(g) Бионика и биокибернетика
Мы рассмотрели как динамику передачи информации, так и технику ее наследственной записи (последнюю — в прологе к «Выращиванию информации»). Вместе они образуют метод, с помощью которого эволюция объединяет максимальную стабилизацию генотипов с необходимой их пластичностью. Эмбриогенез — это не столько развертывание определенных программ механического роста, сколько «запуск» обладающих большой автономностью регуляторов, которым даны лишь «общие директивы». Развитие плода является, следовательно, не просто «гонкой» стартующих при оплодотворении биохимических реакций, а их непрестанным взаимодействием и взаимоформированием как целого.
Во взрослом организме также идет непрекращающаяся игра между иерархиями регуляторов, из которых он построен. Логическим продолжением принципа «пусть справляется как может» (с поставкой различных вариантов реагирования, однако без жесткой их фиксации) служит предоставление организму индивидуальной автономии наивысшего порядка, возможной благодаря созданию регулятора второй ступени — нервной системы.
Итак, организм является «мультистатом» — системой со столь большим числом возможных состояний равновесия, что лишь часть из них может быть реализована в индивидуальной жизни. Этот принцип относится в равной мере и к физиологическим и к патологическим состояниям. Последние также являются своеобразными состояниями равновесия, несмотря на аномальные значения, принимаемые некоторыми параметрами. Организм «справляется как может» и тогда, когда в нем начинают повторяться вредные реакции, и эта склонность к вхождению в порочный круг регулирования (к «зацикливанию») является одним из последствий функционирования мультистабильной, в высшей степени сложной пирамиды гомеостатов, каковой является каждое многоклеточное живое существо.
Из этого «зацикливания» его не может уже вывести эффективный в норме механизм регулирования высшего порядка. Этот механизм использует обычно колебания одного параметра между двумя значениями (торможение и возбуждение; повышение или понижение кровяного давления; рост или падение кислотности крови; ускорение или замедление пульса, кишечной перистальтики, дыхания, внутренней секреции и т.д.). Существует регулирование чисто локальное, почти не контролируемое мозгом (заживание ран), которое к старости слабеет («анархия периферии организма»: дегенеративные локальные изменения, которые легко наблюдать, например, на коже пожилых людей), но существует также регулирование в пределах органов, систем и, наконец, организма в целом. В этой иерархии переплетаются два метода передачи управляющей и осведомительной информации: импульсными сигналами (дискретный метод) и непрерывными (аналоговый метод). Первый применяет преимущественно нервная система, второй — система органов внутренней секреции. Но и это разграничение не однозначно, поскольку сигналы могут направляться по проводам (как в телефонной связи) или же по всем информационным каналам сразу с тем, что только тот, кому они адресованы, отреагирует на них (как при передаче радиосигналов, которые может принять каждый, но которые касаются только какого‑то одного корабля в море). Если «дело важное», организм вводит в действие дублированную передачу информации: угроза вызывает усиление готовности тканей и органов как путем действия нервной системы, так и благодаря поступлению в кровь гормона («аналоговое действие») адреналина. Эта множественность информационных каналов обеспечивает функционирование даже тогда, когда некоторые сигналы не доходят.
Мы говорили о бионике — науке, которая воплощает в техническую реальность решения, подсмотренные в царстве живых организмов; особенно большой успех дало здесь изучение органов чувств, которым датчики технолога, как правило, значительно уступают по своей чувствительности. Бионика является полем деятельности биотехнолога‑практика, заинтересованного в немедленных результатах. В то же время близкое к бионике моделирование живых систем (особенно нервной системы и ее частей, а также органов чувств), ставящее своей целью не достижение немедленных технических результатов, а скорее познание функций и структур организмов, относится к биокибернетике. Впрочем, границы между этими двумя новыми областями расплывчаты. Биокибернетика вступила уже широким фронтом в медицину. Она охватывает протезирование органов и функций (аппараты «искусственное сердце», система «сердце‑легкие», прибор «искусственная почка», вживление под кожу стимуляторов сердечной деятельности, электронные протезы конечностей, аппараты для чтения и ориентировки для слепых; разрабатываются даже методы подачи импульсов в неповрежденный зрительный нерв слепого, минуя глазное яблоко, что связано с постулированной нами фантоматикой). Биокибернетика охватывает также диагностику, создавая «электронных помощников» врача. Это, во‑первых, диагностические машины, в которые вводится информация (существуют уже два варианта таких машин — «общий диагност» и специализированная диагностическая машина), и, во‑вторых, машины, непосредственно получающие необходимую информацию от организма больного. К последним относится аппаратура, которая автоматически снимает, например, электрокардио— или энцефалограмму и выполняет предварительный отбор данных, отсеивает несущественную информацию и выдает готовые диагностически значимые результаты. Особую область представляют «электронные управляющие приставки». Такой «приставкой» является автоматический анестезиолог, который определяет значение сразу нескольких параметров организма, таких, как биотоки мозга, кровяное давление, степень окисления крови и т.д., и увеличивает в случае надобности приток анестезирующего вещества или его антагониста, повышает давление и т.д. Проектируются аппараты, в частности портативные, которые должны постоянно следить за некоторыми параметрами организма больного. К таким аппаратам относится устройство, стабилизирующее кровяное давление при гипертонии путем систематического введения соответствующей дозы того или иного гипотензивного препарата. Обзор этот, конечно, очень краток и неполон.
Заметим, что традиционные медицинские средства — медикаменты — принадлежат к группе «аналоговых информаторов», поскольку, как правило, их вводят «вообще» — в полости тела, во внутренности или в кровеносные сосуды, а лекарство должно уже «само» найти свой адресат — системы или орган. В то же время иглотерапию можно считать, пожалуй, методом введения «дискретной» информации путем раздражения нервных окончаний. Таким образом, если фармакология изменяет внутреннее состояние гомеостата непосредственно, то иглотерапия воздействует на его «входы».
Эволюция, как и всякий конструктор, не может рассчитывать на достижение произвольного результата. Превосходен, например, механизм «обратимой смерти», свойственной различным спорам, водорослям, склероциям и даже небольшим многоклеточным организмам. С другой стороны, очень ценна теплокровность млекопитающих. Соединение этих свойств дало бы идеальное решение, но оно невозможно. К нему приближается, правда, зимняя спячка некоторых животных, которая не является, однако, настоящей «обратимой смертью». Жизненные функции — кровообращение, дыхание, обмен веществ — замедляются, но не прекращаются. Помимо этого, такое состояние выходит за пределы регулирования физиологических механизмов фенотипа. Возможность зимней спячки должна быть запрограммирована наследственно. Но состояние это является крайне ценным — особенно в эру космонавтики, причем наиболее ценным в том виде, в каком оно проявляется у летучих мышей.
К моменту появления летучих мышей все экологические ниши были уже как будто заполнены. Насекомоядные птицы заполняли время дня и ночи (сова), и казалось, будто нет убежища для нового вида ни на земле, ни на деревьях. Эволюция ввела тогда летучих мышей в «нишу» сумерек, когда дневные птицы уже засыпают, а ночные еще не вылетели на охоту. Меняющиеся плохие условия освещенности делают в это время глаз бессильным, и эволюция создала ультразвуковой «локатор» летучих мышей. И наконец, убежищем им часто служат своды пещер — также пустая до тех пор экологическая ниша. Но самым совершенным является гибернационный механизм этих крылатых млекопитающих: температура их тела может опускаться до нуля. Тканевый обмен в это время практически приостанавливается. Животное выглядит не как спящее, а как мертвое. Пробуждение начинается с усиления обмена в мышцах. Через несколько минут кровообращение и дыхание уже восстановлены, и летучая мышь готова к полету.
В весьма сходное состояние глубокой гибернации можно ввести человека, применяя соответствующую фармакологическую технику и охлаждающие процедуры. Это чрезвычайно интересно. Мы знаем случаи, когда врожденные болезни, которые являются результатом мутаций и заключаются в том, что организм не вырабатывает каких‑то жизненно важных веществ, можно компенсировать, вводя эти вещества в ткани или в кровь. Но таким образом мы лишь временно восстанавливаем физиологическую норму. А гибернационные процедуры выходят за эту норму, превышают возможности реакций организма, запрограммированные в генотипе. Но оказывается, что регуляционные потенции, хотя они и ограничены наследственностью, можно расширить, применяя соответствующие процедуры. Здесь мы возвращаемся к вопросу о «генетическом засорении» человечества, вызванном косвенно тем, что цивилизация приостановила действие естественного отбора, а непосредственно — результатами цивилизации, увеличивающими мутабильность (ионизирующее излучение, химические факторы и т.п.). Оказывается, что возможно медикаментозное противодействие наследственным заболеваниям и недомоганиям, не изменяющее дефектные генотипы, поскольку лекарственные препараты влияют не на зародышевую плазму, а на созревающий или взрослый организм. Это лечение имеет, правда, свои пределы. Дефекты, вызванные ранним проявлением повреждений генотипа, например талидомидовые, лечению не поддаются. Кстати, лекарственно‑фармакологическое воздействие представляется нам сегодня самым естественным, поскольку оно отвечает медицинским традициям. Однако устранение «ляпсусов» наследственного кода окажется, может быть, процедурой более простой (хотя отнюдь не невинной) и, конечно, более радикальной в своих последствиях, чем поздняя терапия поврежденных систем.
Перспективы этой «антимутационно‑нормализующей» автоэволюции трудно переоценить. Преобразования наследственного кода сначала сократили, а потом свели бы на нет возникновение врожденных соматических и психических дефектов, благодаря чему исчезли бы эти толпы несчастных калек, число которых достигает ныне многих миллионов и будет расти и дальше. Тем самым терапия генотипов, или, точнее, их биотехника, привела бы к спасительным последствиям. Но каждый раз, когда удаление мутантного гена окажется недостаточным и необходимо будет заменить его другим, проблема «компоновки признаков» встанет перед нами во всем своем грозном величии. Один из нобелевских лауреатов, удостоенный премии именно за изучение наследственности, то есть, казалось бы, непосредственно заинтересованный в подобных успехах, заявил, что не хотел бы дожить до их реализации ввиду ужасной ответственности, какую примет на себя тогда человек.
Хотя творцы науки заслуживают самого большого уважения, эта точка зрения кажется мне недостойной ученого. Нельзя одновременно совершать открытия и стараться уйти от ответственности за их последствия. Результаты такого поведения, хотя и в других, не биологических областях, нам известны. Они плачевны. Напрасно ученый старается сузить свою работу так, чтобы она носила характер добывания информации, отгороженного стеной от проблематики ее использования. Эволюция, как мы это уже explicite и implicite указывали, действует беспощадно. Человек, постепенно познавая ее конструкторские функции, не может притворяться, будто он накапливает исключительно теоретические знания. Тот, кто познает результаты решений, кто получает полномочия принимать их, будет нести бремя ответственности, — бремя, с которым Эволюция как безличный конструктор так легко справлялась, ибо оно для нее не существовало.
(h) Глазами конструктора
Эволюция как творец является несравненным жонглером, исполняющим акробатические номера в ситуации, чрезвычайно сложной из-за своей технологической узости. И, несомненно, она заслуживает чего‑то большего, чем просто восхищение, — она заслуживает, чтобы у нее учились. Но если отвлечься от своеобразных трудностей инженерной деятельности Эволюции и сосредоточиться исключительно на ее результатах, то возникает желание написать пасквиль на Эволюцию. А вот и упреки — от менее общих к более общим.
1. Несогласованная избыточность в передаче информации и строении органов. В соответствии с закономерностью, открытой Данкоффом, Эволюция поддерживает избыточность передаваемой в генотипе информации на самом низком уровне, который удается еще примирить с продолжением рода. Таким образом, Эволюция подобна конструктору, который не заботится о том, чтобы все его автомобили достигли финиша: его вполне устраивает, если доедет большая их часть. Этот принцип «статистического конструирования», в котором успех решает преобладание, а не совокупность результатов, чужд всему нашему психическому укладу, особенно когда за низкую избыточность информации приходится расплачиваться дефектами не машин, а организмов, в том числе и человеческих: ежегодно 250000 детей рождаются с серьезными наследственными пороками. Минимальная избыточность свойственна также конструкции индивидуумов. Вследствие несогласованной изнашиваемости функций и органов организм стареет неравномерно. Отклонения от нормы происходят в разных направлениях; обычно они носят характер «системной слабости», например слабости систем кровообращения, пищеварения, суставов и т.п. И в конце концов, несмотря на целую иерархию регуляторов, закупорка одного лишь кровеносного сосудика в мозге или дефект одного насоса (сердце) вызывает смерть. Отдельные механизмы, которые должны противодействовать таким катастрофам, например артериальное объединение венечных сосудов сердца, в большинстве случаев подводят, поразительно напоминая «формальное выполнение правил» на каком‑нибудь предприятии, где противопожарных инструментов так мало (хотя они и находятся в должном месте) или же они «для парада» так закреплены, что в случае экстренной надобности ни на что, собственно говоря, и не годны.
[Примечание автора: Рассмотренная в тексте «антистатистическая позиция» конструктора ныне, по существу, уже устарела. Надежность устройств нельзя рассматривать независимо от статистических методов. К этому с неизбежностью привел технологический прогресс, при котором серийное (массовое) производство сопровождается ростом сложности изготовляемых устройств. Если каждый элемент системы, состоящей из 500 элементов, надежен на 99%, то система в целом надежна всего лишь на 1% в предположении, что все элементы жизненно важны (для функционирования системы). Максимально достижимая надежность пропорциональна квадрату числа элементов, в результате чего получение надежного продукта невозможно, особенно когда он представляет собой систему высокой сложности. Системы, «подключенные» к человеку как к регулятору (самолет, автомобиль), менее чувствительны к повреждениям, поскольку пластическое поведение человека часто позволяет компенсировать нарушение функций. В то же время в «безлюдной» системе, такой, как межконтинентальная ракета или какая‑то автоматическая система вообще (скажем, цифровая машина), не может быть и речи о подобной пластичности. Меньшая их надежность вызвана не только большим числом составляющих их элементов и не только новизной реализуемой технологии, она вызвана также отсутствием человека, выполняющего роль амортизатора случайных нарушений. Теория надежности в связи с лавинообразным прогрессом в области конструирования является ныне обширной областью науки. Методы, какими она сегодня пользуется, являются, как правило, «внешними» по отношению к конечному продукту (расчеты, многократные испытания, изучение среднего времени между отказами и времени старения элементов, контроль качества и т. д.). Эволюция также применяет «внешний контроль» (им является естественный отбор), а кроме того, и «внутренние» методы: дублирование устройств, встраивание в них тенденции к самоисправлению (как локальной, так и подчиненной вспомогательно‑управляющему контролю центров, стоящих на более высокой иерархической ступени). И, пожалуй, важнее всего, что в качестве регуляторов Эволюция использует устройства, обладающие максимальной пластичностью. И если, несмотря на принципиальную эффективность всех этих способов, организмы так часто оказываются ненадежными, то виновно в этом в значительной мере «нежелание» Эволюции пользоваться большой избыточностью при передаче конструкционно‑творческой информации (как гласит правило Данкофа).
По сути дела, 99% всех страданий и старческих заболеваний связано с проявлением ненадежности все большего числа систем организма (потеря зубов, упругости мышц, зрения, слуха, локальная атрофия тканей, дегенеративные процессы и т.д.). В будущем главное направление борьбы с ненадежностью устройств в технике будет, очевидно, сближаться с эволюционным, однако с тем существенным различием, что Эволюция скорее «встраивает» в свои творения конструкции, «преодолевающие ненадежность», а человек‑конструктор более склонен к применению методов, «внешних» по отношению к конечному продукту, чтобы не усложнять его чрезмерным количеством элементов. Критерии деятельности в обоих случаях весьма различны. Так, например, «материальные затраты» для Эволюции не играют роли, поэтому количество расходуемого наследственного материала (спермиев, яйцеклеток) не имеет значения, лишь бы его хватило для сохранения непрерывности вида. Изучение эволюции отдельных технических устройств показывает, что рост эффективности (повышение надежности) является процессом, происходящим значительно позже, чем отыскание решения, оптимального в целом. Так, принципиально, то есть в общем плане, самолеты тридцатых и даже двадцатых годов очень походили на современные — это были машины тяжелее воздуха, поддерживаемые подъемной силой крыльев, приводимые в движение двигателем внутреннего сгорания с электрическим зажиганием, машины с такой, как сегодня, системой управления и т.п. Успех трансокеанских перелетов был достигнут не в результате увеличения размеров (ибо и прежде строили большие самолеты, иногда даже больше современных), а лишь в результате повышения надежности функций, в то время недостижимого.
Количество элементов, растущее экспоненциально, резко снижает надежность очень сложных устройств. Отсюда огромные трудности создания устройств столь сложных, как многоступенчатая ракета или вычислительная машина. Увеличение надежности путем дублирования элементов и передачи информации тоже имеет свои пределы. Устройство с наилучшим резервированием вовсе не обязательно является оптимальным решением. Это немного похоже на прочность стального каната: если он слишком длинный, то никакой прирост толщины уже не поможет, ибо канат оборвется под собственным весом. Тем самым если не вмешается какой‑то неизвестный нам фактор, то сбои в работе, вызванные экспоненциальным ростом ненадежности, установят предел построению чрезвычайно сложных систем (скажем, электронных цифровых машин с сотнями миллиардов или биллионами элементов).
Возникает весьма существенный вопрос: станет ли когда‑нибудь возможным производство устройств, способных превысить этот «порог надежности», то есть более эффективных в этом отношении, чем эволюционные решения? По‑видимому, нет. Аналогичные пределы подстерегают нас, пожалуй, на всех уровнях материальных явлений, то есть также в физике твердого тела, в молекулярной технике и т.п. Старение на тканево‑клеточном уровне многие биофизики считают кумулятивным эффектом «элементарных молекулярных ошибок», «атомных ляпсусов», какие живая клетка допускает в ходе своего существования, причем эти «ошибки» выводят в конце концов систему как целое за пределы обратимых изменений. А если это так, то можно в свою очередь спросить, не вытекает ли статистичность законов микрофизики, эта характерная недостоверность результатов, тяготеющая над каждым самым простым материальным актом (например, над распадом радиоактивного атома, соединениями атомных частиц, над захватом этих частиц атомными ядрами), из того, что все , что происходит, «ненадежно». И что, следовательно, даже атомы и их «составные части» — протоны, нейтроны, мезоны, — понимаемые как своеобразные «машины», то есть системы, проявляющие регулярность поведения, и сами не являются «надежными» элементами той конструкции, которую мы зовем Вселенной, а также не образуют «надежных устройств», входя в состав химических молекул, твердых тел, жидкостей, газов. Не лежит ли, одним словом, статистическая ненадежность действия в основе всех вскрываемых Наукой законов Природы? И не построен ли Космос как древо Эволюции по принципу «Надежная система» (точнее, относительно надежная) из «Ненадежных компонентов»? И не является ли своеобразная «полюсность» космической структуры (материя — антиматерия, положительные частицы — отрицательные частицы и т. д.) как бы необходимой, поскольку никакой другой космос не был бы возможен из‑за подстерегающей «ненадежности действия», которая стала бы на пути какой бы то ни было эволюции, навсегда фиксировав мир на стадии «первичного хаоса»? Такая (надо признать, полуфантастическая) постановка проблемы может показаться антропоморфической или хотя бы открывающей лазейку для дискуссии об «Инженере Космоса», то есть «Творце Всего Сущего», но это не так. Ведь, установив, что Эволюция не имела никакого индивидуального творца, мы можем все же обсуждать ее конструкторское мастерство, а следовательно, и упомянутый выше принцип построения сравнительно надежных систем из весьма ненадежных компонентов.]
