Существующие предпосылки к инженерному пониманию поведения и мышления

Общая оценка результатов работ по ИИ и в смежных областях

Кибернетика и бионика стимулировали проведение междисциплинарных исследований и привлекли внимание представителей точных наук к проблемам нейрофизиологии и психологии. Были сделаны первые попытки моделирования работы мозга. Эти попытки были полезны, хотя чаще всего они ограничивались моделированием гомеостаза, условно-рефлекторного поведения (схема стимул-реакция) и очень упрощенных формальных нейронных сетей.

Много полезного для понимания мышления было получено и в направлении алгоритмического ИИ. Работы по системам представления знаний привели к выводу, что мышление должно основываться на создании семантической модели проблемной среды и что эта модель должна быть иерархически построена как по линии частное-общее, так и по линии часть-целое. Разработки алгоритмов принятия решения для разных "интеллектуальных" задач показали, что эти задачи чаще всего представляются графом состояний или ситуаций и поиск решений основывается на переборе. Предлагались различные, в основном эвристические методы сокращения перебора. Эти методы хорошо работают в одноэкстремальных задачах и значительно хуже - в многоэкстремальных. Попытки разработки алгоритмов для восприятия сложной среды, так же как и алгоритмов для понимания естественного языка, определили необходимость использования семантической модели проблемной среды. Эта модель должна быть не пассивным описанием, а активной системой, управляющей процессом восприятия и делающей его целенаправленным. Правда, последний вывод сделан на основе анализа результатов и напрямую из работ по ИИ не вытекает.

Примыкающие к направлению ИИ формальные нейронные сети можно считать моделями нейронных механизмов мозга, но лишь в очень отдаленном приближении.

Как перечисленные, так и другие полученные в ИИ полезные результаты не объединены в целостную систему и к моделированию мышления прямо не ведут. Более того, сейчас считается плохим тоном говорить о проведении в рамках ИИ работ по моделированию мышления. Априори считается, что такие утверждения с очень большой вероятностью могут быть спекуляцией.

Итак, исследования, проводящиеся в направлении ИИ, подталкивают к выводу, что для понимания и моделирования мышления недостаточно ограничиваться разработкой алгоритмов и программ решения трудно-формализуемых задач. Нужно понять, в чем состоит специфика живого как на уровне восприятия и внешнего поведения, так и на уровне работы нейронных механизмов мозга. Таким образом, необходимо исследование принципов поведения, восприятия и мышления. Это направление работ можно назвать, например, "Искусственный разум" (ИР), чтобы не смешивать его с формальным алгоритмическим направлением "Искусственный интеллект" (ИИ), или еще лучше, как отмечалось в предыдущей лекции, назвать это направление "виталика".

Теперь поговорим о предпосылках к конструктивному пониманию и определению перспектив моделирования поведения и мышления, которые дает биология или физиология.

Что такое жизнь?

Мы уже договорились о том, что будем считать мышление активным процессом в живом мозге. А что такое жизнь? Чем живое отличается от неживого? И что такое активность?

Существуют многочисленные определения понятия жизнь. Приведем классическое определение Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования заключается по своему существу в постоянном обновлении их химических составных частей путем питания и выделения". Типичное современное определение: "Жизнь - высшая по сравнению с физической и химической форма существования материи, закономерно возникающая при определенных условиях в процессе ее развития. Живые объекты отличаются от неживых объектов обменом веществ - непременным условием жизни, способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т. д." (А.А. Малиновский, энциклопедический словарь).

Определение жизни, данное Ф. Энгельсом, значительно лучше, чем определение Малиновского, поскольку в нем делается попытка выделить общий принцип ("способ существования, заключающийся в том..."). Подобные определения сливаются с объяснением. Определение Энгельса, конечно, не является исчерпывающим, а дается на некотором уровне понимания проблемы. Остается много вопросов, и главный - "Зачем живому обновлять свои составные части?".

Определение А. Малиновского, так же как и многие другие современные определения, хуже не только по сути, хотя это, конечно, очень важно, но и потому, что оно по своему характеру является индуктивным, то есть строится в основном на перечислении свойств или признаков определяемого объекта и не дает читателю информации, которая была бы полезна для какого-то обобщения. Индуктивные определения неизбежны на эмпирическом этапе развития любой науки.

Многие определения ставят на первое место функциональную или поведенческую сторону существования живого. Я уже отмечал, что характерными и типичными являются представления о подвижном равновесии между организмом и средой, схема стимул-реакция, "уравновешивание со средой" по И.П. Павлову, принципы гомеостазиса Кеннона и гомео-статического регулирования Эшби и др. Все эти подходы можно назвать "кибернетическими". Они основываются на принципе поддержания устойчивости при внешних воздействиях. Например, типичным является утверждение А.А. Ляпунова, который в своей статье "Кибернетический подход к теоретической биологии" одной из наиболее важных характеристик живого предложил считать наличие повышенной относительной устойчивости за счет сохраняющих реакций на внешние воздействия со стороны среды.

Принцип устойчивого неравновесия Э.С. Бауэра

Теперь остановимся на результатах, полученных Э.С. Бауэром, книга которого "Теоретическая биология" вышла еще в 1935 г. По Бауэру, в основе жизни лежит принцип устойчивого неравновесия: "все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях".

Этот принцип, по мнению Э.С. Бауэра, является всеобщим законом биологии, определяющим отличие живой материи от мертвой. В соответствии с этим принципом выделение и использование свободной энергии в живой системе сопровождается постоянным разрушением и восстановлением структуры живой ткани, обладающей свободной энергией и находящейся в неравновесном состоянии. Для этого процесса необходимо поступление в систему извне определенных, в первую очередь органических веществ. Таким образом, направленное специфическое взаимодействие со средой в целевых ситуациях поведения необходимо для существования живой материи. Поэтому живая система должна быть открыта и постоянно активна. Поведение - непрерывная задача.

К определению жизни

Я не буду пытаться дать законченное и точное общее определение жизни. Отмечу лишь, что это определение, по-видимому, должно опираться на принцип устойчивого неравновесия и активный динамический способ существования в необходимой для существования среде. Устойчивое неравновесие и, как следствие, активность и целенаправленность являются важнейшими необходимыми, но, может быть, недостаточными признаками живого. Эти принципы, по-видимому, могут быть реализованы и в искусственных системах. То, что действительно необходимо для жизни и не реализуется ни в каких искусственных системах, - это фотосинтез и биосинтез живых органических структур. Для получения полного определения жизни необходимо также привязать устойчивое неравновесие к конкретному биологическому субстрату. Ф. Энгельс считал таким субстратом живой белок. Э.С. Бауэр говорил не о живом белке, а об особом структурном состоянии живой материи. В современной биологии по этому поводу имеются и другие мнения. Кроме того, в определение жизни наряду с устойчивым неравновесием, фотосинтезом и биосинтезом должно входить и такое основное необходимое свойство, как создание модифицированной копии (размножение).

На некотором уровне понимания и объяснения живое можно охарактеризовать еще и следующим образом. В отличие от неживого живое имеет цель - сохранение во времени своей качественной определенности и средства для активного достижения этой цели.

Итак, можно сделать вывод, что непрерывное поддержание неравновесия нужно всему живому функционально и на клеточном, и на поведенческом уровне. Следствие этого - целенаправленность и активность. На этом основаны принципы работы любых живых механизмов. Слова "жизнь" и "активность" - хотя и не синонимы, но относятся к тесно и неразрывно связанным между собой понятиям. Кроме того, представляется, что в определение жизни, во всяком случае в определение ее эволюции, полезно включить также с необходимостью возникающее в живых организмах свойство синергии (взаимосодействия). На этом я еще буду останавливаться в дальнейшем. Кроме того, я постараюсь показать, что активность и синергия являются не только необходимыми свойствами живого организма в целом, но и необходимыми свойствами нейронных механизмов живого мозга.

Большой интерес в плане основной интересующей нас общей темы, т. е. мышления, представляют процессы возникновения и эволюции живых организмов. Мы не будем здесь подробно рассматривать очень сложный в своих деталях и не до конца еще определенный процесс возникновения жизни. Приблизительно описывая самый общий уровень процесса, можно сказать, что зарождение жизни произошло при случайном объединении элементов в органическую неравновесную систему, обладающую свободной энергией, свойством самоподдержания неравновесия за счет специфического взаимодействия со средой и свойством запоминания, размножения и передачи своей копии потомству. Взаимодействие со средой ограничивалось на первом этапе приемом из среды углерода, приемом солнечного света и фотосинтезом неравновесных органических структур. Реализуемый в растениях фотосинтез остается и сейчас необходимым и единственным созидательным фактором существования жизни на Земле. Без фотосинтеза неравновесных, обладающих свободной энергией органических соединений жизнь на Земле существовать не может. Помимо фотосинтеза существует и биосинтез белка. Для биосинтеза нужно поступающее из среды питание, состоящее из мертвых тканей других организмов. Биосинтез белка является необходимой функцией существования животных. Как для фотосинтеза и биосинтеза, так и для воспроизведения при размножении нужна информация о строении организма, т. е. память. Эта память реализуется в молекулах РНК и ДНК.

Таким образом, понятие "живой организм" шире, чем понятие "животное". Живыми организмами являются и растения. Живое - это то, что построено из органических соединений и, по определению Э. Бауэра, "никогда не бывает в равновесии и исполняет за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия", поддерживая тем самым неравновесие и уровень свободной энергии. В этом плане растение - это такой же живой организм, как и животное. Более того, жизнь на Земле создана и поддерживается растениями. Мы уже говорили о том, что жизнь возникла тогда, когда возникла первая клетка, реализующая фотосинтез обладающих свободной энергией неравновесных органических структур. Фотосинтезирующими были некоторые бактерии и растения. Необходимая для существования среда растений - это солнечный свет, находящийся в воздухе углерод, находящиеся в почве вода и неорганические элементы, в то время как необходимая для существования, то есть для удовлетворения первичных потребностей и поддержания неравновесия, среда животных - это другие живые организмы, в том числе (обязательно) и растения. Таким образом, растения несут в себе созидательное начало - создают жизнь, а животные - как созидательное, так и разрушительное - поддерживают жизнь за счет разрушения жизни. Растения без животных на Земле существовать могут, животные без растений - нет.