Алгоритмы развития
- -
- 100%
- +
© Издательство «Наука», 1987 г.
Предисловие
Изучение биосферы и общества как единой системы, которая включает верхний слой суши, гидросферу (прежде всего океан), атмосферу, биоту н, конечно, человека с его общественными структурами, попытка описать динамику этой системы с помощью математических моделей неизбежно ставят множество вопросов методологического и общеметодического характера. Центральным среди них оказывается вопрос о возможности создания синтетического языка, позволяющего единым, образом представить развитие системы от неживого состояния к зарождению жизни, ее эволюции вплоть до появления человека и развития общества. Этот язык должен допускать постепенное расширение, т. е. включение новых понятий по мере перехода к объектам все более и более сложной природы и организации.
Вопрос о языке возник еще на грани 60-х и 70-х годов, когда в Вычислительном центре АН СССР мы начали обсуждать возможность создания системы моделей, имитирующих динамические процессы, протекающие в биосфере, и искать пути для описания кооперативного поведения общества, рассматриваемого как противоречивое единство разнообразных социальных организмов. Вопрос о языке имел сначала чисто прикладное, даже служебное значение. Однако постепенно он перерос в самостоятельную проблему, и для этого было достаточно оснований.
Логика работы постепенно привела к пониманию того, что создание единого языка, синтетического представления единого процесса развития является, по сути дела, разработкой определенной картины мира, без которой вряд ли возможно предложить обоснованную стратегию глобальных исследований, т. е. изучения природы и общества как единого целого. Такая картина должна отвечать существующему экспериментальному материалу. Она будет, конечно, достаточно условной, и тем не менее в ней должна быть отражена определенная концепция развития материи, ее самодвижения или, лучше сказать, самоорганизации. Мне казалось, что подобная работа может представлять известный интерес и с позиции философии, поскольку она демонстрирует материальное единство мира и диалектику его развития.
Основная трудность, с которой пришлось столкнуться, состояла в том, что различные формы движения и уровни организации материи – неживая, или «косная» материя, жизнь и общество – были разобщенными предметами интересов разных специалистов – физиков, биологов и обществоведов. У каждого из них сложились свои традиции, свой стиль мышления и свой язык. Необходимость преодоления этой трудности и разработка эскиза мирового процесса развития диктовались самой логикой исследований взаимоотношения природы и общества и создания на ее основе инструментария, позволяющего анализировать последствия крупномасштабных антропогенных воздействий. Но такую работу можно было проделать, только опираясь на ту или иную научную традицию.
Будучи по образованию математиком и физиком, я выбрал, естественно, тот путь синтеза, который утвердился физикой, и попытался последовательно провести. «физикалистскую позицию» на всех этапах анализа. Но, отдавая себе отчет в недостаточности такого подхода, продиктованного практическими нуждами математического моделирования, я счел необходимым выделить ряд коренных вопросов, которые в него не укладываются и требуют тех или иных гипотез, в том числе и не подтвержденных каким-либо экспериментальным материалом или наблюдениями. В процессе работы мне пришлось знакомиться с новыми для меня направлениями знаний и вести длительные обсуждения множества вопросов со специалистами далеких от меня областей деятельности. Особое значение имело для меня изучение наследия В. И. Вернадского (сначала я даже задумал написать эту книгу в ключе современной интерпретации идей В. И. Вернадского и демонстрации фундаментальности его научной позиции для решения современных глобальных, т. е. общепланетарных, проблем). Начало работы, связанной с попытками описания глобальных процессов, протекающих в биосфере, во многом обязано нескольким лекциям покойного Н. В. Тимофеева-Ресовского, которые он прочитал в конце 60-х годов в Вычислительном центре АН СССР. Эти лекции и общение с их автором оказали большое влияние на формирование моих общеметодических и методологических концепций.
Первоначально схема «алгоритмов развития», о которой здесь будет идти речь, разрабатывалась, если так можно выразиться, «для внутреннего пользованиям т. е. как отправная методическая позиция для той практической деятельности по математическому моделированию крупномасштабных экологических ситуаций, которой в те годы занимался Вычислительный центр АН СССР1. При этом некоторые выводы методологического характера показались мне не совсем тривиальными, и я посвятил им специальную работу2. В ней, однако, не нашли отражения мои взгляды на общий эволюционный процесс, точнее, общий процесс развития и то место, которое занимает в нем информатика. Эти взгляды сложились у меня к концу 70-х годов.
Окончательная структура книги определилась под влиянием дискуссий относительно двух, казалось бы, далеких друг от друга вопросов. Первый – в каком отношении находятся развитие интеллекта и эволюция живой материн? Этот вопрос обсуждался с профессиональными философами. При этом я понял, что предлагаемая и используемая мной система взглядов достаточно естественна и не вызывает с их стороны существенных возражений.
Второй вопрос – какое содержание следует вкладывать в понятие «искусственный интеллект» и как оно связано с современными проблемами глобального характера? Он вызвал значительно больше споров. Мой подход оказался как бы на перепутье между двумя весьма различными точками зрения: биологов и инженеров – специалистов в области информатики. В обсуждении выяснилось, что оба указанных вопроса связаны между собой весьма тесными узами. Этот факт заслуживает серьезного внимания.
Рукопись настоящей книги была прочитана членом-корреспондентом АН СССР И. Т. Фроловым и доктором философских наук В. Г. Гороховым, которые сделали ряд замечаний философско-методологического характера, за что я им искренне признателен. Не менее важным для меня было обсуждение рукописи с моими товарищами по Вычислительному центру – кандидатом физико-математических наук И. Г. Поспеловым и доктором физико-математических наук Ю. М. Свирежевым, которым я также хотел бы выразить свою глубокую благодарность.
Особую благодарность я приношу наиболее суровому из моих оппонентов – доктору биологических наук А. Г. Назарову, который помог мне увидеть то существенное, что разделяет взгляды физиков и биологов, понять различие их подходов к анализу глобальных проблем экологии и построению общей картины развития, что, однако, не помешало мне сохранить свою точку зрения.
И в заключение отмечу, что я вполне отдаю себе отчет в том, что предлагаемая книга может вызвать многие нарекания. Мне, специалисту в области информатики, очень трудно удовлетворить профессиональным требованиям и физиков, и биологов, и обществоведов одновременно, хотя именно их я и вижу своими читателями. Тем не менее я предлагаю им эту книгу, ибо глубоко убежден в необходимости работ, которые перебрасывают мостики между специальностями и знакомят с тем, какие ракурсы видения предмета могут возникать в смежных дисциплинах. Без этого просто невозможно говорить о синтезе физической, естествоиспытательской и обществоведческой, гуманитарной позиции, столь необходимом в современной жизни.
Введение
За последние 10–15 лет все большее и большее количество людей, живущих в самых разных странах, начинают интересоваться проблемами глобального, или, что то же самое, общепланетарного, характера. Это вполне закономерно, поскольку наша цивилизация обрела сегодня такую мощь, которая сопоставима с мощью глобальных процессов естественного происхождения, а по многим показателям даже их превосходит.
Любое живое вещество всегда активно воздействует на окружающую среду. Изменяя ее, оно само участвует в круговороте химических элементов. При моделировании биосферы мы имеем дело с быстропротекающими геохимическими циклами. В процессе движения химических элементов их известная часть выносится из круговорота и образует осадочные породы, например торф, уголь и т. д. Эти породы снова возвращаются в круговорот, но через периоды времени геологических масштабов. Они представляют собой своеобразные «отходы» активной деятельности живого вещества. Так вот, например, поданным В. А. Ковды (1975 г.), современное человечество в этом смысле эффективнее остального живого мира в 2 тыс. раз: объем отбросов органического происхождения биосферы равен 107 т в год, а человечества – 2 × 1010 т в год. Таким образом, влияние человека на биосферу является теперь существеннейшим фактором ее эволюции, изменения ее не только локальных, но и глобальных характеристик. Этот факт таит в себе опасность поставить под угрозу само существование человечества.
Среди глобальных проблем наиболее острой становится проблема войны и мира: ядерная война, как теперь мы уже знаем, приведет к такой перестройке биосферы, которая исключит возможность существования людей. Но не только война может оказаться причиной катастрофической перестройки биосферы. Ни один вид живого не способен существовать в среде, созданной из своих отбросов, – вот почему тенденции всевозрастающего загрязнения окружающей среды не могут не вызывать глубокое беспокойство.
В силу описанных причин возникает прямая необходимость изучения биосферы и общества как единой развивающейся системы, особенностей эволюции этой системы в условиях растущих антропогенных нагрузок и непрерывного роста взаимозависимости существования людей, даже если они живут на отдаленных друг от друга континентах.
Все более широкие круги общественности начинают осознавать, что стихийное, неконтролируемое развитие производительных сил может окончиться катастрофой. Понимание людьми этого факта означает, что общество в своем развитии вступает в эпоху ноосферы, когда человеческий интеллект должен взять на себя заботу и ответственность за судьбу планеты. Ее дальнейшее развитие должно теперь сделаться направляемым, ориентированным на общие цели. А для этого необходимы новые знания, которые я условно объединю названием «теория развития ноосферы»1. Эта теория призвана осветить будущие ступени цивилизации, если, конечно, какой-то маньяк не развяжет всеразрушающий ядерный конфликт.
Теории ноосферы еще нет. Для ее создания у нас пока не хватает знаний. Теория развития ноосферы должна быть синтетической дисциплиной. Ей предстоит объединить многие науки (пожалуй, даже все!) – естественные, технические, гуманитарные. В самом деле, ведь она должна не только сформулировать общие принципы коэволюции (гармоничного взаимообусловленного существования) человека и биосферы, но и предложить инструмент, позволяющий найти способы преодоления тех кризисов и бед, которые подстерегают человечество на его тернистом пути.
Но чтобы подготовить возможность создания теории развития ноосферы, нам предстоит переосмыслить многие достижения гуманитарной, технической и естественнонаучной мысли, увидеть их в новом ракурсе. Такая работа, безусловно, потребует огромных усилий представителей многих специальностей.
В наших попытках найти нужный ракурс мы идем не совсем по целине. Система взглядов на характер взаимоотношений человека и окружающей среды, на роль и обязанности человека в будущем мире уже доброе столетие разрабатывается учеными, прежде всего нашими соотечественниками. «Философия общего дела» Н. Ф. Федорова1 «Биогеоценология» В. Н. Сукачева и Н. В. Тимофеева-Ресовского, «Всеобщая организационная наука, или Тектология» А. А. Богданова и, конечно, «Учение о биосфере и ее постепенном переходе в ноосферу» В. И. Вернадского представляют собой звенья единой цели, единого русла нашей отечественной мысли, заложившей основу современного понимания проблем взаимоотношения человека и природы, поднявших их на уровень проблем общепланетарного значения. Сопоставление идей этого великого наследства с новыми достижения современного естествознания и обществоведения все больше и больше убеждает меня в том, что единственной позицией, позволяющей разобраться в невообразимо сложном узле проблем, которые должна решать будущая теория развития ноосферы, является целостное представление о процессах развития материи, ее самоорганизации – представление, в котором появление человечества, разума предстает как естественный этап развития космического тела – Земли. Раскрытие механизмов самоорганизации, может быть, и есть то самое важное, что необходимо для познания возможных путей дальнейшего развития цивилизации.
В самом деле, с ростом могущества человека резко ускоряются многие процессы, протекающие в обществе и биосфере. Если раньше заметные изменения в состоянии общества и окружающей среды требовали столетий, то сейчас они совершаются буквально на глазах одного поколения. И тем не менее они остаются теми же взаимосвязанными процессами развития живой и неживой природы и общества. Как и раньше, ими управляют объективные законы. При этом определенность и неизменность законов природы совсем не означают предопределенности (детерминированности) общих процессов развития. Появление нового фактора развития земной жизни – разума – не меняет этого утверждения. Он – порождение природы и не может изменять ее законов. Тем не менее разум способен ставить цели развития. Но для их достижения он должен следовать объективным законам.
Принцип материального единства мира и принцип развития – только такое соединение и может послужить гносеологической базой системы знаний, в которую однажды окажется уложенной растущая, как снежный ком, совокупность сведений о всех тех процессах развития, с которыми нас сталкивает человеческий опыт и которые являются лишь фрагментами единого процесса – мирового процесса самодвижения, самоорганизации материи. Развитие неживой природы и космоса, появление разума и общественных форм движения материи, возникновения техносферы2 и ее развитие уже недостаточно изучать изолированно. Для построения теории развития ноосферы да и для будущего всей цивилизации представляется совершенно необходимым видеть их звеньями единой цепи.
Сегодня такая научная позиция начинает завоевывать все большее признание, ибо она открывает пути для изучения проблемы самоорганизации материи. А эти проблемы интересуют сегодня практически всех. Ими начинают заниматься физики, математики, экологи, философы… В научном обороте появился термин «синергетика», произведений от древнегреческого слова «синергос», или «вместе действующий».
Что означает этот термин? В процессе движения материи непрерывно возникают и разрушаются более или менее стабильные структуры, которым свойствен «метаболизм». Они далеки от термодинамического равновесия, а их относительная устойчивость поддерживается благодаря использованию внешних энергии и вещества. Так вот то, что обозначается термином «синергетика», претендует на изучение этих процессов, и потому данный термин близок к понятию развития. Однако, по моему мнению, синергетика еще не превратилась в самостоятельную дисциплину, обладающую собственным инструментарием и четко выраженным предметом исследования.
Примечание. Понятие «синергетика», конечно, не исчерпывает философской категории развития. Оно занимает в содержании этой категории лишь определенную «экологическую нишу». Не исключено, что синергетика постепенно превратится в самостоятельную дисциплину, изучающую существенно нелинейные процессы. Уже сегодня начал возникать своеобразный язык, позволяющий общаться ученым, изучающим нелинейные и неравновесные процессы физической, химической, биологической и даже социальной природы. Возможно, что со временем возникнет и соответствующий инструментарий. Тем не менее в этой книге я буду по возможности избегать термина «синергетика», используя, если это допустимо, другие, более привычные понятия.
Глава первая
Единство процесса развития
1. Дарвиновская триада
Система взглядов, развиваемая в данной работе, опирается на те представления о характере процесса развития нашей планеты, которые были сформулированы В. И. Вернадским и вошли в историю научной мысли как учение о биосфере и ее постепенном переходе в ноосферу. Сейчас это учение начинает оказывать все большее влияние на характер мышления исследователей, а может быть, и на цивилизацию в целом.
В основе учения В. И. Вернадского лежит представление о взаимозависимости процессов, протекающих на Земле. Все они связаны друг с другом и являются фрагментами ее развития. Важнейшим событием в истории нашей планеты было появление на ней жизни, резко ускорившей все процессы преобразования неживой, по терминологии В. И. Вернадского, «косной» материи.
В. И. Вернадский считал жизнь космическим феноменом. «Жизнь … – писал он, – является не случайным явлением в мировой эволюции, но тесно с ней связанным следствием»1. Как мне представляется, он был первым из ученых-естественников, который понял космическое значение факта возникновения жизни на Земле и начал систематическое исследование ее влияния на планету, представляя жизнь «буфером» между космосом и «косным», т. е. неживым, веществом Земли. В самом деле, Земля, будучи космическим телом, непрерывно испытывает воздействие космических процессов. А жизнь, способная усваивать энергию Солнца непосредственно и трансформировать ее в земное вещество, многократно усиливает это воздействие.
Таким образом, Земля, ее биосфера видятся нам ныне как единая система, в которой жизнь связывает в одно целое процессы, протекающие на Земле, с процессами космического происхождения. И сегодня изучение ее как целостной системы представляется жизненно необходимым.
В. И. Вернадский начал систематическое изучение единого процесса развития с момента возникновения Земли, который отстоит от сегодняшнего дня на 4,5 млрд лет. Опираясь на открытия последних десятилетий, мы можем нарисовать более полную (чем у В. И. Вернадского) картину мирового эволюционного процесса, сдвинув начало отсчета уже на пару десятков миллиардов лет. Поэтому тот эволюционный процесс, который изучал В. И. Вернадский, сейчас мы имеем право рассматривать лишь как фрагмент единого процесса развития материи.
Чтобы получить единое, синтетическое описание всего процесса самоорганизации материи (т. е. нашей Вселенной), нельзя обойтись без некоторого фундаментального предположения. Это может быть или гипотеза Большого взрыва, или нечто ей эквивалентное, утверждающее возникновение Вселенной, т. е. момент начала единого процесса развития. Сегодня мы можем отнести его отметку назад на 2 × 1010 лет. Но хотя современные космологические гипотезы и соответствующие опытные факты (реликтовое излучение, например) открыли горизонты, которые были неведомы во времена В. И. Вернадского, они только раздвинули то представление о единстве процесса развития материального мира, которое было исходной, отправной точкой его учения.
За последние десятилетия было сделано еще несколько эпохальных открытий, позволяющих уточнить учение В. И. Вернадского и связать воедино многие факты, которые до этого носили фрагментарный характер. Во-первых, совсем недавно были обнаружены следы жизни на Земле, которая существовала 3,5–3,8 млрд лет тому назад. Другими словами, возникновение Земли как космического тела и появление на ней жизни произошли, по космическим масштабам, почти одновременно. Этот факт переоценить невозможно!
Другое открытие не меньшей значимости – это доказательство существования на Земле генетического кода, единого для всего живого. Единый алфавит из четырех букв – это, вероятнее всего, следствие некоего процесса естественного отбора, сохранившего наиболее устойчивую, наиболее приспособленную к нашим земным условиям форму передачи наследственной памяти – наследственной информации, которая кодируется нуклеиновыми кислотами. Это открытие является важнейшим аргументом в пользу утверждения о том, что жизнь, во всяком случае в ее современных формах, способных сохранять наследственность, не была занесена из космоса, а родилась здесь, в наших земных условиях2. Единство генетического кода очень трудно объяснить, отрицая, что жизнь возникла на Земле и является естественным этапом ее эволюции. Этот факт, который воспринимался В. И. Вернадским в качестве эмпирического обобщения», т. е. не противоречащим опытным данным, теперь не только постепенно уточняется, но и превращается в строго установленное положение.
Еще один аргумент в пользу гипотезы о земном происхождении жизни на нашей планете дает нам изучение оптических свойств живого вещества. Оказывается, что в отличие от «косного» вещества В. И. Вернадского живое всегда оптически активно. Это означает, что его молекулы обладают общей асимметрией, определяющей его способность в поляризации света, который проходит через живое вещество. В неживом же веществе молекулы всегда имеют разные свойства симметрии. В результате их смешения такое вещество не обладает способностью к поляризации. Аминокислоты же, из которых состоят живые организмы (а также вещество, прошедшее сквозь организм или образовавшееся в результате его распада), обладают такой способностью. Этот факт, открытый еще в прошлом веке Л. Пастером и П. Кюри, имеет огромное значение для понимания особенностей мирового эволюционного процесса вообще и возникновения жизни в особенности, роли жизни в трансформации материи и изменении ее свойств.
Представим себе два рода молекул – оптических изомеров – так называемые правые и левые молекулы. Они неразличимы по своим физико-химическим свойствам.
Чтобы отличить их, необходим специальный инструмент, если угодно, некоторый фильтр, распознающий особенности их симметрии. Таким фильтром служит живое вещество, которое всегда построено из однотипных (как правило, левых) оптических изомеров. Почему же все живое характеризуется такой асимметрией – ответа на этот вопрос пока нет!3 Однако, как представляется, благодаря этому факту у нас теперь есть возможность отличать вещество биогенного происхождения от вещества «косного».
В распоряжении ученых сейчас уже есть определенное количество вещества космического происхождения (метеориты, лунный грунт и т. д.). Его изучение показывает, что и в космосе происходят процессы, в результате которых там появляются следы биологических макромолекул. Это обстоятельство трудно переоценить. Оно еще раз показывает, что усложнение организации материи и выход ее в предбиологическую фазу характерны не только для нашей планеты. Это типично, по-видимому, для Вселенной в целом, т. е. для мирового процесса развития материи.
Вместе с тем пока нет ни одного подтверждения гипотезы о том, что в космосе существует вещество биогенного происхождения, т. е. вещество, обладающее оптической активностью. Вот почему предположение о том, что земная жизнь имеет земное происхождение, является наиболее естественным. И оно – это предположение – ничуть не противоречит тезису В. И. Вернадского о том, что жизнь «не является случайным явлением в мировой эволюции».
Наконец, четвертый факт, имеющий фундаментальное значение для нашего понимания общей картины мирового процесса развития, – это новые данные об эволюции органических макромолекул. Особую роль в изучении этой эволюции сыграли исследования М. Эйгена. Мне кажется, что из всего множества фактов предбиологической эволюции, которые были установлены этим исследователем за последние годы, важнейшим следует считать демонстрацию возможности возникновения – уже на уровне биологических макромолекул – явления редупликации, т. е. размножения и метаболизма.
В последние годы все большее внимание в теории самоорганизации привлекают проблемы самовоспроизведения без изменения организации системы. Такое явление получило название аутопоэза. И по-видимому, только М. Эйгену удалось построить математическую модель аутопоэтической системы, отражающую реальный процесс эволюции биологических макромолекул4.
Я думаю, что именно эти достижения науки, эти замечательные факты позволяют нам сегодня считать возникновение жизни естественным этапом саморазвития материи, одной из форм ее самоорганизации. Но надо заметить, что подобные факты, сколь бы они ни были принципиально важными, практически не приблизили нас к пониманию того, что принято называть феноменом жизни, а тем более к тому пониманию, которое позволило бы нам дать его достаточно полное определение. Но вероятно, благодаря им мы начинаем постепенно догадываться, что между живым и неживым, может быть, и не существует столь резкого рубежа, который предполагался до сих пор. Граница между живым и неживым веществом, наверно, размыта, а многообразие форм самоорганизации материи, может быть, содержит относительно устойчивые образования, которые трудно отнести только к живой или только к неживой материи. Лишь отойдя достаточно далеко от этой границы, мы можем с уверенностью говорить о том, что заведомо является живым, и сформулировать для него знаменитый принцип Пастера – Реди: живое – это только то, что происходит от живого.