Научно-исследовательский ядерный университет
МИФИ
Факультет «Автоматики и электроники»
Кафедра «Микро- и наноэлектроники»
Курс «Компьютерный практикум»
Отчет по книге
Фритьофа Капра
«Паутина жизни»
Преподаватель: доцент В.А. Лапшинский
Подготовил студент А4-09
Золин Александр Александрович
Москва 2012
Содержание
1. Живые системы
2. Обратная связь
3. Автопоэз — паттерн жизни
4. Структура и изменение
5. Паутина жизни
6. Заключение
7. Используемая литература
Живые системы
Экология — от греческого oikos («домашнее хозяйство») — это изучение Домашнего Хозяйства Земли. Термин был введен в 1866 году немецким биологом Эрнстом Геккелем, который Определил его как «науку о связях между организмом и окружающим его внешним миром.
Глубокая экология не отделяет людей — и ничто другое — от природного окружения. Она видит мир не как собрание изолированных объектов, но как сеть феноменов, которые фундаментально взаимосвязаны и взаимозависимы. Глубокая экология признает изначальную ценность всех живых существ и рассматривает людей лишь как особую паутинку в паутине жизни.
Существует три типа живых систем — организмы, части организмов и сообщества организмов, — каждый из которых представляет интегрированное целое и чьи существенные свойства формируются через взаимодействие и взаимозависимость частей.
Поскольку живые системы на всех уровнях представляют собой сети, мы должны рассматривать паутину жизни как живые системы (сети), взаимодействующие по сетевому же принципу с другими системами (сетями). Паутина жизни состоит из сетей внутри сетей.
Живые системы представляют собой интегрированные целостности, чьи свойства не могут быть сведены к свойствам их более мелких частей. Их существенные, или системные, свойства — это свойства целого, которыми не обладает ни одна из частей. Новые свойства появляются из организующих отношений между частями, т. е. из конфигурации упорядоченных взаимоотношений.
Переход от частей к целому можно также рассматривать как переход от объектов к взаимоотношениям. В некотором смысле это переход «фигура — фон». Согласно механистическому мировоззрению, мир есть собрание объектов. Они, конечно, взаимодействуют друг с другом, и, следовательно, между ними существуют взаимоотношения. Однако взаимоотношения здесь вторичны. Мысля системно, мы понимаем, что сами объекты являются сетями взаимоотношений, включенными в более обширные сети. Для системного мыслителя первичны взаимоотношения.
В конечном счете — и это наиболее драматично показала квантовая физика — частей вообще нет. То, что мы называем частью, — это всего лишь паттерн в неделимой паутине взаимоотношений. Следовательно, переход от частей к целому можно также рассматривать как переход от объектов к взаимоотношениям. В некотором смысле это переход «фигура — фон». Согласно механистическому мировоззрению, мир есть собрание объектов. Они, конечно, взаимодействуют друг с другом, и, следовательно, между ними существуют взаимоотношения. Однако взаимоотношения здесь вторичны, как это схематически изображено на рис.1 А. Мысля системно, мы понимаем, что сами объекты являются сетями взаимоотношений, включенными в более обширные сети. Для системного мыслителя первичны взаимоотношения. Границы различимых паттернов («объектов») вторичны, как это показано — опять-таки, очень упрощенно — на рис.1Б.
Обратная связь
Организм — это не статическая система, закрытая для внешнего окружения и всегда содержащая идентичные компоненты; это открытая система в (квази)устойчивом состоянии: материал непрерывно поступает в нее из окружающей среды и в окружающую среду уходит.
В отличие от закрытых систем, находящихся в состоянии теплового баланса, открытые системы далеки от равновесия и поддерживают себя в «устойчивом состоянии», которое характеризуется непрерывным потоком и изменениями. Для описания этого состояния динамического равновесия Берталанфи применил немецкое выражение Fliessgleichgewicht («текучее равновесие»). Классическая термодинамика, имеющая дело с закрытыми системами, которые находятся в точке равновесия или рядом с ней, непригодна для описания открытых систем в устойчивых состояниях, далеких от равновесия.
Вскоре кибернетика стала мощным интеллектуальным направлением, которое развивалось независимо от организменной биологии и общей теории систем. Эти исследования привели к появлению понятий обратной связи, саморегуляции и, несколько позже, самоорганизации. Внимание к паттернам организации, естественно присущее организменной биологии и гештальт-психологии, теперь стало явным центром интересов кибернетики. Винер, в частности, осознал, что новые понятия сообщения, управления и обратной связи, отнесенные к паттернам организации — т. е. нематериальным сущностям, — исключительно важны для всей системы научного описания жизни.
Петля обратной связи представляет собой кольцевую систему причинно связанных элементов, в которой изначальное воздействие распространяется вдоль узлов петли так, что каждый элемент оказывает влияние на последующий, пока последний из них не «принесет сообщение» первому элементу петли. Следствием такой организации является то, что первое звено («вход») подвергается влиянию последнего («выхода»); это и означает саморегулирование всей системы, поскольку изначальное влияние модифицируется каждый раз, когда оно обходит всю петлю.
Придуманный Винером пример с рулевым — один из простейших примеров петли обратной связи (рис.2). Когда лодка отклоняется от установленного курса, скажем вправо, рулевой оценивает отклонение, а затем осуществляет противодействие, поворачивая руль влево. Это уменьшает отклонение лодки и даже может привести к переходу через нужное направление и отклонению влево. В некоторый момент, в ходе движения, рулевой производит новую оценку отклонения лодки, осуществляет новое противодействие, снова оценивает отклонение и т. д. Таким образом, поддерживая курс лодки, он полагается на постоянную обратную связь, причем реальная траектория лодки все время колеблется относительно установленного направления. Мастерство управления лодкой состоит в том, чтобы сделать эти колебания как можно менее заметными.
Автопоэз — паттерн жизни
Уже в первой четверти столетия было известно, что паттерн организации живой системы всегда является сетевым паттерном6. Однако мы знаем также, что не всякая сеть представляет живую систему. Согласно Матуране и Вареле, определяющей особенностью живой сети служит то, что она непрерывно производит саму себя. Таким образом, «бытие и творение [живых систем] неразделимы, и в этом заключается специфика их организации»7. Автопоэз, или «самосоздание», — это сетевой паттерн, в котором каждый компонент сети участвует в создании или трансформации других компонентов. Таким образом, сеть непрерывно производит, создает саму себя. Она создается своими компонентами и, в свою очередь, создает эти компоненты.
Простейшей из известных нам живых систем является клетка, и Матурана и Варела широко использовали биологию клетки при изучении характеристик автопоэзных сетей. Базовый паттерн автопоэза удобно проиллюстрировать на примере клетки растения. На рис.3.1 изображена упрощенная картина такой клетки: здесь компонентам даны наглядные условные названия. Соответствующие специальные термины, произведенные из греческого и латинского, читатель найдет в словаре, приведенном ниже.
Типичная растительная клетка, как и любая другая, состоит из клеточной мембраны, в которой помещается клеточная жидкость. Жидкость представляет собой густой молекулярный раствор питательных веществ клетки, т. е. химических элементов, из которых клетка строит свои структуры. В клеточной жидкости мы обнаруживаем во взвешенном состоянии ядро клетки, а также большое количество центров производства, где изготавливаются основные структурные строительные блоки, и несколько специализированных частей, называемых «органеллами» — поскольку они аналогичны органам тела. Наиболее важными из этих органелл являются хранилище, центры переработки, силовые и солнечные станции. Как и клетка в целом, ядро и органеллы окружены полупроницаемыми мембранами, которые выборочно пропускают определенные вещества внутрь и наружу. Мембрана клетки, в частности, впускает питательные вещества и рассеивает отходы.
Ядро клетки содержит генетический материал — молекулы ДНК, несущие генетическую информацию, и молекулы РНК, которые производятся ДНК и доставляют инструкции в центры производства8. В ядре содержится меньшее «мини-ядро», где создаются производственные центры, которые затем распределяются по всей клетке.
Словарь технических терминов
клеточная жидкость — цитоплазма («клеточная жидкость») мини-ядро — ядрышко
центр производства — рибосома; состоит из рибонуклеиновой кислоты (РНК) и микросомы («микроскопического тела») и представляет собой крошечную гранулу, содержащую ДНК
хранилище — аппарат Гольджи (назван по имени итальянского физика Камилло Гольджи)
центр переработки — лизосома («растворяющее тело») силовая станция — митохондрия («нитевидная гранула»)
носитель энергии — аденозинтрифосфат (АТФ), химическое соединение, состоящее из основы, Сахаров и фосфатов
солнечная станция — хлоропласт, фотосинтезирующее органическое вещество («зеленый лист»)
Центры производства представляют собой гранулярные тела, в которых производятся протеины клетки. Последние включают структурные протеины, а также ферменты — катализаторы, содействующие всем молекулярным процессам. В каждой клетке содержится около 500 000 центров производства.
Хранилища — это склады плоских мешочков, уложенных примерно как лепешки хлеба-лаваша; здесь хранятся, а затем маркируются, упаковываются и рассылаются по местам назначения различные клеточные продукты.
Центры переработки — это органеллы, в которых содержатся ферменты для переваривания пищи, поврежденные компоненты клетки и различные неиспользованные молекулы. Испорченные элементы здесь перерабатываются и используются для построения новых компонентов клетки.
Силовые станции выполняют дыхательные функции клетки, т. е. используют кислород для разложения органических молекул на углекислый газ и воду. Отсюда исходит энергия, которая концентрируется в специальных энергетических носителях. Эти энергетические носители представляют собой сложные молекулярные соединения, которые перемещаются к другим частям клетки и снабжают энергией все клеточные процессы, именуемые в совокупности клеточным метаболизмом. Энергетические носители служат основными энергетическими единицами клетки, примерно как деньги в человеческой экономике.
Как и силовые станции, солнечные станции имеют собственный генетический материал и самовоспроизводятся, но они содержатся лишь в зеленых растениях. Это центры фотосинтеза, преобразующие солнечную энергию, углекислый газ и воду в сахара и кислород. Произведенные сахара отправляются в силовые станции, где из них извлекается энергия, которая может затем храниться в энергетических носителях. В дополнение к сахарам, растения поглощают также питательные вещества и некоторые другие элементы из земли с помощью корней.
Чтобы проиллюстрировать природу сети метаболических процессов, рассмотрим только одну петлю. ДНК в ядре клетки производит молекулы РНК, которые содержат инструкции для производства протеинов, включая ферменты. Среди последних есть группа специальных ферментов, которые могут распознавать, устранять и заменять поврежденные участки ДНК10. На рис.3.2 представлена схема некоторых взаимоотношений в такой петле. ДНК производит РНК, которая доставляет инструкции по производству ферментов в центры производства ферментов; произведенные ферменты проникают в ядро клетки и там восстанавливают ДНК. Каждый компонент этой небольшой сети участвует в производстве или преобразовании других компонентов; эта сеть, таким образом, явно обладает признаками автопоэза: ДНК производит РНК; РНК определяет ферменты; а ферменты восстанавливают ДНК.
Структура и изменение
С самых ранних дней становления биологии философы и ученые заметили, что живые формы самыми на первый взгляд загадочными способами сочетают устойчивость структуры с гибкостью изменений. Как вихри, они зависят от постоянного потока материи, проходящего сквозь них; как пламя, они преобразуют материалы, которыми питаются, чтобы поддерживать свою деятельность и расти; но, помимо всего этого и в отличие от вихря и пламени, живые структуры совершенствуются, размножаются и эволюционируют.
Еще в 40-е годы Людвиг фон Берталанфи назвал живые структуры открытыми системами, чтобы подчеркнуть их зависимость от непрерывных потоков энергии и ресурсов. Он ввел термин Fliessgleichgewicht («текучее равновесие»), чтобы отразить сосуществование равновесия и потока, структуры и изменения — во всех формах жизни1. Теперь экологи изображают экосистемы в виде схем потоков, отмечая пути прохождения энергии и материи в различных пищевых сетях. Такие исследования показывают, что круговая переработка является ключевым принципом экологии. Будучи открытыми системами, все организмы в экосистеме производят отходы, но то, что является отходами для одного вида, служит пищей для другого, поэтому все отходы непрерывно перерабатываются и экосистема в целом, в самом общем итоге, существует без отходов.
Зеленые растения играют жизненно важную роль в потоке энергии, пронизывающем все экологические циклы. Корни выбирают из земли воду и минеральные соли, которые в виде соков поднимаются к листьям и там соединяются с углекислым газом (СО2), поступающим из воздуха; так образуются сахара и другие органические соединения (в их число входит и целлюлоза — главный структурный элемент стенок клетки). В ходе этого чудесного процесса, известного как фотосинтез, солнечная энергия преобразуется в химическую и связывается в органических веществах, в то время как кислород освобождается и снова поступает в воздух, откуда его потребляют другие растения и животные в процессе дыхания.
Соединяя воду и минералы с солнечным светом и СО2, зеленые растения тем самым связывают землю и небо. Мы привыкли считать, что деревья и травы вырастают из земли, но на самом деле большая часть их вещества происходит из воздуха. Основной объем целлюлозы и других органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза, состоит из тяжелых атомов углерода и кислорода; именно эти элементы растения забирают прямо из воздуха в форме СО2. Таким образом, вес полена почти целиком «набран» из воздуха. Когда полено сгорает в камине, кислород и углерод опять соединяются в СО2 и мы получаем — в виде света и тепла — часть солнечной энергии, которая была затрачена на производство дерева.
На рис.4 изображена схема типичного пищевого цикла. По мере того как растения поедаются животными, которых, в свою очередь, поедают другие животные, питательные вещества растений проходят по пищевым сетям, а энергия рассеивается в виде тепла через дыхание и выделения. Отходы, а также мертвые животные и растения перерабатываются так называемыми «разлагающими организмами» (насекомыми и бактериями): в ходе этой переработки из отходов освобождаются первоначальные (базовые) питательные вещества и их снова поглощают зеленые растения. Таким образом, питательные вещества и другие основные элементы непрерывно циркулируют по всей экосистеме, причем энергия рассеивается на каждой стадии. Так осуществляется афоризм Юджина Одума: «Материя циркулирует, энергия рассеивается»2. Единственным отходом экосистемы в целом оказывается тепловая энергия дыхания: она рассеивается в атмосфере и непрерывно пополняется через фотосинтез за счет солнечного излучения.
Наша иллюстрация, конечно, сильно упрощена. Реальные пищевые циклы могут быть поняты только в контексте гораздо более сложных пищевых паутин, в которых первоначальные, базовые питательные элементы представлены многими химическими соединениями. В последние годы наши знания в области пищевых паутин значительно расширились и усовершенствовались благодаря Гайя- теории, которая показывает сложное переплетение живых и неживых систем во всей биосфере — растений и камней, зверей и атмосферных газов, микроорганизмов и океанов.
Более того, поток питательных веществ через организмы экосистемы не всегда однороден и гладок, но часто сопровождается импульсами, перепадами и разливами. По словам Пригожина и Стенгерс, «энергетический поток, который пересекает [организм], чем-то напоминает реку, которая большей частью течет спокойно, но время от времени устремляется вниз водопадом, высвобождая часть содержащейся в ней энергии».
Паутина жизни
Жизнь в гораздо меньшей степени является конкурентной борьбой за выживание, чем триумфом сотрудничества и творчества. Эволюция растений и животных за пределы микрокосма осуществлялась через последовательность симбиозов, в которых бактериальные изобретения предыдущих двух миллиардов лет комбинировались в бесконечных проявлениях творчества, пока не были отобраны жизнеспособные формы.
Живая система — это многократно взаимосвязанная сеть, чьи компоненты постоянно изменяются, преобразуются и заменяются другими компонентами. Эта сеть отличается исключительной гибкостью и текучестью, что позволяет системе особым образом реагировать на возмущения, или «стимулы», идущие от окружающей среды. Определенные возмущения запускают специфические структурные изменения, т. е. изменения в структуре связи внутри сети.
Разные организмы изменяются по-разному, и со временем каждый организм в процессе развития формирует свое индивидуальное направление структурных изменений. Поскольку эти структурные изменения являются актами познания, развитие всегда ассоциируется с познанием. Организм не реагирует на раздражающие факторы окружения через линейную причинно-следственную цепочку, но отвечает структурными изменениями в своей нелинейной организационно закрытой автопоэзной сети.
Диапазон тех взаимодействий с окружающей средой, которые может осуществлять живая система, определяет ее когнитивную сферу. Эмоции являются естественной частью этой сферы. На определенном уровне сложности живой организм структурно сопрягается не только с окружающей средой, но и с самим собой, творя тем самым не только внешний, но и внутренний мир. У человеческих существ созидание внутреннего мира тесно связано с языком, мыслью и сознанием.
Согласно теории Сантьяго, познание есть не отображение независимого, предопределенного мира, но сотворение нового мира. Конкретным организмом в процессе его жизнедеятельности созидается не мир вообще, а некий конкретный мир, всегда обусловленный структурой организма. Способы, которые мы используем для структурного сопряжения с окружающей средой, и, следовательно, мир, который мы творим, зависят от нашей собственной структуры. И хотя человек часто использует ментальное отображение и информацию, наш познавательный процесс построен не на них. Мы настолько привыкли к таким абстрактным операциям, что склонны верить, что значение содержится в элементе информации, а не в контексте, из которого он был извлечен.
Компьютер обрабатывает информацию. Это означает, что он манипулирует символами на основе определенных правил. Символы представляют собой определенные элементы, загружаемые в компьютер извне; в ходе обработки информации изменений в структуре машины не происходит. Физическая структура компьютера неизменна, она определена замыслом разработчика и конструкцией.
Нервная система живого организма функционирует существенно иначе. Как мы видели, она взаимодействует со своим окружением, постоянно изменяя свою структуру таким образом, что в каждый определенный момент ее физическая структура является записью предыдущих структурных изменений. Нервная система не обрабатывает информацию из внешнего мира, но, наоборот,творит некий мир в процессе познания.
Человеческие решения никогда не бывают в полной мере рациональными, зато всегда окрашены эмоциями; человеческая мысль всегда погружена в телесные ощущения и процессы, которые вносят свой вклад в полный спектр познания.
Основная задача иммунной системы состоит не в том, чтобы реагировать на внешние угрозы, а в том, чтобы обеспечивать собственную устойчивость. Взаимодействуя друг с другом и с другими клетками тела, лимфоциты непрерывно регулируют количество клеток и их молекулярные профили. Иммунная система не просто реагирует на чуждые агенты, но обслуживает важную функцию регулирования клеточного и молекулярного репертуара организма.
Взаимозависимость — взаимная зависимость всех жизненных процессов друг от друга — заложена в природе любых экологических взаимоотношений. Поведение каждого живого члена экосистемы зависит от поведения многих других. Успех всего сообщества зависит от успеха его индивидуальных членов, как и успех каждого члена зависит от успеха общества в целом. Это требует сдвига восприятия, перехода к системному мышлению — от частей к целому, от объектов к взаимоотношениям, от содержания к паттернам. Устойчивое человеческое сообщество осознает все множество взаимоотношений между своими членами.
Тот факт, что базовым паттерном жизни является сетевой паттерн, означает, что взаимоотношения между членами экологического сообщества нелинейны и включают множество петель обратной связи. В экосистемах редко встречаются линейные цепочки причинно-следственных связей.
Паутина жизни — это гибкая, постоянно флуктуирующая сеть. Чем больше переменных вовлечено в колебательные процессы, тем система более динамична, тем выше ее гибкость, тем более развита ее способность приспосабливаться к меняющимся внешним условиям.
Управление социальной системой — компанией, городом или экономикой — означает поиск оптимальных значений для системных переменных. Если кто-то пытается максимизировать — а не оптимизировать — любую отдельную переменную, это неизменно ведет к разрушению системы в целом.
Если же сообщество осознает взаимозависимость всех своих членов, тогда многообразие обогащает все взаимоотношения и, следовательно, обогащает все сообщество в целом, равно как и его индивидуальных членов. В таком сообществе информация и идеи свободно перемещаются по всей сети, а многообразие интерпретаций и способов познания — и даже многообразие ошибок — обогащают все сообщество в целом.
Используемая литература
1. http://www.klex.ru/r4 -книга Фритьофа Капра "Паутина жизни". |
