Самоорганизация сложных СИСТЕМ. Эволюционные аспекты информационного взаимодействия системы со СРЕДОЙ

Характерной чертой систем развивающихся является их способность к самоорганизации, которая проявляется в самосогласованной функционировании системы за счет внутренних связей с внешней средой. Рассматривая развитие как процесс самоорганизации системы, выделим в нем две основные фазы: адаптацию, или эволюционное развитие, и отбор.

Самоорганизующиеся, имеют механизм непрерывной приспособляемости (адаптации) к меняющимся внутренним и внешним условиям, непрерывного совершенствования поведения с учетом прошлого опыта. При исследовании процессов самоорганизации будем исходить из предположения, что в системах развивающихся структура и функция тесно взаимосвязаны. Система превращает свою структуру для того, чтобы выполнить заданные функции в условиях меняющейся внешней среды.

Адаптация системы к меняющимся условиям происходит благодаря появлению элементов, которые имеют необходимые для функционирования системы свойства, причем благодаря не просто появлению таких элементов (имеется в виду не только появление новых элементов, но и возникновение новых признаков в "старых" элементов), а избыточности таких элементов-признаков. Увеличение числа подобных элементов лежит в основе прогрессивного развития систем, так как является предпосылкой для дальнейшего отбора элементов, дифференциации и интеграции структур. Вместе с тем увеличение числа подобных элементов - самое простое средство для увеличения надежности воспроизведения, для интенсификации функций и расширения связей с внешней средой. Периоду адаптации (устойчивости системы) соответствует постоянное накопление приспособительных признаков широкого значения, нарастание универсализма системы. В результате флуктуаций в системе возникают регулирующие сигналы, которые изменяют, приспосабливают структуру системы так, чтобы система продолжала функционировать необходимым образом. Период адаптации - ЦС период эволюционных преобразований, связанных только с количественными изменениями в системе. Структурная устойчивость при этом не нарушается. Понятие структурной устойчивости играет важную роль в теории самоорганизации. Концепция структурной устойчивости в наиболее сжатом виде выражает идею нововведений - появление нового механизма и новых элементов.

Проблема структурной устойчивости сводится к следующему. Под влиянием флуктуаций (как внутренних, так и внешних) в системе самоорганизующейся появляются приспособительные признаки (это может выражаться в том, что существующие элементы приобретают новые признаки или появляются новые элементы, новые взаимосвязи между элементами). Новая сеть элементов-признаков обеспечивает адаптацию системы к флуктуациям. Если при этом не меняется способ функционирования системы, то такую систему называют структурно устойчивой. Рене Том обратил внимание на общий характер и важность понятия "структурная устойчивость".

Какие же факторы определяют развитие систем, и в частности эволюции? Этот вопрос наиболее полно разрабатывается в рамках биологии. Не ссылаясь ни на основоположников эволюционной теории, перейдем к анализу результатов исследований в этой области Шмальгаузена, которому удалось связать воедино концепции Кювье, Дарвина, Вернадского. Шмальгаузен берет как главные факторы эволюции изменчивость, борьбу за существование и естественный отбор. Шмальгаузен понимает, что в чистом виде эти факторы не проявляются в природе, представление о них - это результат научной абстракции, итог определенной умственной работы. Вот почему для более полного объяснения действий ведущих факторов эволюции необходимо выявление и других, среди которых - различные виды изоляции, скрещивание, корреляции, индивидуальная адаптация. Особое место при этом он отводит стабилизирующего отбора (А. К. Айламазян). Для Шмальгаузена в отличие от некоторых других эволюционистов-теоретиков ясно, что абсолютизация какого-то одного из отмеченных факторов неизбежно ведет к неправильным и ограниченных теоретических выводов, гипертрофированного преувеличение значения того или иного момента эволюции. Более того, он специально подчеркивает, что даже на разных этапах эволюции ее факторы проявляются по-разному и соответственно имеют неодинаковое значение.

Другим вопросом, не теряет своей актуальности, является вопрос о формах эволюции. Шмальгаузен рассматривает его в ходе анализа процесса видообразования и расхождения признаков. При этом он подробно освещает проблему адаптации, наглядно показывая место этого феномена в эволюционном процессе, прослеживая связь адаптации и организации, который в итоге приводит к их неразрывного единства.

Заслуга Шмальгаузена в том, что он рассматривал эволюцию как единый, целостный процесс развития системы. При этом ученый показал, что реальным объектом эволюции является именно система (например, конкретная популяция или вид в целом). Каждая особь - реальная единица жизни - это элемент системы, эволюционирует. Развитие присущ только системе, а не элементу. Развитие - это единый целостный направленный процесс и рассматривается только в отношении системы. Исследуя систему, мы всегда можем выделить мнением отдельные ее подсистемы и рассматривать другие ее подсистемы как внешнюю среду. Если мы хотим исследовать процесс развития отдельного элемента, то этот элемент мы должны изобразить в виде системы, чтобы определить, что является ее элементами, а что - внешней средой.

Процесс эволюции - это результат взаимодействия системы с внешней средой, поэтому при исследовании этого процесса необходимо рассматривать процесс система - внешняя среда. Значение внешних и внутренних факторов в органической эволюции Шмальгаузен выявляет, объясняя эволюционный процесс как процесс направлен: "Биогеоценоз выступает по отношению ко всем популяций видов, входящих в него, как управляющее устройство. Контроль и регуляция взаимозависимостей популяций различных видов друг с другом и с неживыми компонентами биогеоценоза происходят через отбор или дифференциальную участие особей в воспроизведении следующего поколения. Гибель, полное или частичное устранение от размножения всех, кто не может выполнять биогеохимическую функцию, поддерживает устойчивость процессов циркуляции вещества и энергии в биогеоценозе и вместе с тем обеспечивает эволюцию отдельных видов. Эволюция является побочным , но неизбежным результатом поддержания устойчивости системы высшего по отношению к организму ранга. Отбор, осуществляя контроль и регуляцию, то есть поддерживая стационарное состояние биогеоценоза, тем самым становится движущим фактором эволюции вида и обеспечивает не просто изменение вида как системы, что могло бы привести ее к разрушению, а переход системы из одного гармонического (устойчивого по принципу регулирования) состояния в другое гармоничного состояния ".

Множественное регулирования по принципу обратной связи, или самонастройки развивающегося, лежит в основе поддержания устойчивого состояния, обеспечивает сохранение устойчивости процесса развития при нерегулярно меняющихся внешних условиях, обеспечивает надежность достижения результата развития в регулярно меняющихся условиях среды. Самонастройки составляет основу приспособленности организма к среде и взаимного приспособления органов друг к другу. Но она же составляет и основу приспособляемости, правда, на другом - надорганизменому уровне организации жизни.

Шмальгаузен раскрыл, каким образом отбор, способствуя образованию регуляторных механизмов индивидуального развития, меняет характер развития и создает устойчивые формы, остаются неизменными при неизменных условиях среды и способны меняться, как только условия среды изменились. Целостность организма, согласно этой концепции, является одновременно условием сохранения устойчивости и предпосылкой преобразования. Именно преобразования, то есть создание "новой наследственной программы", осуществляется с помощью сил, оперирующих уже на уровне множества особей - в биогеоценозе и на больших отрезках времени, выходящих за рамки жизни особи в процессе смены поколений.

Вернадский сумел на уровне биосферы в целом раскрыть взаимодействие концепции эволюционного процесса и идеи устойчивости живой природы. Однако в рамках самой биологии эти определяющие концепции - константности и историзма - были разобщены до работ Шмальгаузена. Шмальгаузен показал, что само преобразование органических форм закономерно осуществляется в рамках относительно стабильного механизма, лежащего на биогеоценотическом уровне организации жизни и действует по статистическим принципу. Это и есть высший синтез идеи эволюции органических форм с идеей устойчивости вида и идеей постоянства геохимической функции жизни в биосфере.

Механизм эволюции Шмальгаузен рассматривал с точки зрения кибернетики, процесс взаимодействия системы и внешней среды изобразил как последовательность информационных процессов: накопления, отбора, преобразования, передачи информации о свойствах (признаки) отдельных элементов и системы в целом. Действие регуляторного механизма развития системы проявляется на разных уровнях ее организации и зависит от реакции на изменение внешних факторов, от форм взаимодействия системы с факторами внешней среды. В зависимости от уровня структуризации системы взаимозависимость с внешними факторами проявляется в разных формах, потому что касается разных уровней организации системы и различных процессов. В качестве регулятора выступает внешняя среда, включающая рассматриваемую систему.

Внешняя среда должно быть связано с развивающейся системой, двумя линиями связи - прямой линией передачи управляющих сигналов от внешней среды к системе и линией обратной связи, передает во внешнюю среду информацию о действительном состоянии системы. В процессе своего функционирования система передает во внешнюю среду информацию о количественном составе соответствующих элементов-признаков, об их распределении. Во внешней среде происходит преобразование этой информации (контроль и отбор ценной информации). Отобранная информация накапливается во внешней среде и передается в систему путем приобретения соответствующих свойств (признаков) элементами системы.

В биологических системах в роли регулятора выступает биогеоценоз. Популяция, входит в состав данного биогеоценоза, связана с ним двумя каналами. Первый канал связи лежит на молекулярном уровне организации и служит для передачи наследственной информации от зиготы до первичных половых клеток зрелой особи. Второй канал связи лежит на уровне организации особи и служит для передачи обратной информации от фенотипов к биогеоценоза. Между этими двумя каналами "вставлены" механизмы преобразования, обеспечивающие связь между ними и замыкают таким образом элементарный цикл эволюционных изменений. Таким образом осуществляется двусторонняя связь между внешней средой и включенной в их состав системы.

Однако между обеими линиями передачи нет непосредственной связи, так как они находятся на разных уровнях. Накопленная информация передастся через прямой канал на уровне признаков отдельных элементов, а обратная информация - только на уровне элементов и компонентов системы. Поскольку регулирующие механизмы развития системы связаны с внешней средой, то следует учитывать возможность различных случайных внешних воздействий, которые искажают передачу информации и нарушают нормальное течение преобразований.

Если биогеоценоз в целом играет роль регулятора эволюционного процесса, то он обязательно должен быть обеспечен "информацией" о состоянии популяции (по линии "обратной" связи), должен содержать специфический механизм преобразования этой информации в управляющие сигналы и средства передачи последних на популяцию.

Таким образом, кроме механизма преобразования, необходимые каналы связи для передачи информации в двух направлениях - от популяции к биогеоценозу и от биогеоценоза к популяции. Так как изменение популяции, будучи элементарным эволюционным процессом, всегда сопровождается наследственной изменением ее особей, то управляющие сигналы от биогеоценоза к популяции должны каким-то образом включить возможность изменения ее наследственной структуры. Последнее может произойти только в процессе преобразования информации в самом биогеоценозе (т.е. в "регуляторе"). Поскольку первичные эволюционные изменения возможны только в популяции (или в поколениях особей, но не в отдельных особях), то простой сменой есть хотя бы небольшое изменение в генетическом составе популяции, то есть в соотношении числа особей с разной наследственной чертой (генотипов). Информация о таких изменениях популяции может быть сообщена через наследственный аппарат ее особей и передана особям следующего поколения с помощью, например, половых клеток. Такой аппарат действительно есть, и, несомненно, он полностью обеспечивает надежную связь популяции с регулирующим механизмом биогеоценоза и дальнейшую передачу информации от одного поколения особей к следующему.

Есть и средства передачи обратной информации от популяции к биогеоценоза. Популяция, конечно, активно влияет на биогеоценоз, хотя бы через потребление пищевых материалов и накопление продуктов своей жизнедеятельности. В определенных условиях популяция может внести значительные изменения в строении биогеоценоза. Таким образом, есть и каналы обратной связи.

Однако нет прямой связи между наследственной информацией с первого канала (от биогеоценоза) и обратной информации с второго канала (от популяции к биогеоценозу). Здесь непосредственная связь вроде прерывается, так как обе линии связи находятся на разных уровнях. Наследственная информация передается на внутриклеточном (молекулярном) уровне организации, а обратная информация - только на уровне организации целой особи. Переход от одной линии связи к другой происходит с помощью достаточно сложного механизма преобразования. Наследственная информация преобразуется в процессах индивидуального развития в средства передачи обратной информации, а именно в фенотип особи, - реального носителя жизни и активного участника наступления на жизненные ресурсы биогеоценоза ("борьбы за существование"). В биогеоценозе через естественный отбор и процессы размножения происходит новое преобразование этой информации в наследственную с переходом от уровня организации особи (в фенотипах) на уровень организации клетки (половые клетки, зиготы). Так замыкается полный круг преобразований в элементарном цикле эволюционного процесса.

Таким образом, можно еще раз сказать, что адаптация системы происходит за счет избыточности элементов-признаков, за счет накопления информации в системе о состоянии окружения. Избыточность обеспечивает селекцию, отбор наиболее оптимальных вариантов. Накопленная во внешней среде информация отражает влияние внешней среды и реализуется (передается в систему) путем приобретения соответствующих свойств (признаков) элементами системы (передается на уровне элементов). Отбор происходит в результате взаимодействия системы со средой, накопление информации идет во внешней среде (накапливается отобранная информация). Обратная информация передается от системы во внешнюю среду в процессе ее функционирования (на уровне подсистем). Эта информация превращается во внешней среде (идет отбор). Каждый элемент системы развивается по той же схеме, то есть может или погибнуть, или изменить свои количественные или качественные характеристики.

Несколько слов о понятии "отбор". Шмальгаузен выделяет две стадии отбора: стабилизирующий и преобразующий. Рассматривая процесс развития, представим его как два взаимосвязанных периода: период эволюционного развития (адаптации) и период революционных качественных изменений (отбор). При этом отбор понимаем как преобразующий. Стабилизирующий отбор в нашей схеме происходит на этапе адаптации. Стабилизирующий отбор закрепляет достигнутые свойства системы, связывает их в целостную систему и обеспечивает максимальную надежность их воспроизведения. Целостность проявляется в адаптации элемента к условиям внешней среды, в формообразующей роли в ходе установления основ определенной организации в процессах дифференциации и интеграции. В процессе эволюции происходит отбор организмов наиболее способных изымать информацию из внешней среды и накапливать ее в системе.

Прогрессивная эволюция связана с повышением способности к извлечению информации и увеличением способности к ее сохранению. Накопление информации в организмах означает накопление негэнтропии. Выдача обратной информации сопровождается и потерей негэнтропии, и ее передачей во внешнюю среду. Организмы не только повышают уровень своей негэнтропии (организации), но и способствуют накоплению негэнтропии во внешней среде - они влияют на эту среду организующим способом. Это, однако, не означает, что организмы только организуют внешнюю среду. Одновременно они его и разрушают, и это нагромождение энтропии неизменно превышает обратный процесс организации.

Отбор - это средство осуществления обратной связи от внешней среды к системе, то есть отбор информирует систему о ее состоянии во внешней среде. Отбор выступает как механизм, ответственный, в конечном счете, за усложнение и усовершенствование самого хранилища накопленной информации и по согласованию его работы со сложными изменчивыми условиями окружения.

Таким образом, процесс преобразования внешнего во внутреннее осуществляется в ходе стабилизирующего отбора, то есть зависимый от внешних факторов развитие становится автономным. Шмальгаузен отмечал, что стабилизирующая форма естественного отбора ведет к упорядоченности строения наследственного кода и к упорядоченности строения всего организма в целом. С другой стороны, тот же стабилизирующий отбор поддерживает высокий уровень многообразия в структуре всей популяции.

Причиной многообразия форм в популяции является, конечно, процесс мутации. Стабилизирующая форма естественного отбора препятствует накоплению одинаковых мутаций, переводит наследственное многообразие особей в скрытое состояние и всегда поддерживает количество наследственной информации в популяции на достаточно высоком уровне. На еще более высоком уровне поддерживается и количество обратной информации в фенотипах популяции. Итак, энтропия популяции остается высокой.

Популяция - мало организованная биологическая система, и этот низкий уровень организации, то есть некоторый беспорядок и неопределенность, поддерживается действием стабилизирующего отбора. Тем самым поддерживается высокая эволюционная пластичность популяции и вида в целом. В случае изменения соотношений между популяцией (видом) и внешней средой (биогеоценозом) нормальные особи теряют свою приспособленность. Стабилизирующий отбор в известных отношениях (по признакам, потеряли свое значение) прекращается, и это ведет к увеличению числа разнообразных мутаций. Резко увеличивается количество информации в отдельных особях, организация расшатывается.

Однако некоторые мутации и их комбинации могут получить в новых условиях среды положительную оценку. Это ведет к свободному их накопления под руководящим влиянием движущей формы естественного отбора. Стабилизирующая форма отбора ведет собственно к двум разным, но одинаково важных результатов: к максимальной устойчивости особи и возможной мобильности, то есть эволюционной пластичности популяции. Стабилизирующая форма естественного отбора выступает в роли фактора, формирует и поддерживает надежное функционирование первого канала связи от зиготы к первичной половой клетки (путем клеточных делений) и безошибочное преобразование полученной таким образом информации в процессах индивидуального развития. Она ведет к созданию и максимальной стабилизации аппарата индивидуального развития и к нормализации популяции, ее особей и признаков.

Движущая (преобразующая) форма отбора выступает в роли фактора, формирует и поддерживает функцию второго канала связи от популяции к биогеоценоза. Она ведет к тем перестроек в организации наследственного аппарата (в первом канале связи) и механизма индивидуального развития (в формах преобразования информации), способствуют возникновению новых адаптаций; специализации, общего усложнения организации и увеличение активности отдельных особей, то есть к изменению форм жизнедеятельности как средств связи во втором канале. Преобразующий отбор использует в своей деятельности то, что достигнуто стабилизирующим отбором, - высокую наследственность тех отклонений от нормы, вызванные изменением генотипа. Эмбриологические работы Шмальгаузена показали, что быстрее эволюционируют те структуры, которые в процессе развития зародыша наиболее независимы от других частей организма. Идея ускорения эволюции самых структур стала высшей точкой синтеза идеи устойчивости и идеи эволюции.

Исследования Шмальгаузена показывают, что для развития системы нужны закрепленные признаки, появившиеся в результате адаптации к внешней среде, то есть необходимо наличие в системе определенной формы памяти. Но одной наследственности для развития мало, нужен активный обмен с внешней средой, система должна быть открытой. Организационные формы не могут возникнуть без специально организованной памяти. Но наряду с "накопленным опытом" система должна обладать способностью к обучению.

Таким образом, Шмальгаузен связал один из факторов эволюции -минливисть с процессами передачи, преобразования, накопления информации. При этом понятие "информация" связывается с числом элементов-признаков. На этапе адаптации важную роль играет избыточность информации.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >