Имеет смысл рассмотреть эти различные системный уровни, на которых возникают эмерджентные свойства, характеризующие жизнь во всех её аспектах.
Если следовать логике Эрвина Шрёдингера, то самый базовый уровень для рассмотрения жизни это уровень квантовых систем. Впрочем, здесь жизнь не отличается от нежизни, поэтому изучение этого уровня требуется только в той мере, в какой модели квантовой механики и квантовой теории поля способствуют пониманию сущности жизни на более высоких уровнях эмерджентности. Этими вопросами как раз и занимается такая дисциплина, как квантовая биохимия.
На уровне выше находятся молекулы и биомолекулы в общем-то, это два разных класса веществ, которые используются для функционирования в живых организмах. Действительно, даже в человеческом организме есть большое количество неорганических соединений, представляющих собой достаточно простые молекулы, и все они используются в тех или иных метаболических процессах. Но биомолекулы это сложные и часто очень сложные молекулярные комплексы, состоящие из тысяч атомов. Некоторые биомолекулы настолько огромны, что состоят из десятков миллиардов атомов всем известная молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). И здесь обычно выделяют разнообразные классы биомолекул, при этом каждым классом занимается отдельная отрасль биохимии аминокислоты, белки и выделенные из них в отдельный класс ферменты, углеводы, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, липиды, витамины, гормоны и нейромедиаторы. Могут выделяться и другие классы биомолекул.
Именно на этом уровне появляются первые репликаторы, которые являются основой биологической жизни. Репликатор это молекула, которая может самовоспроизводиться (чаще всего с ошибками, с некоторого рода неточностями). Рибонуклеиновая кислота (РНК) минимальная из известных молекул, которая может самовоспроизводиться. И при помощи РНК может быть записан генетический код, чем воспользовались некоторые вирусы. Но генетическая информация всех форм жизни на Земле записана на другой молекуле ДНК. Репликация это один из базовых процессов, которым характеризуется сама жизнь. Наличие репликации, хотя бы потенциальной, является необходимым условием возникновения и поддержания жизни, как минимум биологической.
Необходимо отметить, что на этом уровне в действие вступает техническая дисциплина теория информации, которая предоставляет математический аппарат для моделирования и объяснения процессов репликации. Фактически, именно теория информации позволила понять методы генетического кодирования, всех процессов преобразования информации от нуклеотидов, их триплетов к белкам и выше по уровням организации живой материи и это всё несмотря на то, что субстратом для хранения и переноса информации являются биомолекулы, столь нетипичный предмет исследования для технических наук.
Если подняться ещё на один уровень выше по лестнице организации жизни, то здесь уже начнётся та самая жизнь, которая известна на Земле клетка и её функционирование в среде, обмен веществом и энергией со средой. Клетка представляет собой сложнейшую биомолекулярную фабрику, состоящую из огромного числа органелл и молекулярных комплексов, каждый из которых выполняет разнообразные функции. И клетка это обособленная от среды, в которой она существует, система. Это защищённая система, которая жизнеспособна и может постоять за себя, защищаясь от вредных воздействий среды и других клеток. Более того, клетки могут размножаться это та же репликация, но вынесенная на более высокий системный уровень.
Изучением клеток, построением моделей функционирования различных типов клеток различных типов живых организмов, имеющий клеточное строение, занимается цитология, раздел биологии, возможно, важнейший из всех. Цитология рассматривает клетку как сложную биомолекулярную систему, обладающую огромным количеством эмерджентных свойств, которые не могут быть сведены к сумме свойств биомолекул, из которых клетка состоит. Клетка это открытая система, которая обменивается со средой, в которой она функционирует, материей, энергией и, как следствие, информацией.
Информационный обмен клеток со средой крайне интересен в такой технической науке, как теория многоагентных систем. Действительно, с точки зрения этой дисциплины многоклеточные организмы представляют собой многоагентные системы, состоящие из огромного числа агентов, зачастую автономных. И именно во взаимодействии этих агентов (в рассматриваемом случае клеток) проявляются все системные свойства тканей, органов и организмов.
Для организации информационного обмена используются различные сигнальные молекулы, которые испускаются клеткой, а также рецепторы и каналы, располагающиеся на мембране клетки. И рецепторы, и каналы имеют сродство только к определённым молекулам или ионам, а потому сигнализация между клетками часто носит целенаправленный характер: один тип клеток сигнализирует другим типам клеток о каком-то событии. Общая схема такого взаимодействия выглядит следующим образом. Клетка-источник выпускает в среду сигнальные молекулы, которые присоединяются к рецепторам или проходят внутрь клеток-реципиентов, внутри которых начинается каскад биохимических реакций, результатом которых становится та или иная реакция клетки-реципиента на изменение состояния клетки-источника изменение собственного состояния, в том числе отправка нового сигнала при помощи своих сигнальных молекул, старт деления клетки или даже запрограммированная смерть клетки (апоптоз).
Этим функциональным свойством клеток, кстати, пользуются вирусы пограничная форма материи между жизнью (ещё не существо) и нежизнью (но уже и не вещество). Вирусы обладают так называемой тропностью к некоторым клеткам тех организмов, в которых происходит репликация вирусных частиц. Тропность позволяет вирусам присоединяться к рецепторным молекулам определённых клеток и при помощи них внедрять в клетку свой генетический материал для репликации.
Ещё одним важным свойством клетки является способность к размножению деление клетки, отпочковывание от неё новой дочерней клетки с той же генетической информацией. И клетка также может стареть и, в конечном итоге, умирать, то есть разрушаться с потерей всех эмерджентных свойств, проявлявшихся на системном уровне. Но существуют и такие клетки, которые могут существовать неопределённо долгий период без потери своих системообразующих свойств. Это наводит на определённые идеи по поводу возможного бессмертия, проявляющегося на более высоких уровнях организации материи раз может клетка, то почему не может организм?
Наконец, на этом уровне организации материи проявляется ещё одно важное свойство органической жизни это метаболизм, то есть переработка и обмен веществ. Именно клетка начинает выступать в качестве этакой «кибернетической машинки», которая получает на вход ресурсы, перерабатывает их и отправляет на выход результаты переработки. Органическая жизнь характеризуется именно наличием метаболизма. и тот или иной вид «метаболизма» проявляется на всех высших уровнях организации жизни, начиная с клеточного.
Следующие два уровня можно рассмотреть одновременно, так как для целей этой книги в них особого различия нет. Эти уровни уровень тканей и уровень органов. На этих уровнях проявляется эмерджентная функциональность, которую невозможно свести к функциональности клеток. Эти уровни изучают самые разные научные дисциплины, которые входят в комплекс физиологии. В целом, эти уровни можно назвать «обеспечивающими» или «поддерживающими», так как на них не проявляются системообразующие свойства жизни, но без них высокоорганизованная многоклеточная биологическая жизнь, похоже, не может существовать.
Вместе с тем в рамках физиологии можно рассмотреть два важных направления эндокринологию и нейрофизиологию. Обе эти дисциплины изучают сигнализацию в организме, то есть передачу сигналов при помощи различных инструментов.
Эндокринология изучает эндокринную систему, которую можно рассматривать в качестве первой системы передачи информации в биологических организмах. Среди многоклеточных организмов зачатки эндокринных процессов наблюдаются уже в растениях. Собственно, в растениях сигнализация осуществляется только при помощи распространения специальных сигнальных молекул, что вполне сравнимо с деятельностью эндокринной системы в организме животных. Если искать функциональную аналогию этой системе в технике, то эндокринная сигнализация это асинхронное межсистемное взаимодействие в интегрированных автоматизированных системах.
Нейрофизиология, в свою очередь, изучает деятельность нервной системы. Эта система сигнализации уже полностью изобретение животных, поскольку для активно взаимодействующих с окружающей средой агентов потребовалась быстрая передача командной информации от центра управления к исполнительным устройствам, равно как и получение сигналов от сенсоров для быстрого принятия решений. Поэтому нервные пути стали прекрасным решением для организации связи между сенсорными системами, центральной системой управления и исполнительными устройствами в организмах животных. Так что в технике нервной системе соответствует синхронное межсистемное взаимодействие в интегрированных автоматизированных системах.
Кроме этого, нейрофизиология соприкасается с психологией, которая хоть и немного странная, но всё же наука. Несмотря на то, что в психологии все объекты исследования уникальны, всё же можно найти общие закономерности развития и функционирования человеческой психики. А психика сама по себе представляет собой супервентное свойство над динамикой функционирования нервной системы, которой занимается нейрофизиология. Поэтому и нейрофизиология, и психология с двух сторон движутся к одной цели познанию природы человеческого разума. И если нейрофизиология делает это как бы «снизу вверх», разбираясь в глубинных причинах появления эмерджентных свойств в виде ментальных состояний центральной нервной системы, то психология пытается «дизассемблировать», выражаясь техническим языком, внешние поведенческие проявления и самоотчёты людей, стремясь через них спуститься к пониманию природы психики.
Фактически, психология является научной дисциплиной в дополнение к биологии. Если последняя рассматривает закономерности, свойственные жизни в целом, то первая изучает отдельных индивидуумов. Обе науки как бы дополняют друг друга для целостного описания жизни. И психология должна в своих исследованиях опираться на модели и методы всех других наук, использующихся для исследования жизни.
Психология интересна ещё и тем, что является связующим звеном между нейронауками и философией сознания. Последняя рассматривает в фокусе своего интереса феноменологическое сознание, квалитативные состояния восприятия те неуловимые с научной точки зрения феномены, которые каждый человек (и, скорее всего, другие животные, как минимум, позвоночные) испытывает в каждый момент времени, если только не находится в глубоком сне или коме. Психология как научная дисциплина может принести в философию сознания научный метод.
И таким же образом психология может стать дополнительной наукой к биологии в целом. Действительно, весь комплекс биологических наук рассматривает живые организмы и их подсистемы вплоть до биохимического уровня лишь как материю. А психология вносит в эту механистическую точку зрения модели для психики. И абсолютно неважно, как в итоге будет разрешена психофизическая проблема философии сознания психология продолжит изучать психику как отдельный объект изучения, каким-то образом связанный с биологическим телом. И именно наличие психики у высших животных позволяет назвать таких животных «живыми».
В рамках биологических наук также интересна генетика как наука о передачи наследственной информации между поколениями. Эта наука проявляется как на самом нижнем, субклеточном уровне, когда рассматриваются молекулы, переносящие генетическую информацию, и весь биомолекулярный комплекс, необходимый для воспроизводства этих молекул и построения на их основе клеток и организмов, так и на самом высоком уровне организации живой материи, на котором репликаторами являются не молекула, а целые организмы.
Если подниматься ещё выше в уровнях организации живой материи и выйти за пределы одного организма, то здесь можно найти «супер-организмы», состоящие из большого числа отдельных особей и умеющие решать задачи, которые отдельным особям недоступны человеческие организации, стаи у животных, рои у насекомых. Взаимодействие между отдельными особями и их группами является той причиной, по которой в таких супер-организмах могут проявляться эмерджентные свойства, в том числе и так называемый «роевой» или организационный интеллект, который по своей силе превосходит уровень интеллекта каждого отдельного организма, входящего в рой. На этом уровне работают такие науки, как социология у человека и этология у животных, если говорить общо. Поэтому эти науки также можно отнести к наукам о жизни.
Перечисленные уровни организации живой материи и соответствующие им комплексы наук можно кратко обрисовать при помощи схемы, показанной на следующем рисунке.
Уровни организации жизни и соответствующие им научные дисциплины
Интерес вызывает то, что все перечисленные аспекты и нюансы организации жизни на всех уровнях имеют своё соответствие в такой научной дисциплине, как искусственный интеллект. Действительно, искусственный интеллект, как направление научных исследований, зародился в середине XX века для решения важной задачи определения природы интеллекта, разума и даже сознания самого человека. Построение искусственного разумного создания не являлось (и не является) самоцелью этой науки, так как представляет собой всего лишь средство получения данных на основе разрабатываемых математических моделей, реализуемых in silico для проведения многочисленных экспериментов, связанных с когнитивными процессами человека и высших животных. Но вместе с развитием искусственного интеллекта внутри него появлялись направления, которые рассматривают различные стороны и проявления жизни на всех рассмотренных уровнях.
Действительно, клеточный уровень организации жизни может быть смоделирован в рамках теории многоагентных систем, как это уже упоминалось. Все генетические принципы развития жизни и передачи информации из поколения в поколение моделируются в рамках эволюционного подхода к искусственному интеллекту. Вычислительные процессы в естественных нейронных сетях моделируются машинным обучением и искусственными нейронными сетями, которые получили самый мощный заряд развития при получении важных результатов в области глубокого обучения. Логические процессы мышления, супервентные над вычислительными процессами нейронных сетей, нашли своё отражение в символьном подходе искусственного интеллекта. Целостный организм изучается в робототехнике и теории воплощённого искусственного интеллекта, в которой широко применяются гибридные когнитивные архитектуры для решения широкого ряда задач мыслительного характера. И, наконец, на уровне супер-организмов вновь проявляется теория многоагентных систем.