Формальная модель поведения

Характеристика задачи поведения. Внутренняя и внешняя работа

Рассмотренные в предыдущей лекции принцип устойчивого неравновесия Э.С. Бауэра, а также вопросы, касающиеся поведения, позволяют сделать ряд выводов. В живом организме нужно различать внутреннюю и внешнюю работу. Внутренняя работа - это ассимиляция необходимых для биосинтеза веществ, биосинтез и диссимиляция. Внешняя работа бывает трех разных видов.

Первый вид внешней по отношению к клетке работы - это работа внутренних органов (сердце, легкие, печень, почки и т. п.). Управляет этой работой вегетативная нервная система. Главная цель этой работы - доставка к клеткам элементов питания и поддержание оптимального состояния внутренней среды организма. К этой работе относится понятие "гомеостаз" и идущие от кибернетики представления о роли отрицательных обратных связей и о регулировании по отклонению. Мышление в этой работе не участвует.

Второй вид внешней работы (поведения) - это реакции на внешние воздействия. К этой работе относятся понятия безусловный и условный рефлекс, схема стимул-реакция, сохраняющие реакции (по А. Ляпунову), динамический стереотип и идущие от кибернетики представления о разомкнутом контуре управления, т. е. об управлении по возмущению. К этому же виду работы относится и сформулированное И. Павловым представление об уравновешивании со средой. Центральная нервная система (кора головного мозга) в управлении этим поведением уже участвует как при обучении, так и при выборе реакций. Правда, эта работа мозга относительно проста и в плане рассматриваемой нами темы значительного интереса не представляет. Развитие схемы стимул-реакция - это сознательный поведенческий акт и его теория в виде функциональной системы П.К. Анохина. В схеме функциональной системы наибольший интерес могли бы представить блок афферентного синтеза и принципы выработки решения о действии. Однако эти вопросы в теории функциональной системы не раскрываются.

Третий вид внешней работы - это целенаправленное поведение. Рассмотрение этого вида работы с учетом принципа устойчивого неравновесия позволяет сконцентрировать внимание на следующих моментах:

1. Живой организм как на клеточном уровне, так и в целом - это неравновесная система с активно поддерживаемым неравновесием и высоким уровнем свободной энергии.
2. Поддержание устойчивого неравновесия на уровне организма происходит в результате целенаправленного поведения в среде, направленного на обеспечение материала и условий для биосинтеза. Это осуществляется путем удовлетворения первичных физиологических потребностей. Кроме того, поведение должно строиться с учетом также и вторичных потребностей. Вторичные потребности характерны в первую очередь для человека. Эти потребности определяются групповым социальным способом существования и особенностями эмоционального механизма управления поведением.
3. Живой организм должен быть постоянно активен. Поведение - непрерывная задача.

Таким образом, поведение не ограничивается ответными реакциями на внешние стимулы и не преследует цели "уравновешивания со средой". Необходимость всего этого существует, но главная и постоянная задача поведения - удовлетворение потребностей, для которого необходимо достижение целевых ситуаций в среде. В основном для решения этой задачи эволюционно формировался мозг и развивалось мышление.

Главные проявляемые в поведении свойства живых организмов - активность и целенаправленность.

Все это нужно учитывать при построении модели поведения. Кроме того, нужно учитывать полученный Асмаяном и Голицыным предварительный экспериментальный результат, состоящий в том, что принятие решения животным в ситуации выбора подчиняется экстремальному принципу (здесь m - мотивация, V - скорость ее удовлетворения).

Итак, по рассматриваемой теме можно сделать следующие выводы. Интересующее нас целенаправленное поведение, естественно, не осталось без внимания физиологов. Однако целостной модели целенаправленного поведения в физиологии нет. Теория функциональной системы П.К. Анохина ограничивается рассмотрением отдельного поведенческого акта. За скобками остаются вопросы о возникновении, конкуренции и выборе доминант. Теория доминант А.А. Ухтомского говорит об этом только в самом общем виде без конкретизации принципов и механизмов выбора. При этом ограничиваться, как это часто делают в физиологии, словами о конечном приспособительном эффекте явно недостаточно. Хотелось бы сформулировать задачу более точно. Целевых ситуаций может быть много. Какие ситуации, в каком порядке и почему становятся целями направленного поведения? Какая задача решается в поведении? Каковы правила принятия решения в поведении? Я попробую сформулировать ответы на эти вопросы в виде принципа оптимальности (экстремального принципа) и вытекающих из этого принципа следствий.

Принципы оптимальности

Сначала остановимся на принципах оптимальности в физике и биологии. Развитие науки обычно идет от эксперимента к теории, от наблюдения фактов к их обобщению. Эти обобщения могут фиксироваться в виде законов, которые в совокупности объясняют наблюдаемые факты и предсказывают новые. Такими законами, например, являются законы механики Ньютона или законы геометрической оптики. Но возможен и следующий шаг обобщения в виде принципа оптимальности, который формулируется как требование минимума или максимума какой-либо величины. Так, все законы механики обобщает принцип наименьшего действия, а законы геометрической оптики обобщает принцип скорейшего пути Ферма. (Действие - это произведение массы, пути и скорости. Авторство принципа наименьшего действия связывается с разными именами - Мопертюи, Эйлер, Лагранж.)

Многие ученые давно пришли к мысли о том, что в природе все делается оптимально и все обобщения, а значит, и факты в любой области естествознания могут быть выведены из единого принципа оптимальности. Нужно только понять, что экономит природа в объектах и явлениях, относящихся к этой области естествознания. В пределе может существовать и общий принцип оптимальности, определяющий все в нашем мире.

Мысль о том, что в природе все подчиняется какому-то принципу оптимальности и всю науку можно строить не снизу вверх - от эксперимента к теории, а сверху вниз - от принципа оптимальности к частным законам, была высказана Эйлером. Однако ни Эйлеру, ни кому-либо другому найти такой общий принцип не удалось.

Что же экономит природа? В качестве вариантов напрашиваются и чаще всего рассматриваются: энергия, вещество, действие ( ), энтропия (негэнтропия), информация.

А может быть, экономится время?

Кстати, принцип Ферма действительно говорит о том, что при распространении светового луча экономится время. В этом плане безусловный интерес представляют и термодинамические принципы наименьшей диссипации энергии и наискорейшего спуска. Диссипацией называется процесс перехода энергии из упорядоченной формы в неупорядоченную тепловую. С этим процессом связано возрастание энтропии. Согласно принципу наименьшей диссипации энергии скорость диссипации энергии в устойчивом состоянии любой термодинамической системы минимальна. Указанный принцип является конечной характеристикой равновесного состояния. Для описания переходного процесса формулируется принцип наискорейшего спуска: в процессе приближения термодинамической системы к равновесному или стационарному состоянию функция внешней диссипации убывает наискорейшим возможным способом. Т. е. и в первом, и во втором случае процессы оптимизируются по времени. (Принципы предложены А.И. Зотиным и А.А. Зотиным. Авторы считают, что эти термодинамические принципы оптимальности включают в себя второе начало термодинамики и охватывают практически все явления природы.)

В плане рассматриваемой нами темы очень интересно также и общее утверждение Спинозы о том, что основной закон вещей - стремиться к максимально долгому существованию. На качественном уровне это понятно. Существует то, что "умеет" более или менее длительно существовать. Остальное разрушается и исчезает. Это перекликается с рассматриваемым ниже принципом maxT в поведении живых и не только живых систем.

В биологии в качестве принципов оптимальности главным образом предлагались принципы экономии энергии, экономии ресурсов, максимума энтропии и максимума информации. Эти идеи оказались в определенной степени продуктивными. Предложенные принципы многое объясняют, но далеко не все, поскольку они работают при определенных, как правило, нестрого формулируемых условиях - например, экономия энергии при условии удовлетворения нужд организма или при условии достижения целевой ситуации, экономия ресурсов при достижении заданного результата, максимум взаимной информации между стимулами и реакциями при условии достижения определенного результата и т. п.

С помощью подобных нестрогих условий (оговорок) можно практически всегда объяснить несовпадения результатов эксперимента и теории. Кроме того, почти всегда то, что задается только как находящееся на втором плане нестрогое внешнее условие, необходимое для выполнения этих принципов оптимальности (заданный результат, приспособительный эффект, полезность и т. п.), на самом деле должно находиться в центре внимания и определять цели и принципы поведения.

Более общим и естественным представляется рассматриваемый ниже принцип maxT.

Конкретизация задачи поведения

Итак, первой задачей, для решения которой возник и эволюционно развивался мозг, возникло и развивалось мышление, явилась задача поведения живого организма в сложной среде.

Я уже говорил, что часто задачи поведения, также как и задачи автоматического управления, рассматриваются по следующей упрощенной схеме: система путем управления (поведения) стремится удержать оптимальное по каким-либо собственным критериям состояние, отклонение от которого происходит за счет воздействий, поступающих на систему из среды. При этом причина поведения - воздействие, изменяющее состояние (стимул, возмущение), - находится вне системы, а цель - восстановление состояния - внутри.

Рассматривая такую схему, часто говорят, что единственная цель поведения живого организма в среде - это гомеостаз, т. е. обеспечение постоянства внутренней среды организма при поступающих из среды возмущениях. Из этого вытекают представления о необходимости поддержания равновесия в системе организм-среда, об основной схеме работы по типу стимул-реакция, условный и безусловный рефлекс, об обратной связи как об основном регулирующем факторе. Все это представляется серьезным упрощением, порожденным тем, что не учитываются или отодвигаются на второй план принципы организации живой материи.

В свете рассмотренных в предыдущей лекции представлений о неравновесности живого и принципе устойчивого неравновесия представляется, что гораздо естественней рассматривать поведение в рамках прямо противоположной схемы. По этой схеме причина поведения - собственная накапливающаяся неустойчивость, приводящая к ухудшению состояния, в том числе и к отклонению от нормы гомеостатических переменных, - находится в самой управляемой системе, а цели - внешние воздействия (факторы), необходимые для улучшения состояния (в том числе и для поддержания гомеостаза), - в среде.

Повторим то, о чем уже говорилось в предыдущей лекции. Выделение и использование свободной энергии в живой системе сопровождается постоянным разрушением и восстановлением структуры живой ткани, находящейся в неравновесном состоянии и обладающей свободной энергией. 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. Живая система должна быть открыта и постоянно активна. Поведение - непрерывная задача.

Принцип maxT

В связи с этим естественным представляется принцип maxT - принцип максимизации времени пребывания системы внутри условной области существования, определяемой как область допустимых значений регулируемых переменных.

Введение принципа maxT и упрощенной формальной модели поведения базируется на следующих конкретизирующих предпосылках. Для живых организмов характерно наличие потребностей. Удовлетворение физиологических потребностей, являющееся необходимым условием существования, может происходить только в определенных ситуациях взаимодействия организма со средой. Эти ситуации являются альтернативными целями направленного поведения. Поведение животных в каждый момент направлено в общем случае на достижение одной цели, соответствующей одной потребности. Ситуации необходимого целевого взаимодействия со средой в общем случае альтернативны.

Для живого организма, рассматриваемого как целое, характерно накопление неустойчивости в том смысле, что физиологические потребности имеют общее свойство, заключающееся в их нарастании с течением времени. Поддержание устойчивого неравновесия - непрерывная задача живых организмов, решаемая на клеточном уровне за счет внутренней работы, то есть ассимиляции органических веществ и синтеза живой неравновесной структуры. Обеспечивается эта работа на уровне целого организма за счет удовлетворения потребностей путем активного целенаправленного поведения в среде.

Физиологические параметры (переменные), определяющие наличие и величину первичных физиологических потребностей, должны иметь согласованные значения. Можно упрощенно предположить, что в многомерном пространстве физиологических переменных имеется область, соответствующая нормальному состоянию организма. Можно также предположить, что имеется еще одна более широкая область - область допустимых значений, выход за пределы которой гибелен для организма, и объективная задача поведения - максимально долго поддерживать величины физиологических переменных в пределах этой области.

Задача поведения не исчерпывается прямой задачей выживания отдельной особи, т. е. необходимостью поддержания значений первичных физиологических переменных организма и соответствующих им потребностей внутри области допустимых значений. К первичным физиологическим потребностям самого организма добавляются потребности, определяемые необходимостью продолжения рода, а также вторичные потребности, косвенно влияющие на первичные. Последнее особенно характерно для человека вследствие его сложного общественного способа существования. Добавление в рассмотрение вторичных потребностей не меняет общей схемы: система (живой организм) обладает внутренней неустойчивостью - неудовлетворяемые потребности увеличиваются. Потребности в общем случае альтернативны, то есть удовлетворяются раздельно и поочередно.

Еще раз определим принцип оптимальности в поведении. Цель поведения - максимизация времени пребывания системы внутри области допустимых значений регулируемых переменных (первичных и вторичных потребностей) - принцип maxT.

Из принципа оптимальности должны вытекать все частные закономерности. Мы постараемся как следствие принципа maxT вывести формальное правило принятия решения животным (и человеком) в ситуации выбора. Кроме того, как следствие принципа maxT формулируются гипотезы о формировании животными составляющих эмоциональных оценок как своего состояния, так и реальных и умозрительных ситуаций взаимодействия со средой. В дальнейшем мы рассмотрим принцип maxT более широко, то есть попробуем применить его не только к поведению живых организмов, но и к оптимальному управлению ("поведению") в некоторых искусственных системах.