Роман Подольный – По образу и подобию (страница 19)
С истинной страстью моделируют биологи отдельные части человека и животного. Искусственные легкие и почки приходят на помощь настоящим, искусственные руки — протезы — возвращают способность работать.
Но не только медицине приносит практическую пользу биологическое моделирование. Вы наверняка слышали о такой науке — бионике (года два назад книги, посвященные ей, начинались примерно так: «Вы, дорогой читатель, конечно, не слыхали про такую науку»). Поэтому я не буду рассказывать о приборах, в состав которых входят мухи, о фундаментах, похожих на корневую систему, и прочих чудесах бионики. Позволю себе еще раз напомнить, что бионика, строго говоря, только частный случай моделирования, только одна его область, хотя и довольно широкая.
Впрочем, между новыми науками еще труднее провести размежевание, чем между старыми. Поди выясни, где кончается бионика и начинается кибернетика. Во всяком случае, одной из главных проблем кибернетики является именно подражание жизни. К рассказу о некоторых конкретных его формах я и перейду.
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».