Существует два крайних случая обратной связи.
Отрицательная обратная связь, «при которой изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое противодействует первоначальному изменению».
Положительная обратная связь, «при которой изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения».
Для нас сейчас важна ситуация с положительной обратной связью, когда внешний импульс приводит к лавинообразному нарастанию сигнала на выходе за счет внутренней энергии системы до максимального энергетического уровня. Это нарастание через некоторое время прекращается и выходной сигнал сбрасывается. На выходе системы образуется импульс, который идет далее к другим системам. Резкое спадание импульса на выходе и его амплитуда зависят от внутреннего устройства системы. Например, при возбуждении нервной клетки, например, от внешнего воздействия (палец оказался вблизи открытого огня – нервная клетка как рецептор чувствует тепло) она возбуждается и на её выходе, связанном с другими клетками, нарастает сигнал (электрический ток в виде перемещения ионов). Но ресурсы клетки ограничены, и импульс кончается, а образовавшийся сигнал движется по нервам, распространяясь до мозга, который дает обратный импульс мышце, отдергивающей руку от огня. А начальная клетка - рецептор уже накопила энергию и готова опять послать импульс. В природе, в технике такие системы (элементарные структуры) могут быть чрезвычайно разнообразны. Например, могут иметь несколько выходов или входов. И, конечно, всегда для их работы необходима энергия.
Нетрудно видеть, что если мы соединим множество не обязательно одинаковых систем с внутренней положительной обратной связью в линейную цепь, то они будут последовательно возбуждать друг друга. Получим цепь причинно-следственных дискретных явлений, т.е. алгоритм. Теперь соединим конец этой цепи с её началом и возбудим неким внешним толчком. Образуется замкнутый цикл – замкнутый алгоритм. И сам этот цикл оказывается дискретным явлением – он либо есть, т.е. он работает, либо его нет (не работает). Промежуточных состояний в принципе не может быть! Понятно, что и в этом случае нужен приток энергии. И в каждом конкретном случае необходимо разбираться как, в каком виде эта энергия поступает. Приведем весьма характерную для биологов цитату Ричарда Докинза [4]: «
Когда креационисты говорят, как они часто делают, что теория эволюции противоречит второму закону термодинамики, они говорят нам не больше, чем то, что они не понимают второй закон (мы уже знаем, что они не понимают эволюции). Нет никакого противоречия, из-за солнца! Вся система, говорим ли мы о жизни или о воде, поднимающейся в облака и падающей снова, в конечном счете, зависит от постоянного притока энергии от солнца. Никогда фактически не нарушая законов физики и химии — и, конечно, никогда не нарушая второй закон — энергия солнца поддерживает жизнь, вытягивая все возможное из законов физики и химии, чтобы эволюционировали потрясающие достижения сложности, разнообразия, красоты и странной иллюзии статистического неправдоподобия и преднамеренного созидания».
Конечно, второй закон термодинамики здесь не причем. Как мы говорили выше, биологические системы не ограничены этим законом. Но Докинза можно понять. Он находится во власти широко распространенной путаницы – второй закон термодинамики распространяется на все системы природы. Есть более общий
закон о необратимости природных явлений.
Он действует так же, но нельзя второй закон термодинамики выносить за границы этой науки, в ситуации, описанной в цитате, он не приемлем.
Возможны ли такие алгоритмы в природе? Конечно, возможны, так как обратная связь существует в многообразных проявлениях. Мы с вами – организмы, имеющие большое количество алгоритмов, связанных между собой в единое целое. Именно функционирование этих алгоритмов, их дискретность противостоит разрушающему влиянию внешней среды. Существенным оказывается не только устройство системы, но и её функционирование. Для организмов прекращение функционирования внутренних алгоритмов означает смерть.
Есть алгоритмы и в неживой природе. Чего стоит, например, только самопроизвольный рост кристаллов. Вообще, атомы и молекулы дискретны. Это факт. Они «защелкиваются» в определенной взаимосвязи элементарных частиц, разрушить которую всегда трудно.
Предполагается, что стабильность элементарных частиц, атомов и молекул обеспечивают именно алгоритмы функционирования физических полей.
Таким образом, мы выяснили возможность существования процессов самоорганизации, идущих противоположно естественному росту энтропии.
Эволюция Жизни на нашей планете Мы теперь можем сделать
фундаментальный вывод. Так как алгоритмы дискретны, то в некотором диапазоне условий окружающей среды они не подвержены случайностям. Эти условия не могут изменить алгоритм. Они могут только уничтожить его. Следовательно,
алгоритмы противостоят закону о необратимости явлений реального мира. Но алгоритмы есть последовательности некоторых действий, которые тем или иным образом могут влиять на окружающую среду.
Поэтому
можно поискать среди множества биохимических алгоритмов, действующих в организмах, такие, которые обеспечили эволюцию жизни на Земле.
Мы должны иметь много систем, которые могут копировать друг друга. Такие системы могут быть рассредоточены в пространстве и, следовательно, случайные отклонения условий внешней среды будут влиять на них неодинаково. Время цикла их размножения должно быть меньше среднего времени срыва существующих в них алгоритмов. За это время некоторые из них успеют скопировать самих себя. Такой алгоритм известен и открыт Дарвином и Уоллесом. Вся живая природа находится под действием алгоритма размножения и отбора.
Далее будет работать естественный отбор.
Следовательно,
только множество одновременно существующих систем (организмов, автоматов и проч.) может эволюционировать, используя этот алгоритм; может преодолевать, компенсировать естественный рост энтропии. Невозможно найти хотя бы один факт, когда эволюционировали бы системы, которые не имеют этого алгоритма.
Естественный порядок этого алгоритма часто воспроизводится неправильно. Говорят, что выживают самые приспособленные и дают наибольшее количество потомков. На самом же деле выживают все, кроме самых неприспособленных. Эту существенную особенность естественного отбора подчеркивали еще классики дарвинизма. Примерная цитата из Дарвина: «Посеем квадратный ярд травы. Она взошла и растет. Растут и вырастут все семена, кроме тех, которые оказались неприспособленными к нашим условиям, или которым не повезло (склевали птицы, неловко упали в землю и т.п.)».
Но один
этот алгоритм недостаточен для эволюции с нашей точки зрения и, по мнению многих известных биологов и генетиков. Он не всегда отбирает более сложные системы и не создает условий для накопления в организмах важной информации, которая необходима для выживания следующих поколений.
В любом организме легко проследить не одинаковую степень изменчивости его различных органов и систем. Например, при искусственном отборе можно довольно просто вывести молочную или мясную породу скота, но не с тремя глазами или двумя хвостами! Обширная информация о факторах искусственного и естественного отборов позволяет формально
рассортировать изменчивость наследственной информации по своеобразным уровням жесткости запоминания информации в наследственной памяти. Закрепляясь в организмах, некоторая часть информации из поколения в поколение как бы опускается на более глубокие (более жесткие) уровни памяти, становится менее изменчивой.
Отсюда следует вывод.
Во всех организмах наследственная информация защищена от изменчивости в разной степени, в зависимости от ее ценности для выживания последующих поколений. Безразличная для выживания наследственная информация также сохраняется. Описанные выше предположения могут быть конкретизированы как алгоритм, который формулируется он так.
Если в системе произошли изменения и они благоприятны или безразличны для нее, что выявит первый алгоритм, то они остаются в ней и с течением времени становятся менее и менее доступными для последующих изменений.
Необратимость и направленность эволюции легко объясняются с помощью этого алгоритма. Он определяет большую вероятность усложнения, чем упрощения организмов, обеспечивает накопление информации.
Эволюция биосферы идет по пути последовательного усложнения организмов и необратима вследствие действия этого алгоритма. Но для создания условий для работы этих двух основных алгоритмов эволюции необходимы ещё два: алгоритм защиты наследственной информации от губительного влияния внешней среды, и алгоритм накопления и распределения энергии.
Первый из этих алгоритмов определяет биохимическую сущность алгоритма накопления опыта, а второй – также определяет биохимию накопления энергии организмами и распределение её по многочисленным внутренним уровням.