Сейчас на сайте: 7
|
Фундаментальная причина развития
Вариант статьи, опубликованной в журнале «Философские исследования», №3, 2001 г. Обосновывается расширенное толкование естественного отбора, как универсального механизма производства и накопления новой информации в ходе эволюции любых структур, показывается возможность его представления в виде положительной обратной связи, показывается, что эти процессы являются фундаментальной причиной развития.
1. Введение.
На основании анализа отношений информации с материей, движением и структурой автором было дано и обосновано определение информации [1]:
«информация - это зафиксированное на материальном носителе соотношение свойств объектов на момент их сравнения (взаимодействия)».
Согласно этому определению, информация, в виде упомянутых соотношений, существует и производится повсеместно и постоянно как в живой, так и в неживой природе. Любой материальный объект является носителем информации в виде соотношений свойств элементов своей структуры. Путем выявления следствий этого вывода и обоснования универсальности естественного отбора по критерию устойчивости ниже показывается, что тенденция к повышению устойчивости открытых систем может вести к их структуризации и накоплению информации.
2. Накопление информации при универсальном естественном отборе.
Когда изменяется объект, то изменяются и соотношения свойств его частей, то есть содержащаяся в нем информация. Поэтому, когда материальные объекты и вся природа изменяются в ходе естественных взаимодействий, одновременно происходит и изменение этой информации. Таким образом, природа обрабатывает информацию постоянно и везде. Если какая-то ситуация — текущее сочетание взаимодействующих объектов и соотношений их свойств — возникла впервые, то возникла и новая информация. Если появился новый объект, то и информацию о себе он несет тоже новую. Значит, природа умеет создавать вместе с новыми объектами и новую информацию.
Если новый объект устойчив по отношению к своему окружению, он сохраняется, появляется много таких объектов, то есть формируется устойчивый вид объектов, и, таким образом, природа надежно сохраняет в себе созданную информацию. Это называется естественным отбором. Постоянно и везде производя самые различные эксперименты над всем, что в ней имеется, природа, пусть и случайно, создает все новые и новые виды объектов и, оставляя в себе наиболее совершенные из них с помощью естественного отбора, накапливает в себе все больше информации.
Развиваясь описанным образом, природа из элементарных частиц создавала разные атомы и отбирала устойчивые. Из них она составляла всевозможные молекулы и снова отбирала стабильные для разных условий. Затем, комбинируя с помощью химических реакций простые молекулы, получала более сложные и опять сохраняла устойчивые. Из молекул и атомов она строила различные тела, а из них системы и проводила турниры на устойчивость между ними. Все изобретения природы, прошедшие этот длительный экзамен на устойчивость и жизнеспособность, мы наблюдаем теперь вокруг и внутри себя. Так она построила и отобрала во Вселенной звезды и планеты, на планетах горы и вулканы, на Земле моря, реки и другие устойчивые виды объектов. Так она изобрела и испытала на устойчивость циклические процессы типа автокаталитических циклов ядерных и химических реакций или круговорота воды на Земле. Именно таким путем она создала все, что мы видим, и нас самих, и продолжает развиваться, используя теперь и человечество.
Открытый Ч. Дарвином принцип естественного отбора первоначально связывался только с развитием жизни. Однако в работах нобелевского лауреата М. Эйгена и соавторов убедительно показано [2], что этот принцип действует уже на уровне макромолекул, которые трудно причислить к живым объектам. В продолжение этой тенденции, здесь естественный отбор распространен на неживую природу с самого начала ее эволюции, расширен до универсального естественного отбора по критерию устойчивости. По сути, к этой мысли был близок Н. Винер, рассматривая радиоактивный распад [3,с.310]: «Устойчивость — характеристика мира», — озаглавил он одну из частей своей книги.
Естественный отбор по критерию устойчивости — это универсальная форма эволюции материи и накопления полезной информации. Универсальность обеспечивается наличием у всех объектов ключевых свойств: устойчивости и структуры. Общим в развитии на любом уровне является постоянное взаимодействие объектов, приводящее, случайно или целенаправленно, к созданию новых объектов, к их конкуренции, разрушению, а в итоге, на статистическом уровне, к возникновению все новых структур, к конкуренции и совершенствованию этих структур, отбору из них более устойчивых и сохранению в них произведенной в ходе взаимодействий объектов информации. Эти устойчивые структуры — виды объектов — часто обозначены в нашем языке множественным числом существительных: планеты, горы, дома, растения…
По сути, как только мы признаем, что есть объекты и взаимодействие, из этого сразу же вытекает принцип естественного отбора по критерию устойчивости, который автоматически обеспечивает накопление полезной информации. Его неизбежность еще очевиднее в условиях ограниченности ресурсов. Остановимся на этом подробнее.
Взаимодействие — это взаимное воздействие, влияние объектов друг на друга. Результат этого влияния различен для каждого из участников взаимодействия. Естественным образом при взаимодействии происходит выявление отличий объектов, то есть сравнение, и на этом основании их неслучайный отбор: менее устойчивое, более податливое вытесняется, трансформируется, заменяется более устойчивым. Другими словами, изменения, повышающие устойчивость своих носителей, обеспечивают себе в ходе последующих взаимодействий больше шансов на сохранение по сравнению с противоположными изменениями, именно из-за большей устойчивости своего носителя. Эта независящая от чего-либо асимметрия составляет суть отбора и показывает автоматизм его проявления при любых взаимодействиях, его абсолютную неизбежность. Результатом изменений случайно или целенаправленно могут быть новые структуры, несущие, как показано, новую информацию произведенную взаимодействием. Наиболее устойчивые из них — те, в которых реализовалось, соответственно, больше новой информации о том, как противостоять разрушительным влияниям и использовать полезные, — сохраняются дольше других и служат в последующих взаимодействиях основой для создания очередного уровня иерархии: еще более устойчивых, и в этом смысле еще более совершенных структур. Так, путем отбора по критерию устойчивости природа может автоматически умножать разнообразие структур и оттачивать их совершенство, накапливая в них полезную для обеспечения их устойчивости информацию. А поскольку для обеспечения устойчивости может пригодиться самая разнообразная верно отражающая свойства природы информация, то естественный отбор поддерживает в структурах изменения, приводящие к увеличению количества именно такой информации.
Изложенное усугубляется тем, что все существующее занимает некоторое количество общих ресурсов: пространства, вещества, энергии и так далее. Поскольку, например, вещество в любой момент уже составляет какие-то объекты, а в силу действия закона сохранения нового вещества не предвидится, то появление новых объектов невозможно без замены ими старых. Развивающаяся природа вынуждена постоянно выбирать: что заменять и чем. Наличие механизма отбора является необходимым условием развития. Как уже показано, отбор по критерию устойчивости как раз и является таким естественным и универсальным распределителем ресурсов. Он автоматически перераспределяет ресурсы в пользу более совершенного, содержащего больше полезной информации, в пользу победителей в естественной конкуренции.
Приведенные рассуждения можно проиллюстрировать следующим наглядным примером. Пусть части некоторой системы, например: пушки и наблюдатели, — действовали сначала независимо друг от друга. В результате взаимодействий между ними возникла некоторая связь, и они стали реагировать на внешние воздействия согласованно — огонь стал корректироваться по целям. В результате увеличилась устойчивость системы и количество содержащейся в ней информации [4,с.476]. Путь в другой, первоначально аналогичной системе возникла другая связь и соответствующая ей информация: приказ стрелять всем пушкам в одну сторону. В результате, один из нападавших на нее объектов был уничтожен, тогда как остальные беспрепятственно уничтожили эту систему. Таким образом, произошел акт естественного отбора среди наших систем. Уцелевшая более устойчивая система и возникшая в ней информация стали потенциальной основой для новых усовершенствований, а возникшая во второй системе, но не способствовавшая повышению ее устойчивости информация оказалась уничтожена вместе с носителем, ресурсы которого достались более эффективному победителю. Если таких систем много, то говорят об отборе видов систем. Системы первого вида понесли бы в равных условиях меньше потерь, чем вторые, и их структура, как и новая повысившая ее устойчивость информация, сохранилась бы в большем количестве экземпляров, поддерживалась бы большим объемом материальных ресурсов своих носителей, получая больше шансов на дальнейшее существование и развитие.
3. Естественный отбор — это положительная обратная связь по количеству полезной информации.
Самоподдерживающийся, лавинообразный характер наблюдаемого в жизни и описанного выше процесса структуризации природы и производства информации наводят на мысль о присутствии в нем положительной обратной связи. Обратная связь — это влияние текущего результата процесса на его дальнейшее протекание. Действительно, приведенное описание естественного отбора, очень напоминает описание обратной связи. Функционально петлю такой обратной связи можно представить, как показано на рисунке, из умножителя разнообразия и фильтра структур. В общем случае она может охватывать некоторое множество структур: всю природу, одну или несколько структур — видов объектов, или даже один объект, поскольку вид и структура сначала представлены одним объектом.
 Умножитель разнообразия — это механизм порождения новых структур путем взаимодействия между существующими объектами, это генератор новой информации. В основном здесь воспроизводятся существующие структуры (аналог дарвиновской наследственности), но иногда возникают и новые (аналог изменчивости). В реальности эту работу выполняет сначала случай, а затем и интеллект. С информационной точки зрения в умножителе идет воспроизведение информации в новых поколениях объектов, но в результате ошибок или целенаправленных изменений создаются и мутанты, несущие новые "заблуждения" и "озарения" в науке обеспечения устойчивости, причем какое новшество является "заблуждением", а какое — "озарением", здесь еще не ясно. Важно, что новая структура, созданная путем установления новых связей между существующими структурами или их частями, может содержать больше информации, чем исходные структуры [4,с.476].
В фильтре структур происходит сравнение и отбор структур путем того же взаимодействия между объектами. Более устойчивые, живучие остаются, другие устраняются из оборота. Реально эту функцию выполняет механизм естественного отбора. С информационной точки зрения именно здесь выясняется, что есть что. "Озарения" помогают сохраниться своим носителям и отбираются вместе с ними. Это более адекватная, более полная информация о способах обеспечения своей устойчивости в данных условиях. Наличие этой информации выражается, в частности, и более совершенным устройством ее носителей. "Заблуждения" в виде неверных знаний или неудачных структур отсеиваются, часто, вместе с носителями, так как не позволяют им действовать эффективно. Результаты отбора: и отобранные структуры вместе обеспечившей их устойчивость информацией, и остатки выбывших, — снова поступают в умножитель разнообразия для воспроизводства отобранных и создания новых структур.
Подчеркнем, что, постоянно отбирая и воспроизводя все новые и новые "озарения", описанная обратная связь обеспечивает в ходе эволюции охваченных ею структур увеличение объема накопленной информации, причем не любой, а той, которая оказалась небесполезной на практике, которая действительно обеспечила устойчивость и конкурентоспособность своих носителей.
Принципиальное отличие описанной обратной связи состоит в том, что она приложена к структуре как таковой, то есть к абстрактному, а не к конкретному материальному объекту. Эта обратная связь имеет вероятностный характер и контролирует тенденцию изменения структур, тогда как обычно рассматриваются обратные связи, детерминировано управляющие параметром объекта с неизменной структурой. Выделяя это качество, для краткости будем называть такую обратную связь структурной. Ее петля может быть не замкнута в пределах конкретного объекта, а представляться относительно него спиралью, пронизывающей его модификации. Она всегда замкнута лишь на изменяющейся во времени структуре, представленной, вообще говоря, последовательностью результатов взаимодействия объектов. Эта обратная связь возникает потому, что результат любого взаимодействия элементов структуры всегда является исходным состоянием для последующего взаимодействия, что следствие всегда становится причиной для очередного следствия. И в этом смысле любая структура и всегда охвачена такой обратной связью, из чего следует, что структурная обратная связь является фундаментальным свойством природы, благодаря которому происходит развитие как природы в целом, так и составляющих ее структур. Мы снова пришли к выводу об универсальности, как и при рассмотрении естественного отбора, что не удивительно, ибо это просто другое описание того же процесса. Универсальность делает весьма важным изучение свойств структурной обратной связи и выявление следствий ее наличия.
Поскольку вместе со структурами изменяется и информация, последняя также охвачена обратной связью. Как показано, изменение устойчивости структуры закономерно связано с изменением содержащегося в ней количества необходимой для поддержания этой устойчивости информации. Таким образом, из приведенных описаний следует, что в соответствии с регулируемым параметром структурная обратная связь может быть классифицирована двояко. Скажем так, в физической интерпретации — это обратная связь по устойчивости охваченных ей структур, в информационной формулировке — это обратная связь по количеству верной информации или, что эквивалентно, по разнообразию устойчивых структур. Эта верность, как и устойчивость, обеспечивается фильтром естественного отбора.
Знак структурной обратной связи всегда положительный, так как устойчивость, разнообразие структур и количество информации не могут быть отрицательными. Из теории известно, что положительная обратная связь задает самоподдерживающийся, экспоненциальный характер контролируемого процесса, что совпадает с наблюдаемым характером развития природы.
В соответствии с той же теорией возбуждение или затухание описанного выше процесса зависит от петлевого коэффициента умножения разнообразия Кo. Он равен произведению коэффициента умножения Кm в умножителе разнообразия на коэффициент пропускания фильтра естественного отбора Кs, причем Кm>0, а  . При Кo>1 в каждом цикле информации становится больше, структура усложняется, ее состав становится более разнообразным. При Ко<1 происходит деградация, упрощение, потеря информации и устойчивости. Когда Ко=1, структура находится в параметрически неустойчивом динамическом равновесии или в точке бифуркации, в которой малейшие флуктуации параметров выводят систему из равновесия. Локально в конкретных структурах и в разные моменты времени Ко может быть, как больше, так и меньше единицы в зависимости от соотношения Кm и Кs. Например, при слишком жестких условиях отбора Кs много меньше единицы, и может происходить деградация (Ко<1), а при смягчении условий снова увеличение разнообразия. Похоже, что в целом в известной нам природе реализуется вариант Ко>=1, но это требует отдельного рассмотрения.
Поскольку никаких ограничений на виды структур в наших рассуждениях не накладывается, приведенная концепция показывает единообразие основных принципов эволюции и в неживой природе, и в жизни, и в обществе, и в мире идей. Например, она позволяет находить ответы на вопросы типа задаваемого в [5]: "Почему человеческая логика применима к познанию природы?". Потому, что эта логика, как и отдельные ее элементы, как и все другие науки, родилась и совершенствовалась в процессе естественного отбора на соответствие свойствам природы, на полезность в человеческой деятельности. Естественный отбор зафиксировал в ней информацию о свойствах природы, постоянно отсеивая из новой информации заблуждения, не отражающие эти свойства и, потому, проигрышные или даже губительные для своих носителей в критических ситуациях. Этот процесс не закончен и вряд ли когда-нибудь закончится. Современные науки отражают законы природы не в полной мере и, поэтому, мы продолжаем наблюдать появление и конкуренцию новых наук, претендующих на большую адекватность природе.
Заметим при этом, что раз уж логика отражает некоторые свойства природы, то в природе тоже возможны логические операции, в том числе, и сравнение. Самые разные науки отражают его присутствие в естественных взаимодействиях тем, что, при описании этих взаимодействий не могут обходиться без знаков типа эквивалентности или неэквивалентности, равенства или неравенства. В лингвистике существует точка зрения, согласно которой структура языка отражает структуру реальности. Именно так и должно получаться при формировании языка, в частности научного, путем естественного отбора его конструкций на соответствие свойствам природы, и упомянутые знаки, используемые в научном языке, есть отражение реально происходящих в природе процессов. Все это является дополнительным аргументом, в пользу возможности представления логической структуры взаимодействия в виде сравнения и выбора, как это предложено в [1] и, по сути, подтверждено в данной статье. В свою очередь, возможность представления взаимодействия в виде цепи взаимно вытекающих друг из друга составляющих дает основания для более глубокого понимания действия естественного отбора и его аналогии со структурной обратной связью.
4. Заключение
В данной работе на основании определения информации [1] показано, что в ходе естественной эволюции накопление полезной информации возможно на всех этапах развития природы. Это обеспечивается механизмом универсального естественного отбора по критерию устойчивости, который является обобщением принципа, открытого Ч. Дарвином для биологических объектов, на объекты любого вида. Показано также, что естественный отбор может быть описан на языке теории автоматического регулирования, путем представления природы или ее частей в виде систем, охваченных структурной обратной связью. Провести аналогию между этими, далекими на первый взгляд, подходами позволяет вытекающая из определения информации неразрывная связь между изменениями структуры материальных объектов и содержащейся в них информации. Обе представленные модели, с разных точек зрения ясно демонстрируют, что общие закономерности развития универсальны и заданы на уровне фундаментальных свойств взаимодействия между объектами. На разных временных этапах эволюции и в разных областях пространства меняется лишь характерный состав объектов и типов взаимодействия, а принцип действия механизма развития остается неизменным. В терминах теории автоматического регулирования — это наличие положительной структурной обратной связи, которая приводит к информационной неустойчивости природы и является внутренней причиной ее эволюции. В терминах биологических наук — это естественный отбор по критерию устойчивости, умножающий совершенство и разнообразие любых структур. С философской точки зрения — это функциональная замкнутость цепи причинно-следственных связей: следствие любой причины всегда становится причиной для очередного следствия.
Представленная концепция вносит принципиальную ясность в давно стоящие, но не имевшие до сего времени ясного ответа вопросы, почему произошел переход от развития неживой природы к развитию жизни, и каков механизм развития неживой природы. Оказывается, что и то, и другое развивается по одинаковым законам, что это один непрерывный процесс.
Литература
1. Саночкин В. В. «Что такое информация». - «Философские исследования», №3, 2001 г.
2. Эйген М., Шустер П. «Гиперциклы: принципы самоорганизации макромолекул». - М.: Мир, 1982.
3. Винер Н. «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». - М.: Главная редакция изданий для зарубежных стран издательства "Наука", 1983. - 340 с.
4. Вентцель Е. С. «Теория вероятностей». М.: Высшая школа, 1998. - 576 с.
5. Редько В. Г. «Эволюционная биокибернетика. Почему так медленно развивается актуальная наука?» - "Вестник РАН", 1997, т. 67, №9, с.800-803.
4.02.2010
Интересное по этой теме:
|