3.5. Генезис управления.
Природа
творила свои структуры миллиарды лет [307]. Реорганизация осуществлялась под
влиянием изменяющихся условий среды.
Наиболее быстрый этап изменений продолжался около пяти минут после Большого
взрыва (15-20 миллиардов лет назад). За
это время температура
снизилась с 1032 К до 104
К. Частицы вещества сталкивались друг с другом, объединялись в агрегаты и
распадались. Если возникший агрегат оказывался устойчивым в условиях высоких температур,
то у него появлялся шанс избежать распада под влиянием флюктуаций энергии. Если
за время его существования температура успевала снизиться, то это ещё больше
увеличивало устойчивость. Таким образом, например, возникли нуклоны из кварков.
Взаимодействие кварков осуществляется путем обмена глюонами. Это уже
элементарный цикл взаимодействия. Не
всякие сочетания трёх кварков оказались устойчивыми, а только некоторые
(протон, антипротон, нейтрон, антинейтрон). Устойчивый агрегат размещался в
своей «потенциальной» яме (см. рисунок 4.2.2). Потенциальная яма является
первым саморегулятором гомеостаза. Отклонение от равновесия включало
механизм стабилизации, самосохранения. Начал работать принцип Ле-Шателье.
Последующая
конъюгация информационных пакетов усложняла структуры. Агрегация нуклонов
образовала ядра атомов. Избежали распада только те ядра, которые входят в
состав атомов внесенных в таблицу Менделеева. Не все ядра обладают одинаковой
устойчивостью. Наиболее стабильно ядро железа [139]. Однако и ядра
других элементов оказались способны существовать в современных условиях.
Трудно
установить начало дифференциации структур и их специализации. Кварки в нуклонах
уже не равноправны. Все протоны в ядрах
считаются равнозначными, хотя условия существования протонов в центре
ядра и на периферии, скорее всего, неодинаковы.
Дальнейшее
расширение и понижение температуры Вселенной сделало возможным дальнейшие
конъюгации. Ядра объединялись с электронами и возникли атомы
(в начале простые, потом
сложные).
Появление атомов ознаменовало начало «эпохи» централизации. Атом – объединение явно неравноправных компонентов. Ядро является центром, вокруг которого объединяются электроны. Ядро неизменно, стабильно, создает электромагнитное поле, удерживающее электроны. Электроны могут менять орбиты, отрываться от ядра. На орбите электроны «размазаны». Их нахождение в той или иной области вероятностно. Ядро - это еще не центр управления, но уже доминант. Пока ядро существует, может образоваться атом.
Атом уже
обладает способностью «запоминать» прошлые события. Под
влиянием внешнего электромагнитного поля электрон может «перейти» на более
высокую орбиту и находится на ней определенное время, то есть помнить
воздействие. Возврат электрона на свою
стабильную орбиту сопровождается излучением кванта энергии. Это уже реакция
на внешнее воздействие. Это свойство атомов в наше время
используется для построения логических элементов типа да-нет,
входящих в системы искусственного интеллекта [154]. Атом поглощает не любой
квант электромагнитного излучения (источник информации), а только тот, который
соответствует энергии перехода электрона
на высшую орбиту. Здесь мы видим принцип фильтрации информации,
который широко используется во всех человеческих управляющих системах. Реакции
атома на внешнее воздействие детерминированы и относительно предсказуемы.
Внешняя среда может воздействовать как на ядро атома (ядерный магнитный
резонанс), так и на его электроны. Фактором
возмущения выступает внешняя среда, которая побуждает атом совершать
ответные действия. Атомы способны взаимодействовать с другими атомами, образуя
соединения (молекулы). Атомы способны долго выдерживать «натиск» внешней среды,
сохраняя свой гомеостаз. За это время
они могут образовывать еще более сложные и более разнообразные соединения.
К моменту
появления молекул температура в некоторых областях Вселенной сильно понизилась (<103К)
и это позволило образоваться очень большому количеству химических
соединений (более 107 типов).
Молекулы обычно не существуют в одиночку. Обычно это агрегаты – газообразные,
жидкие, твердые. Свойства известных
веществ – это свойство не единичной молекулы, а их агрегатов. Свойства
воды не совпадают со свойствами одиночной молекулы Н2О. Агрегаты
молекул – это системы, где могут происходить химические реакции. Свойства
отдельных молекул разные. Даже в мономолекулярном газе все молекулы отличаются
друг от друга величиной кинетической энергии и координатами в пространстве.
Молекулы бывают «холодные» и «горячие». Между молекулами временно возникают и
распадаются связи.
Между
внешней средой и молекулярным агрегатом
происходит обмен энергией и информацией (обмен веществ). Например, квант
света может поглотиться молекулой,
перевести ее в возбужденное состояние. Через некоторое время молекула возвращает
в окружающую среду квант другой частоты. Молекулы распадаются на фрагменты
(«умирают») и из обломков возникают снова («рождение»). Этот процесс
равновесный. Изменение температуры, давления, освещенности может
смещать равновесие в сторону синтеза
или распада (реакция на воздействие). Эти реакции статистически
предсказуемы, то есть молекулярные реакции детерминированы.
Если смеси состоят из молекул разной
структуры, то между ними начинаются химические взаимодействия, изменяющие
состав смеси. Процесс развития смеси во времени напоминает онтогенез
живых существ. Самопроизвольный
процесс направлен на частичное уменьшение внутренней энергии и рост энтропии
(т.е. к смерти). Внешние воздействия вызывают реакции системы, которые
направлены всегда на компенсацию этого воздействия (принцип Ле-Шателье).
При наличии внешнего источника энергии в
молекулярных смесях могут протекать колебательные химические реакции (реакции
Белоусова – Жаботинского) [95]. При изменении
температуры и давления смесь может изменять свое агрегатное состояние.
Например, при охлаждении пары воды
переходят в жидкость, а затем в лед (кристалл).
В жидком и твердом состоянии появляется особый «сорт» молекул,
находящихся на границе раздела фаз. Эти молекулы более реакционноспособны,
чем находящиеся в объеме.
Следовательно, молекулярные системы способны реагировать
на внешнее воздействие, обменивается энергией и информацией со средой, пытаться
стабилизировать свою внутреннюю организацию и форму.
Стохастическое
взаимодействие между элементами поддерживает гомеостаз системы
(самоуправление). Можно ли увидеть «ростки» управления на этом уровне? В
человеческом понимании со всеми перечисленными выше признаками – нет.
Управление это процесс, содержащий
определенную совокупность факторов. Если какого либо фактора нет, то управление
не реализуется. Но факторы, комбинация которых порождает управление, существуют
в разрозненном виде и на элементарном уровне материи. Например, если в
насыщенный раствор соли попадет кусочек
кристалла той же соли, то стохастизм системы
изменится. Возникнет целенаправленный процесс перехода соли из раствора на
кристалл. Кристалл будет расти, а раствор уменьшать свою концентрацию, пока не
наступит равновесие. Здесь выделился доминирующий элемент (кристалл), который своим
присутствием навязал системе определенное поведение. Представьте аналогию. В
человеческом коллективе может появиться неформальный, харизматический
лидер, который своим обаянием станет привлекать к себе людей. Вокруг лидера
может возникнуть неформальная группа, объединенная общими интересами. Группа
будет расти, увеличиваться в численности, пока не наступит равновесие и рост не
прекратится.
Рассмотрим
другой пример, приведенный Богдановым [38]. Если каплю воды поместить в
насыщенные пары воды, то она станет «притягивать» молекулы пара и расти,
увеличивая свой объем. Когда размер и вес капли
превысят прочность её оболочки (поверхностное натяжение), то капля
распадётся на две приблизительно равные капли. Далее процесс размножения будет
продолжаться в геометрической прогрессии.
Размножение капли по способу отличается от размножения, например,
бактерии, но по факту и по сути это все же
размножение. В системе пар – жидкость капля является доминантам, задающим
направленность процессов, уменьшающим стохастичность.
Рассмотрим,
какие элементы управления можно увидеть в молекулярных системах.
1. Обмен информацией с внешней средой и между
внутренними элементами.
2. Гомеостатические процессы саморегулирования.
3. Разделение функций между элементами. Пограничные молекулы на
поверхности капли удерживает её от распада. Пограничные слои молекул на
поверхности кристалла обеспечивают его рост. Появляются доминирующие подсистемы
– центры конденсации и кристаллизации. Функции границы отличаются от функций объема.
4. Стремление
к экспансии. Например, газ заполняет любое «пустое» пространство. Кристалл
теоретически неограниченно растёт пока отсутствуют препятствия
и имеется «сырьё» (ресурс).
5.
Противодействие внешним воздействиям (принцип Ле – Шателье).
6.
Самосохранение
с элементами размножения.
7. Наличие
памяти. Вода запоминает воздействие магнитных полей. Кристаллы
ферромагнитных материалов используются людьми как элементы памяти компьютеров
для записи информации
на магнитных лентах,
дисках и т. п. Некоторые сплавы обладают памятью формы. После
деформации и при последующем нагреве тело восстанавливает свои
прежние формы.
8. Приём
и переработка информации. Воспринимаются электромагнитные и тепловые
излучения и переизлучаются в другом частотном
диапазоне.
9. Регенерация подсистем. В
кристаллах происходит самозалечивание дефектов.
10.Фильтрация
информации (поглощаются не любые кванты).
Однако в молекулярных системах отсутствует чёткая
дифференциация подсистем. Не разделены функции приёмника, транслятора и
передатчика информации. Нет центра управления. Преобладает самоорганизация. Нет
обучаемости, запоминается только
одно воздействие, (например,
магнитный гистерезис), но не
последовательность воздействий.
Объем памяти мал. Реакции на
внешние воздействия детерминированы, их
количество относительно мало
(деформация, перестройка структуры, излучение квантов энергии).
Отсутствует опережающее отражение. Нет сигнальной информации.
Высокомолекулярные
соединения обладают почти всеми предыдущими свойствами. Плюс
к этому приобретается способность изменять пространственные конформации
под влиянием внешней среды. Полимеры могут использоваться и как элементы памяти. Жидкие кристаллы тонко
реагируют перестройкой структуры на изменение температуры, воздействие
электрических и магнитных полей [244, 245]. Относительно высокомолекулярные
соединения способны облегчить коньюгацию
разнообразных структур, действуя как «клей».
Согласно Опарину жизнь зародилась в ходе эволюции жироподобных капель (эмульсии, липиды) в воде. Появилась способность образовывать всевозможные пузырьки (пены), эмульсии, коллоиды, мицеллы, которые растут, размножаются, структурируются. Среда дифференцировалась всё больше и больше. Пакеты атрибутивной информации становились разнообразнее и сложнее. Таким образом, создавались предпосылки для появления управления в том понимании, которое принято у людей. Для этого в одной структуре должны были собраться вместе все элементы необходимые для осуществления управления. Как минимум, живая клетка эта структура, в которой система управления уже функционирует. Не исключено, что управление можно увидеть уже на уровне организации белковых молекул. Известно, что ферментативные свойства белков связаны не столько с их линейной молекулярной структурой, сколько с пространственными конформациями. Синтез белка осуществляется в рибосомах. При этом вначале образуется линейная структура, которая путем пространственного скручивания с очень высокой воспроизводимостью приобретает нужные для белка конформации. Чтобы представить невероятность такого события в ходе случайных процессов, рассмотрим следующий пример. Допустим, некто бросает длинную веревку на землю и каждый раз веревка складывается в слово «управление». Вероятность такого события ничтожна, но белковая молекула проделывает этот трюк с потрясающей повторяемостью. Случайностью такое явление объяснить невозможно.
Особенностью
новых, сложных структур, стоящих на более высокой эволюционной ступени,
являлось снижение потенциальных барьеров, разделяющих одну структуру от другой.
«Потенциальные ямы» устойчивости становились всё менее глубокими (рис. 4.2.3).
Возникло противоречие между увеличением способности усложняться и стабильностью
вновь возникших структур. Терялась способность осуществлять гомеостаз
«привычным» для низкомолекулярных систем способом – занять глубокую
потенциальную яму. Это противоречие, грозившее остановить процесс
усложнения, было разрешено другим способом – управлением, которое стало
возможным именно в сложных системах и не
могло быть реализованным в более простых системах. Самоорганизация плавно
переросла в управление, поэтому нельзя провести чёткую грань между этими
двумя способами самосохранения организованностей, как нет границ между живым и неживым.
Всё живое
имеет управление. Видимо протобионты уже начали
управлять своим поведением, но эти мезоформы не
сохранились до наших дней, поэтому об их устойчивости остаётся только гадать
[294]. По мнению зарубежных учёных, ключевым веществом, породившим сложные
формы жизни, был протобионт рибозим
– гибрид РНК и энзима. Такие рибозимы были найдены
Томасом в некоторых одноклеточных организмах. Американский астрофизик Карл Саган считал, что четыре миллиарда лет
назад первыми живыми веществами были каталитические молекулы РНК. Как мы сейчас
видим, эволюция привела к расщеплению функций рибозима.
Появились отдельно хранители информации (ДНК) и переносчики этой информации
РНК, а также исполнители (рибосомы). Затем произошла дифференциация
(специализация) элементов и координация их функций посредством механизмов
управления.
Вероятно,
исходя из нашей модели, теперь можно
ответить на вопрос, что было раньше,
яйцо или курица? Ответ такой. Вначале было нечто, комбинирующее яйцо с курицей,
а затем «сиамские близнецы» расщепились. Яйцо и курица появились одновременно.
Не все
самоорганизующиеся структуры эволюционно переросли в
управляемые. Сохранились колонии бактерий, где нет единого центра управления.
Многие животные не стайного вида (медведи, тигры и другие) обходятся
самоорганизацией. У них нет лидеров и
подчинённых. Каждый за себя. Биоценозы – это совокупности разных организмов,
объединенные самоорганизацией. Биосфера – также самоорганизующаяся система, но
в ней уже появился претендент на управляющего (человек). Всепланетный
человеческий социум пока ещё остается самоорганизующейся системой, но и в нем
уже появились центры управления (ООН, совет Европы и т. п.)
Особая ценность систем управления, их
чрезвычайная необходимость для самосохранения сверхсложных систем привела к
тому, что все механизмы защиты живых объектов в первую очередь направлены на
сохранение управления, часто даже в ущерб другим подсистемам.
Исходя из
закона снижения устойчивости с повышением сложности.объектов, можно объяснить уязвимость систем
управления от внешних воздействий. Мозг всегда умирает первым. В отсутствии
кислорода через 5 минут погибает мозг человека, хотя другие органы более
стойкие. В стаях животных вожак живет меньше, чем стая. Лидеры меняются, а
сообщества сохраняются (смена власти). В случае экологической катастрофы погибнут доминирующие животные-консументы [222]. Поэтому без повышенных
средств защиты систем управления сложные объекты существовать не могут.
Системы
управления хорошо работают в пределах своей экологической ниши, к которой они
приспособились. За её пределами они становятся беспомощными (рыба на суше).
Экологические ниши живых существ уже, чем у
неживых. Получается, что управление в
биосфере это узко специализированные технологии сохранения гомеостаза. Можно,
например, виртуозно управлять автомобилем, но не уметь ездить на велосипеде. У
человека системы управления превосходят животных тем, что способны обеспечить
существование вида в более широком диапазоне условий. Это стало возможным
благодаря техногенной деятельности разума. Итак, эволюция систем управления
направлена на возрастание возможностей регулирования гомеостаза в более широком диапазоне условий, на
уменьшение зависимости от внешней среды.
Выводы.
1.
Атомарно – молекулярные агрегаты имеют много функций,
сходных с функциями систем управления в живых системах: стремление к экспансии,
противодействие внешним воздействиям, стремление к устойчивости с элементами
размножения, наличие памяти, приём и переработка информации, способность к
регенерации, фильтрация информации.
2.
Имеются существенные отличия между живым и неживым
веществом. В неживом отсутствует четкая
дифференциация подсистем. Не разделены
функции приёмника, транслятора и передатчика информации. Нет доминирующего
центра управления. Память на воздействия очень мала. Запоминается только одно
воздействие, но не их последовательность. Реакции на внешние воздействия
детерминированы (Ле – Шателье).
3.
Очень сложные системы без управления существовать не способны, поэтому системы управления
максимально защищаются от разрушения.
4.
Эволюция систем управления направлена на расширение
диапазона существования и снижения зависимости от среды обитания.