В последние десятилетия в науке усилились интегративные тенденции, снимающие ведомственные преграды между разными научными дисциплинами. В этом плане для советской и для мировой биологической науки решающее значение имела теория функциональной системы, разработанная академиком П. К. Анохиным. В отличие от других направлений системного подхода эта теория исходит из ведущей роли полезного результата в деятельности организма. Ни одна организация, сколь обширной она ни была бы по количеству составляющих ее элементов, не может быть названа самоуправляемой, саморегулируемой системой, если ее функционирование, т. е. взаимодействие частей этой организации, не заканчивается каким-либо полезным для системы результатом». — писал П. К. Анохин. Когда речь идет об отдельных функциональных системах, таких, как система терморегуляции организма или система поддержания оптимального артериального давления, — результат достаточно очевиден. Иное дело, когда мы хотим понять поведение (организма) как целое. Коков его общий результат? Какова его количественная мера? Зная этот результат, можно было бы и объяснить, и предсказать поведение организма! Эта заманчивая перспектива привела к появлению целого направления исследований, которое первоначально исходило из философской идеи об оптимальности всего сущего, о некоей экономии, присущей процессам, происходящим в природе. В физике эта идея уже давно получила количественное выражение в форме экстремальных принципов механики, оптики, термодинамики и пр. Естественно, что эта идея не могла пройти и мимо внимания биологов, тем более что в живой природе, в строении и поведении живых существ оптимальность порой проявляется особенно выпукло и наглядно. Однако сформулировать этот принцип строго долгое время не удавалось главным образом из-за того, что строению и поведению живых существ свойственно крайнее разнообразие. И надо сказать, что представление П. К Анохина о результате как факторе, формирующем функциональную систему и направляющем ее поведение, оказалось способным стимулировать поиски в правильном направлении. Об этих поисках и идет главным образом речь в данной книге. Авторы, сами давно работающие в указанной области, сумели кратко, но достаточно полно осветить существующие здесь тенденции. Среди прочих они излагают и собственные представления, которые сейчас объединены в информационную концепцию поведения. Эта концепция, равно как и другие концепции в данной области, может быть, не бесспорна, но в настоящее время имеется уже много аргументов в ее пользу, и нам думается, что она вполне имеет право на существование. Описанным познавательным, мировоззренческим аспектом отнюдь не исчерпывается то, что может привлечь широкого читателя в данной книге. Он найдет здесь также и целый ряд сведений, которые могут оказаться ему полезными практически: представления об эмоциях — об их созидающей и, попой, разрушающей силе; данные о роли информации и разнообразии впечатлений — о том, как они влияют на самочувствие человека; сведения о полезном и вредном влиянии привычек на поведение и многое другое. А ведь в переживаемую нами сейчас эпоху перестройки, радикального обновления всех сфер нашей жизни так важно дать читателю ключ к пониманию себя, к пониманию природы творческой активности, высокой работоспособности — словом, всего того, что составляет человеческий фактор. Наконец, следует отметить, что круг вопросов, которые взялись осветить авторы, при всей их важности практически никогда в нашей популярной литературе не затрагивался. Может быть, это отчасти объясняется его сложностью. В этих условиях умение авторов излагать трудный материал ясно и доступно, не злоупотребляя математическими выкладками, несомненно, сделает книгу полезной для самого широкого круга читателей: от школьников старших классов и студентов до преподавателей, от медиков до философов, от интересующихся специальными биологическими проблемами до всех, кто испытывает потребность в стройном, целостном, системном миропонимании.Прежде чем говорить о теоретической биологии, неплохо бы спросить себя: а что такое теория? Как обычно строятся научные теории? И существует ли какая-то образцовая, идеальная структура научной теории?
Для ответа на эти вопросы можно обратиться, во-первых, к истории науки, во-вторых, к некоторым общесистемным соображениям (поскольку научная теория— частный случай системы).
Обращение к истории науки показывает, что структура научной теории не остается постоянной, она эволюционирует, развивается. Мысленно продолжив это развитие, можно представить себе то предельное, идеальное состояние, к которому оно направлено. Некоторые теории уже достигли этого состояния и могут рассматриваться как «эталонные». Таковы классическая механика, геометрическая оптика.
Отсюда следует, что по мере приближения теории к идеалу число объясняемых фактов должно возрастать, а число исходных положений (постулатов, принципов) — сокращаться. Первым примером последовательной реализации этого принципа была геометрия Евклида. Структура евклидовой геометрии в течение почти двух тысяч лет оставалась неизменной и служила образцом для других наук. Известно, что этому образцу не раз пытались подражать. Пример — «Этика» Б. Спинозы. Однако быстрое развитие естественных наук в новое время показало, что этот образец не во всем удачен. Прежде всего естественную науку, имеющую дело с явлениями природы, не удается построить как замкнутую систему, т. е. раз навсегда перечислить все ее исходные положения. Теория должна оставаться открытой, для того чтобы иметь возможность ассимилировать новые факты и распространяться на новые области реальности. В то же время исходные положения теории неравноправны: среди них есть «динамическое ядро», задающее силы, тенденции движения; и набор условий, в которых действуют эти силы. Этот набор характеризует конкретную систему и может меняться и расширяться до бесконечности. Ядро же теории, как показывает история науки, в конце концов может быть сведено к единственному принципу. Система товарного обмена, как известно из истории, также развивалась в сторону централизации. Если первоначально один товар непосредственно обменивался на другой, то с ростом числа товаров среди них выделялся один или два (обычно — золото и серебро), которые становились всеобщим эквивалентом, своего рода «обменным центром»: товар сначала обменивался на золото, а золото — на другой товар. Благодаря этому система меновых отношений резко упростилась. Аналогичные примеры можно найти в других областях: эволюция нервной системы —от диффузной к централизованной, эволюция политических отношений— от феодальной раздробленности к централизованным государствам и т. п. Можно думать, что и эволюция научной теории должна подчиняться этой, по-видимому, общесистемной закономерности. Итак, идеальная динамическая теория должна быть централизованной, т. е. все частные закономерности должны выводиться в ней из одного центрального принципа. Чтобы найти ход луча между двумя интересующими нас точками, мы соединяем эти точки всеми возможными путями. Зная скорость распространения света в различных средах, мы можем подсчитать время движения луча вдоль каждого из этих путей. После этого остается выбрать тот путь, для которого время оказалось минимальным, он и будет истинным.
Результат будет тем же самым, как если бы мы пользовались различными частными законами движения света (отражения, преломления, прямолинейности и т. д.). Разумеется, на практике никто не считает время вдоль всех траекторий —существуют методы, значительно сокращающие все процедуры расчета и сравнения.
Экономия энергии
Большинство авторов, использующих принцип экономии энергии, ограничивается количественными предсказаниями и выводом отдельных констант и закономерностей. На этом фоне исключительный интерес представляет работа Л. Б. Емельянова-Ярославского. Путем последовательного развертывания этого принципа автор строит целостную концепцию работы мозга, объясняющую целый ряд фактов качественного характера.
Автор отправляется от предположения, что нейрон в своей работе решает лишь одну главную задачу — экономию энергии. Все остальные его функции возникают как побочные продукты этой деятельности. Прежде всего нейрон должен выжить в условиях дефицита энергии. Разряд нейрона (нервный импульс) рассматривается как одно из средств решения этой задачи. Установление связей с другими нейронами в свою очередь служит средством оптимальной организации разрядов. Решая задачу об экономии энергии, совокупность нейронов проходит последовательные ступени самоорганизации. Если исходные параметры нейрона подобраны удачно, то в качестве «побочных продуктов» этой эволюции в системе возникают такие свойства, как память, органы восприятия и воздействия на внешнюю среду, сон, сознание, подсознание, эмоциональные и интеллектуальные свойства. Эту концепцию автор рассматривает и как программу построения искусственного интеллекта, который должен возникнуть в качестве неизбежного продукта эволюции системы нейронов. Отдельные этапы эволюции моделировались на ЭВМ, и результаты получились обнадеживающими. Мы, пожалуй, привели бы известную книгу рекордов Гиннесса как свидетельство неудержимого стремления человека к экспансии, к завоеванию все новых и новых рубежей и расширению пространства возможных состояний, если бы в стремлении к рекордам не был замешан такой осложняющий дело момент, как человеческое тщеславие. В качестве еще одного довода в пользу принципа максимума энтропии можно привести и аргумент от противного: лишите живое существо свободы движения, свободы выбора — и посмотрите, что получится. У большинства животных (не говоря уже о человеке) инстинкт свободы настолько развит, что плен, рабство, тюрьма ведут если не к смерти, то к жестоким мучениям. Недаром среди средневековых пыток была и такая: поместить человека в тесный ящик, где он не мог изменить позу. А во многих армиях употреблялась в качестве наказания многочасовая стойка «смирно» под ружьем. Те же, кому случалось лежать в гипсе, по собственному опыту знают, что это за адская пытка — неподвижность. Теперь, однако, пора сказать, что поиск — все же относительно редкая форма поведения. В жизни она сплошь и рядом заслоняется той, более распространенной формой, которую можно назвать консервативным поведением. Для описания этой формы поведения принцип максимума энтропии уже недостаточен и требуется его дальнейшее обобщение.
В 1958 году академик И. И. Шмальгаузен предложил программу информационного подхода к построению теоретической биологии. Он считал, что в теории информации мы обрели, наконец, ту долгожданную теоретическую основу, которая позволит объединить и объяснить все колоссальное разнообразие биологических фактов. Надо сказать, что вообще при своем появлении на свет теория информации породила среди биологов и психологов большие надежды. Однако первоначальная эйфория вскоре сменилась разочарованием— полученные результаты далеко не соответствовали ожиданиям.
Нет эмоции более горькой, чем разочарование! Обманутые поклонники обрушили на теорию информации град упреков и ругательных эпитетов, из которых «тривиальная», «бессодержательная» и т. п. были еще не самыми худшими. Чтобы в такой обстановке снова взяться за «внедрение» теории информации в биологию, нужно как минимум понимать причины прежних неудач. Или хотя бы думать, что понимаешь. Следует, конечно, оставить в стороне чисто технические трудности измерения количества информации в биологических объектах: мы не можем измерить и количество информации, содержащееся в радиопередаче, однако из этого не следует, что теория информации неприменима в радиотехнике. Трудности здесь велики, но не принципиальны. Нельзя считать такой причиной и «синтаксический» характер современной теории информации, отсутствие в ней «семантической», содержательной стороны. В одной из первых книг по теории информации С. Голдман кратким замечанием наметил правильный путь решения этого вопроса: «Если заменить «вероятность сообщения» на «вероятность события», то те же формулы будут выражать количество семантической информации».
Главная причина неудач теории информации заключается, на наш взгляд, в том, что она до сих пор не обрела своего динамического ядра — принципа оптимальности. По крайней мере он не сформулирован в явном виде. Она все еще не стала «динамической теорией» и остается «кинематической схемой», которая только связывает между собой переменные, но ничего не говорит о том, как они должны изменяться. Нет принципа, который задавал бы направление и характер этих изменений. Формулировка такого принципа в явном виде является настоятельной необходимостью не только для биологии, но и для самой теории информации. В неявной форме он, в сущности, давно уже присутствует в наших представлениях о процессе переработки информации, идет ли речь о технике, статистике или о биологии. Рассмотрим пример образования связи — выработку условного рефлекса. Опыт выглядит так: когда свет загорается слева, крыса должна перейти на левую половину поля, когда справа — на правую. В этом случае она получает подкрепление — пищу. Пока крыса не обучена, связь между стимулом и реакцией отсутствует, взаимная информация между ними равна нулю и энтропия системы 2 бит. По мере научения (образования условной связи) взаимная информация растет, и энтропия уменьшается. В пределе, при полной обученности, свет и положение крысы оказываются жестко связаны: где свет, там и крыса. Обе переменные ведут себя как одна. А это означает уменьшение числа степеней свободы и энтропии системы на единицу. Еще один пример — связь между условиями среды и признаками организма. Взаимная информация между ними растет в ходе эволюции, по мере приспособления организмов к среде. У хорошо приспособленного организма эта информация настолько велика, что биолог, наблюдая признаки организма, может довольно точно описать условия среды, в которой он обитает. Между этими двумя примерами много общего: условия среды можно рассматривать как «стимулы», а признаки организма — как устойчивые, сформированные многими поколениями «реакции».
Теперь мы располагаем всем необходимым набором представлений, чтобы сформулировать в количественном виде тот экстремальный принцип, который определяет многие формы поведения живых организмов. Мы называем его принципом максимума информации. Название это, как всякое краткое название, довольно условно и еще не раскрывает его сути. Суть же такова. При описании поведения живого организма нужно различать три типа переменных, которые можно условно назвать и обозначить так: R—результат, состояние жизненно важных параметров организма. Обычно требуется поддерживать определенные значения этих параметров, либо постоянные, либо изменяющиеся по какой-то программе.
X — стимул, условия внешней среды, воздействующие на организм.
У— реакция организма на стимул, имеющая целью получение полезного результата.
Символы X, У под обозначением максимума означают, что организм может добиваться этого максимума путем выбора как своих реакций У, так и в какой-то мере путем выбора стимулов X. (Например, меняя среду обитания.) Вообще же понятия «стимул» и «реакция» относительны (реакция сама может быть стимулом для другой реакции и т. д.) и могут трактоваться очень широко. Например, реакция на стимул это:
— нервный импульс, возникающий в ответ на раздражение мембраны нейрона;
— признак, который складывается у организма под влиянием условий среды;
— гипотеза, которую выдвигает ученый на основе наблюдений;
— действие, которым организм отвечает на внешний или внутренний раздражитель, и т. п.
Для иллюстрации основных положений принципа обратимся к рассмотренному выше примеру с научением крысы. Изменение стимула при отсутствии реакции вызывает отклонение результата от желаемого значения Г. Например, если свет загорается слева, а крыса остается справа — вследствие ошибки, усталости (дефицита энергии), наличия препятствий, — то она не получает подкрепление. Это значит, что наряду с желаемым, нормальным результатом г будет появляться с какой-то вероятностью и нежелаемый Го, и энтропия переменной R будет отлична от нуля: H(R) >0. Реакции крысы призваны нейтрализовать действие стимулов и поддерживать единственное значение результата— Г. И тем самым свести энтропию переменной R к минимуму — к нулю. Это удается только в том случае, если крыса полностью контролирует ситуацию: идеально обучена, знает, какой реакцией отвечать на стимул, и может отвечать, т. е. энергетические и прочие ограничения, наложенные на реакции, не препятствуют этому. Это означает, что реакции крысы однозначно связаны со стимулами, т. е. условная энтропия равна нулю Н(Х/У)=0. При определенных (достаточно, впрочем, общих) условиях однозначность этой связи равносильна стабилизации результата H(R)=0. В условиях, когда результат достаточно надежно стабилизирован, организм может позволить себе поисковую активность: изменять стимулы и одновременно ответные реакции ради достижения максимума безусловной энтропии Н(Х). Например, если крыса может сама выбирать себе стимул, включать свет слева или справа, то она отнюдь не будет держаться какой-то одной стороны, а рано или поздно начнет пробовать и другую. И если окажется, что это не ведет к потере желаемого результата, то поиск будет расширяться. Именно так и ведут себя крысы в опытах Ротенберга и Аршавского. Роль стимула здесь играет новое помещение, роль реакции — пребывание в нем, желаемым результатом является безопасность. Пока освоение новых стимулов и реакций не ведет к потере безопасности, крыса продолжает это освоение, увеличивает Н(Х). Принцип максимума информации во второй формулировке означает, что организм стремится увеличить безусловное разнообразие реакций Н(У), поскольку это его «арсенал», его оружие в борьбе за результат, и в то же время уменьшить разнообразие условное Н(У/Х), т. е. неоднозначность, неточность ответов на конкретный стимул. Таким образом, во второй формулировке информация характеризует то свойство организма, которое можно обобщенно назвать мастерством: мастерство = разнообразие -точность реакций. Принцип максимума информации описывает не только поведение, но и процессы развития, адаптации, роста приспособленности и мастерства. В качестве примера можем взять развитие реакций руки у пианиста по мере обучения. С одной стороны, мы видим увеличение безусловного разнообразия реакций от набора примитивных хватательных рефлексов у новорожденного до богатейшего репертуара приемов музыкального исполнения у Рихтера. С другой, повышение точности — от неумения попасть на нужную клавишу до передачи кончиками пальцев тончайших оттенков музыкальной мысли. Соответственно растет и разнообразие стимулов Н(Х), т. е. той «нотной среды», которую осваивает и к которой адаптируется музыкант. Нужно помнить, что достигаемый максимум информации всегда условный, т. е. достигается лишь настолько, насколько позволяют условия, ограничения, наложенные на реакции. Роль ресурсов, как уже отмечалось, могут играть: энергия, вещество, время, потребное пространство, количество операций и т. п. Следует заметить, что такие ресурсы, как энергия, время и количество операций, обычно связаны друг с другом монотонной зависимостью, так что увеличение одного из них обычно сопровождается увеличением и двух других. Например, чем больше мы произвели каких-то операций, тем больше будут затраты энергии и времени. Так что эти ресурсы в определенном смысле эквивалентны. В дальнейшем мы будем рассматривать в качестве ресурса главным образом энергию. Требование условного максимума информации (отвечающего условию ограниченности энергетических ресурсов) мы можем теперь заменить требованием безусловного максимума величины L, которую можно назвать целевой функцией, или функцией полезности. Принцип максимума информации — постулат. А постулаты не доказываются. Их справедливость проверяется совпадением вытекающих из них следствий с опытом. Такой проверке посвящены следующие главы книги. Здесь же мы хотим привести некоторые соображения, которые, не будучи доказательствами, послужили бы все же некоторым эвристическим обоснованием этого принципа. А фундаментальная особенность нашего познания состоит в том, что оно может изучать только выжившие, реально существующие системы (невыжившие, неустойчивые, как правило, просто не могут стать объектами нашего наблюдения). Естественно, что для таких систем принцип максимума взаимной информации должен иметь первостепенное значение. В заключение обратим внимание на то обстоятельство, что принцип максимума информации возник не в вакууме. Он сложился как естественное продолжение той общенаучной тенденции, в русле которой возник и принцип экономии энергии и принцип максимума энтропии. Оба эти принципа могут рассматриваться как частные случаи принципа максимума информации, а последний как их обобщение. В дальнейшем мы постараемся показать плодотворность этого обобщения, возможность получить на его основе новые результаты, которые не удается получить на основе прежних подходов. Таким образом, старые, хорошо работающие в своей области, теории не отвергаются, а включаются в новую на правах частного случая — как того и требуют правила хорошего тона в науке, сформулированные в известном принципе соответствия Н. Бора.
Для ответа на эти вопросы можно обратиться, во-первых, к истории науки, во-вторых, к некоторым общесистемным соображениям (поскольку научная теория— частный случай системы).
Голубая мечта теоретика
Обращение к истории науки показывает, что структура научной теории не остается постоянной, она эволюционирует, развивается. Мысленно продолжив это развитие, можно представить себе то предельное, идеальное состояние, к которому оно направлено. Некоторые теории уже достигли этого состояния и могут рассматриваться как «эталонные». Таковы классическая механика, геометрическая оптика.
Отсюда следует, что по мере приближения теории к идеалу число объясняемых фактов должно возрастать, а число исходных положений (постулатов, принципов) — сокращаться. Первым примером последовательной реализации этого принципа была геометрия Евклида. Структура евклидовой геометрии в течение почти двух тысяч лет оставалась неизменной и служила образцом для других наук. Известно, что этому образцу не раз пытались подражать. Пример — «Этика» Б. Спинозы. Однако быстрое развитие естественных наук в новое время показало, что этот образец не во всем удачен. Прежде всего естественную науку, имеющую дело с явлениями природы, не удается построить как замкнутую систему, т. е. раз навсегда перечислить все ее исходные положения. Теория должна оставаться открытой, для того чтобы иметь возможность ассимилировать новые факты и распространяться на новые области реальности. В то же время исходные положения теории неравноправны: среди них есть «динамическое ядро», задающее силы, тенденции движения; и набор условий, в которых действуют эти силы. Этот набор характеризует конкретную систему и может меняться и расширяться до бесконечности. Ядро же теории, как показывает история науки, в конце концов может быть сведено к единственному принципу. Система товарного обмена, как известно из истории, также развивалась в сторону централизации. Если первоначально один товар непосредственно обменивался на другой, то с ростом числа товаров среди них выделялся один или два (обычно — золото и серебро), которые становились всеобщим эквивалентом, своего рода «обменным центром»: товар сначала обменивался на золото, а золото — на другой товар. Благодаря этому система меновых отношений резко упростилась. Аналогичные примеры можно найти в других областях: эволюция нервной системы —от диффузной к централизованной, эволюция политических отношений— от феодальной раздробленности к централизованным государствам и т. п. Можно думать, что и эволюция научной теории должна подчиняться этой, по-видимому, общесистемной закономерности. Итак, идеальная динамическая теория должна быть централизованной, т. е. все частные закономерности должны выводиться в ней из одного центрального принципа. Чтобы найти ход луча между двумя интересующими нас точками, мы соединяем эти точки всеми возможными путями. Зная скорость распространения света в различных средах, мы можем подсчитать время движения луча вдоль каждого из этих путей. После этого остается выбрать тот путь, для которого время оказалось минимальным, он и будет истинным.
Результат будет тем же самым, как если бы мы пользовались различными частными законами движения света (отражения, преломления, прямолинейности и т. д.). Разумеется, на практике никто не считает время вдоль всех траекторий —существуют методы, значительно сокращающие все процедуры расчета и сравнения.
Экономия энергии
Большинство авторов, использующих принцип экономии энергии, ограничивается количественными предсказаниями и выводом отдельных констант и закономерностей. На этом фоне исключительный интерес представляет работа Л. Б. Емельянова-Ярославского. Путем последовательного развертывания этого принципа автор строит целостную концепцию работы мозга, объясняющую целый ряд фактов качественного характера.
Автор отправляется от предположения, что нейрон в своей работе решает лишь одну главную задачу — экономию энергии. Все остальные его функции возникают как побочные продукты этой деятельности. Прежде всего нейрон должен выжить в условиях дефицита энергии. Разряд нейрона (нервный импульс) рассматривается как одно из средств решения этой задачи. Установление связей с другими нейронами в свою очередь служит средством оптимальной организации разрядов. Решая задачу об экономии энергии, совокупность нейронов проходит последовательные ступени самоорганизации. Если исходные параметры нейрона подобраны удачно, то в качестве «побочных продуктов» этой эволюции в системе возникают такие свойства, как память, органы восприятия и воздействия на внешнюю среду, сон, сознание, подсознание, эмоциональные и интеллектуальные свойства. Эту концепцию автор рассматривает и как программу построения искусственного интеллекта, который должен возникнуть в качестве неизбежного продукта эволюции системы нейронов. Отдельные этапы эволюции моделировались на ЭВМ, и результаты получились обнадеживающими. Мы, пожалуй, привели бы известную книгу рекордов Гиннесса как свидетельство неудержимого стремления человека к экспансии, к завоеванию все новых и новых рубежей и расширению пространства возможных состояний, если бы в стремлении к рекордам не был замешан такой осложняющий дело момент, как человеческое тщеславие. В качестве еще одного довода в пользу принципа максимума энтропии можно привести и аргумент от противного: лишите живое существо свободы движения, свободы выбора — и посмотрите, что получится. У большинства животных (не говоря уже о человеке) инстинкт свободы настолько развит, что плен, рабство, тюрьма ведут если не к смерти, то к жестоким мучениям. Недаром среди средневековых пыток была и такая: поместить человека в тесный ящик, где он не мог изменить позу. А во многих армиях употреблялась в качестве наказания многочасовая стойка «смирно» под ружьем. Те же, кому случалось лежать в гипсе, по собственному опыту знают, что это за адская пытка — неподвижность. Теперь, однако, пора сказать, что поиск — все же относительно редкая форма поведения. В жизни она сплошь и рядом заслоняется той, более распространенной формой, которую можно назвать консервативным поведением. Для описания этой формы поведения принцип максимума энтропии уже недостаточен и требуется его дальнейшее обобщение.
Максимум информации
В 1958 году академик И. И. Шмальгаузен предложил программу информационного подхода к построению теоретической биологии. Он считал, что в теории информации мы обрели, наконец, ту долгожданную теоретическую основу, которая позволит объединить и объяснить все колоссальное разнообразие биологических фактов. Надо сказать, что вообще при своем появлении на свет теория информации породила среди биологов и психологов большие надежды. Однако первоначальная эйфория вскоре сменилась разочарованием— полученные результаты далеко не соответствовали ожиданиям.
Нет эмоции более горькой, чем разочарование! Обманутые поклонники обрушили на теорию информации град упреков и ругательных эпитетов, из которых «тривиальная», «бессодержательная» и т. п. были еще не самыми худшими. Чтобы в такой обстановке снова взяться за «внедрение» теории информации в биологию, нужно как минимум понимать причины прежних неудач. Или хотя бы думать, что понимаешь. Следует, конечно, оставить в стороне чисто технические трудности измерения количества информации в биологических объектах: мы не можем измерить и количество информации, содержащееся в радиопередаче, однако из этого не следует, что теория информации неприменима в радиотехнике. Трудности здесь велики, но не принципиальны. Нельзя считать такой причиной и «синтаксический» характер современной теории информации, отсутствие в ней «семантической», содержательной стороны. В одной из первых книг по теории информации С. Голдман кратким замечанием наметил правильный путь решения этого вопроса: «Если заменить «вероятность сообщения» на «вероятность события», то те же формулы будут выражать количество семантической информации».
Главная причина неудач теории информации заключается, на наш взгляд, в том, что она до сих пор не обрела своего динамического ядра — принципа оптимальности. По крайней мере он не сформулирован в явном виде. Она все еще не стала «динамической теорией» и остается «кинематической схемой», которая только связывает между собой переменные, но ничего не говорит о том, как они должны изменяться. Нет принципа, который задавал бы направление и характер этих изменений. Формулировка такого принципа в явном виде является настоятельной необходимостью не только для биологии, но и для самой теории информации. В неявной форме он, в сущности, давно уже присутствует в наших представлениях о процессе переработки информации, идет ли речь о технике, статистике или о биологии. Рассмотрим пример образования связи — выработку условного рефлекса. Опыт выглядит так: когда свет загорается слева, крыса должна перейти на левую половину поля, когда справа — на правую. В этом случае она получает подкрепление — пищу. Пока крыса не обучена, связь между стимулом и реакцией отсутствует, взаимная информация между ними равна нулю и энтропия системы 2 бит. По мере научения (образования условной связи) взаимная информация растет, и энтропия уменьшается. В пределе, при полной обученности, свет и положение крысы оказываются жестко связаны: где свет, там и крыса. Обе переменные ведут себя как одна. А это означает уменьшение числа степеней свободы и энтропии системы на единицу. Еще один пример — связь между условиями среды и признаками организма. Взаимная информация между ними растет в ходе эволюции, по мере приспособления организмов к среде. У хорошо приспособленного организма эта информация настолько велика, что биолог, наблюдая признаки организма, может довольно точно описать условия среды, в которой он обитает. Между этими двумя примерами много общего: условия среды можно рассматривать как «стимулы», а признаки организма — как устойчивые, сформированные многими поколениями «реакции».
Теперь мы располагаем всем необходимым набором представлений, чтобы сформулировать в количественном виде тот экстремальный принцип, который определяет многие формы поведения живых организмов. Мы называем его принципом максимума информации. Название это, как всякое краткое название, довольно условно и еще не раскрывает его сути. Суть же такова. При описании поведения живого организма нужно различать три типа переменных, которые можно условно назвать и обозначить так: R—результат, состояние жизненно важных параметров организма. Обычно требуется поддерживать определенные значения этих параметров, либо постоянные, либо изменяющиеся по какой-то программе.
X — стимул, условия внешней среды, воздействующие на организм.
У— реакция организма на стимул, имеющая целью получение полезного результата.
Символы X, У под обозначением максимума означают, что организм может добиваться этого максимума путем выбора как своих реакций У, так и в какой-то мере путем выбора стимулов X. (Например, меняя среду обитания.) Вообще же понятия «стимул» и «реакция» относительны (реакция сама может быть стимулом для другой реакции и т. д.) и могут трактоваться очень широко. Например, реакция на стимул это:
— нервный импульс, возникающий в ответ на раздражение мембраны нейрона;
— признак, который складывается у организма под влиянием условий среды;
— гипотеза, которую выдвигает ученый на основе наблюдений;
— действие, которым организм отвечает на внешний или внутренний раздражитель, и т. п.
Для иллюстрации основных положений принципа обратимся к рассмотренному выше примеру с научением крысы. Изменение стимула при отсутствии реакции вызывает отклонение результата от желаемого значения Г. Например, если свет загорается слева, а крыса остается справа — вследствие ошибки, усталости (дефицита энергии), наличия препятствий, — то она не получает подкрепление. Это значит, что наряду с желаемым, нормальным результатом г будет появляться с какой-то вероятностью и нежелаемый Го, и энтропия переменной R будет отлична от нуля: H(R) >0. Реакции крысы призваны нейтрализовать действие стимулов и поддерживать единственное значение результата— Г. И тем самым свести энтропию переменной R к минимуму — к нулю. Это удается только в том случае, если крыса полностью контролирует ситуацию: идеально обучена, знает, какой реакцией отвечать на стимул, и может отвечать, т. е. энергетические и прочие ограничения, наложенные на реакции, не препятствуют этому. Это означает, что реакции крысы однозначно связаны со стимулами, т. е. условная энтропия равна нулю Н(Х/У)=0. При определенных (достаточно, впрочем, общих) условиях однозначность этой связи равносильна стабилизации результата H(R)=0. В условиях, когда результат достаточно надежно стабилизирован, организм может позволить себе поисковую активность: изменять стимулы и одновременно ответные реакции ради достижения максимума безусловной энтропии Н(Х). Например, если крыса может сама выбирать себе стимул, включать свет слева или справа, то она отнюдь не будет держаться какой-то одной стороны, а рано или поздно начнет пробовать и другую. И если окажется, что это не ведет к потере желаемого результата, то поиск будет расширяться. Именно так и ведут себя крысы в опытах Ротенберга и Аршавского. Роль стимула здесь играет новое помещение, роль реакции — пребывание в нем, желаемым результатом является безопасность. Пока освоение новых стимулов и реакций не ведет к потере безопасности, крыса продолжает это освоение, увеличивает Н(Х). Принцип максимума информации во второй формулировке означает, что организм стремится увеличить безусловное разнообразие реакций Н(У), поскольку это его «арсенал», его оружие в борьбе за результат, и в то же время уменьшить разнообразие условное Н(У/Х), т. е. неоднозначность, неточность ответов на конкретный стимул. Таким образом, во второй формулировке информация характеризует то свойство организма, которое можно обобщенно назвать мастерством: мастерство = разнообразие -точность реакций. Принцип максимума информации описывает не только поведение, но и процессы развития, адаптации, роста приспособленности и мастерства. В качестве примера можем взять развитие реакций руки у пианиста по мере обучения. С одной стороны, мы видим увеличение безусловного разнообразия реакций от набора примитивных хватательных рефлексов у новорожденного до богатейшего репертуара приемов музыкального исполнения у Рихтера. С другой, повышение точности — от неумения попасть на нужную клавишу до передачи кончиками пальцев тончайших оттенков музыкальной мысли. Соответственно растет и разнообразие стимулов Н(Х), т. е. той «нотной среды», которую осваивает и к которой адаптируется музыкант. Нужно помнить, что достигаемый максимум информации всегда условный, т. е. достигается лишь настолько, насколько позволяют условия, ограничения, наложенные на реакции. Роль ресурсов, как уже отмечалось, могут играть: энергия, вещество, время, потребное пространство, количество операций и т. п. Следует заметить, что такие ресурсы, как энергия, время и количество операций, обычно связаны друг с другом монотонной зависимостью, так что увеличение одного из них обычно сопровождается увеличением и двух других. Например, чем больше мы произвели каких-то операций, тем больше будут затраты энергии и времени. Так что эти ресурсы в определенном смысле эквивалентны. В дальнейшем мы будем рассматривать в качестве ресурса главным образом энергию. Требование условного максимума информации (отвечающего условию ограниченности энергетических ресурсов) мы можем теперь заменить требованием безусловного максимума величины L, которую можно назвать целевой функцией, или функцией полезности. Принцип максимума информации — постулат. А постулаты не доказываются. Их справедливость проверяется совпадением вытекающих из них следствий с опытом. Такой проверке посвящены следующие главы книги. Здесь же мы хотим привести некоторые соображения, которые, не будучи доказательствами, послужили бы все же некоторым эвристическим обоснованием этого принципа. А фундаментальная особенность нашего познания состоит в том, что оно может изучать только выжившие, реально существующие системы (невыжившие, неустойчивые, как правило, просто не могут стать объектами нашего наблюдения). Естественно, что для таких систем принцип максимума взаимной информации должен иметь первостепенное значение. В заключение обратим внимание на то обстоятельство, что принцип максимума информации возник не в вакууме. Он сложился как естественное продолжение той общенаучной тенденции, в русле которой возник и принцип экономии энергии и принцип максимума энтропии. Оба эти принципа могут рассматриваться как частные случаи принципа максимума информации, а последний как их обобщение. В дальнейшем мы постараемся показать плодотворность этого обобщения, возможность получить на его основе новые результаты, которые не удается получить на основе прежних подходов. Таким образом, старые, хорошо работающие в своей области, теории не отвергаются, а включаются в новую на правах частного случая — как того и требуют правила хорошего тона в науке, сформулированные в известном принципе соответствия Н. Бора.
