книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

Дафнии из опытов Альвердеса не оказались в положении легендарно глу­ пого Буриданова осла: они случайно выбирали од-но из двух равновоз­ можных направлений к свету. (Об этом опыте см. стр. 299)

чение нескольких часов, и каждый раз реакция их будет одинаково быст­

рой и безошибочной»*.

Однако поведение инфузорий в поле электрического тока нехарак­ терно не только для всех живых существ, но даже для автоматов. Авто­ матическое управление начинается тогда, когда сообщение переходит в команду и одна часть информации связана с другой критерием целесо­ образности: когда инфузориям выгодно подплывать к катоду и удалять­ ся от анода. Но инфузории обычно не живут в местах, где проходит сильный электрический ток. Их движение к катоду — как в случае, когда мы, дергая за веревку капкана, управляем им извне — вынужденное, а не автоматическое. Оно зависит от того, что ток влияет на ионные пере­ стройки в клетке, на устройства, совсем не предназначенные для такого вмешательства.

По мере того как формы поведения усложняются, разбираться в них становится труднее. Положим, ясно, что брошенный камень не радуется, приближаясь к земле, но радуется ли инфузория, настигая пищу? Как

описывать ее поведение и стимулы?

Обстоятельное описание всех физических процессов, происходящих в клетках организма, попавшего в некоторые условия и отвечающего на1

1 Я. Дембовский. Психология животных. М., 1959, стр. 31.

160

Иное дело математическое описание и эксперимент на кибернетиче­ ском приборе. Такое описание содержит достаточно полную информа­ цию, а эксперимент позволяет дополнить его «первым выбором» — уста­ новить, правильно оно или нет.

Кибернетика дает нам два хороших приема, позволяющих прийти от субъективных понятий «хочет», «радуется», «обижается» к мате­ матике.

Во-первых, всякий стимул и всякое поведение содержит информа­ цию, а мы знаем, что информация может быть выражена последова­ тельностью цифровых сигналов, например нулей и единиц.

Во-вторых, всякую последовательность цифровых сигналов мож­ но рассматривать, как числр, как номер одного из возможных вари­ антов.

Проведя перпендикулярно друг к другу две прямые линии, мы будем считать их числовыми осями; каждое число можно изобразить точкой

точка в поле между осями может связать любую ситуацию с любым по­ ведением. Это поле назовем «полем переходов».

Поведение идеального, предельно жесткого автомата тогда можно передать строгим математическим образом: в поле переходов целесооб­ разно расставлено некоторое количество точек.

Можно представить себе разочарование читателя, когда вместо тре­ пета подлинной жизни ему предлагают изучать расстановку точек на чертеже! Но чертежик этот мы сможем затем очень легко и просто пре­ вратить в реальный механизм, обладающий тем же поведением, которое описано математически. Такой механизм называют «диодной мат­ рицей».

Диодная матрица — это просто сетка из проволок, натянутых на рамку-изолятор. Все вертикальные проволоки через шаговый искатель или любой другой коммутатор соединены с входом прибора. Все гори­ зонтальные проволоки через шифратор соединены с выходом. Но про­ волоки в пересечениях не соединяются — между ними есть промежуток. И только в пересечениях, соответствующих точкам поля переходов, про­ волоки соединены диодами — приборами, пропускающими ток в одном направлении.

Теперь любая — не очень большая! — комбинация импульсов при­ ведет электрический сигнал на одну определенную вертикальную прово­ локу, а с нее сигнал через диод перескочит на одну горизонтальную проволоку и определит выбор одной из множества возможных серий импульсов, управляющих движениями частей машины.

Это уже очень похоже на то, как сигналы действуют в организме, обладающем целесообразным поведением.

Слева — двухмерный график целесообразного поведения; справа — моде лирующая. его диодная матрица.

Правда, ни один живой организм, кроме, может быть, инфузорий между электродами, не ведет себя так, словно им управляет диодная матрица. Чертежик, оказывается, слишком прост, он идеализирует истин­

Такое бессмысленное поведение можно смоделировать на матрице, если через все перекрестья по развертке, идущей в диагональном на­ правлении, пропустить проволоку, а диоды заменить элементами, кото­ рые называются «И», — смысл этого названия выяснится далее. Пропу­ стив по новой проволоке неупорядоченную серию импульсов от шумо­ вого генератора, мы получим переход на горизонтальную проволоку там. где случайно сойдутся импульс шума и импульс, описывающий ситуа­ цию; этот переход определит поведение.

А средним, действительно отражающим существо явления, окажет­ ся чертеж, содержащий неравномерное распределение вероятностей перехода: в одних местах точки будут почти постоянными, а в других они почти никогда не появятся.

Чтобы получить такое поведение от матрицы, необходимо ввести в

каждом пересечении какие-нибудь накопители импульсов, например кон­

162

денсаторы, которые заряжаются при каждом совпадении, а достигнув определенного уровня зарядки, разряжаются и дают переход. Вместо шума в диагональную проволоку матрицы следует подавать импульсы, увеличивающие вероятность перехода при целесообразном совпадении ситуации и поведения, но уменьшающие ее при нецелесообразном. Эта проволока, следовательно, должна быть частью обратной связи, прохо­ дящей через внешнюю среду. Она несет информацию в 1 бит, обеспечи­ вающую самый первый выбор поведения: целесообразно оно в данных условиях или нет.

А теперь оставим на время проволоки и конденсаторы; посмотрим, что нам покажут живое наблюдение и математический образ.

...В ярко освещенном круге — поле наблюдения микроскопа — тол­ кутся крошечные капельки живого вещества — инфузории. Они питают­ ся, делятся, движутся. Движение их очень похоже на движение пылинок в луче света, оно соответствует гипотезе молекулярного беспорядка.

Можно рассматривать множество инфузорий одновременно, можно периодически снимать на одну и ту же кинопленку движения одной ин­ фузории — разницы нет. Самостоятельные живые существа, продукт дли­ тельной эволюции, они ведут себя так же, как частицы мертвой краски гуммигут в опытах физика Броуна; вернее, они никак себя не ведут, у них нет поведения.

Отсутствие поведения не обязательно ведь выражается в бездей­ ствии, оно проявляется и в отсутствии выбора, предпочтения одних воз­ можных действий другим.

Чертеж, иллюстрирующий отсутствие поведения, в избранной на­ ми форме будет удивительно похож на то, что видно в микроскоп. Он будет также соответствовать гипотезе полного беспорядка, будет стати­ стической моделью реального поведения.

уступает место кибернетической статистике: возникает анизотропность в распределении инфузорий по полю наблюдения. Мы обнаруживаем, что они живые. Частицы краски гуммигут не могут собираться в кучу: та­ кая флюктуация была бы весьма маловероятна.

Тщательное наблюдение показывает, что инфузории не «узнают», где находится сахар, и не выбирают направление к нему. Направления их движений всегда беспорядочны, и к сахару они попадают случайно.

Но попав в раствор сахара, они движутся медленнее, дольше задержи­ ваются в нем.

Физика, пожалуй, требует обратного: чем больше энергии получает система, тем она активнее. Изменение подвижности инфузорий при разных концентрациях сахара подчинено целесообразности: живому существу нецелесообразно убегать от пищи; если оно будет так поступать, оно умрет с голоду, исчезнет. Если же оно будет поступать

наоборот, оно выживет и даст многочисленное потомство, поступающее так же.

Краб идет к электроду невольно и нецелесообразно. Однако эти движения позволяют исследовать электрическую активность его нервных клеток.

Много усилий было положено биологами, чтобы выяснить, есть ли у инфузорий и других одноклеточных существ память и способность к обучению, совершенствованию своего поведения.

Известно, например, что инфузория «не любит» электрического уда­ ра. Попадая в поле тока,-она стремится от него уйти, поворачивает обратно. Известно, что амеба избегает прикосновения: в сужающейся трубочке она поворачивается и уходит на простор. Это врожденные реакции, свойственные всем инфузориям и амебам.

Ставился такой опыт. Часть трубочки с инфузориями закрывали от света. Хаотически двигаясь, крошечные существа беззаботно пересекали границу света и тени. Затем в тени их били током. Через некоторое вре­ мя инфузории стали поворачивать на границе света и тени, даже если на этот раз в тени их не ожидал электрический удар.

Амеба, которую загоняли в узкую трубочку много раз, от опыта к опыту тратила все меньше времени на поворот.

Поведение удостоверяло, что одноклеточные вынесли из эксперимен­ тов нечто такое, что трудно назвать иначе, как личным опытом. Чертеж показал бы явную анизотропность распределения вероятностей перехода от ситуации к поведению. Откуда она возникла?

Мы уже знаем, что совершенствование организма состоит в накоп­ лении обратных воздействий или связей, обеспечивающих его устойчи­ вость в изменяющихся условиях среды. «Вся жизнь, — говорил великий русский физиолог И. П. Павлов, — от простейших до сложнейших орга­ низмов,- включая, конечно, и человека, есть длинный ряд все усложняю­ щихся до высочайшей степени уравновешиваний внешней среды. При-

164

ствие биологического вида на самого себя через среду, в которой ДНК играет роль задержки. Каждая клетка в процессе отбора накапливает обратные воздействия, устойчиво регулирующие физико-химическое со­ стояние плазмы, ее кислотность, солевой состав, температуру, скорость реакций распада и синтеза, накопление запасов и темп размножения. Непрерывно происходят то блокировка, то активация ферментов, управ­ ляющих реакциями.

Поведение организмов продолжает цепь уравновешиваний, продол­ жает накопление обратных воздействий.

Так, содержание сахара в крови человека поддерживается на по­ стоянном уровне — 1 миллиграмм на 1 кубический сантиметр крови. Если сахара становится больше, специализированные ткани — железы— выделяют гормон инсулин, который превращает сахар в нерастворимый

гликоген, откладывающийся в печени. Если сахара в крови мало, дру­ гие железы выделяют гормон адреналин, который катализует обратный процесс— превращение гликогена в растворимый сахар и поступление его в кровь.

Эта химическая система обратной связи способна устранять рассо­ гласования с нормой, которые не превосходят некоторого предела. Если же такого регулирования недостаточно, через нервную систему вклю­ чаются резервные механизмы устойчивости. Избыточный сахар выводит­ ся из организма через .почки, а если и этого мало, головной мозг перера­

потовых желез и кожа испаряет влагу, появляется пигмент, мешающий проникновению тепловых лучей в ткани. Если недостаточно и этого, включается поведение. Птицы и кошки прячутся в тень, человек строит тент или едет на электричке снимать дачу.

У простейших организмов, у которых еще не сформировались струк­ туры обратных связей, поведение определяют обратные воздействия внешней среды. Действительно, когда над трубочкой с инфузориями, «пу­ гающимися тени», стали сдвигать затемняющую шторку, выяснилось, что инфузории поворачивают с места, где прежде была тень. Они реаги­ ровали не на тень, а на следы испытанного удара, оставленные ими са­ мими — какие-то оборонительные вещества. Память их оказалась «внеш-1

1 И. П. Павлов. Полное собрание сочинений, т. III, кн. 1, стр. 124— 125.

165

ней». А совершенствование поведения амебы сводилось, по-видимому, к тому, что внутри ее организма накапливались ферменты, управляю­ щие разжижением плазмы.

Когда в процессе отбора появляются многоклеточные организмы, начинается специализация клеток. Большая часть внешних клеток ста­ новится на защиту внутренних — пищеварительных, а некоторые группы клеток остаются двигательно-ощущающими, клетками таксиса. Именно они совершенствуют и специализируют свою раздражимость, они легче возбуждаются и энергичнее тормозятся, чем остальные. Другие клетки вырабатывают специфические вещества, которые нужны для обострения чувствительности, а взамен клетки таксиса обеспечивают все возра­ стающую способность целого организма приспосабливаться к меняю­ щимся условиям среды уже в пределах одной жизни. У кишечно-полосг- ных животных, например, физиологи обнаруживают так называемую «диффузную нервную сеть», рассеянную по всему телу.

По своему значению для организма части тела далеко не равно­ значны, и впоследствии основные массы нервных клеток концентриру­ ются у ротового отверстия. С умножением слоев клеток вместо одной двигательно-ощущающей группы на этом же месте появляется цепочка групп, ведущая обычно от внешних частей тела внутрь. Наружные клет­ ки вырабатывают избирательную чувствительность к физической при­ роде и силе сигнала, внутренние — активное выделение гормона, вызы­ вающего раздражение других клеток — ацетилхоЛина. Промежуточные клетки нейроны обостряют способность проводить импульсы ионной пере­ стройки, возникающие близ оболочки клетки, в одну сторону, как это делает диод.

В местах, где цепочки пересекаются, — ганглиях — возникают пере­ плетения клеток, отчасти похожие на диодную матрицу. Организм по­ лучает способность накапливать информацию о целесообразности раз­ ных типов поведения внутри себя.

Чувствительность специализированных наружных клеток — «датчи­ ков»— обостряется в разных направлениях. Окончания одних клеток реагируют на механические движения в воде; потом, когда организм выберется на сушу, они снабдят его осязанием и слухом. Другие — обо­ стряют чувствительность к химическим веществам, проникающим внутрь клеток сквозь их оболочки. Позже эти клетки станут основой органов обоняния, вкуса, а также «интерорецепторами», чувствительными к веще­ ствам, вырабатываемым самим организмом для внутреннего химическо­ го регулирования. Третьи клетки передают сигналы об изменении тем­ пературы. Наконец, некоторые клетки-«датчики» оказываются способ­

спектра сигналов. «Глаз, который видел бы все лучи, именно поэтому не видел бы ровно ничего», — писал Энгельс.

166

Чувствительность организмов к разным зонам светового спектра изучал биолог Мает. Он установил, что у дождевых червей максимум восприятия находится в области длины волны 483 миллимикрона, у ли­ чинок мясной мухи — 503, у жгутиков — 524 миллимикрона. Для того чтобы процесс раздражения начался, необходима какая-то минималь­ ная сила сигнала, превышающая порог раздражения. После этого раз­ дражение протекает независимо от того, насколько сила сигнала пре­ вышает минимальную. Это свойство клеток управляющих систем — ней­ ронов — впервые было замечено ученым Боудичем в 1871 г.; позже известный психолог Вундт назвал его законом «все или ничего».

На языке точных наук это свойство называется «экстремально­ стью», так как «экстремум» — общее название для двух крайних точек всякого процесса, для максимума и минимума.

В технике оно называется «релейной характеристикой» и на графи­ ках изображается ступенью.

Принцип «все или ничего» сравнительно грубо описывает характе­ ристику нейрона. Более точные эксперименты обнаружили многочислен­ ные отклонения от этого принципа (технические реле работают более четко), но для общего представления о функциях системы он достато­ чен; отклонения от него могут сглаживаться в процессе взаимодействия клеток.

Второй закон, выведенный для нервных клеток, называется «дина­ мической полярностью». Он отмечает, что возбуждение не охватывает всей клетки с ее отростком — «аксоном» — сразу. Оно как бы катится вдоль аксона всегда в одном направлении, а следом за ним движется зона торможения, мешающая импульсу пойти обратно.

Величина импульса колеблется в разных нейронах от 10 до 100 мик­ ровольт, а скорость его движения — от 20 до 90 метров в секунду. При этом положительные ионы натрия прорываются через оболочку внутрь

167

Непосредственно измеряя силу раздражения и частоту нервных импуль­ сов, бегущих по аксонам, можно обнаружить два чередующихся частот- но-модулированных кода: один показывает абсолютную силу раздраже­ ния, а другой — направление ее изменения. Этот второй — дельта-код.

чивает частоту импульсов по мере снижения температуры. Однако графики, опубликованные биологом Г. Хензелем ‘, показывают, что серии импульсов, описывающей абсолютную величину раздражения, всегда предшествует серия, показывающая, куда, в какую сторону раз­ дражение изменяется. Так, при повышении температуры холодовый дат­ чик выдает серию очень редких импульсов, а при ее снижении — серию очень частых, и только вслед им идет информация об истинном уровне температуры. Чувствительный элемент нервной ткани передает свои со­ общения смешанным кодом: сначала идут двоичные сигналы (дельта­ модуляция), а затем обычные (частотная модуляция).

Крайние внутренние клетки управляющих цепей организма специа­ лизируются на сокращениях — механических изменениях формы, вызы­ ваемых возбуждением, переданным средними клетками цепи. Они обес­ печивают движения всего организма и составляют его мышечную ткань.

Так, сигнально-двигательная система выделяется в многоклеточ­ ном организме. Ее формированию способствует наличие симметрии.

Симметрия вначале приводит к образованию целого семейства управляющих цепей. Соответственно направлению воздействия: слева, справа, сверху, включаются правые, левые, нижние мышцы. И хотя в каждой из цепей возможно появление сигнала только в 1 бит— «сокра­ щаться— не сокращаться», сумма цепей содержит уже более сложную1

1 «Процесс регулирования в биологии». М., 1960, стр. 56.

168