ОЧЕРК ДЕВЯТЫЙ
УПРАВЛЕНИЕ, КОДИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ФИЗИОЛОГИИ1
История естествознания и техники богата примерами того, как изменения, наступавшие в состоянии производительных сил и производственных отношений, приводили к изменениям основных точек зрения, отправных пунктов, которыми начинала направляться исследовательская мысль и изобретательская работа. Ярким примером такого сдвига исходных научных и технических позиций может послужить переворот, ознаменованный вступлением в строй в конце XVIII в. паровой машины и характеризовавшийся в физике и технике расцветом энергетики, бурно развивавшейся на протяжении всего XIX в., а в физиологии — заменой механистического направления, господствовавшего в XVIII в. (развитие декартовых идей о рефлексе, биомеханика Борелли, разработка механики кровообращения Кене, «человек-машина» Ламетри и др.), концентрацией внимания на биоэнергетике: на изучении обмена веществ, развитии биологической химии, работах по теории пищеварения, дыхания, вегетативных функций внутренних органов и т. д. Такая смена отправных пунктов вела к перегруппировке взаимоотношений между отдельными научными дисциплинами и к появлению новых, не предвидевшихся дотоле сближений между ними, как показывает приведенный уже пример срастания химии и биологии в новую науку — биохимию, немыслимую для предшествовавшего столетия.
Весь XIX век прошел под знаменем энергетики, находившей в технике все новые и новые ресурсы в виде тепловых двигателей и электроэнергии, сделавшей доступными бесчисленные даровые природные источники «белого», «голубого» и всяких других символических расцветок «угля». В физиологии этот период, о главных объектах изучения которого было уже упомянуто, характеризовался двумя очень отчетливо выраженными отправными пунктами, или принципами, явно подсказывающимися самими методиками исследования и уровнем знаний о физиологических процессах: 1) изучением организма в покоящихся, равновесных состояниях и 2) аналитическим исследованием отдельных элементарных, искусственно изолированных функций.
Первая черта проявилась в выборе тех состояний, в каких преимущественно изучался организм. По линии химизма исследовался обмен покоя («основной метаболизм»), тщательно изучались процессы дыхания, кровообращения, работа сердца, почек и других органов также в состояниях покоя, без рабочих нагрузок организма. Например, для изучения нервной и нервно-мышечной физиологии животное обезглавливали или децеребрировали перерезкой ствола мозга, или по меньшей мере наркотизировали.
Второй отличительный признак стиля физиологических работ XIX в. — аналитическое вычленение и изолированное изучение элементарных функций нерва, мышцы, внутреннего органа, рецептора — казался вполне естественным методическим приемом для первоначального исследования («синтез придет по окончании анализа»), но в действительности неосознаваемо опирался на атомизм, органически присущий механистическому образу мышления материалистов XIX в. Твердо подразумевалось, что целое есть всегда сумма своих частей и ничего более, что любую сложную функцию всегда возможно реконструировать как сумму определенных микрофункций, последовательных или одновременных. Каждое чувственное восприятие — это сумма элементарных ощущений, а каждая целостная целесообразная реакция животного организма — такая же сумма элементарных рефлексов. Такой подход определял все направление психофизиологии — центрировал исследовательскую работу на изучении свойств нервно-мышечного препарата или же изолированных, полупассивных ответов покоящегося подопытного животного на задаваемые ему изолированные же раздражения.
Текущий век характеризуется все яснее осознаваемым и формулируемым новым сдвигом отправных позиций и центров интереса, и опять-таки этот сдвиг кладет свой решающий отпечаток и на технику, и на естествознание (в частности, на биологию и физиологию) и приводит к перегруппировкам и сближениям между собой наук, в отношении которых эта возможность часто и не помышлялась раньше. На этом сдвиге следует остановиться более подробно.
По мере прогрессировавшего роста производственных мощностей все более осложнялась и требовала все большего внимания задача управления этими громадными мощностями. С одной стороны, человеческой мышечной силы зачастую становилось уже недостаточно для такого управления. Ее заменяли либо пассивными искусственными направляющими (например, рельсы для управления направлением хода поезда), либо особыми машинами, получившими в наше время наименование сервомоторов, которым перепоручались, например, повороты гигантских многотонных рулей океанских судов. С другой же стороны, становилось в принципе все более ясным, что выработка механической энергии и целесообразное управление ею — это две совершенно раздельные задачи, которые в сложных машинах требуют не только раздельных, специализированных устройств, но нередко и независимых источников энергии для каждой из этих функций, например электрическое или пневматическое управление работой паровой машины и т. п.
«Всадник» — управление — оказался и более сложной, и более важной проблемой, нежели «конь» — источник рабочей энергии. Необходимость разобраться в этой проблеме еще сильнее подкреплялась нараставшей потребностью в самоуправляющихся (автоматических) устройствах и машинах и увеличением числа изобретенных и удовлетворительно действовавших автоматов. Одни из них обеспечивали устойчивое поддержание какого-то определенного, необходимого режима работы машины, другие, более сложные, могли без вмешательства человека осуществлять смены режимов по той или другой программе, включать и выключать последовательно разные механизмы и орудия и т. д.
Перед наукой об управлении встала проблема регуляции. Как устроены и как должны быть устроены автоматы, регулирующие и поддерживающие устойчивый или программно-изменяемый ход работы машины? И здесь обнаружилось, что, во-первых, каждое устройство подобного рода должно иметь какой-то воспринимающий элемент, способный подать сигнал неблагополучия, отклонения режима от требуемого уровня (например, в простейшем из автоматов — термостате — термометр, сигнализирующий о начавшемся отклонении температуры), и, во-вторых, передачу с этого элемента к управляющему регулятору, заставляющую этот регулятор изменять ход или мощность машины (в нашем примере — силу нагрева термостата) как раз в требующемся для выравнивания направлении.
Уже на этом уровне развития технической теории автоматики не могло не броситься в глаза разительное функциональное сходство с жизнедеятельностью организмов как в отправлениях отдельных элементов автоматной схемы, так и в самом ее построении. Воспринимающий элемент — это точный аналог органа чувств. К тому же стремительное развитие электротехники все более обогащало список датчиков, вырабатывая подобия органов осязания, зрения (фотоэлементы), слуха (микрофоны) и др. Сигнализация с датчика к регулятору аналогична нервному сигналу по афферентному нерву, реакция же регулятора воспроизводит чисто физиологическое явление рефлекса.
Неожиданное сближение физиологии с техникой на почве вновь возникшей проблематики управления и регуляции оказалось плодотворным и для физиологии, так как технические аналогии помогли ей по-новому осветить ряд процессов внутренней регуляции. В каждом физиологическом отправлении, требующем стабильного поддержания той или иной величины или уровня (например, артериального давления, содержания в крови сахара или двуокиси углерода и т. п.), обнаруживался датчик-рецептор (например, каротидный синус и т. п.), нервная передача в центр и эффекторный сигнал оттуда на периферию, обеспечивающий выравнивание начавшегося и просигнализированного отклонения. Общий с регуляторами-автоматами принцип заключается в том, что то или иное действие исполнительного органа, например сокращение мышц артериальной стенки по импульсу из центра, не является концом процесса: результат совершившегося действия немедленно воспринимается датчиком-рецептором и сообщается им по обратной связи в центр. Если исполнительный орган сработал в смысле регуляции неправильно, недостаточно или же чрезмерно, то сигнал с рецептора по обратной связи немедленно побудит центр соответственно усилить или умерить свою импульсацию, послать корригирующие импульсы и т. д., пока, наконец, сообщения с периферии от рецептора не засвидетельствуют полного выравнивания нарушения. С новым нарушением процесс выравнивания возобновится.
В физиологии все ярче обнаруживается большая универсальность такой кольцевой схемы регуляции с помощью обратной связи. В ряде функций, где для менее углубленного взгляда прежних физиологов реакция организма исчерпывалась, казалось, однократным рефлексом, оборванным на конце незамкнутой рефлекторной дуги, новый, более точный и пристальный подход выявляет непрерывающийся (по крайней мере, на протяжении того или иного промежутка времени) кольцевой процесс управления, в котором каждый очередной элемент действия (мышечного сокращения, секреции и т. п.) немедленно контролируется рецептором, выверяется и корригируется из центра новым элементом действия и т. д.
Раз начавшиеся сближение и взаимопомощь биологии и техники не ограничивались одними только механизмами регуляции. Аналогии, способные помочь как физиологической теории, так и технической практике, стали выявляться и в ряде других направлений.
Каждый сигнал с датчика-рецептора, для того чтобы произвести требуемое целенаправленное действие, должен обладать определенным смысловым содержанием, как сейчас говорят, нести в себе какую-то информацию. В редких случаях эта информация осуществляется в наиболее привычной нам словесной форме (например, передача команды по телефону). Гораздо же чаще, а в автоматике вообще всегда она оформляется в виде определенного условного шифра или кода, например в форме того или иного следования импульсов одного вида в известном ритме (реже — чаще, в одиночку или группами и пр.) или двух стандартных видов (например, точки и тире в азбуке Морзе) и др. Если в автомат, например в управляемый издали самолет, лодку и т. п., вмонтированы рецептор сигналов и дешифратор кодов, то такой автомат сможет выполнять дифференцированно и безошибочно большое число закодированных команд.
Но теперь привлекает внимание следующая аналогия с физиологическими процессами. Ведь по чувствительным нервным проводникам с периферии тела в головной мозг не передаются непосредственно прямым образом теплота или холод от кожных рецепторов температурной чувствительности, свет — от палочек и колбочек сетчатки по зрительным нервам и т. п. Нервные импульсации в афферентных волокнах, легко регистрируемые с помощью современной техники, не содержат в себе ничего похожего ни на свет, ни на теплоту, ни на механическую силу натяжения (действующего на проприорецепторы), а лишь определенные последовательности пиков биоэлектрических потенциалов действия, насколько мы можем судить при сегодняшнем уровне экспериментальной техники. К тому же вследствие взрывного характера электрохимических процессов, лежащих в основе этих пиков, и обусловливаемого им закона «все или ничего» все пики цепочки импульсов одиночного нервного волокна равны по величине, так что разнообразиться и отличаться между собой такие цепочки импульсов могут только по частоте и ритму. Между тем ясно, что именно эти цепочки импульсов обеспечивают восприятие всех качеств окружающего мира — и света, и цветов, и звуковых тонов, и всего богатства кожных, обонятельных, вкусовых, кинестетических ощущений. Очевидно, что эта богатейшая чувственная информация о внешнем мире сообщается нашему мозгу закодированной в виде импульсных цепочек. Каким образом мозг ее расшифровывает (декодирует), есть ли специфическое различие нервных сигналов от зрительного, слухового, осязательных и других рецепторов и в чем оно состоит — это задачи, которые еще предстоит разрешить физиологии завтрашнего дня.
Так или иначе определялась еще одна важная точка аналогий и сближений между биологией и техникой: проблема передачи информации и информационных кодов. Понятие кода в биологии приходится трактовать и применять очень широко. Помимо нервных импульсов, команды, создаваемые, например, химическими стимуляторами и тормозными веществами (медиаторами), тоже несут с собой информацию и тоже в своеобразно закодированном виде.
То же приходится сказать о важнейших, высокодифференцированных регуляторах организма — продуктах желез внутренней секреции. Ядерные хромосомы, химическая структура которых начинает постепенно уясняться в наше время, принимают участие какими-то еще крайне загадочными путями в развитии из одной оплодотворенной яйцевой клетки организма, обладающего сложнейшим агрегатом органов и тканей, подобного организмам предков. По-видимому, в химической структуре тех гигантских белковых цепочечных молекул, из которых построены хромосомы, закодирована информация, необходимая и достаточная для построения всех органов тела с их тончайшими гистологическими строениями и целесообразной взаимосвязью.
Наконец, разве сама наша речь, наш основной способ взаимного обмена информацией, не представляет собой высокоразвитой системы условных кодов в форме звуков разной высоты и тембра в случае устной, и комбинацией из тридцати или сорока фигурок — знаков (букв, цифр и др.) в случае письменной и печатной речи?
Чтобы покончить с просмотром хотя бы главнейших из ныне вскрывающихся соответствий и аналогий, отметим, что и принцип релейных связей и сервомеханизмов, находящий все более широкое применение в современной технике управления и связи, точно так же оказался играющим важную роль в физиологических отправлениях организма. Когда рулевой океанского судна одной рукой вращает небольшое штурмовое колесо, мощная паровая или электрическая сервомашина послушно повторяет все его действия, поворачивая тяжелый руль, отстоящий к тому же на пару сотен метров от штурманской рубки. Но когда импульсация с переднероговой клетки спинного мозга, передаваемая в мышцу по двигательному нерву и по своей мощности измеряемая долями микроватта, вызывает тетаническое сокращение мышцы, реализующее ее внутреннюю рабочую мощность в десятки ватт, то вся картина такой же точно релейной передачи оказывается налицо и здесь.
Для физиологов и медиков не столь важно, какую пользу извлекают для себя из всех подобных параллелей инженеры, утверждающие, однако, что углубленное ознакомление с физиологией очень обогащает их изобретательскую мысль. Но для биологов из таких аналогий и сопоставлений проистекает по крайней мере двоякая польза.
Во-первых, все они открывают пути к построению математической теории и формулировки явлений, что всегда прогрессивно и что предрекали будущей физиологии корифеи отечественной науки. Такие математически разработанные теории обратной связи, функции передачи, кольцевых процессов и т. д. уже созданы и способствуют переводу биологической дисциплины на рельсы точной науки. Во-вторых, каждая подобная нащупанная аналогия представляет собой путь к созданию проверочной исследовательской модели, к так называемому моделированию физиологических процессов. О разностороннем значении моделирования как для физиологической теории, так и для медицинской практики мы скажем еще несколько слов ниже.
Усложнение и рост мощностей машин, управляемых человеком, явились на рассматриваемом этапе причиной (малозаметной, но бесспорной) глубоких сдвигов, совершающихся в отправных пунктах и центрах преобладающего интереса науки о жизнедеятельности человека. Значение изолированного ручного труда стало падать. Все более выдвигалась на первый план роль человека как основного звена в сложном производственном процессе, в управлении сложнейшими машинами, а также в использовании самоуправляющихся устройств.
Резко изменились и подходы к изучению физиологических процессов по сравнению с уже охарактеризованными позициями прошлого века. Прежде всего вместо организма в покое выдвинулся в качестве более важного объекта организм в работе. Возникли физиология труда, психотехника, педагогика труда и т. д. Естественно, что физиология труда начала с изучения процессов грубой физической работы, а методически не могла сразу сойти с прежних, «классических» позиций энергетического изучения труда: газообмена при физической работе, кислородного долга, химического баланса крови, восстановительных процессов и т. д. Но потребности жизни не позволили ей длительно задержаться на этом этапе и властно звали ее к включению в новую проблематику управления и связи.
Вторая черта, с неменьшей неизбежностью начавшая проявляться в новой физиологии, — это изучение целостной деятельности человека. Стало очевидным, что если по отношению к отправлениям покоя можно еще, на худой конец, удовлетворяться изучением их по частям, дробя организм на отдельные частные функции и не покидая позиций атомизма, то во всех активных проявлениях жизнедеятельности организм выступает как настолько неделимое целое, что искусственное дробление становится просто невозможным. Действительно, в координированных, целенаправленных двигательных актах на первый план неустранимо выступают регуляции движения по обрисовавшейся уже обратной связи, по афферентным сигналам как мышечно-суставных проприоцепторов, так и органов осязания, зрения, лабиринтов и т. д. Шейно-туловищные рефлексы тонуса и мускулатуры ног обеспечивают ручному рабочему процессу устойчивый или подвижный фундамент позы. Таким образом, львиная доля как мускулатуры, так и рецепторного оснащения неразрывно соучаствует в любом двигательном действии, если только это в самом деле смысловое действие, а не бесцельный двигательный обрывок.
Такая же неразрываемая связь афферентации и эффекторики, периферии и центра проявляется и во всякого рода активных процессах структурирования. На низших животных — амфибиях — это было установлено экспериментально на явлениях регенерации. На высших млекопитающих опыт школ П. К. Анохина, Э. А. Асратяна, Bethe и др. показал значение, которое имеет для восстановления функций, их воспитания и перестройки вся совокупность афферентной информации, текущей с периферии организма к центру, и, следовательно, выявил и здесь наличие неразрывной целостной взаимосвязи центра и периферии.
Исследования школы А. Д. Сперанского обнаружили ту же картину неразрывной целостности и в патологических перестройках организма, открыв этим совершенно новые пути и перспективы для хирургии. Невозможно перечислить все направления, по которым стал разрабатываться подход к организму как к неделимому целому, не пассивно взаимодействующему, а активно и целенаправленно воздействующему на окружающий мир.
На этом этапе дает о себе знать разница мировоззрений и целей между западным, капиталистическим, и нашим, социалистическим, миром. Точку зрения, отчетливо проявляющуюся во многих зарубежных публикациях на обсуждаемую тему, можно было бы изложить примерно так: человек есть пока еще (к сожалению!) неустранимое звено в цепи рабочего процесса управления или связи. Изучать его в рабочих состояниях необходимо, во-первых, и прежде всего для того, чтобы заменять его аналогичным искусственным устройством (роботом) везде, где и как только возможно. Конечно, задача и идеал — вытеснить живого рабочего из производственного процесса вообще.
Во-вторых, поскольку покамест в этом процессе имеются такие звенья, которые могут быть замещены только человеком, постольку необходимо пристальное изучение его ресурсов и его недостатков в интересах рационализации рабочего процесса. Главные минусы человеческой машины: 1) медленность реакций и действий; 2) грубость порогов рецепторов и отсутствие органов чувств для ряда форм энергии (электричество, магнетизм, ультразвук и т. п.); 3) утомляемость; 4) возможность ошибочных действий. Необходимо, с одной стороны, организовать рабочий процесс так, чтобы четыре перечисленных минуса были в возможно большей степени обезврежены, а с другой стороны, точно определить диапазоны оптимумов человеческого организма и наилучшие условия для их использования: оптимальную освещенность, слышимость, рабочую позу и т. п.
Если вторая половина изложенной сейчас позиции — определение слабых сторон организма работающего человека и обеспечение для него оптимальных условий работы — вполне приемлема и для нас, то первая — систематическое вытеснение человека из производственного процесса с подстановкой на его место робота — идеологически враждебна нашему мышлению и абсолютно непригодна для нас. У нас нет каких-либо возражений против автоматизации. Бесспорно, прогрессирующая автоматизация производства имеет своей другой стороной возрастающую интеллектуализацию труда, освобождение человека от пут более грубой, доступной машинам работы, открывающее ему дорогу к более тонкой и углубленной работе мышления. Но для нашей страны и для всех социалистических стран, строящих новый мир без эксплуатации, человек есть прежде всего хозяин производственного процесса, его создатель, и создатель именно с тем условием, чтобы этот процесс реализовал его сознательную волю и служил его потребностям.
В этих условиях полное вытеснение человека из рабочего процесса означало бы застой и омертвение последнего, ибо робот не умеет творить и изобретать.
Наша отечественная физиология и медицина обязаны подхватить все то новое и прогрессивное, что появилось в развитии зарубежной науки наших дней и в чем мы в ряде отношений пока ощутимо технически отстали от Запада. Но необходимо наполнить это новое иным целевым содержанием и использовать поражающие новые технические возможности медицины (в частности, ортопедии и хирургии) в целях борьбы за оздоровление, раскрепощение и обогащение всеми доступными возможностями человека во всей совокупности его деятельности по подчинению себе природы.
Теперь следует сказать несколько слов о другом аспекте сближения и взаимного переплетения между собой биологии и техники, аспекте, несомненно, обогащающем как ту, так и другую сторону. Мы имеем в виду моделирование.
Особый интерес к моделированию как необходимое практическое следствие аналогизирования между объектами биологии и техники отмечался в XVII—XVIII столетиях, в эпоху уже упоминавшегося расцвета теоретической механики и биологического механизма. История науки сохранила нам сведения о садовых статуях Франчини, помещенных в парке Фонтенбло и совершавших несколько различных шуточно-озорных действий: грозивших пальцем, когда гуляющие приближались к ним с одной стороны, и окатывавших их водой из шланга, когда они подходили с другой. Декарт признавался, что именно они навели его на общую идею рефлекса. Кенэ демонстрировал гидравлическую модель кровообращения по Гарвею; Вокансон построил утку, которая глотала шарики «пищи», имитировала их разжижение и всасывание в желудке и даже извергала испражнения. К сожалению, многие сведения об автоматах этого рода из той эпохи безвозвратно утеряны: в пору свободного предпринимательства и отсутствия законов по ограждению авторских прав изобретатели слишком боялись конкуренции и похищения их изобретений и старательно засекречивали их.
Так или иначе из того, что нам известно, видно, что уже в XVIII в. моделирование жизненных процессов переросло первоначальные, часто развлекательные задачи (им поневоле отдал свою дань еще Леонардо да Винчи) и определило свою цель как чисто исследовательскую, как попытку познать и проверить в активном эксперименте свою трактовку тех или иных физиологических процессов.
В XIX в. интерес к моделированию временно заглох. После Великой французской революции стало уже некого забавлять игрушками, а выдвинувшиеся на первый план проблемы биоэнергетики были связаны с изучением явлений, которые при тогдашнем уровне техники не так-то легко было моделировать. На переживаемом нами ныне этапе развития науки о жизни и жизнедеятельности моделирование возродилось вновь и, будучи подкреплено всеми могучими ресурсами технической химии и электроники, разрослось в настолько широкую область, что уже появилась необходимость в классификационном расчленении и анализе ее в зависимости от многообразных целей и задач. Остановимся вкратце на обзоре выявившихся к настоящему моменту главных классов технико-биологических моделей.
Первый и, может быть, наиболее интересный для физиологов и клиницистов класс моделей можно было бы обозначить как эвристический, характеризуемый чисто исследовательскими задачами. Именно к этому классу относятся механические модели XVIII в., хотя их создатели и не достигли еще точного формулирования принципов, определяющих исследовательское значение их конструкций.
Одно из самых ранних, если вообще не первое, определение того принципа, который в наше время кладется уже вполне сознательно в основу моделей этого рода, мы находим у гениального И. М. Сеченова в его раннем произведении «Рефлексы головного мозга» (1862). Он писал: «Мысль о машинности мозга при каких бы то ни было условиях для всякого натуралиста клад. Он в свою жизнь видел столько разнообразных причудливых машин, начиная от простого винта до тех сложных организмов, которые все более и более заменяют собой человека в деле физического труда; он столько вдумывался в эти механизмы, что если поставить перед таким натуралистом новую для него машину, закрыть от его глаз ее внутренность и показать лишь начало и конец ее деятельности, то он составит приблизительно верное понятие и об устройстве этой машины, и об ее действии»2. В таком именно положении находится физиолог по отношению к организму, в частности к головному мозгу.
Пользуясь полуобразными терминами, встречаемыми в современной англо-американской литературе и постепенно прививающимися и у нас, можно сказать, что «закрытая от глаз внутренность машины» мозга заключена в непроницаемый «черный ящик» (black box), в отношении которого нам доступны только: все то, что поступает в этот «черный ящик» через его входы (inputs), и вся совокупность его активности, прибывающей из его глубин на выходы (outputs)3.
Но если по отношению к «самой причудливой машине в мире» (И. М. Сеченов) — мозгу — никакой инженерной опытности не может быть достаточно, чтобы чисто мыслительным путем постигнуть из сопоставления «входных» и «выходных» процессов его внутренние, скрытые от нас механизмы, то можно и перспективно пойти другим путем. Мы задаемся рабочей гипотезой об устройстве того внутреннего механизма, который, по нашему представлению, обусловливает наблюдаемые нами явления «выхода» в связи с данными воздействиями на «входы». Мы воплощаем эту рабочую гипотезу в вещественную модель и наблюдаем, как она будет функционировать.
Если функциональные соотношения «входных» и «выходных» явлений модели не смогли воспроизвести тех, какие регистрируются на живом объекте, то гипотеза опровергнута, но мы все же обогащены хотя бы отрицательным опытом. Если же модель имитирует жизненные явления и соотношение входно-выходных процессов верно, то это, правда, еще не подтверждает полностью правильности исходной гипотезы (не исключено, что подобные же соотношения входа-выхода могли бы реализоваться каким-нибудь другим механизмом), но все же сильно повышает правдоподобность исходной гипотезы и открывает путь к тому, чтобы, постепенно и осторожно надстраивая и усложняя экспериментальную модель и наблюдая за ее отправлениями и реакциями, добиваться понемногу расширения и уточнения круга выполняемых ею функций. Либо исходная гипотеза будет опровергнута на каком-то этапе работы с моделью, либо вероятность того, что данный внутренний механизм «черного ящика» разгадан, будет все время возрастать и укрепляться.
Вот, в сущности, весь тот краткий методический кодекс, который определяет цель и назначение экспериментального моделирования и правильное обращение с последним. Главная опасность на исследовательском пути — это увлечение внешней подражательностью, впечатляющей эффектностью поверхностного сходства всех этих многочисленных электрочерепах и магнитомышей, демонстрируемых и описываемых в популярной литературе на Западе, часто с намеренным засекречиванием их рабочей схемы. Отсюда лишь один шаг к воскрешению развлекательных автоматов XVII—XVIII вв., шаг, очень малоплодотворный для прогресса подлинной физиологической науки.
Упомянув здесь о том, что не внешняя эффектная наглядность является тем главным, чего должно добиваться истинное эвристическое моделирование, скажем попутно, что в наше время определился один характерный подкласс эвристических моделей, иногда вовсе не воплощаемых в вещественный механизм. Если рабочей гипотезой является, например, дифференциальное уравнение или система таковых, предназначаемых для характеристики количественной стороны того или другого биологического явления, то построение и проверочные решения таких уравнений тоже представляют собой своеобразное моделирование, хотя математическая «модель» явления или процесса до самого конца остается только на бумаге. Часто непреодолимые в прежнее время трудности решения тяжеловесных и многочисленных задач подобного рода сейчас преодолены созданием автоматических вычислительных машин как непрерывного, так и цифрового типов. Ряд задач, например по теории пульсовой волны, структуре и значению элементов электрокардиограммы, пневмодинамике дыхательного процесса и др., успешно «моделируется», изучается и проверяется при посредстве этих машин без обращения к услугам токаря и электротехника.
Теперь следует сказать несколько слов о группе моделей уже не исследовательского, а чисто практического назначения. Эта группа распадается на два больших класса, имеющих большой практический интерес и значение для медицины (ценности и значимости моделей этих классов для инженерно-технических задач мы здесь касаться не будем).
В первый из этих двух классов входит вся практическая автоматика, в которой моделирующее воспроизведение тех или других функций живого организма имеет непосредственной задачей временную или длительную замену организма или его части искусственным устройством. В области чистой производственной техники сюда относятся все автоматы, целиком замещающие человека в каком-либо звене рабочего процесса. Их история начинается еще с прошлого века, когда были придуманы автоматы, действующие по типу реакции, простой или с выбором: автоматы для продажи марок, билетов, шоколада, для размена металлических денег, автоматы, реагирующие на начало пожара сигналом или включением заливательного устройства, и др.
Бурные темпы изобретения новых видов датчиков и развития усилительной техники привели к широкому разрастанию списка автоматов по сортировке и браковке (с «органами чувств» самого разнообразного рода), выполнению сложного производственного процесса («поточные линии»), управлению работой станков, контролю на расстоянии и т. п. — автоматики, интенсивно внедряемой сейчас в многочисленные отрасли отечественной промышленности. Ценность всех автоматов описываемого класса как раз в преодолении ими тех «узких мест» человеческого организма, которые перечислялись выше: в доступной автоматам высокой чувствительности рецепторов, скорости, неутомляемости из застрахованности от ошибочных реакций.
В медицинской области список автоматов и полуавтоматов рассматриваемого класса растет и пополняется с каждым днем (именно здесь нашей медицинской промышленности надлежит приложить все усилия к дальнейшему быстрому развитию и усовершенствованию производства автоматов и полуавтоматов). Сюда относятся, во-первых, протезы всех видов: ушные протезы, возмещающие утраченный слух обходным путем, например через вибрационную кожно-костную чувствительность, энергично разрабатываемые «читающие машины» для частичного возмещения зрения слепым, наконец, активные, очувствленные датчиками и моторизованные протезы, возмещающие функции ампутированных конечностей. Нельзя не отметить обгоняющих США передовых достижений по ручным протезам рабочей группы Московского института протезирования, руководимой А. Е. Кобринским и В. С. Гурфинкелем. Во-вторых, сюда же входят все более сложные, совершенные и удивительные агрегаты для временной замены функциональных систем организма, выключаемых, например, для производства операций (заменители сердца и малого круга кровообращения для сложных операций в грудной полости и т. п.), или же временно выбывших из строя вследствие болезненного процесса (таковы приборы и камеры для обеспечения дыхания при острых стадиях полиомиелита и др.). Не приходится и подчеркивать, что современный уровень техники обещает здесь огромные возможности по еще почти не поднятой «целине».
Второй класс автоматов практического назначения — это те самые автоматы, которые часто образно именуют «электронным мозгом». Это автоматические вычислительные или счетно-решающие машины, проделавшие за какие-нибудь 15—20 лет поистине гигантский путь развития. Их создание — результат движения навстречу друг другу математических дисциплин — теория приближенных вычислений и теории алгоритмов4 — и электронной техники, развившейся главным образом на практических задачах техники связи. Включение в число алгоритмов, доступных таким машинам, также формул математической логики и «теории высказываний» сделало доступными для них и задачи логического порядка, превратив их по ряду отношений в так называемые автоматы — заменители мыслящего мозга. Решающую роль для расширения диапазона возможностей описываемых машин сыграло изобретение ряда устройств, выполняющих функции памяти, как долговременной, хранящей запечатленную информацию в течение неопределенно долгого времени, так и оперативной, подобной по своим функциям удержанию цифр и чисел «в уме» по ходу какого-нибудь вычисления. О двух поражающих количественных характеристиках электронно-вычислительных машин (их гигантском «объеме внимания», позволяющем им решать системы из неодолимого для человеческого ума количества уравнений, и их сказочной скорости работы, измеряемой миллионами элементарных операций в секунду) уже много раз сообщалось и в научной, и в общей печати.
«Электронный мозг» есть один из представителей обширной совокупности изобретенных человечеством орудий, усиливающих его непосредственные возможности. Подзорная труба, телескоп, телевизор усиливают во много раз непосредственные возможности органа зрения. Мотоцикл, автомобиль, локомотив — подобные же усилители для скорости передвижения и тяговой силы. Автоматическая вычислительная машина проделывает точно такой же по смыслу комплекс вычислений, сравнений или логических операций, какой ценою долговременных и напряженных усилий мозга человек мог бы выполнить и сам, но выполняет его и безмерно быстрее, и безошибочнее, и с полной неутомимостью. Кроме того, практически неограниченный объем «памяти» и «внимания» позволяет поручать ей и такие вычислительные задачи, которые по своей громоздкости вообще далеко превышают возможности мозга человека, как легко везомый тепловозом груз в несколько тысяч тонн превышает то, что человек смог бы за всю свою жизнь перевозить на тачке.
Области применения электронно-счетных машин, несомненно, еще далеко не исчерпаны. Собственно говоря, эти машины применимы для решения всех тех задач, которые могут быть запрограммированы в символах элементарной математики и математической логики и для которых может быть дан общий алгоритм. Глубокие исследования советских математиков на протяжении последних лет смогли показать существование в математике неалгоритмируемых, т. е. тем самым недоступных сегодняшним аналитическим машинам, задач и, следовательно, определить реальные границы возможностей для машин этого рода. Границы эти, во всяком случае, оказываются чрезвычайно широкими и нестеснительными для очень разносторонней практики.
Здесь необходимо сделать сразу же два очень существенных разъяснения.
1. За последние несколько лет как в нашей стране, так и за рубежом появился ряд работ, задающихся целью выяснить в принципиальном, методологическом плане, какое место по отношению к живому, мыслящему мозгу могут занимать существующие на сегодня аналитические машины и на какое место они могут претендовать в будущем. Этот отнюдь не простой вопрос еще резко осложнен, к сожалению, тем духом деляческого рекламизма, каким проникнуты многие из зарубежных публикаций. Если отнестись к ним с простодушной доверчивостью, то получится, что уже существуют машины, способные перещеголять любого гения.
В некоторых публикациях сообщается, что уже созданы машины, способные автоматически сочинять литературно-художественные произведения на любую заданную тему, притом с той молниеносной скоростью, какая характеризует электронно-счетные машины. В ряде сообщений говорится о существовании и даже якобы о публичной демонстрации машин-композиторов, сочиняющих музыку тоже на любую заданную тему. В любой день можно ждать информации о машинах, создающих шедевры живописи и скульптуры, перед которыми потускнеют творения Рафаэля и Кановы. Цель таких беззастенчивых реклам совершенно ясна: это пропаганда доводимой до крайних пределов идеологии полного вытеснения человека изо всех отраслей деятельности — сегодня на производстве, а завтра и в областях научного и художественного творчества.
Что можно вывести из того, что известно о структуре, технике и способах работы электронно-вычислительных машин и из философско-критических высказываний в этой области?
Самое яркое и принципиально глубокое отличие таких машин от живого организма заключается отнюдь не в том, что первые содержат в своих схемах сотни или тысячи электронных ламп и транзисторов, а второй — многие миллиарды функциональных элементов, нервных клеток и проводников. Главное различие (этого мнения как будто придерживаются все серьезные критики по данному вопросу) в том, что электронная машина сооружается человеком в определенных, осознанных им целях, человек же закладывает в нее ту или другую программу, отвечающую его намерениям, в пределах которой машина и будет работать, проявляя все свои великолепные качества быстроты и точности. В живой организм и в его мозг никто извне не вкладывал никакой программы. Проблема того, как, какими путями и механизмами эволюционно конструировался и программировался живой мозг, как под влиянием труда и общественных отношений самопрограммировался мозг питекантропа, становясь мозгом современного человека, — это, может быть, самая центральная и глубокая из биосоциальных проблем. Но основным и неоспоримым остается факт, что весь процесс совершался в порядке активной жизнедеятельности и самоорганизации.
Отсюда вытекает трудно оспоримый вывод, что автоматическая вычислительная машина принципиально не может оказаться качественно и творчески умнее своего создателя и программатора. Современные электронные машины обладают приспособлениями для осуществления самоорганизующихся процессов, т. е. могут находить в ряду возможных линий заложенной в них программы оптимальные или наивыгоднейшим образом сокращенные пути решения внесенной в них задачи. Но в том-то и дело, что сами эти линии возможного улучшения и перестройки программ в их деталях должны быть предусмотрены автором машины и сознательно заложены в нее.
2. Вопрос в том, чем же в таком случае, помимо своей быстроты, может быть полезной электронная машина в роли орудия чисто мыслительных, логических процессов, осложняется еще одним серьезным опасением, высказывавшимся в отечественной литературе и на какой-то срок настораживавшим некоторых из наших мыслителей против кибернетики вообще. Это опасение сводится к тому, что как сама математическая логика и теория высказываний, так и работающие по их формулам электронно-аналитические машины функционируют в рамках формальной логики и силлогистики.
Мы не будем здесь касаться неисключенной возможности того, что советская философская и изобретательская мысль сумеет вложить в будущие машины также и программы операций диалектической логики. Это дело будущего. Мы же остановимся на другом, что прямо вытекает из высказанного выше о реальных границах возможностей аналитических машин и об их отношении к творчеству. Пусть современным машинам и не по силам диалектика, как не по силам им полноценное творчество, но ведь мы и не собираемся возлагать на них ни того, ни другого. В каждом глубоком мыслительном процессе есть, и зачастую очень немалая, доля черновой работы суждений, сопоставлений и умозаключений, так же как во всяком вычислении из любой наивысшей области математики немало самых элементарных сложений, вычитаний и умножений чисел. Формальная логика не опровергается и не отменяется диалектикой, а только отводится ею на свое место. Она играет в любом мыслительном процессе роль, вполне аналогичную роли таблицы умножения в вычислительной работе. И как бы возвышенно ни был настроен для работы мозг мыслителя-диалектика, его продукция сможет пойти насмарку, если этот мозг напутает в элементарных силлогизмах: 2 х 2 = 4 и barbara-celarent.
Раз автоматическая вычислительная машина не творец и не мыслитель, а орудие, то наша задача состоит в том, чтобы определить, насколько она полезна для нас именно в роли вспомогательного орудия: 1) насколько она в состоянии решать колоссально громоздкие задачи многочисленных систем уравнений или производить заключения и сопоставления не менее множественных симптомов заболевания; 2) насколько она в состоянии, раскрепостив и разгрузив мыслящий мозг человека (биолога, физиолога, врача) от необходимых, но стандартных, доступных запрограммированию частностей, открыть для него этим путем все возможности творческого мышления с захватом решаемого вопроса вглубь и с широкой возможностью увидеть целостный «лес» проблемы благодаря устранению заслонявших его «деревьев».
1 Очерк был помещен в качестве предисловия в книге В. Д. Моисеева «Вопросы кибернетики в биологии и медицине», Медгиз, 1960.
2 И. М. Сеченов. Рефлексы головного мозга. СПБ, 1866, стр. 11—12.
3 Единственные данные, какие мы можем на сегодня получать изнутри «черного ящика» (мозга), — регистрируемые через черепные стенки электроэнцефалографические потенциалы, еще совершенно не поддаются смысловой расшифровке.
4 Алгоритмом в математике называют любое правило или совокупность правил, дающих рецепт хода или способа решения вычислительной задачи.