По образу и подобию

Подражание жизни

Итак, ученые моделируют отдельные живые клетки, ткани, целые органы животных и человека. Я не буду задавать риторический вопрос о том, можно ли промоделировать живое существо в целом. В наше время ответ на этот вопрос известен каждому. Дело только в том, насколько близкой к объекту здесь можно сделать модель. Сразу оговоримся: пока не было сделано ни одной попытки промоделировать даже простейшее живое существо в целом, создать его копию. При биологическом моделировании больше, чем при каком-либо другом, надо помнить, что модель есть упрощенное подобие. Подобие каких-то отдельных свойств живых организмов или жизненных процессов.

Одной из принципиально важных побед здесь было создание устройств, моделирующих не человека и не обезьяну, не лягушку и не березу, а живое существо вообще. Точнее говоря, одно из самых общих качеств, присущих любому организму — от микроба до человека.

— Тридцать семь и две десятых, — говорите вы озабоченно, вынув градусник. — Надо сходить к врачу.

Как вы узнали, что больны? Об этом сигнализировал тонкий столбик ртути, поднявшийся выше «нормального» уровня. Если бы не этот сигнал, вы бы сочли случайной головную боль, заставившую вас измерить температуру. Пока человек здоров, его организм постоянно поддерживает строго «заданную» температуру. Этому терморегулятору, созданному природой, может позавидовать техника. На полюсе и экваторе, в лютый холод, в жару, в дождь у здорового человека температура остается одинаковой, колеблясь лишь на десятые доли градуса. В жару усиливается теплоотдача кожи, открываются поры, обильно выделяется пот. В холод поры прикрываются, тело становится «скупым», стремясь как можно больше тепла сохранить для себя. Организм регулирует не только теплоотдачу, но и содержание гемоглобина и сахара в крови, следит одновременно за сотнями простых и сложных процессов, поддерживая равновесие. Сохранение этого равновесия считается одним из основных свойств всякого живого организма.

Его основой является так называемая обратная связь. Об обратной связи можно говорить бесконечно много. Это с ее помощью организм приспосабливается к изменяющимся условиям жизни, она присутствует в каждом нашем движении.

Человек идет по темной аллее. Неожиданно его нога, опускаясь, не встречает земли. Автоматически он растягивает шаг, перенося ногу дальше, через случайную ямку. Что произошло? Нервные окончания в тканях и мышцах отметили, что нога не встретила препятствия, и «донесли» об этом в мозг. Тот немедленно дал приказ изменить установившийся ритм ходьбы. Получилось замкнутое кольцо — от нервных окончаний к мозгу, от мозга снова к нервным окончаниям. И когда вы при высокой температуре принимаете лекарства, то тоже неведомо для себя замыкаете одну из многих тысяч систем обратных связей, благодаря которым живет и охраняет себя ваш организм. Ведь лекарство должно в конечном счете понизить температуру.

Клод Бернар, великий французский физиолог XIX века, утверждал даже, что единственная цель всех действий организма — это сохранение постоянства его внутренней среды. С этим можно согласиться и сегодня — с пояснением, конечно, что целью такое постоянство является постольку, поскольку без него все действия в конечном счете окажутся попросту невозможными.

Можно добавить, что это свойство живых существ нельзя считать чисто земным. Сейчас очень много спорят о формах, которые может принять жизнь на других планетах и даже на звездах. Не только у фантастов, но и у ученых порой можно прочесть рассуждения касательно существ на основе кремния, фтора, существ кристаллических и даже плазменных, то есть состоящих из ионизированного газа. Одни признают за этими порождениями фантазии (научной?) право хотя бы на журнальные страницы, другие — нет. Но даже «плазменные люди» не выходят из-под действия правила, о котором так торжественно говорил Клод Бернар.

Создать машину, целью всех действий которой была бы собственная устойчивость, соблюдение некоторого заданного внутреннего порядка, значило бы изготовить модель всеобщего свойства жизни.

Первый простейший образец ее сконструировал один из отцов кибернетики — Уильям Росс Эшби. Он назвал ее гомеостатом — это слово можно перевести как «поддерживающий однородность». Гомеостат Эшби включал в себя четыре магнита, связи между которыми были устроены так, что, когда один из магнитов сдвигали с места, вся система приходила в движение, прекращавшееся лишь с возвращением этого магнита «на место».

Устройство удачно сравнили с удобно устроившейся у огонька кошкой. Носком ноги или кочергой можно подтолкнуть ее, заставить изменить положение, вытянуть лапу и т. п. Но стоит оставить кошку в покое, и она вновь свертывается в клубок, приняв прежнее уютное положение. Вот так же возвращался к «любимой позе» (точнее, к одной из «любимых поз» — положений равновесия здесь было несколько) и гомеостат Эшби. Он, повторяю, был «только» родоначальником множества более сложных гомеостатов.

Об одном из них я сейчас расскажу более подробно. Не потому, что это непревзойденный пока образец — дело здесь как раз обстоит иначе, — а просто потому, что в свое время мне пришлось детально познакомиться именно с этим устройством. Важно и то, что оно уже не играет роли простой иллюстрации к теории, не является «моделью для модели», а выполняет вполне конкретную практическую задачу. Собственно, и создавали этот гомеостат именно для выполнения конкретной практической задачи. Ее поставили несколько лет назад перед В. К. Чичинадзе и О. А. Чарквиани — сотрудниками грузинского Института автоматики и телемеханики. Она формулировалась так: создать машину для расчета регуляторов, которая находила бы лучшее решение по принципу регулирования в живых организмах.

И вот машина появилась в лаборатории института — электронная модель самонастраивающейся системы, как гласит ее полный титул.

Основная часть больше всего напоминает невысокий двойной шкафчик-секретер с выдвижными ящичками. Снаружи на каждом ящичке укреплены рычажки. С одной стороны машины — пульт управления с обычными циферблатами, кнопками и световым табло; с другой — система ферритовых запоминающих элементов — то, что называют «памятью» машины. Устройство машины не слишком сложно: главную функцию выполняют четыре узла — четыре группы электронных ламп. Каждый узел связан с любым из трех других двумя электрическими каналами. На каждом из них можно искусственно менять напряжение, придавая ему семь различных значений.

Поступающий в машину электрический сигнал проходит через все узлы. Места входа и выхода сигналов соединены — создана обратная связь. Если изменить напряжение на входе, это вызовет энергичную перестройку связей между узлами внутри машины. Машина будет до тех пор изменять сопротивление внутренних каналов связи, пока не погасит излишек напряжения.

А возможности этих изменений огромны. Из законов математических комбинаций элементов следует, что двойные связи между четырьмя узлами могут иметь семь в восьмой степени различных состояний — это более чем пять с половиной миллионов комбинаций! Часть из них являются равновесными — какие именно, зависит от характера того действия, которое предпринято на входе.

Машина ищет решение, пробуя одно за другим возможные состояния самой себя, и проверяет с помощью обратной связи, к каким результатам они приводят.

Такой поиск случаен. У машины есть цель, но пути к ней неизвестны. Раньше или позже машина приходит в состояние, которое позволяет удержать напряжение в нужных границах. Но до этого ей приходится перепробовать иногда десятки и сотни тысяч неудачных комбинаций связи. Заданной же программы у машины нет. Вот почему такие машины называют самонастраивающимися.

У этого гомеостата есть еще одно очень важное свойство: он способен раз от разу улучшать свою работу, так сказать, учиться на своих ошибках, на собственном опыте. Комбинации машина избирает случайно. Отнюдь не исключено, что в процессе поисков многие неудачные состояния она может перепробовать по нескольку раз. А это очень затягивает процесс решения. Вот тут-то и приходит на помощь «память» машины. Туда поступают сведения об уже использованных комбинациях связей. И прежде чем проверить на практике новое сочетание, машина обращается к «памяти».

По такому же принципу и мы, решая сложную задачу, отбрасываем уже использованные, но оказавшиеся неудачными пути и ищем новые.

Есть у машины еще одно свойство, которое роднит ее с живым организмом. Во время работы обычных механизмов, как правило, в случае поломки одной из основных деталей другая не может принять на себя ее функции.

В живых же организмах взаимозаменяемость частей распространена широко, многие их органы могут значительно расширять свои функции. Разумеется, человек не может обойтись без головы или без сердца. Но мы знаем, что у слепых обычно резко улучшается способность слышать, осязать. У человека можно вырезать одну из почек: оставшаяся справится с удвоенным объемом работы. В строении человека и животных, так сказать, «предусмотрена» возможность аварии.

В этой модели можно вывести из строя целую четверть ее — один из основных узлов. Используя только каналы связи между тремя оставшимися узлами, она будет, что называется, «до последней капли крови» выполнять, хотя и более узко, свои обязанности.

Уже говорилось, что этот гомеостат создавался не просто как регулятор, но и как система для расчета других регуляторов.

Одним из сложных регуляторов является автопилот. Его задача — поддерживать правильный курс самолета. Ведь это только считается, что самолет летит по прямой линии. На самом деле его путь состоит из бесчисленных отклонений. Возвращать самолет на курс может человек, а может и автопилот. Чем лучше рассчитан автопилот, тем меньше отклонения от курса, тем быстрее они ликвидируются.

Тысячи рабочих часов высококвалифицированных инженеров — вот цена создания новых автопилотов и регуляторов.

Но электронная самонастраивающаяся система способна взять этот расчет на себя. Машина выступает в роли расчетчика. Как это делается?

К гомеостату подключается электромоделирующее устройство. Одно из тех устройств, о которых было рассказано в главе «Слава аллегории». Словом, поступают так же, как при обычной работе с моделью самолета. Но обычно человек исправляет в ходе опытов с моделью те ее недостатки, которые могут помешать самолету; здесь же это делает машина — гомеостат.

Она выполняет свою обычную функцию — находит пути к устранению результатов помех, уменьшает избыток напряжения. Наконец она приходит в устойчивое состояние. Но ведь это означает, что найден путь к регулированию заданного процесса. На световом табло появляются числа, характеризующие найденное машиной состояние равновесия.

И вот эти-то числа и явятся расчетом некоторых характеристик нужного нам прибора. Решение ищется максимум несколько часов, занят этим один оператор. А расчетные показатели у спроектированных с помощью машины автопилотов и регуляторов великолепны: они обеспечивают быстрейшее выравнивание курса или технологического процесса.

Модель ведет случайный поиск нужного решения. Но возможен и поиск направленный. В этом случае самонастраивающаяся система после проверки неудачной комбинации связей наберет не просто любую другую случайную комбинацию, а выберет наверняка более близкую к решению, чем предыдущая.

Самонастраивающиеся машины, не нуждающиеся в постоянной подсказке со стороны человека, имеют ряд преимуществ перед электронными машинами типа БЭСМ. Им можно поручать управление самыми сложными процессами, лучшие их типы в будущем смогут, несомненно, осуществлять поиск лучших решений в самых различных отраслях науки и техники.

Как видите, моделировать свойства живых существ дело не только интересное, но и явно выгодное. Недаром у нас и во всем мире создаются все новые типы гомеостатов.

Впрочем, если бы человек, создавая свои модели и приборы, думал всегда лишь о выгоде, дело кончилось бы плохо. Всякое новое дело на первой стадии приносит, с бухгалтерской точки зрения, в основном только убытки. В самом деле, никакой материальной пользы не принесли человечеству бесчисленные электронные зверьки, снующие по лабиринтам, путешествующие по комнатам, иногда даже дерущиеся между собой, все эти «мыши», «белочки» и «черепахи». Названия здесь чисто условны, по внешнему виду или по ассоциации: «мышь» ищет «сало» (магнит), «белочка» — «орешек» из стали. Зверьков таких строят и кружки юных техников и лаборатории под руководством академиков.

Пионеры идут буквально по стопам ученых, порою чуть ли не наступая на пятки своим многоопытным предшественникам. Но, как известно, сделанное часто кажется простым, когда оно уже сделано.

Начало всему этому «зоопарку» положил в 1951 году английский ученый Грей Уолтер, построивший трех электрочерепах. Первые две из них «просто» умели двигаться к источнику света. А третья, по имени Кора, умела, например, убегать и прятаться, если ее толкали. Когда толчок сочетался со свистком, у Коры быстро выработался своеобразный рефлекс — вернее, модель условного рефлекса. Стало достаточно свистка, чтобы Кора торопливо спряталась — свисток предупреждал ее о возможности удара.

Это была, по существу, простейшая модель обучения.

От черепах, вопреки всем законам биологии, произошла электрическая мышь.

Ее создатель, Клод Шеннон, дал ей очень звучное имя Тезей, в честь древнегреческого героя, убийцы чудовища, обитавшего в Критском лабиринте. Потому что задачей «мыши» было найти путь в центр лабиринта, где и лежало «сало».

(Любопытно, что в экспериментах часто используется точная копия лабиринта, что находится в старом английском городе Хемптон-Корте. Если вы читали веселую книгу Джером К. Джерома «Трое в одной лодке, не считая собаки», то должны помнить приключения одного из его героев, Гарриса, зашедшего в этот лабиринт. Больше часа блуждал бедняга вместе с десятками других людей по лабиринту, пока вернувшийся после обеда сторож не вывел их всех оттуда. А между тем у Гарриса был план лабиринта и даже некоторый план действий. Он полагал, что если все время сворачивать вправо, то придешь к выходу. Но планом-картой он пользоваться не умел, а придуманный им способ решения проблемы явно неудачен — первое же округлое препятствие заставило бы Гарриса бесконечно ходить вокруг него). Шеннон заставил свою «мышь» превзойти героя английского юмориста — она «знала» лучший способ пройти по лабиринту. Мало того, она «запомнила» простейший путь и во второй раз прошла его уже без лишних блужданий. С одной стороны, все здесь просто, как в фокусе, когда вам покажут, каким образом он выполняется. Но, с другой стороны, эта история заставляет вспомнить и второе значение слова «фокус» — так ведь называют в оптике точку, в которую собирает свет линза.

Лабиринт вовсе не только забава. Недаром первый лабиринт, место подвига Тезея, построил тот самый Дедал, который сделал крылья себе и сыну своему Икару, мифический основатель множества наук и ремесел. Недаром с древности служит лабиринт символом всякого запутанного пути не только в прямом смысле, но и в переносном, символом трудностей, с которыми встречаются наука и искусство. Но слово «символ» здесь недостаточно. Лабиринт — модель сложнейших процессов научного поиска. Модель, действующая в строгом соответствии с теорией подобия: и путь по лабиринту, и серию научных экспериментов, и технологический поиск можно описать совершенно однотипными уравнениями теории информации.

Мало того, к тем же уравнениям сводится и всякий эволюционный процесс, связанный с естественным отбором. Путь в лабиринте находится методом проб и ошибок. Тот же метод играет большую роль во всяком эксперименте. А что касается эволюции, то даже в словесном, не формализованном рассказе о ней нетрудно встретить чисто «лабиринтные» термины вроде «возвратов» и «тупиков».

Разумеется, однотипность уравнений не означает полного их совпадения. Разнятся коэффициенты, определяющие масштаб времени (сроки эволюции измеряются в тысячах, миллионах, десятках и даже сотнях миллионов лет; опыт может длиться и секунды и годы, путь «мыши Шеннона» по лабиринту отнимает у нее несколько минут); конечно, проб и ошибок при эксперименте, возвратов и тупиков в эволюции бывает несравненно больше, чем возвратов и тупиков в самом сложном из реальных лабиринтов.

Даже шахматную партию можно в принципе описать (так иногда ученые и делают) как путь через лабиринт. С каждым ходом игрок оказывается на новой площадке лабиринта; если ход плохой, он соответствует тупику и требует «возврата», если ход хороший, он представляет собой очередной шаг к центральной камере (или выходу).

Но вернемся к электронным животным. Появились и такие звери, у которых было и зрение, и слух, и осязание (впрочем, уже у черепахи Коры был фотоэлемент, соответствовавший зрению, она слышала свисток и замечала препятствия с помощью стального усика).

«Животные» У. Сузерленда, Дж. Маплика и И. Сузерленда меняли скорость в зависимости от силы источника света; они были наделены глазами и умели следить за движущейся лампочкой. Сверх всего прочего эти «животные» умели даже гоняться друг за другом.

Не слишком сложно было бы, как считают ученые, заставить электрических зверей не только самих всовывать вилку в штепсель и запасаться энергией (что они делают давно), но и платить за эту зарядку самыми обыкновенными монетами. В принципе можно научить машины даже играть друг с другом в футбол.

Но все это самих ученых отнюдь не так уж восхищает. Ряд из них полагает, что все эти «мыши» и «черепахи» ближе к наглядным школьным моделям, только иллюстрирующим то или иное научное положение, чем к «моделям познания». Многие кибернетики справедливо говорят: «Мы создаем автоматы так, чтобы они подражали действиям животных, а когда автоматы выполняют свою задачу, мы этому удивляемся. Вот если бы они делали то, что мы не могли бы заранее предсказать!»

Сейчас найдены принципы, с помощью которых можно до какой-то степени и «пойти туда, не знаю куда, создать то, не знаю что» (к последнему и сводится дело. «Создать то, знаешь что» кибернетикам кажется неинтересным).

Один из таких способов — определение выбора «зверьком» одного из двух возможных очередных действий с помощью «выброса случайного числа» — своего рода подбрасывания монетки.

Электронные «белки» и «черепахи» еще только игрушки. Но в одной книжке по кибернетике, вышедшей в 1960 году, о гомеостатах говорится, как о машинах, не имеющих пока практического применения. А в том же самом году (если не раньше) гомеостаты уже начали работать как устройства для расчета регуляторов. Древние египтяне, как известно, увлекались наблюдениями за электрическими искрами, сверкающими в сухой кошачьей шерсти (один из героев трагедии В. Маяковского «Владимир Маяковский» призывал добывать электричество именно так:

«Гладьте сухих и черных кошек!»).

В этом и состояла вся «древнеегипетская электроника».

Всегда надо помнить древнюю поговорку: «Не презирай беспомощного детеныша — быть может, это детеныш льва».