СИСТЕМНИЙ ПІДХІД ДО ПРОЦЕСІВ ЕВОЛЮЦІЇ

Кожен об'єкт нашого спостереження і вивчення може розглядатися з двох точок зору: як система (містить в собі свої структурні елементи) і як елемент (в цілому належить «вищестоящої організації» - системі більшого масштабу). Тому кожен клас об'єктів ми можемо розглядати як з точки зору розвитку його внутрішньої структури (або індивідуального розвитку, онтогенезу), так і з точки зору зміни, послідовності, історії розвитку даного класу об'єктів в їх безлічі (в їх філогенезі).

В ході світового еволюційного процесу зростає різноманітність і складність форм організації як відсталого, так і живої речовини. Фактори, які діють в біологічної еволюції, були розглянуті в попередньому розділі. Можна виділити ще один аспект, загальний для багатьох процесів розвитку, в тому числі і для технічних систем управління. З точки зору інформатики та загальної теорії систем організм будь-якого рівня складності можна розглядати як функціональну систему з негативними зворотними зв'язками, які і дозволяють системі адаптуватися до змін у зовнішньому середовищі. З цієї ж точки зору зовнішнє середовище - це сукупність змінних в часі і за величиною факторів, що впливає на організм. Значить, щоб зберегти в даному середовищі гомеостаз, організму необхідно адаптуватися до всієї цієї сукупності факторів, істотних для його стану. Тому адаптивне поведінку організму можливо тоді і тільки тоді,коли його складність не нижче складності навколишнього середовища.

Більш того, для успішного виживання в складній навколишньому середовищу організм повинен володіти деякою логічної надмірністю законів і способів регулювання своїх функцій по відношенню до сукупності законів зміни життєво важливих факторів зовнішнього середовища [26]. Якщо зовнішнє середовище залишається постійною і її складність не росте, то і розвиток організму (як виду) зупиниться, коли він повністю до неї пристосуватися. Але зовнішнє середовище не може не змінюватися, в найзагальнішому космологічної розширенні Всесвіту вже закладено зміна умов: галактики і зірки еволюціонують, Сонце проходить свій цикл зміни і створює відповідну космофізичних обстановку навколо Землі. Зовнішнє середовище в масштабах планети також ніколи нс була постійною, а з появою Життя виникають і потужні біогенні причини змін всіх сфер Землі.

Це означає, що для окремих організмів і їх сукупності в цілому існування ускладнюється, в тому числі і під дією самих організмів. Звідси випливає, що відбувається коеволюція (спільна і сучасна еволюція) «Среда + Організми» і в загальній пов'язаності внутрішніх і зовнішніх процесів розвитку набуває спрямованість у бік все більшого ускладнення організмів.

Саме резерв складності (логічної потужності) людини сприяв його виходу з-під контролю природного біологічного відбору ( «неслухняне дитя біосфери»). Тепер на нього більше діють чинники складності соціальної навколишнього середовища, вони визначають напрямок розвитку розуму Homo sapiens. Але і розвиток самого людського суспільства залежить від інтелекту його складових.

Тому на сучасному етапі коеволюция включає в загальну зв'язок і взаємозалежність планетарну навколишнє середовище, людину і соціальне середовище. Напрямок розвитку людини - це триває відбір на інтелект індивідуума і соціальних колективів в умовах цивілізаційних криз. Концепція коеволюції може бути застосована до розуміння як світогляду, так і науки, до розвитку міждисциплінарних досліджень і взаємодії природних і суспільних форм знання.

9.4. Складність простих систем

Людина як система обробки інформації

Мал. 156. Людина як система обробки інформації

Показником складності системи і її логічної потужності може служити кількість інформаційно-енергетичних каналів зв'язку (взаємодії) з навколишнім середовищем. У механіці зв'язку зазвичай обмежують свободу пересування деякої частини тіла або окремого об'єкта. Для високоорганізованих систем, що адаптуються до навколишнього середовища, навпаки, збільшення числа зв'язків (каналів сприйняття інформації) підвищує свободу «маневру» системи або організму.

При високої складності на передній план виступає не стільки обмін енергією, скільки обмін інформацією (рис. 156). Прийом інформації (при відповідних витратах енергії) підвищує впорядкованість системи, тобто еквівалентний зменшенню її ентропії.

Відзначаючи це, ми повинні мати на увазі, що складна поведінка певної системи може бути наслідком досить простих законів, правил відбору, алгоритмів, на основі яких функціонують (працюють, живуть) технічні системи або живі організми.

У попередньому розділі ми навели приклади нелінійних залежностей, несподівано призводять до динамічного хаосу. Тут же доречно розглянути приклади того, як прості правила поведінки елементів системи можуть призводити до впорядкованим і досить складним процесам кратного відтворення початкової конфігурації, спрямованим рухам і стійким структурам.

Йтиметься про еволюцію станів (русі станів) в системах, де її однакові елементи взаємодіють один з одним, по крайней мере з найближчими сусідами. Елементами системи є осередки (або клітини), які можуть знаходитися в двох станах: активному і пасивному, або включеному і вимкненому, або живому і мертвому. Осередки можуть становити правильні плоскі або просторові мережі, прикладами можуть бути шахівниця, лист зошити в клітку або екран комп'ютера, розділений на квадратні або прямокутні осередки.

У 1960 р Е. Фредкін (США) запропонував варіант системи, в якій майбутній стан будь-якої і кожної клітинки визначається поточним станом чотирьох найближчих сусідів (зверху, знизу, праворуч і ліворуч від обраної). Осередок, оточена непарним числом живих сусідів, залишається живий. Якщо число живих сусідів парне, то осередок вмирає або залишається мертвою. При таких законах життя і смерті "клітин» будь-яка початково задана конфігурація колонії відтворюється в чотири рази після певного числа зміни поколінь (рис. 157).

Послідовність руху станів осередків в системі Е. Фредкіна

Мал. 157. Послідовність руху станів осередків в системі Е. Фредкіна

Пізніше і самі копії учетверяется, і процес розмноження циклічно триває, поки вистачає клітинного поля. Периметр зайнятої колонією зони розширюється, а її внутрішня область періодично то заповнюється густий «порослю», то знову порожніє. Варіант Е. Фредкіна призводить до розмноження копій початкового формату і їх розбіжності, що створює ілюзію експансії живих клітин [27].

Якщо враховувати більшу кількість можливих зв'язків, то поведінка системи стає більш складним і менш передбачуваним заздалегідь.

У 1970 р Дж. Конвей (Великобританія) винайшов гру «Життя», в якій враховуються не 4, а 8 сусідів кожної клітини (включаючи сусідів другий координаційної сфери, з'єднаних з обраної кліткою по кутах) [27]. Закони життя і смерті встановлені таким чином: жива клітина продовжить своє існування в наступному поколінні лише в тих випадках, коли в її оточенні на даному етапі знаходяться дві або три живих сусідніх осередки. При меншій кількості живих сусідів вважається, що клітина вмирає від самотності, а при більшому - від тісноти (стресу!). Для неживої клітини відродження відбувається тільки тоді, коли в її оточенні буде рівно 3 живих осередки.

В «Життя» Конвей рух станів сильно залежить від форми початкової, зародкової колонії клітин. Одна і дві клітини відразу гинуть від самотності, три клітини утворюють стабільні циклічні «мигалки», квадрат з чотирьох осередків не змінюється. При більшій кількості вихідних осередків в колонії виникають різноманітні варіанти: від швидкого вимирання до розбіжних і зближуються «островів життя», візерунків або квітів (особливо якщо наступні покоління відзначаються своїм кольором). У процесі руху станів системи вона може розпадатися на стабільні циклічні зміни і на направлено переміщаються по полю самовідтворюються фігури, іноді досить складні. На рис. 158 представлені кілька етапів (кроків) еволюції початкового стану у вигляді двох симетричних квадратів. Подвоєння початкової конфігурації виникає на 15 кроці, після 20-го виникає цикл з трьох варіантів «популяції». Важливо помститися, що збільшення числа зв'язків з оточенням (в даному випадку перехід від системи Фредкіна до системи Конвей) призводить до суттєвого ускладнення виходять в процесі руху станів форм живих, або активних, елементів. Вихідна простота обертається складністю (геометричної форми активних елементів), стійкістю (в циклах повторюваного самовідтворення), що здається цілеспрямованістю (у випадках упорядкованого переміщення відтворюються фігур) і принципової творчої потенцією (в сенсі здатності виробництва нових конфігурацій). У ще більшій мірі це проявляється в тривимірних комп'ютерних версіях «Життя», коли число взаємодіючих сусідів помітно зростає.

Послідовність етапів по конвой

Мал. 158. Послідовність етапів по конвой

Розглянуті гри є, звичайно, лише віддаленій аналогією реальним процесам в навколишньому світі (скоріше, навіть алегорією). Однак такий видатний засновник інформатики, як фон Нейман, всерйоз довів, що якщо кожна клітина має свій клітинний автомат (пристрій), здатний перебувати в 29 станах, то при наявності мережі з 200 тис. Осередків інформаційно-логічна система (або машина) здатна самовоспроізвесті свою копію (будучи вміщеній в резервуар з необхідними запасними частинами і комплектуючими).

Таким чином, в принципі можлива машинна еволюція, багаторазово обіграна в науково-фантастичних романах, де стикаються людська і машинна цивілізації або їх представники. Нейрофізіологи виявили, що нейронні мережі людського мозку багато в чому складаються з подібних за будовою клітин, які можуть перебувати в збудженому або загальмованому станах. Нейронні спільноти - ділянки кори мозку з декількох сотень клітин, пов'язаних між собою синаптическими зв'язками, вважаються одиничними модулями кори. Було показано, що вже прості модельні нейронні мережі, стан осередків яких залежить від сили впливу сусідів, здатні створювати свої точні копії.

Більш того, при циклічному і синхронному зміні порогів спрацьовування нейронів (переходу між двома станами) в пов'язаних між собою модулях поширюються хвилі «навчання», коли модулі відтворюють в собі інформацію, що міститься в сусідній ділянці (самовідтворюватися інформацію), що проливає світло на процес запам'ятовування і розпізнавання образів людиною [28]. Самовідтворення і пов'язаний з ним ефект освіти однорідних областей, що складаються з однакових нейронних мереж, природним чином пояснює диференціацію і спеціалізацію різних ділянок мозку як результат спонтанної самоорганізації системи взаємодіючих нейромереж.

Загальний висновок, який випливає з наведених прикладів, полягає в тому, що такі найважливіші властивості спільно еволюціонують систем (Всесвіт, зірки, життя на Землі і розум), як складність, стійкість, що здається цілеспрямованість розвитку, можуть бути наслідком простих явищ, керованих сукупністю загальних законів.

Фактично в цьому основа формується еволюціонносінергетіческой парадигми сучасного природознавства. В її рамках метою окремих наук і наукових напрямків є пошук тих простих правил, які і породжують дивовижне розмаїття структур і форм в навколишньому людини світі.

Завдання для самостійної роботи

  • 1. За допомогою пошукової системи знайдіть в Інтернеті різні варіанти визначення поняття ентропії і приведіть їх в своїй робочої зошити.
  • 2. Щільність енергії в міських районах принаймні на 2-3 порядки більше щільності того потоку енергії, який підтримує життя в природних екосистемах, рухомих Сонцем. В силу невисокого ККД, велика частина енергії в містах перетворюється в теплову (випромінюється в ІК-області спектра електромагнітних хвиль). Як, на Вашу думку, узгоджується це з ростом впорядкованості міської структури в порівнянні з природним ландшафтом? Зверніть увагу на роль ентропії при аналізі цього питання.
  • 3. Психологи стверджують, що розвиток дітей прискорюється в різноманітної, інформаційно насиченою середовищі. Спробуйте знайти пояснення цьому факту з точки зору матеріалу, наведеного в п. 9.3.
  • 4. В Інтернеті є кілька доступних варіантів гри «Життя» (див. Http://www.famlife.narod.ru або www.javenue.info/post/ll). По можливості скористайтеся одним з варіантів і проведіть комп'ютерне моделювання. Замалюйте в робочому зошиті типові кінцеві варіанти, на які розпадається, в кінцевому рахунку, «поле життя».
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >