Глава I.Теория: системы, модели
Не верьте, что всегда можно рассказать просто о сложном, для этого, мол, нужен только талант и пр. И в простоту гениальности тоже не верьте. Сложное есть сложное. Не зря теорию относительности сначала понимал только сам А. Эйнштейн, а потом еще несколько ученых.
Удивительно, до чего все неясно в биологии, медицине, психологии. Конечно, трудно объяснить работу мозга: все-таки 15 миллиардов нервных клеток, каждая связана с сотнями других. Так же не просто прочитать, что «записано» в генах человека, их тоже, говорят, миллион.
Но сколько противоречий в самом простом, что относится к здоровью. «Бег от инфаркта». Кажется, хорошо, ясно. Нет, опасно: «Бег к инфаркту».
Или вес. Должен ли он увеличиваться с возрастом или оставаться таким, как в юности. И ведь каждый ученый приводит факты, доказывает. Как тут не запутаться человеку?
Конечно, выберешь что удобнее: полежать и поесть.
Шутки в сторону, нужно попытаться разобраться в вопросах о сложности и науке, а потом прикинуть на биологию и на человека. Говоря иначе: насколько научна наука?
Литература последних лет пестрит терминами: системы, системный подход, модели, моделирование. Не говоря уже о слове «информация», мода на которое проходит.
Не буду оглушать читателей формулами, именами и цитатами, цифрами. Моя цель — идеи, а не факты. Однако и вовсе обойти современные понятия никак нельзя. К счастью, большинство людей уже имеют интуитивное представление о предмете.
Начнем с систем.
Система — это некое собрание элементов, объединенных связями, так что они работают как единое целое и обладают особыми свойствами.
Объединение клеток дает новую систему — организм. У него новые качества в сравнении с клетками. Например, человек воспринимает, запоминает, реагирует движениями. Люди, объединенные территорией и трудом, создают общество. Или совсем просто: радиотехнические детали, собранные по определенной схеме, представляют телевизор. Ни одна из его деталей сама по себе не может показывать изображения.
Есть, однако, несколько вопросов. Что считать элементом системы? К примеру, человек собран из клеток, но сами они состоят из макромолекул (белков, нуклеиновых кислот), органических помельче и просто неорганических. Какие считать элементом системы? Или это все схоластика: дробить и дробить? Думаю, что элементом сложной системы нужно считать такие более мелкие частицы, которые сами обладают некоторыми качествами, присущими основной системе. Заумно звучит, но я поясню на примере: элементом организма является именно клетка, а не молекула белка, потому что клеткам, а не молекулам присущи основные качества организма: раздражимость, рост, размножение и прежде всего обмен веществ. То же и с обществом: элемент его человек, а не клетка, потому что ему присущи качества всего общества: труд, производство вещей и информации. Клетке это недоступно.
Я очень боюсь увязнуть в деталях. Но вдруг книгу будут читать ученые? Скажут: «Примитив». Скажут, кроме клеток, есть еще межклеточное вещество, состоящее из отдельных молекул. Что клетки объединяются в органы и системы органов, которые тоже обладают целостными функциями. Все верно. Наука состоит из деталей. В системах есть подсистемы, к примеру, в организме — органы. В промышленности — предприятия.
И все-таки носителями целостности являются только клетка и организм. Они могут жить самостоятельно: клетка — в культуре тканей, организм — в естественной среде. Детали действительно важны, когда речь идет о том, чтобы построить новую систему. Но при объяснении сути дела ими можно пренебречь.
Итак, есть иерархия структур: частицы, атомы, молекулы, клетки, органы, организмы, сообщества, биоценозы и т. д. Разное значение специфики каждого структурного «этажа».
Вопрос о сложности. Опять-таки есть интуитивное представление: сложность — это много разных элементов, по-разному объединенных в разные подгруппы. Разные функции элементов и подгрупп, подсистем. Сколько этого разного?
Когда врач, купив телевизор, рассматривает его электрическую схему, она кажется ужасно сложной. Просто непостижимо, как это инженеры в ней разбираются! Разумеется, доктор знает, что организм сложен: анатомия, гистология… Но чтобы такое переплетение связей!
Наши схемы в учебниках физиологии неизмеримо проще. Вот и говорите о сложности живых объектов. Для биолога это чистая декларация: «организм очень сложен!» А на поверку схемки из десятка квадратиков и двух десятков стрелок.
Схема телевизора для инженера — это модель с такими подробностями, что по ней можно собирать приемник. Для врача описание организма тоже модель, но пригодная лишь для общего понимания и примитивного управления.
Когда говорят о сложности, то обычно подразумевают строение, структуру. Но это только одна сторона явления. Структура — это нечто застывшее, почти мертвое.
Функция — вот проявление жизни. В биологии она выступает как способность к изменению структуры или возможность вступать в соединения с другими структурами. Функцию традиционно связывают с энергией. Атомы в сложной молекуле испытывают постоянные колебательные движения, они обладают энергией. Чем выше мы поднимаемся по лестнице структур (макромолекулы-клетки-органы-организмы-сообщества), тем сложнее становится выражение функции.
Организм как целое выдает вовне не только механическую энергию движений, но и вещество, например потомство. Труд — функция человека, но, приложенная к предметам внешней среды, она выражается в вещах или иных делах.
Жизнь — это постоянное изменение структуры и функции во времени: оно по-разному проявляется на разных структурных уровнях.
Степень сложности любого объекта традиционно выражают цифрами. Не будем оригинальными, приведем некоторые данные. Самая маленькая из живых клеток, так называемая микоплазма, состоит приблизительно из тысячи макромолекул. Под ними подразумеваются молекулы белка, ДНК, РНК. Средняя клетка сложного организма состоит из миллиона макромолекул около ста типов. Если бы их расчленить на аминокислоты и другие простые органические молекулы, их число в клетке было бы почти астрономическим, что-нибудь около 1020.
Количество элементов еще не все в оценке сложности. В ведре воды несчетное количество молекул Н2О, а что может быть проще? Разнообразие элементов и их отношений, то есть количество подсистем, вот что самое важное для сложности.
Итак, мы подошли к важнейшему вопросу: как отразить сложность?
Для радиоприемника или даже ЭВМ — это схема, даже целая иерархия их, от блок-схемы до монтажной. К ним нужно добавить писаные инструкции, технологию — получим достаточно сведений, чтобы управлять аппаратом и даже собрать новый.
А что делать с живыми системами? У нас тоже есть схемы. Они начались с простых химических формул и усложнились до химической структуры гена со схемой, не вмещающейся на странице.
Однако до уровня подобной схемы для целой клетки еще бесконечно далеко.
Модель — это система, отражающая другую систему. Таково самое общее ее определение. Она может отражать структуру, функцию, то и другое вместе. Модель может быть построена из элементов, одинаковых с оригиналом или совсем иных. Функцию можно отразить так или иначе, например, записать… Но как? Какими знаками?
Знаки — это код. Схема приемника — знаки схем. Функции приемника, характеристики: графики и формулы. Есть универсальный код словесных описаний, который люди применяют для всех моделей, от атома до вселенной.
Применяют, но удачно ли? Даже для описания простых вещей слова оказываются не лучшим кодом. Доказательство: неизбежная неточность переводов, связанная со спецификой языков. А если подниматься выше, до психики и общества, то о точности и однозначности словесных моделей уже не приходится и говорить. Каждая школа ученых выдвигает для этих объектов свою модель. Договориться чаще всего не могут.
В чем же дело? И в сложности объектов, и в несовершенстве «методики» создания словесных моделей.
Тогда вернемся к схемам, к цифрам и формулам. Они, несомненно, хороши. Точны. Почему же не описать ими общество? Ясно почему. Сложно. И нет точных сведений.
Снова мы пришли к тому, с чего начали, к сложности. Для простого объекта все средства моделирования хороши, а для сложного их пока нет. Люди еще не придумали.
А природа изобрела.
Из яйцеклетки развивается целый организм. Сначала он формируется в утробе матери, потом еще много лет продолжает расти и усложняется после рождения. Как? По модели, записанной в генах, в ДНК ядра клетки. Это несомненный факт.
Сложность модели человека, заложенная в гене, весьма велика. Говорят, она соответствует тексту в миллион страниц. Миллион или поменьше, сказать трудно, но, во всяком случае, много. Можно себе представить: записана вся анатомия и физиология, биохимия взрослого, записана «инструкция», как всю эту систему сделать из одной клетки, и, кроме того, много резервных программ защиты от возможных повреждений, например развитие иммунитета на будущие микробы. И все в одной яйцеклетке.
Это можно сравнить с технической документацией на большой металлургический завод, а она весит несколько тонн. Но во сколько раз завод проще организма человека? В тысячу? В миллион?
В каждой клетке организма есть полный набор генов, готовая модель всего организма, только большинство прочно заблокировано, и оставлена лишь малая часть программы, обеспечивающая «инструкции» к использованию данной клетки. Однако, как показали опыты биологов на лягушках, если ядро из клетки кожи поместить в протоплазму яйцеклетки, то есть пересадить модель, из нее разовьется именно такая лягушка, от которой взята модель — ядро.
Биологи считают принципиально решенным вопрос о создании полной копии человека по модели из любой его клетки. Все равно что продублировать завод по технической документации…
На более высоком уровне структур можно демонстрировать естественную модель в виде регулирующих систем организма: нервной и эндокринной. Сложнейшая нервная сеть собрана не как попало, а строго определенным образом и представляет собой модель управления деятельностью организма. В низших ее отделах заложены безусловные рефлексы простейших мышечных движений, этажом выше — модели сложной координации врожденных двигательных актов: равновесие, бег, глотание. В вегетативной системе — модели управления внутренними функциями (поддержания гомеостаза, кровяного давления, постоянства дыхания и массы других параметров) при разных нагрузках и внешних условиях.
В самых высших отделах, в коре, заложены возможности создания новых моделей, то есть предусмотрены структуры, способные отражать внешний мир, запоминать его изменения и отрабатывать собственную наивыгоднейшую реакцию на него…
Если мы возьмем еще более высокую систему — сообщество животных, к примеру стаю, то не найдем специальных моделей ее деятельности. Они «вмонтированы» в модели поведения особей: формирование иерархии, воспитание детенышей, защита территории и пр.
Посмотрим на человеческое общество, которое родилось из стаи. В первобытной «орде» уже были модели в примитивной речи. Потом к этому добавились модели, овеществленные в орудиях охоты, войны и труда, потом появились писаные законы, которые уже можно трактовать как модели деятельности общества. Они действуют через психику людей, через модели в нервной системе, так же как модели из нейронов в мозге управляют клетками, воздействуя на их клеточные регуляторы, на ДНК.
Таким образом, у человека действуют три этажа естественных моделей: клеточный — в ДНК, целого организма — в регулирующих системах и общества — в писаных законах и всем многообразии достижений науки и техники. Высший этаж моделей находится вне человека, но действует на его поведение, преобразуясь в корковые модели.
Естественные модели утилитарны. Они служат для управления объектом. Они имеют чувствительные отделы (подсистемы), отражающие состояние объекта, и двигательные, в которых замоделированы программы управления им. Для связи с объектом служат воспринимающие устройства, датчики — рецепторы, и воздействующие — эффекторы. Для всех этих «частей» есть структуры в клетке и в организме.
Модели условно можно поделить на два класса: первый — «статические», которые отражают устройство и деятельность другой системы в структуре. Обычно это искусственные модели. Типичный пример — письмо, фиксированная речь. Эти модели не способны действовать сами по себе, чтобы передать информацию, нужно считывающее устройство. Так, человек читает инструкцию и по ней управляет машиной.
Второй класс представлен естественными регулирующими системами клетки и организма — это действующие модели. Название условно, я не претендую на его строгость. Принцип состоит в том, что все элементы модели функционируют, находятся в том или ином состоянии деятельности. Для ДНК — это активность генов, для нервной сети — это постоянная активность нейронов, проявляющаяся нервными импульсами.
Очень важен вопрос о соотношении сложности естественной модели и объекта. Трудно представить количественные данные, однако приблизительно можно говорить о соотношении 1:100 между сложностью или объемом информации ДНК-РНК клетки и другими макромолекулами. Несколько меньшее соотношение между числом «управляющих» и «рабочих» клеток в органах.
Сложность внешнего мира несоизмерима со сложностью коры мозга. Поэтому если управление телом эффективно, то воздействия на внешний мир у животных ограничиваются узкими рамками удовлетворения потребностей. Чем ниже животное на лестнице эволюции, чем примитивнее его мозг, а следовательно, проще модели, тем менее эффективна его борьба за существование. Слабая выживаемость таких животных компенсируется избыточным размножением.
Человек обладает наиболее развитой корой мозга, поэтому его познание мира более полно. Все развитие общества отмечается расширением объема моделей внешнего мира.
