3.4. Жизнь, информация и управление.
Принято
считать, что элементарная форма жизни в виде безъядерной клетки (прокариота)
появилась на Земле около 3,8 миллиардов
лет тому назад. Однако В. И. Вернадский считал, что жизнь на
Земле была всегда, то есть до появления клетки. Этот вариант подробно мы будем
обсуждать в главе 4, где покажем, что между молекулярными агрегатами и клеткой
должны были существовать многие мезоформы (протобионты). По сути дела клетка -
это тоже молекулярный агрегат, но уже управляемый. Вычленим элементы
управления, которые можно увидеть в клетке.
Клетка состоит из множества подсистем,
объединенных коммуникациями. Разнообразные клетки сохраняют в целом сходную
структуру. Между частицами клетки идёт обмен веществом, энергией и информацией.
Переносчиком этой триады являются молекулы и электромагнитные волны [292].
Информация передаётся посредством
конфигурации молекул и просто их присутствием [109, 110]. Энергия
химических связей является источником энергии – питанием для живых организмов.
Фрагменты молекул - это сырьё и материалы.
В клетке есть центр управления (ДНК, ядро),
где хранится память о прошлом филогенетическом опыте и программы развития. Мы
видим выделение в структуре клетки специализированного блока памяти (ядро). В
более простых, неживых структурах память о взаимодействиях располагается во
всей атрибутивной структуре, но в большой степени в пограничных
структурах. В клетке же память
сконцентрирована в центре (в ядре), следовательно, более защищена от разрушения.
С внешней
средой ведётся обмен молекулами через специальные фильтры. Через мембрану в
клетку могут попадать высокополимерные материалы (ферменты, гормоны) и выходить
метаболиты. Свойства мембран изменяются в зависимости от состава внешней среды.
На мембранах имеются рецепторы
узнавания. Нужное пропускают. Чужое и враждебное задерживают или разрушают.
Обмен веществ идёт непрерывно. Внутри клетки имеется внутренняя транспортная
система (эндоплазматический ретикулум), по которой движутся полимерные
молекулы. Лизосомы переваривают поступающий в клетку материал, продукты
расщепления идут в разные отделы клетки и используются как материалы для
ремонта, и как источник энергии. Митохондрии – энергетические станции клетки
могут самостоятельно размножаться и
обладают собственной ДНК (организм в организме). Рибосомы (цех по производству
белков) управляются командами, которые разносят молекулы м–РНК. Эти команды
считываются с «законодательного» блока – ДНК. Клетка непрерывно
самообновляется. Ведётся плановый ремонт. Заменяется буквально всё (белки,
ферменты, фрагменты ДНК, органеллы). Цель живой системы - самосохранение.
Главным действующим «лицом» клетки являются молекулы, а главным взаимодействием
– химическое. Однако не следует думать, что в клетке не используются
коммуникации посредством электромагнитных волн (свет) [292]. Известно свечение
морских микроорганизмов. Светлячки (жуки) светятся в темноте посредством
микроорганизмов. Возможна передача сигналов тревоги, опасности посредством
ультрафиолетового излучения микроорганизмами и синхронизация деятельности
колонии бактерий [ 82, 90, 291]. Все
процессы жизни клетки контролируются ядром. Запуск синтеза белка осуществляется
сигналами, проникающими через мембрану клетки [198]. Это сигнальные молекулы,
например, гормоны, которые проходят через мембранные фильтры, как показано на
схеме (рис.3.4.1). Как видно, уже на уровне живой клетки идут процессы
поддержания гомеостаза методами обычными для управления.
Принято
считать, что в обычных клетках функция
«планирования и прогнозирования» отсутствует, но если говорить о
специализированных на управлении клетках (нейронах), то их реакция на входные
сигналы зависит от цели. Из – за своего поведения нейрон назван организмом в
организме и обладает «опережающим отражением» [16,17,12,18].
Рис.3.4.1. Информационные цепи живой клетки
Нейроны
обладают врождёнными знаниями и обучаются в ходе онтогенеза. У нейрона можно
выработать даже условный рефлекс [238]. Нейроны сенсоров изменяют свою
чувствительность под влиянием мозга. Активизация нейрона зависит от целей
поведения. Реакция нейрона может изменяться или даже исчезать. Нейрон отражает среду с учётом прошлого опыта. В
этом состоит его действие ради «удовольствия». Как только нейрон удовлетворит
свои потребности, он прекращает действовать, а его потребности удовлетворяются
метаболитами соседних клеток [250, 247]. Наличие пускового стимула недостаточно
для адекватного поведения нейрона. Действие возникает после обучения, при
наличии мотивации, соответствующей обстановки [294]. Как видно, нейрон - это
клетка, которая нуждается в обучении. В мозге нейрон встраивается в
функциональные системы, для этого у него отрастают аксоны, связывающие его с
другими нейронами. Каждый опыт мозга приводит к изменению сети связей. Может
быть, по этим причинам нейрон живёт
дольше других клеток, которые делятся и
умирают. Но смерть нейрона - это потеря его жизненного опыта, поэтому, чем
дольше живёт нейрон, тем лучше. В юном возрасте закладывается избыток нейронов,
которые выключаются в процессе старения.
Некоторые клетки иммунной системы (которые должны долго помнить своих
врагов) также живут очень долго.
«Планирование»
своей деятельности (программ поведения ориентированных в будущее) можно
усмотреть в любой клетке на примере ДНК. ДНК содержит программы синтеза ферментов,
которые будут в последствии разрезать и
сшивать эту гигантскую молекулу. Представьте себе человека, который создает
хирургические инструменты для лечения ран, полученных в будущих войнах. Для
этого человеку не обязательно самому изобретать инструменты. Он может просто
воспользоваться опытом социума (опытом прошлых поколений). ДНК делает то же
самое.
Следующий уровень усложнения - это колонии
бактерий. Колонии бактерий демонстрируют новый уровень управления. Идёт обмен
метаболитами между клетками. О световых сигналах взаимодействия мы уже
говорили. В колониях проявляются признаки сложных систем. Появляется общая цель - выжить вместе с колонией. Если
рассмотреть колонию бактерий, то для невооруженного глаза это просто круглое
пятно. В микроскоп можно увидеть, что устройство колонии таково, что остаются
проходы для питательной среды, своеобразные каналы, по которым пища поступает и
к периферийным особям, и к тем, которые находятся в центре колонии. Это уже
проявление системного альтруизма. Забота не только о себе, но и о других членах
колонии [142]. Как осуществляется механизм самоорганизации колонии, нам не
известно. Скорее всего, он
контролируется метаболитами и волновой информацией.
Приведем
другой пример. Амебы – простейшие одноклеточные питаются бактериями. Когда на
территории их обитания не остается корма, амебы собираются в плотный комок,
напоминающий виноградного слизняка. Возникает как бы организм из одинаковых
клеток, который способен передвигаться тем же способом, как это делает улитка [195].
Поражает при этом синхронная работа огромного количества одноклеточных
организмов. Несомненно, что идет обмен информацией между клетками, идут сигналы
управления. Однако образуется ли в этом сообществе центр управления или это
поразительная самоорганизация, нам не
известно.
Есть еще одно животное (гидра), которая может
быть разобрана на мелкие части и затем регенерируется путем самосборки клеток.
Если гидру растереть в ступке в кашицу и оставить в покое, то разобщенные
клетки снова соберутся в гидру. Это напоминает толпу солдат, которые по команде
«становись» строятся в колонну в строгом порядке. Здесь мы тоже видим
самоорганизацию. Это явление ярко проявляется в любом живом организме. В
отличие от колонии, которая стремится расти неограниченно, в организме любой
орган осуществляет свой рост в определенных границах. Сверхмерный рост любого
органа это опухоль, патология.
Эволюционным
предшественником организма являлась колония. Не все колонии микроорганизмов остановились
в своем развитии. Очевидно, около 600-700 млн. лет назад некоторые колонии
клеток нашли этот способ существования не лучшим и «срослись» в многоклеточный
организм. При этом произошла специализация клеток по функциям. В колонии
выделились органы – подсистемы, в том числе подсистемы специализированные на
приеме (сенсоры), передаче (нейроны) и переработке (нервные узлы) сигналов. К
химическому и волновому способу передачи информации добавился электрический
(нервная система). Амебы способны чувствовать тепло, прикосновение, имеют
некоторое подобие нервной системы. Черви уже имеют нервную систему и нервные
узлы. Рыбы обзавелись мозгом [242]. Растения и грибы так и не приобрели себе
нервную систему и мозг, поэтому их реакции достаточно просты, хотя есть
сведения о том, что растения могут узнавать своих врагов (людей) и реагировать
на них возбуждением.
В ходе
эволюции технологические находки обычно не теряются. Они сохраняются и к ним
добавляются новые. Так гуморальная (химическая) система дополнилась нервной
системой. Гуморальный сигнал адресован всем и может распространять с потоками
жидкости на любые расстояния, хотя и медленно, но реагируют на него только те,
которым он предназначен. Нервный импульс доходит до своего адресата более точно
и более быстро.
Таким
образом, система управления
развивалась по пути интегрирования элементов, их специализации, увеличения
количества и качества информационных
каналов (скорость, дальность и точность распространения сигнала).
Фильтрация
информации в сенсорах прослеживается на всех уровнях: клеточном, организменном.
Объем памяти увеличивается: растет количество хромосом в клетке, увеличивается
длина ДНК [158], увеличивается количество нейронов в мозге.
Например, ДНК бактерий содержит 4∙106
пар нуклеотидов. ДНК мухи дрозофилы имеет уже 1.55 ∙108 пар
нуклеотидов. А у человека самая длинная ДНК (около 1 метра), содержит 3∙109
нуклеотидов [165]. Причем, как всегда, старые структуры не отбрасываются. На
них наслаиваются новые. Существует, например, фантастический проект воссоздания
динозавра из ДНК мыши [160], так как мыши появились после динозавров и в них
есть память о прошлых эпохах существования биосферы.
Биосфера,
состоящая из простейших и одноклеточных, просуществовала около 1.5 млрд. лет.
Процесс видообразования шел с ускорением. На этом фоне наблюдается интенсивный
прирост количества информации, циркулирующей в живых системах (оперативной
информации). Тейяр де Шарден [246] назвал этот процесс цефализацией. Если
выразить коэффициент энцефализации как отношение массы мозга к массе тела, то
получится следующая картина возрастания этого коэффициента в относительных
единицах: рыбы (1) – рептилии (2.5) –
млекопитающие (6.5) – птицы (8-15) – дельфин (27) – человек (38). Это усредненные цифры, так
как среди вида наблюдается большой разброс в интеллекте. Среди птиц самые
«интеллектуальные» попугаи (17) и врановые (15) [101].
Итак, виден
количественный и качественный рост систем управления в ходе эволюции живого, а
это является убедительным доказательством того, что управляемая ноосфера
появилась до человека и человек является лишь следствием её развития.
Эволюция систем управления, кроме развития каналов связи (информационных систем), рационализировала и сделала экономичной передачу информации. Кроме того, повышался коэффициент полезного действия живых систем в переработке энергии.
В живом
начала «работать» сигнальная система. Вместо подробной «инструкции», как
поступать и что делать, передается символ, сигнал, запускающий нужный каскад
действий. В клетке сигналом служит определенная молекула. Клетка предварительно
«научилась» ее узнавать. Между клетками информация также передается химическими
сигналами (метаболиты). Организмы (сросшиеся клетки) используют химические, электромагнитные и электрические сигналы. В сообществах живых
организмов (животных, растений, насекомых) кроме этих сигналов, широко
используются запахи (химические сигналы) звуковые, световые, электрические
(рыбы) сигналы. Звуковые сигналы очень широко распространены. В «словаре» кошки
– 21 сигнал; у свиньи – 23 звука; у курицы – 25 [242]. Используется
дублирование каналов информации и их специализация. Каждый рецептор
специализирован. Нервный канал состоит из пучка нервных волокон, дополняющих
друг друга.
Наблюдается иерархия управленческих
уровней. Эволюция живого – это последовательное наслоение уровней управления.
Управление ускоряет эволюцию, делает ее
направленной. Высшие управленческие уровни вовлекают низшие в эволюцию,
объединяясь с ними в новые, более сложные информационные пакеты. Для надежности
используются совместно гуморальная (древняя) и нервная (более молодая) системы.
Мозг человека содержит все древние подсистемы, но более всего в мозге человека
развита кора, которая также иерархична.
1.
Метаболиты 1. Эндокринные
органы
2.
Биоактивные 2. Эндокринные
ткани в органе
вещества 3. Клетки с эндокринной
функцией
Рис.3.4.2. Схема гуморальной регуляции.
Схема
гуморальной управляющей системы представлена на рис.3.4.2 [198, 197].
Гуморальная система использует кровеносные и лимфатические протоки для передачи
своих сигналов. В данном случае материальный поток является одновременно и
информационным каналом. Гуморальная система управления работает медленно,
действуя на большие расстояния (размеры организма). Сигнал распространяется со
скоростью потока жидкости. Эндокринные клетки и органы в ходе эволюции
специализировались на выработке сигнальных метаболитов.
Эволюция шла от метаболизма отдельной клетки к
метаболизму организма (эндокринная система). Такого рода сигналы, как
говорится, «на всю Ивановскую»
сохранились и в сообществах животных (крик об опасности), и людей (средства массовой
информации). На более древнем уровне истоками гуморального регулирования
являлись цепные химические реакции, когда одна реакция запускала цепь других реакций.
Нервная и гуморальная регуляции связаны.
По нервам сигналы распространяются со скорость 70-120 м/с, но существуют и
«медленные» каналы 0.5-2 м/с. Возможно эти нервные каналы имеют разный
эволюционный возраст. Вероятно, скорость передачи нервного сигнала также
изменялась в ходе эволюции. На пути нервного сигнала есть ретрансляторы (усилители
слабого сигнала).
Нервные центры – скопления нейронов
специализированы на определенных функциях. Входные и выходные нервные каналы
раздельные. Соблюдается принцип субординации. Низшие подчиняются высшим. Схема
нервной регуляции приведена на рисунке 3.4.3.
Рис. 3.4.3. Схема нервной регуляции
Выделяют минимум три уровня
регуляции [197]:
1.Низший уровень – относительно автономные
локальные системы. Это местная саморегуляция способная работать без сигналов из
«центра». Это регулировка давления крови, тканевый кровоток и т.п.
2.Приспособительный уровень – реакция на
внутренние изменения. Адаптация к внешней среде.
3. Оптимизация жизнедеятельности.
Настраивает работу 1 и 2 уровней. Использует критерии оценки состояния внешней
и внутренней среды
Следует отметить ряд принципов, выявленных в системах
управления живыми организмами:
1.
Принцип избыточности – число
элементов больше, чем надо. Много нервных клеток и связей. Множество каналов информации.
Избыточность информации.
2.
Принцип резервирования –
покоящиеся элементы способны включаться по мере надобности. Например, не все
альвеолы легких работают в покое. Имеется также много резервных капилляров.
3.
Принцип периодичности функционирования. В легких
постоянно меняются альвеолы, одни отдыхают – другие работают. В почках тоже
происходит с нефренами. В мозге с нейронами.
4.
Принцип взаимозаменяемости и замещения функций. Например,
пораженные участки мозга компенсируются другими. Функции поврежденной мышцы
берут на себя другие мышцы.
5.
Принцип
дублирования – две
почки, два легких, два полушария мозга, две кроветворные системы. В нервах идет
параллельный пучок нервных волокон.
6.
Принцип
смещения в ряду сопряженных функций.
Если нарушается одна функция, то активизируется другая. Если нарушено дыхание,
то в крови появляется больше эритроцитов (переносчиков кислорода).
7.
Принцип
усиления. Слабый
информационный сигнал порождает мощную реакцию.
8.
Правило
исходного состояния.
Реакция зависит от предыстории, (усталая мышца реагирует не так, как
отдохнувшая).
9. Системогенез – обьеденение разных уровней
организации во всех звеньях иерархии.
Все перечисленные принципы организации управления в
организмах можно обнаружить, например, в организации человеческих
производственных систем.
1.
Принцип избыточности.
Мощность производства (цеха) должна быть избыточной, то есть работа ведется не
на предельной мощности. Это дает возможность при ремонтных, профилактических
работах не останавливать производство, а последовательно ремонтировать
различные подразделения, используя избыточные мощности.
2.
Принцип периодичности.
Сменная работа людей. Механизмы работают без остановки от ремонта до ремонта.
Производятся периодические остановки для профилактики.
3.
Принцип резервирования.
Всегда имеются сырьевые резервы, резервы складских помещений, резервы денег,
идей и т. п.
4.
Принцип взаимозаменяемости.
Диверсификация производства. При осложнениях с выпуском продукции А
интенсифицируют выпуск продукции В или С. Это повышает надежность.
5.
Принцип смещения в ряду сопряженных функций. При дефиците энергии включается механизм ее экономии.
Смотри также – диверсификация.
6.
Принцип дублирования. У
любого специалиста есть заместители на случай болезни, командировки.
7.
Принцип усиления.
Нажатие кнопки может запустить в работу большой механизм.
8.
Привило исходного состояния.
Совершив ошибку в выборе партнеров, поставщиков, в дальнейшем поступают
осторожнее.
9. Системогенез.
Все системы производства работают как единый механизм.
10. Любое производство (фирма) эволюционирует,
имеет свой онтогенез.
Следует рассмотреть особо функции иммунной системы,
предназначенной для защиты от «чужого белка и своего мутанта». Будем
осуществлять сравнение функций иммунной системы организма и защитной системы
человеческого социума.
1. Неспецифическая защита против любого инородного объекта,
который не может коньюгировать с пользой для системы. Это барьеры клеточные, гуморальные, барьеры кожи,
эпителия, слизистых оболочек. Они являются механической преградой.
Аналогично в человеческом социуме есть заборы, колючая проволока,
рвы, границы и т.п.
2. Специфическая защита – иммунная система, гуморальная
система, клеточный иммунитет, фагоциты – поглотители чужих клеток, белковые
системы, разрушающие оболочки клеток-чужаков. Блокирование чужеродного тела
(занозы), изоляция и разрушение.
В социуме аналогами являются органы МВД, пограничники, ФСБ,
секретные агенты. Тюрьмы – изоляторы.
Иммунная система предназначена для защиты от чужих белков,
липидов, полисахаридов. Защита эшелонированная. На службе иммунной системы
находятся полуобученные клетки (Т-клетки), которые «дежурят» в лимфоузлах на
путях миграции потенциальных «нарушителей». При контакте с чужаком (антигеном)
они адаптируются к его системам и перерождаются в Т-лимфоциты, которые
приобретают способность убивать чужие клетки. Обученные Т-лимфоциты
долгожители, они «гуляют» по крови и лимфе много лет. Долгожительство Т-лимфоцитов есть цена за их
«память» о врагах и опыт убивать. В органах МВД также есть специализация по
разным видам правонарушений.
Выводы
1.
Структура
и принципы управления внутри живой клетки подобны структурам и принципам
управления организмов и социумов.
2.
Клетка,
организм, социум (колония) постоянно регенерируются.
3.
Нейрон
– клетка, специализирующаяся на управлении (прием, переработка и передача
информации).
4.
Знания
клеток передается по наследству, но нейроны плюс к этому способны обучаться,
воспринимать опыт колонии клеток.
5.
Системы
управления эволюционировали путем интегрирования, специализации элементов,
увеличения количества и качества
информационных каналов, увеличения объема памяти и элементов управления.
6.
Процессы
управления в ходе эволюции увеличивали энергопотребление из окружающей среды.
7.
Управление
ускоряет эволюцию, направляя ее по определенному коридору.