточные организмы из гамет.

Само оплодотворение оказывается двойным, сложным актом: вопервых, запускается программа, а во-вторых, она контролируется. Мож­ но искусственно запустить программу без участия ядерного вещества клетки другого родителя. Никакой «разнокачественности», необходимой для развития, в яйцо не вносится, однако развитие идет, хотя и возни­ кают уродливые или слабые экземпляры. Из классической теории это ослабление не вытекает: организм несет гены только одного родителя

152

и должен быть столь же жизнеспособным, как родитель. Только пред­ ставление о функции контроля объясняет исход эксперимента: организм стар уже при рождении, ошибки не исправлены и сказываются в укло­ нениях от обычного типа.

Экспериментальная техника эмбриологов развивается стремитель­ но. Недавно итальянский профессор Д. Петруччи произвел успешное искусственное оплодотворение яйца человека и поддерживал развитие зародыша в колбе почти два месяца. При соответствующем подборе ферментов удастся, по-видимому, в будущем осуществить «непорочное зачатие» на человеческой яйцеклетке и даже на сперматозоиде. Но при этом будет развиваться не «богочеловек», как говорит миф о Христе,

а нежизнеспособный, дряхлый урод.

Если бы можно было вводить в многоклеточный организм ДНК того же вида и довести ее до ядер, организм стал бы хоть и не совсем бессмертным, но долголетие его удалось бы растягивать во много раз. На пути стоят ферменты, разрушающие все нуклеиновые кислоты, кроме тех, которые действуют в ядрах данного организма. Но уже сейчас можно представить себе экспериментально созданные блуждающие ядра, защи­ щенные от действия нуклеазы, которые осуществляют восстановление информации в каждой клетке живущего организма. Они должны быть очень похожи на обычные вирусы.

Вирус бессмертия! Этот термин может показаться рискованным даже в фантастическом романе. Между тем он представляется просто

ки, т. е. такое деление, при котором в каждом ядре остается половин­ ный набор хромосом. При созревании половых клеток это происходит, и, конечно, можно обнаружить, какие именно ферменты регулируют этот процесс.

Четвертая должна вызвать рассасывание одного из двух гаплоид­ ных ядер, а именно того, в которое не попала пятая часть программы —

обыкновенный набор хромосом, свойственный данному организму. Конечно, эта фантастическая картина «личного бессмертия» не

отрицает процесса старения, необходимо вытекающего из самой дина­

153

ПОВЕДЕНИЕ

неожиданное продолжение эволюции живого мира

От совершенствования тела к совершенству действий. * Раздражимость как нелинейная реакция. * Поведение клеток. * Математическая и электрическая модели целесообразного поведения. * Психология одно­ клеточных животных. * Как появились органы чувств! Н* Коды, применяе­ мые в нервной системе. $ Рыбка-волчок. $ Где кончается инстинкт и на­ чинается опыт! Математическая и электрическая модели опыта. $ Опять

повышение содержательности. & Зачем кибернетика психологам!

Отбор наиболее приспособленных существ, как показал опыт исто­ рии органического мира, оказывается удивительно могучим методом, способным выработать любые варианты приспособления к условиям

внешней среды. На высочайших ледяных вершинах, где жизнь проте­ кает при недостаточности кислорода и низких температурах; в океан­ ских глубинах, где вечная тьма и огромное давление; в жарких, влаж­

ных девственных лесах экваториального пояса планеты — всюду отлич­ но функционируют и продолжают свой род самые непохожие друг на друга потомки первых живых полимеров — растения и животные.

И в то же время — это страшная система. Она не желает знать ни внутренних нужд одного страдающего организма, ни внешних причин его страданий или восторгов. С бесстрастием’ тирана она стгвит свои опыты и платит за них миллионами жизней.

155

Внутренние датчики животного показывают, что организм перегревается. Через нервную систему включаются охлаждающие устройства. Если это не помогает, подключается поведение.

Мы, люди, вышли из этой жестокой игры. На больничных койках,, где человеческий организм вступает в борьбу с вирусами и бактериями,,

главной силой стала не естественная и наследуемая приспособленность организма, а вмешательство медицинской науки и техники. В несовер­

шенных условиях организации общества, в социально отсталых стра­ нах, где население подвержено голоду, войнам или преступности, по­ беждает подчас не самый сильный физически, а изворотливый, жесто­

кий или бесчестный.

Некоторые трусливые люди пугали, что с прекращением естествен­ ного отбора развитие и совершенствование человечества окончится, и оно окажется во власти энтропийного развала, пойдет к хаосу. Но этого не произошло. Накопление информации предолжается в нарастающем темпе, и пределов его не видно. Однако на смену совершенствованию структуры человеческого тела пришло совершенствование его пове­ дения.

Когда первые растительные организмы, освоив фотосинтез, выра­ ботали способ непосредственного усвоения энергии Солнца, они тем

156

самым отрезали себе путь к выработке целесообразного поведения. Каждый из них в отдельности остался замкнутым в информационном ■отношении, способным только однажды развернуть программу, зало­ женную в семени, чтобы образовать новые семена. Те клетки, которые не пришли к фотосинтезу и вынуждены были заимствовать энергию у растений, — дали начало животному миру, где уже каждая отдельная особь была способна к выработке целесообразного поведения. Оно за­ ключается в том, что из огромного количества комбинаций движений, возможных при данном устройстве тела, выбираются такие, которые обеспечивают сохранение организма и продолжение рода. Среди этих комбинаций есть более вероятные и менее вероятные; по известной формуле Шеннона—-в принципе — можно вычислить количество ин­ формации, которое содержится в любом виде поведения.

Уже на ранних стадиях эволюции наметился путь обостренной реакции клеток на воздействия извне. Внешние влияния как бы давали толчок к автоматическому развитию реакции, лавинообразной пере­ стройке внутреннего распределения ионов. Сначала перестройка про­ ходит под знаком положительного обратного воздействия: ее первые результаты стимулируют перестройку, получается как бы взрыв; дойдя до определенного предела, новая ионная структура — распределение заряженных частиц—-переходит к отрицательному обратному воздей­ ствию на ход реакции; результаты дальнейшей перестройки гасят дви­ жения ионов, пока, наконец, вся система не возвращается к нарушен­ ному равновесию. В этом сложном обратном взаимодействии ионов вы­ ражается раздражимость клетки, которая является простейшим слу­ чаем управления состоянием клетки со стороны воздействий извне. Эти воздействия являются сигналами, а не физическими причинами. Акаде­ мик А. Опарин определяет раздражимость, как «реакцию, которая по

В 1939 г. физик Бартон доказал, что раздражимость отчасти мож­ но воспроизвести в довольно простой гидродинамической модели «от­ крытой системы», составленной из баков и трубок, по которым непре­ рывно протекает вода. В баках создается динамическое равновесие, и какая-нибудь посторонняя капля, нарушающая его, не просто увели­ чивает или уменьшает уровень воды, а вызывает резкий скачок уровня и постепенно затухающие колебания.

Аналогичную картину можно наблюдать при воздействии электри­ ческих сигналов на динамическое равновесие электронов в радиолам­ пах и полупроводниковых радиоприборах. В радиотехнике, например, для того чтобы поддерживать постоянство тока, накаливающего катод,

напряжения на концах бареттера сила тока в нем возрастает. От этого проволочка нагревается. А нагретая проволока имеет большее сопро-

157

Нервная клетка (нейрон) не возбуждается при незначительных воздействиях. Более сильное раздражение, превышающее порог, возбуждает ее полностью.

Затем возбуждение катится по отростку (аксону) к соседней клетке.

тивление, чем ненагретая, и сила тока в ней должна упасть. Поэтому в некоторых пределах изменение напряжения не сказывается на токе, он сохраняет постоянство, что заметно противоречит обычным зависи­ мостям. Устройство типа бареттера называют «нелинейным» звеном си­ стемы. Такая нелинейность, т. е. несохранение обычного количественного

описанных далее, технике удалось до известной степени воспроизвести процесс раздражимости той же физической природы — ионной, — кото­ рую он имеет в живой клетке.

Раздражимость живой клетки складывается из двух этапов: воз­ буждения и торможения. При этом процессе сигнал внешней среды ликвидирует неопределенность будущего состояния клетки и превра­ щается в команду, например: «сокращаться — не сокращаться».

Каковы тенденции развития организма, обладающего таким типом раздражимости?

С одной стороны, он выиграл бы от того, что внешние части его грубели, приближались к растительной инертности. С другой стороны,

внешний панцирь лишил бы его возможности получать команды извне. А отбор уже закрепил в нем способность отвечать сокращениями на такие команды, которые указывают либо на наличие пищи, либо на

158