В статье рассмотрены принципы естественных технологий в образовательной деятельности. Обсуждается необходимость взаимодействия анализа и синтеза при ведущей роли последнего при проектировании технологий, к какой бы сфере деятельности они ни относились. Рассмотрен технологический подход к живым системам, предложенный академиком А.М. Уголевым. Показана определяющая роль самостоятельной работы обучающихся.

Каждое переживаемое человечеством время ставит перед ним новые судьбоносные вопросы. В течение XX в. пришло осознание того факта, что главная проблема, которую предстоит решить человеческой популяции, – научиться жить в соответствии с законами жизни и пониманием реального состояния жизни на планете Земля как целостной биологической системы, а также тенденций ее изменения, чтобы сохранить гомеостаз земной жизни, обеспечивающий ее успешное (т. е. расширенное) самовоспроизводство в течение геологически длительного времени.

Это проблема всей земной жизни в целом, но прежде всего – человека, человеческих сообществ, человеческой популяции. Успехи человека как биологического вида со времен (и в результате) неолитической революции необыкновенно велики. Человек проник всюду, а по численности популяция человека сейчас приблизительно равна суммарному числу особей ста тысяч биологических видов с такими же массой особи и уровнем ее обмена веществ[1]. Каждый биологический вид потому и существует, что он нашел в ходе эволюции свое место в сложнейшей сети взаимодействий всего живого. Он выполняет какие-то функции в биосфере. Можно, следовательно, представить себе на количественном уровне меру ответственности человеческой популяции за здоровье земной жизни: она равна ответственности ста тысяч видов животных, сопоставимых по массе с человеком. Осознание того, что человеку жизненно необходимо понять свое место в Живой Природе и привести свой образ мысли и действия в соответствие с этим пониманием, пришло в XX в. В частности, именно в XX в. был поставлен как научная проблема вопрос: «Что есть жизнь?». О положении дел с ответом на этот вопрос в начале XX в. можно судить по следующей цитате из романа «Волшебная гора» Томаса Манна (1875–1955): «Что такое жизнь? Никто не знает. Мы несомненно отдаем себе отчет, что это жизнь, всякий раз, когда встречаем живое, но мы не знаем, что это такое» (цит. по [2]).

В 1944 г. вышла классическая книга Э. Шредингера «Что есть жизнь?», вдохновившая целое поколение ученых на исследование природы феномена жизни. Шредингер адресовал этот вопрос прежде всего физике и химии, достигшим к тому времени огромных успехов в изучении неживой материи. Он стремился вернуть жизнь в физику и химию [Там же].

В 1995 г. американский микробиолог Линн Маргулис публикует (совместно с Дорионом Саганом) замечательную монографию под тем же названием: «Что есть жизнь?». За половину столетия, отделяющую эту книгу от книги Шредингера, в науке произошли выдающиеся события в направлении понимания феномена жизни. Успехи в биологии, биофизике, биохимии, бурное развитие генетики, достижения в изучении мозга как живого субстрата психической деятельности и поведения животных и человека, возникновение и интенсивное развитие науки о мозге и разуме – когнитивистики и многое, многое еще. Однако Л. Маргулис и Д. Саган вновь ставят вопрос «Что есть жизнь?». Они следуют, по их словам, за Э. Шредингером и тоже хотят вернуть жизнь в науку, но теперь уже – в биологию [2].

В биологии XX в. доминировал сложившийся в науке западного мира после Ренессанса аналитический образ мышления [3]. Напомним, что процедура анализа состоит в последовательном выполнении трех операций [3, 4]. Первая – разделение системы на более мелкие части, предположительно, более простые. Вторая – объяснение выделенных фрагментов. Третья – объединение объяснения частей в объяснение целого. В реальности практика научных исследований XX в. в области естественных наук (физики, химии, биологии) ограничивалась почти исключительно двумя первыми шагами анализа. Объектами исследований становились все более мелкие детали исходных объектов исследования. При этом фактически происходит потеря глобальной цели исследования, утрата смысла научной деятельности: ведь разделение объекта исследователями-предшественниками первоначально для того и производилось, чтобы в конце концов осуществить интеграцию частных знаний о различных деталях и аспектах исследуемого объекта и понять его как целое. Доминирующий в фундаментальных науках, в частности в биологии, строй мышления – это неполный, ущербный анализ: анализ без завершающего этапа – собирания частных фрагментарных знаний в объяснение исходного объекта исследования. Такой, незавершенно-аналитический, образ мысли и действия получил такое распространение, что воспринимается как своего рода норма. Работы, осознанно ориентированные на объединение фрагментов частного знания в целостное описание объектов исследования все еще редки, плохо воспринимаются или отторгаются научными сообществами. Такая тенденция в биологии есть несомненное удаление от жизни, поскольку любая биологическая система существует как некоторая целостность. Поэтому намерение Л. Маргулис и Д. Сагана «вернуть жизнь в биологию» представляется своевременным и весьма актуальным.

Во второй половине XX в. благодаря возросшему интересу к природе сложных открытых систем, включая биологические, стало ясно, что поведение и свойства таких систем не могут быть поняты только через анализ. Необходим другой образ мышления. Понимание смысла, назначения, целей сложной системы может быть достигнуто лишь на уровне объемлющей ее системы(надсистемы), т.е. методами аналитического мышления [3]. Это относится особенно к биологическим системам, поскольку это открытые системы, обменивающиеся с внешней средой (т.е. с объемлющими их системами) веществом, энергией и информацией.

Синтетическое мышление также является процессом из трех ступеней. На первом шаге система, подлежащая объяснению, идентифицируется как часть большей (объемлющей) системы. На втором шаге объясняется функция объемлющей системы. Наконец, дается объяснение рассматриваемой системе путем нахождения ее функций в объемлющей системе [3, 4].

Приведем комментарий Рассела Акоффа об анализе, синтезе и их взаимосвязи: «Заметьте, что анализ начинается с разделения на части и дает знание. Синтез начинается с соединения вещей вместе и дает понимание. Анализ – способ, которым ученые ведут исследования. Синтетическое мышление проявляется в проектировании. Современная образовательная система не сообщает учащимся о существовании этих разных методов мышления и о том, что каждый из них может или не может» [3].

Однако практика жизнедеятельности и хозяйствования человеческой популяции показывает, что синтез научных знаний все-таки постоянно происходит, причем синтез знаний, полученных в различных, часто весьма отдаленных отраслях науки. Это – синтез самых различных знаний в изделие, сооружение, технологию. Происходит как бы конденсация знания, его овеществление в творение ума и рук человеческих. Такой синтез знания можно назвать синтезом технолога в дополнение к двум синтезам научных картин мира, названных В. И. Вернадским в 1917 г. в его эмпирическом обобщении о существовании в науке двух научных картин мира: «С одной стороны – отвлеченное представление физика… где все сводится в конце концов на немногие нашими органами чувств и даже нашим сознанием не охватываемые в образной форме представления об эфире (сейчас принято говорить о «физическом вакууме». – Авт.), энергии, квантах, электронах, силовых линиях, вихрях или корпускулах. В сущности этот мир космоса… представляет схему, далекую от действительности… Эта абстракция является удобной формой научной работы, входит в научное мировоззрение, но не охватывает его всего, не проникает даже все области естествознания, она явно неполна, как неполны по сравнению с природными объектами все отвлеченные и идеальные создания человеческого разума, всегда упрощающие реальные объекты, подлежащие нашему изучению. Эта схема строения Мира слишком рационалистична, проникнута человеческим разумом…

Наряду с этой – физической – картиной Космоса всегда существует другое о нем представление – натуралистическое, не разложимое на геометрические формы, более сложное и более для нас близкое и реальное... то представление, какое всякий натуралист, изучающий описательные науки, имеет об окружающей его природе. В это представление всегда входит новый элемент, отсутствующий в построениях… теоретической физики и механики – элемент живого. Эти представления о природе не менее научны, чем создания космогоний или теоретической физики и химии, и ближе для многих, хотя они также неполны, как и геометрические схемы упрощений мысли физиков, но они менее проникнуты призрачными созданиями человеческого ума и дают нам другие стороны Космоса, оставленные последними вне своих абстрактных построений.

Наблюдая ход истории научной мысли, необходимо констатировать, что эти два мировоззрения проходят рядом, существуют как-то, не влияя друг на друга, разделяются разными людьми, работающими в значительной мере независимо друг от друга» (цит. по [5]).

Можно назвать, следуя В. И. Вернадскому, эти два направления синтеза научных знаний синтезом физика (или, точнее, синтезом физикалиста, поскольку речь идет здесь не о предметной, а о методологической стороне науки; методология физики нашего времени, со сложившимся в ней доминированием аналитического образа мысли, глубоко пронизывает естественные науки) и синтезом натуралиста.

Однако в жизнедеятельности человеческих сообществ происходит также синтез научного знания в процессе разработки и реализации всевозможных проектов. Здесь уместно привести комментарий Р. Акоффа из его недавней работы (совместной с Д. Гринбергом) «Преобразование образования»: «Системы, с которыми мы имеем дело, становятся все более сложными. Ученые ищут эффективных путей обращения с ними. К несчастью, большинство из них приступают к делу аналитически. Однако, если к сложности подходить синтетически, через проектирование, как при проектировании небоскреба или целого города, то кажется, нет предела сложности, с которой нельзя было бы эффективно справиться» [3].

Биологические системы чрезвычайно сложны. Не будет преувеличением сказать, что сложность их граничит с непостижимостью. Во всяком случае, большинством естествоиспытателей, даже биологов, она обычно сильно недооценивается [6]. Поэтому необходимость синтетического подхода к ним через проектирование, о чем говорит Р. Акофф, очевидна. Проектирование в этом случае надо понимать в расширительном смысле. Целью проекта и результатом его осуществления может быть решение чисто научной проблемы. Такими проектами являются, например, расшифровка в 1990-х гг. генома человека и некоторых других животных [7, 8], аннотированное англоязычное издание (издательство «Коперник», Нью-Йорк, 1997 г. ) работы В. И. Вернадского «Биосфера» [9] или составление карты работы генома в мозге человека в Алленовском институте мозга, основанном специально для решения этой проблемы Полом Алленом (одним из создателей компании «Майкрософт»).

Технологический подход включает проектирование технологий, т. е. предполагает синтез любых знаний, к какой бы науке или иной сфере деятельности они не относились, а также органичное и эффективное взаимодействие анализа и синтеза при ведущей роли последнего. Аналитическое мышление простирается в этом случае не глубже, чем это необходимо для достижения намеченной цели. В одних случаях для этого достаточно самых общих представлений в какой-либо отрасли естественных наук, в других требуются найденные в них эмпирические соотношения, а в иных случаях необходимые естественно-научные знания могут отсутствовать, и тогда для их получения приходится предпринимать специальные фундаментальные исследования, требующие более глубокого и обширного анализа, чем достигнутый в соответствующих отраслях естествознания.

Технологический подход объединяет все три названных вида синтеза знаний: синтез физикалиста, синтез натуралиста и синтез технолога и вместе с сопряженным анализом обеспечивает методологическую полноту научно-познавательной составляющей жизнедеятельности человеческой популяции. Технологический подход к живым системам предложен в середине 1980-х гг. санкт-петербургским физиологом академиком А. М. Уголевым. На основе детального рассмотрения организации биологических систем различных масштабов и сложности, а также процессов (главным образом, трофических), реализующих жизнедеятельность этих систем, А. М. Уголев сформулировал в 1985 г. несколько общих принципов естественных технологий живых систем. В концепции «естественных технологий биологических систем» А. М. Уголева [10, 11] живые системы от клеток и организмов до «живого покрова планеты» как целостной системы являются субъектами технологической деятельности. В этом их принципиальное отличие от биотехнологий, в которых субъектом деятельности остается человек (как и при взаимодействии с минеральным царством). На основе этой концепции А. М. Уголев исследовал во всей ее полноте такую важную функцию в жизнедеятельности биологических систем, как питание, установил общие принципы формирования трофических сетей биосферы, разработал основы новой научной дисциплины – трофологии [12, 13].

В этой работе формулировка принципов естественных технологий приводится по монографии А. М. Уголева «Естественные технологии биологических систем» (1987 г.). Важное достоинство этой книги: она написана в формирующемся сейчас жанре общенаучной литературы, который играет важную и нарастающую роль в прогрессе науки, особенно в развитии ее синтетических направлений. Ее содержание доступно широкому кругу читателей, в частности, всех участников образовательной деятельности, включая студентов. Технология в новом ее понимании, когда она включает естественные технологии биологических систем (т.е. когда субъектом технологии является не только человек, но и любая живая система), «это наука об организованных процессах в живой и неживой природе. Организованный процесс характеризуется определенной программой, структурой, осуществляющей данный процесс и управляющей системой, реализующей контроль и регулирование деятельности системы. Он идет с затратой энергии и в большинстве случаев обладает некоторым эффектом. Все эти признаки являются формально общими для всех типов организованных процессов, возникших как в результате разумной деятельности человека, так и в ходе биологической эволюции. Как в первом, так и во втором случае конечные эффекты служат полезными признаками. Ясно, что наше объяснение живых систем как естественных технологий является результатом первых из весьма несовершенных шагов в новом направлении. Поэтому требуются серьезные усилия, чтобы понять естественные технологии и открывающиеся в свете этого возможности. Для этого, прежде всего, необходимо выяснить принципы организации биологических процессов, причем следует помнить, что любой процесс состоит из некоторых последовательных операций» [2].

Прежде чем перейти к формулировке и обсуждению принципов технологий биологических систем, т. е. технологии жизни, уместно вспомнить, как мы узнаем, что речь идет именно о живой системе, что такое-то существо – живое? Чилийские нейробиологи Умберто Матурана и Франсиско Варела отвечают на этот вопрос так: «Говоря о живых существах, мы заранее предполагаем, что все они имеют нечто общее, иначе мы не могли бы отнести их к одному классу, который мы обозначаем словом «живое». Однако… какова та организация, которая определяет их как класс? Мы заявляем, что живые существа самовоспроизводятся. Именно на этот процесс самовоспроизводства мы указываем, когда мы называем организацию, отличающую живые существа, аутопоэзной (т.е. самосозидающейся) организацией.

Молекулярные компоненты аутопоэзного единства должны быть динамически связаны в сеть непрерывных взаимодействий. В настоящее время известны многие конкретные превращения в этой цепи, и биохимики дали им собирательное название «клеточного метаболизма». …Интересно отметить, что клеточный метаболизм порождает такие компоненты, которые участвуют в цепи превращений, которая их же и порождает.

Живые существа отличаются тем, что их организация порождает в качестве продукта только их самих без разделения на производителя и продукт. Бытие и сотворение аутопоэзного единства нерасторжимо, и в этом заключается присущий им и только им способ организации» [14].

Итак, живое существует только в динамике непрерывного самовоспроизводства. Технологии биологических систем есть технологии их самовоспроизводства (аутопоэза). Субъект технологии самовоспроизводства является в то же время ее объектом.

Анализ принципов, вытекающих из рассмотрения организации биологических систем и процессов, представлен А. М. Уголевым в 1985 г. Далее приводится их краткое изложение, приведенное в работе А. М. Уголева «Естественные технологии биологических систем» с комментариями авторов:

Принцип универсальности. Основные закономерности строения биологических систем всеобщие. Это означает, что какой-нибудь механизм, свойственный организмам одного вида или даже открытый у клеток одной группы будет широко распространен или универсален. Иными словами, он может быть обнаружен у организмов других видов или оказаться всеобщим» [11]. Информационные системы мозга, являющиеся живым субстратом познавательной деятельности человека, дают многообразные демонстрации принципа универсальности. Так, можно вспомнить, что такое элементарное событие нейродинамической активности, как нервный импульс, – это разновидность потенциала действия, явления, широко распространенного в мире живого. Потенциал действия – это распространяющееся быстрое колебание (спайк) мембранного потенциала животных и растительных клеток, электрический сигнал, обеспечивающий быструю передачу информации в организме. В нервных волокнах потенциал действия (нервный импульс) обеспечивает передачу от чувствительных нервных окончаний к телу клетки и далее по ее отросткам – аксонам (часто весьма длинным и отдающим ответвления – коллатерали и ветвящимся вблизи окончаний на многочисленные терминали) к синаптическим нервным окончаниям, участвующим в передаче сигналов к другим нейронам.

Возникновение потенциала действия обусловлено существованием у всего живого мембранного потенциала покоя. У всех живых клеток в состоянии физиологического покоя между их цитоплазмой и внеклеточной жидкостью существует разность потенциалов величиной в несколько десятков милливольт, причем внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней. У нервных и мышечных клеток потенциал покоя варьирует обычно в пределах 60–90 милливольт. Это своего рода общая интегральная характеристика всего живого на клеточном уровне подобно, например, нормальной температуре 36–37 °С на уровне организма теплокровного животного. Принцип универсальности структуры, функций информационных подсистем центральной нервной системы животных, а также их когнитивного поведения многообразно проявляется и на более высоких уровнях организации живого. Так, у всех позвоночных имеет место межполушарная функциональнаяа симметрия головного мозга. У млекопитающих биохимия, нейрофизиологические механизмы и внешнее выражение эмоций во многом одинаковы или сходны [15]. Универсальны механизмы и закономерности адаптационных реакций и индивидуального развития животных и человека [16]. Существование таких видов памяти, как кратковременная (15–30 мин, в течение которых память хранит все) и долговременная (хранящая немногое, но на длительное время, нередко на всю жизнь), наблюдалось у всех животных, способных к обучению, от виноградной улитки до человека.

Эта универсальность явлений, связанных с познавательной деятельностью (включая образовательную), подчеркивает важность знания и понимания естественных законов познания, общих для всех людей (и не только для них). Эти общие законы необходимо учитывать в первую очередь при проектировании и реализации образовательных технологий. И лишь тогда мы сможем учесть индивидуальные особенности проявления этих общих законов у отдельных обучающихся, обусловленные различием жизненных траекторий самих индивидов и поколений их предков.

«Принцип универсальности имеет существенное гносеологическое значение, т. к. заставляет частную закономерность рассматривать как потенциально всеобщую и искать границы ее применения… Лишь на основе принципа универсальности можно понять возможность создания межвидовых клеточных гибридов и химерных организмов, а также возможность переноса информации от вида к виду… Принцип универсальности базируется на принципе блочности.

Принцип блочности. Для структуры и функции на элементарном уровне характерна дискретность, которая выражается в блоковой организации структур, осуществляющих элементарные функции (принцип блочности), и в принципе функционирования (принцип «все или ничего»). Элементарные функции реализуются с помощью определенного набора функциональных блоков. Все многообразие простых и сложных процессов может быть описано как упорядоченная работа соответствующих комбинаций функциональных блоков. Принцип блочности существен для понимания высоких темпов эволюции… Наконец, этим принципом устанавливается соответствие между генетической и функциональной интерпретацией эволюционного прогресса. Принцип блочности является основой общности биосферы в целом и, в частности, трофических и других взаимодействий между ее частями. Безобщих функциональных и строительных блоков было бы невозможно существование круговорота веществ в природе. В практическом смысле этот принцип объясняет неожиданные и тяжелые последствия действия гербицидов, инсектицидов и других специализированных токсикантов. Принцип блочности справедлив не только для функциональных блоков, но также и на более низких уровнях (строительные блоки – аминокислоты, моносахариды, нуклеиновые кислоты), и на более высоких уровнях (органеллы, клетки, органы, организмы и т.д.)» [2].

Отметим здесь это весьма содержательное «и так далее». Оно означает, что принцип блочности сохраняет силу и в случае биологических систем надорганизменного уровня: популяции, биоценозы, «живой покров планеты»[5–7] как целостная биологическая система.

Принцип блочности является основой структурно-функциональной организации живого субстрата познавательной деятельности мозга человека – неокортекса (или новой коры больших полушарий головного мозга). Неокортекс – тонкая, приблизительно 2, 2 мм толщиной, структура, имеющая слоисто-столбчатое строение и расположенная по всей поверхности больших полушарий головного мозга, всех их извилин. Тела нейронов неокортекса располагаются в форме шести слоев. Общая площадь неокортекса у человека – 2200 см2. По всей площади неокортекса, во всех его зонах и полях, нейроны организованы в колончатую (столбчатую) структуру. В процессе развития мозга в раннем возрасте слои формируются последовательно, начиная с нижнего (шестого) слоя, а затем из стволовых клеток последовательно развиваются нейроны вышележащих слоев. В результате возникают так называемые микроколонки, расположенные ортогонально слоям и поверхности мозга. Неокортекс существует только у млекопитающих, и у всех животных этого класса микроколонка содержит приблизительно 110 нейронов. Микроколонки очень хорошо видны на микрофотографиях срезов неокортекса. У человека общее их число – 600 миллионов. Однако функциональными структурными элементами неокортекса являются колонки, объединяющие тысячи микроколонок и содержащие сотни тысяч нейронов каждая [17–19]). Колонка – образование уже макроскропическое, по оценке Вернера Маунткасла, площадь ее сечения составляет 800×800 мкм. Функционирующие колонки неокортекса хорошо исследованы экспериментально с помощью радио-автографических методов [19].

Локальная сеть колонки образует единое целое – модуль неокортексас небольшим числом входов и выходов. Колонка, в локальной нейронной сети которой распространяется возбуждение, оказывает тормозное воздействие на соседние колонки (латеральное торможение).

Колонка способна осуществлять элементарный шаг когнитивной деятельности – фиксировать некоторый признак объекта внешнего мира. Отметим, что термин «признак» уже принадлежит психологии, это уже характеристика осознаваемой психической деятельности. Таким образом, здесь, на уровне колонки, уже может идти речь о корреляции нейрофизиологических механизмов и событий психологии мышления, это уже уровень сознания. Совокупности признаков составляют содержание понятий.

Колонки имеют входы и выходы в виде отростков нервных клеток – аксонов, которые осуществляют соединение колонок, несущих отдельные элементарные признаки в группы колонок, фиксирующих понятия, системы понятий и целостные образы. Группы колонок-модулей посредством связывающих их аксонов образуют сложную иерархически организованную структуру [17, 20, 21].

Последовательности нервных импульсов, кодирующие зафиксированную в локальных сетях колонок-модулей первичную информацию об элементарных признаках (об углах наклона линии контура наблюдаемого объекта, ее ветвлениях, цвете, текстуре и т. д. ) вместе с информацией от глазной мускулатуры о положении глазного яблока, конфигурации хрусталика и т. д. в тот момент, когда поступил сигнал о данном элементарном признаке, передаются на локальные нейронные сети колонок-модулей более высокого уровня «иерархии», обобщающие элементарные признаки и формирующие понятия и образы. На некотором, достаточно высоком уровне организации системы колонок описанная нейродинамическая активность соответствует целостному образу реального объекта. Если этот объект, например, кошка, то такая группа колонок формирует образ этой, сейчас и в этих конкретных обстоятельствах воспринимаемой кошки. В колонках-модулях еще более высокого уровня формируется обобщенный образ – понятийный портрет кошки вообще. При этом на наиболее высоких уровнях организации неокортекса интегрируется информация, приходящая от различных рецепторов – зрительных, слуховых, тактильных и прочих. Колонки-модули, образующие группу, осуществляющие единый эпизод когнитивной деятельности нервной системы, разбросаныобычно по разным зонам обоих полушарий головного мозга. Отсюда формулировка В. Маунткасла организующего принципа функции мозга – «элементарный модуль и распределенная система» [17].

Заметим, что определение структуры групп колонок как «иерархической», хотя оно и получило широкое хождение, особенно в англоязычной литературе, не вполне соответствует реальной структурно-функциональной организации неокортекса. Организация групп колонок, согласованная работа локальных нейронных сетей которых обеспечивает выполнение ими общей функции, не является иерархией в строгом смысле этого слова. Наряду с прямыми (сигнальными) связями, формирующими группу, имеется большое количество обратных связей, многократно превышающих число прямых. Такая структура является сетевой, а не иерархической. Более точно называть описанную субординацию между локальными структурами – модулями неокортекса «многоуровневой организацией мозга» (Напалков А. В. , 1982).

То, что происходит в мозгу обучающегося участника образовательной деятельности (если, конечно, она реально происходит, а не является имитацией, как нередко пока еще бывает), – это формирование распределенных многоуровневых систем (групп) колонок неокортекса (элементарных модулей). Из приведенного весьма упрощенного описания структурно-функциональной организации неокортекса следует, что психические функции, такие как мышление, память, осуществляются не отдельными нейронами или «цепочками» нейронов, а огромными их популяциями, в которых локальные сетинейронов организованы, в свою очередь, в сложные распределенные сети. Даже в такие простые события мыслительной деятельности, как воспроизведение одного хранящегося в памяти образа, вовлекаются десятки и сотни миллионов нейронов [6, 22].

Нейродинамические процессы, связанные с фиксацией в памяти и воспроизведением образов, понятий и основанных на них знаний многоуровневыми распределенными системами элементарных модулей-колонок, происходят по человеческим меркам очень быстро. Синаптическая передача нервного импульса от нейрона к нейрону происходит за 5 миллисекунд, возбуждение нейронов одной локальной сети – колонки – за 15 миллисекунд [23]. Поиск слова, обозначающего предъявленный человеку образ, вовлекает до 10 уровней соответствующей распределенной системы колонок (то есть с 10-кратнымповторным вхождением потока импульсов в неокортекс) и занимает, следовательно, время до 150 миллисекунд.

Однако, если сравнивать приведенные скорости с характеристиками быстродействия компьютеров, то они представляются чудовищно большими. Откуда же наблюдаемая поразительная скорость решения человеческим мозгом проблем, недоступных компьютеру? Отчасти она связана с тем, что мозг оперирует не битами информации, а образами и понятиями, зафиксированными в памяти в форме многоуровневых распределенных информационных систем. Кроме того, распространение нервных импульсов происходит не «по цепочке нейронов», а в нейронной сети. Нервный импульс распространяется от одного нейрона к другому по аксону, который обычно ветвится («отдаёт коллатерали»). Ближе к его окончанию, перед синаптическими контактами с другими нейронами, аксон и его коллатерали ветвятся на большое число «терминалей», каждая из которых заканчивается синаптической бляшкой (т.е. межнейронным контактом). После каждого ветвления нервный импульс распространяется по всем ветвям без уменьшения его амплитуды. Энергия, необходимая для его распространения по аксонам, коллатералям и терминалям, распределена по всей мембране нейронов и их отростков. Здесь представляется уместной аналогия нервного импульса с огоньком, бегущим по бикфордову шнуру. Если шнур, например, раздваивается, то по обеим его ветвям побегут два одинаковых огонька, поскольку горючее, которое их поддерживает, распределено по шнуру равномерно.

Таким образом, передача нервного импульса может происходить не к одному, а к нескольким или к большому числу нейронов. Распространение потока нервных импульсов может приобретать цепной характер и вовлекать в информационные процессы большие популяции нейронов, вплоть до сопоставимых по численности со всем неокортексом. Отсюда поразительная скорость «образного мышления» правого полушария: оно схватывает новуюситуацию за 300–500 миллисекунд (время запаздывания восприятия левым полушарием по отношению к правому). Отсюда таинственные «симультанные» механизмы правого полушария, упоминавшиеся обычно в связи сосверхсознательной составляющей мышления. В действительности структурно-функциональная организация левого и правого полушарий одинакова, распределенные многоуровневые информационные системы левого полушария обычно имеют представительство в правом, и отчасти наоборот. Однако запаздывание восприятия левого полушария дает, по-видимому, правому возможность за время 300–500 миллисекунд сформировать достаточно большую распределенную многоуровневую систему колонок-модулей, чтобы она зафиксировала целостный образ реальной ситуации.

Следует отметить, что дифференциация популяций нейронов, образующих многоуровневые информационные системы, которые фиксируют признаки, понятия, образы и их организованные совокупности, происходит всегда в результате воздействия на рецепторы последовательностей сигналов от реальных объектов внешнего мира. Иными словами, формирование новых групп колонок, фиксирующих в мозге опыт взаимодействия человека с реалиями внешнего мира, происходит (во всяком случае, начинается) со встречи с этими реалиями. Поэтому предъявление каждому обучающемуся объектов изучаемой реальности есть физиологически необходимая составляющая образовательных технологий [24, 25]. Если изучаемая реальность обучающемуся в учебном процессе не предъявляется, то обучение отсутствует.

Принцип «все или ничего». «Закон “все или ничего” установлен для возбудимых макросистем, где имеет место незатухающее возбуждение… поэтому принципу работают многие информационные системы, что обеспечивает им ряд преимуществ. Распространение этого закона на деятельность функциональных блоков означает, что блок может находиться в состоянии покоя либо осуществлять работу, которая является единственно возможной в данных условиях. Ясно, что хотя отдельные функциональные блоки (например, ионные насосы) полностью подчиняются закону “все или ничего”, большая популяция таких блоков создает возможность для плавного регулирования процесса» [11].

Закон «все или ничего» – эмпирически установленное соотношение между силой действующего раздражителя и величиной ответной реакции возбудимой ткани: мышечной, железистой, нервной. Впервые этот закон сформулировал Г. Боудич в 1871 г. На уровне элементарной морфологической единицы информационных систем мозга – нейрона – закон «все или ничего» проявляется в том, что подпороговые раздражения не вызывают нервного импульса (ничего), а пороговые и надпороговые, которые, в частности, могут достигаться суммированием достаточного количества подпороговых влияний, вызывают сразу максимальный ответ (всё) в виде распространяющегося по аксону потенциала действия (нервного импульса) постоянной амплитуды. На более высоких уровнях структурно-функциональной организации неокортекса, таких как колонки, группы колонок, составляющих многоуровневые распределенные системы или более крупные организованные популяции нейронов (колонок), закон «все или ничего» имеет многообразные проявления. Так, колонка работает как единое целое, осуществляя фиксацию, хранение и извлечение последовательности сигналов, соответствующих определенному признаку. Впрочем, колонка может иметь несколько (но не много [17, 21]) входов и выходов, что указывает на ее возможное участие в нескольких распределенных системах. Группы осуществляют эти функции на уровне понятий, а системы групп – на уровне знаний. И каждая из этих систем или молчит, или работает целиком. Распределенные многоуровневые информационные системы обеспечивают удивительное свойство памяти, которое называют автоассоциативностью.

Автоассоциативность памяти состоит в способности мозга воспроизводить целое по его части. То, что, увидев какую-то часть некоторого объекта, мы легко достраиваем его целостный образ, является очевидным следствием многоуровневой организации информационных структур неокортекса, колонки-модули которых соединены не только сигнальными (прямыми), но и многочисленными обратными связями.

Если первичная зрительная информация вызвала нейродинамическую активность части колонок, образующих многоуровневую систему, в которой механизмами памяти зафиксирован некоторый образ, то восходящие и нисходящие по прямым и обратным связям потоки импульсов вызывают и поддерживают возбуждение во всей группе колонок, несущей этот образ. Вспомним, что распространение нервных импульсов по сети нейронов имеет цепной характер, поэтому большие популяции нейронов, участвующих в оперировании признаками, понятиями и знаниями, возбуждаются за достаточно малые промежутки времени, измеряемые десятками и сотнями миллисекунд. Свойству автоассоциативности мы обязаны сновидениями, которые могут быть вызваны случайной активностью в любом звене какой-либо системы колонок. Отметим, что если нам снится нечто, то оно приходит к нам целиком, а не какая-либо его часть, потому что распределенная система колонок неокортекса, если включается, то вся.

В условиях бодрствования мы живем и действуем в мире нашего опыта, зафиксированного в распределенных системах и обеспечивающего постоянный прогноз как «видимых» вещей, событий, ситуаций, так и их вариантов, ожидаемых в ближайшем или более отдаленном будущем.

Принцип эффективности является краеугольным для естественных технологий... Он характеризует механизмы естественного отбора, отражает некоторые общие закономерности (эволюцию структур и функций) и определяет взаимоотношения между структурой, функцией и полезными (или вредными) эффектами в ходе эволюции. В нем утверждается, что при естественном отборе происходит накопление полезных и элиминирование вредных биологических эффектов. Следствие этого – изменение структурных и функциональных признаков, реализующих такие эффекты. Состояние системы приближается к равновесию между полезностью признака (его полезным эффектом) и его «стоимостью», т.е. отрицательным по своему биологическому значению эффектом, а соотношение между ними может меняться под влиянием внешних и внутренних факторов. Принцип эффективности служит основой для анализа физиологического и биологического значений любых живых систем. Одновременно в нем утверждается наличие побочных признаков, которые являются обязательным компонентом полезного эффекта. На основе этого принципа разъясняется отсутствие идеальных биологических систем и невозможность достижения коэффициента полезного действия, равного 1. Противоречие, существующее между полезным (при определенной организации и в определенных условиях) эффектом и «отрицательным эффектом», или биологической стоимостью функции как совокупности метаболических затрат, позволяет объяснить многие особенности эволюции…

Таким образом, эволюция происходит под контролем полезных биологических эффектов функций, а также метаболической «стоимости» этой функции, которую можно рассматривать как негативный биологический эффект… Сохранение какой-либо функции и выполняющих ее структур на определенном уровне в течение длительного времени отражает равновесие этих двух тенденций.

Принцип сохранения. Законы сохранения вещества и энергии относятся к числу фундаментальных всеобщих законов. Их применение к объяснению основных процессов жизни на всех уровнях организации И. М. Сеченов считал наиболее важным итогом естествознания XIX века. Для живой природы характерно формирование процессов и механизмов активного поддержания постоянства основных свойств данной системы. Эта способность развивается и возрастает в ходе филогенеза и объединяется термином «гомеостаз», включающим в себя как состояние, так и процессы, обеспечивающие его. Гомеостатирование в широком смысле представляет собой поддержание постоянства основных биологических и физико-химических констант. Это понятие является основным в современных интерпретациях таких различных явлений и состояний, как здоровье и болезнь, сохранение окружающей среды и биосферы… Принцип гомеостаза – один из наиболее фундаментальных в жизнедеятельности систем и свойств этих систем. Он справедлив по отношению к любой конкретной живой системе (от клетки до биосферы), а также для эволюции в целом. За малыми исключениями филогенетический аспект принципа гомеостаза может быть сформулирован как принцип возрастания гомеостаза в ходе эволюции» [11].

Понятие гомеостаза, т. е. устойчивости организма к различного рода воздействиям, тесно связано с адаптационными реакциями организма живого существа, которые обеспечивают ему сохранение гомеостаза. Приведем определение и описание адаптационной реакции организма, которые И. А. Аршавский дает в своей фундаментальной работе «Механизмы и закономерности индивидуального развития», где изложены результаты исследований, выполненных под его руководством в лаборатории возрастной физиологии и патологии Института общей патологии и патофизиологии Академии медицинских наук СССР в 1930–1980 гг.

«Адаптация есть реакция» физиолого-морфологического (функционально-структурного) преобразования организма и его частей, в результате которой повышаются его структурно-энергетические потенциалы, т. е. свободная энергия и рабочие возможности. Реакция эта осуществляется на такие раздражения среды, которые… мы называем физиологическими, потому что вызываемые ими энергетические траты окупаются приобретенными, т. е. функциональной индукцией избыточного анаболизма, автоматически вызываемой каждой очередной активностью. В результате имеет место… переход развивающегося организма на новый более высокий уровень потенциальных рабочих возможностей. Такая адаптивная реакция характеризуется трехфазностью течения: 1-я фаза – анаболическая, 2-я фаза – катаболическая, обеспечивающая возможность осуществления очередной активности, 3-я – избыточно анаболическая. Переводя приведенное определение адаптации на язык термодинамики, можно сказать, что это есть реакция, в результате которой повышаются свободная энергия организма и… состояние его устойчивого неравновесия.

Адаптационные реакции обеспечивают организму сохранение гомеостаза в 1-ю и 2-ю фазы и увеличивают его резистентность к последующему воздействию таких же раздражителей» [26].

Проиллюстрируем сказанное графически (рис. 1), представив изменение во времени (t) структурной энергии организма (E). Здесь уместно привести пояснение И. А. Аршавского по поводу этой величины: «…существеннейшей качественной чертой живых систем является их состояние неравновесности, устойчиво поддерживаемое работой составляющих его структур – работой, направленной против перехода их в состояние равновесия. Химическая энергия пищевых веществ, поступающих в живые системы, не может непосредственно превратиться в работу. Указанная энергия, прежде всего, используется для создания свободной энергии структуры, образующей живую систему. В живых системах, в отличие от неживых, источником для производимой ими работы является не тепловая энергия, как это имеет место в тепловых машинах, и не химическая, как… в хемодинамических машинах, а структурная энергия. Последняя, в отличие от механической, тепловой, химической, электромагнитной, гравитационной и ядерной, является специфической формой энергии, присущей только живым системам» [26].

Рис. 1

На рис. 1 точка А (указана стрелкой) соответствует моменту, когда произошло воздействие на организм, требующее его реакции, точка В – моменту завершения, ответного действия, точка С – завершению избыточно анаболической стадии 3-й адаптационной реакции. Пунктирная линия E_min  показывает предельную величину изменений структурной энергии организма при совершении работы, связанной с его адаптационным ответом на раздражение. На рис. 1 этот предел не перейден (E_B >Emin ), затраты структурной энергии организма не превысили его физиологических возможностей. При выполнении этого условия организм на стадии 3 (избыточного анаболизма) возвращается к состоянию «покоя» (точке С), которой теперь соответствует структурная энергия Eс, большая, чем энергия в исходном «состоянии покоя».

В результате адаптационной реакции Аршавского происходит возрастание структурной энергии организма ΔЕ = E_C – E_A > 0,

и, следовательно, повышение его способности к совершению работы при последующих раздражениях подобного (и не только) рода. Стадию 3 нормальной физиологической адаптационной реакции И. А. Аршавский называет фазой «избыточного анаболизма». Эта фаза наступает только после осуществления организмом некоторой функции на стадиях 1 и 2 и только в тех структурах, которые участвовали в реализации этой функции [Там же]. Необходимой (обычно доминирующей) компонентой адаптивного ответа организма на этих стадиях является двигательная активность как на уровне организма(скелетная мускулатура [26]), так и на клеточном уровне; в цитоплазме клеток движения осуществляют элементы цитоскелета [27].

«…Каждая очередная двигательная активность, начиная с зиготы, стимулируется ли она эндогенно, в связи с необходимостью удовлетворения пищевой потребности, или экзогенно, в связи с действиями раздражителей, имеющих характер физиологического стресса, является фактором индукции анаболизма. Цель последнего – не просто восстановление исходного состояния, а обязательно избыточное восстановление. Последнее переводит систему. . . на новый уровень, при котором ее внутренняя энергия увеличивается…Для нервных клеток это выражается в следовой гиперполяризации и… увеличении содержания РНК. Для мышечных клеток это выражается в следовой гиперполяризации, следовой релаксации и в увеличении содержания белка. Как установлено… избыточность анаболизма осуществляется только лишь в связи с активностью. Экспериментальное блокирование последней вызывает, невзирая на продолжающийся прием пищи, остановку либо задержку роста и развития, либо даже полное прекращение его» [26].

Хотя И. А. Аршавский, говоря о росте и развитии, имеет здесь в виду растущий организм, включая антенатальную (до рождения) стадию его развития, все сказанное об обязательности активности организма, реализации им некоторой функции для индукции избыточного анаболизма в полной мере относится к любому живому существу вне зависимости от его возраста. У взрослых особей рост и развитие продолжаются в течение всей жизни, главным образом, в форме возрастания объема долговременной памяти. Те же факторы, что управляют развитием нервной системы растущего организма, а также процессы, в которых осуществляется это развитие, во взрослом состоянии концентрируются в структурах головного мозга, в которых в ходе жизнедеятельности формируются все новые и новые распределенные многоуровневые системы локальных модулей (колонок неокортекса) в ответ на последовательности сигналов о субъективно новых реалиях внешнего мира. В настоящее время установлено полное единство биохимических процессов развития нервной системы и формирования долговременной памяти. Таким образом, формирование новых структур, включая, разумеется, те, что связаны с освоением знаний индивидом в условиях образовательного пространства, индуцируется исключительно его собственной деятельностью.

Действительное обучение происходит только тогда, когда обучающийся совершает необходимую познавательную деятельность лично сам. Поэтому при проектировании и реализации образовательных технологий должно быть всегда предусмотрено обеспечение условий, когда возможно большая часть времени обучающегося занята активной внутренне высокомотивированной познавательной деятельностью.

«Принцип цикличности. На всех уровнях организации (от клеточного до планетарного) биологические системы (точнее, процессы в них) частично или полностью циклизированы… Возможно, наиболее сложным и совершенным выражением циркуляции молекул, надмолекулярных комплексов и клеток в организме как системе служит кровообращение. Цикличность характеризует также взаимоотношения в пределах экосистем и биосферы, где происходит циркуляция массы и энергии. По всей вероятности, принцип циклизации входит в число важнейших принципов, обеспечивающих высокую экономичность и эффективность живых систем благодаря многократному использованию одних и тех же структур. Циклизация также обеспечивает согласование всех компонентов, реализующих многоэтапный процесс. Наконец, в циклах возможно наиболее совершенное гомеостатирование процесса и управление им. Многие системы, рассматриваемые нами как линейные, по всей вероятности, со временем будут охарактеризованы как циклические» [26].

Так, циклический процесс представляет собой рассмотренная выше физиологическая адаптационная реакция Аршавского: организм, выведенный в результате воздействия на него некоторого раздражителя из стабильного состояния устойчивого неравновесия, возвращается в такое же состояние. Этот циклический процесс представляет собой единичный элементарный шаг самовоспроизводства живой системы. Из таких циклов состоит вся жизнедеятельность.

Если задаться целью изобразить графически нормальную физиологическую адаптационную реакцию как циклический процесс, в качестве оси ординат естественно принять, как и на рис. 1, величину структурной энергии организма (Е).

В качестве оси абсцисс следует, очевидно, выбрать некоторую величину, которую можно рассматривать как меру отклонения организма от состояния физиологического «покоя», которое, как мы помним, является стационарным состоянием устойчивого неравновесия, поддерживаемого непрерывно сложнейшими сетями механизмов самовоспроизводства жизни. Такой величиной является, например, частота сердечных сокращений (ν). Дополнительным аргументом в пользу такого выбора является то обстоятельство, что изменение деятельности сердечно-сосудистой системы в условиях катаболизмаи анаболизма происходит разнонаправленно. В фазе катаболизма частота сердечных сокращений возрастает. Анаболизму, напротив, соответствует уменьшение частоты сердечных сокращений («вагусная брадикардия»).

«…Вагусная брадикардия является обязательным коррелятом как первой, так и третьей анаболических фаз физиологической реакции целостного организма. Для сердца периодически возникающая вагусная брадикардия играет роль фактора, обеспечивающего рост и развитие мышечной массы. Это достигается благодаря увеличению длительности диастолической паузы, обеспечивающей избыточность восстановительных процессов после каждой сердечной систолы» [Там же].

Адаптационная реакция Аршавского, схематически представленная графически на рис.2 в координатах структурная энергия организма Е – частота сердечных сокращений ν, имеет вид разомкнутого цикла («гиперцикла» в терминологии И. А. Аршавского).

Цикл метаболических процессов, соответствующий адаптационной реакции Аршавского, является элементарным событием процесса самовоспроизводства живого. Этот цикл разомкнут, поскольку в результате реализации цикла структурная энергия организма возрастает. Это возрастание  ΔЕ = E_C – E_A > 0 и есть причина экспансии живого вообще и развития индивидуального организма в частности.

Рис. 2. Элементарный шаг нормальной жизнедеятельности – адаптационная реакция Аршавского – как циклический процесс. Обозначения те же, что и на рис. 1. Точка А соответствует моменту раздражителя, «запускающего» реакцию; точка В – момент завершения необходимых действий; точка С – завершение третьей(избыточно анаболической) фазы реакции и всей адаптационной реакции в целом, цифрами 1, 2, 3 обозначены: соответственно первая (анаболическая), вторая (катаболическая) и третья (избыточно анаболическая) фазы реакции.

Структурные изменения в результате адаптационной реакции включают структуры в центральной нервной системе и, в особенности, в неокортексе, непосредственно связанные с когнитивной составляющей активности: формирование новых распределенных многоуровневых информационных систем колонок-модулей и сопряженное с ним структурообразование. Структурные изменения в мозге, порождаемые когнитивной активностью обучающегося, и есть тот результат, которого стремится добиться преподаватель.

Чем же отвечает организм на воздействие любой природы, в том числе и воздействия в условиях учебного процесса? Всегда одним и тем же: он самовоспроизводится. Конкретная же природа стимула проявляется в том, что элементарный цикл самовоспроизводства протекает несколько по-разному в зависимости от реального характера воздействия. И приобретаемые при этом обучающимся структурные новообразования, фиксирующие в его долго-временной памяти освоенные им знания, есть побочный продукт процесса самовоспроизводства, возникающий в результате адаптации этого процесса к внешнему воздействию. Таким образом, знания человек может приобрести только в ходе самовоспроизводства, которое происходит лишь при обязательной его собственной активности.

Человек, как и любое живое существо, испытывает постоянно бесчисленное множество всевозможных воздействий. Большинство из них он оставляет без внимания. Однако среди этих воздействий могут оказаться такие, на которые либо невозможно не реагировать, либо человек сам по внутренним побуждениям или мотивам выбирает какое-то обстоятельство внешней среды в качестве объекта своей деятельности. Такие воздействия, в ответ на которые развивается реакция, в физиологии называют стимулами.

Воздействия, испытываемые обучающимися в учебно-познавательной деятельности, должны обладать качеством стимула. Сообщить это качество каким-то аспектам объекта изучения – задача преподавателя. При этом надо иметь в виду, что одно и то же воздействие вызовет ответную реакцию у одних и не затронет других, которые, однако, тоже будут изображать какую-то учебную активность. Поиски «стимулов» (в физиологическом смысле) – первейшая забота обучающего. Нет у студента адаптационного цикла стимул реакции, нет у него и реальной учебно-познавательной работы.

Рис. 2 хорошо демонстрирует парадоксальность поведения живых систем. Так, на стадии 1 организм уже совершает внешнюю работу, но его структурная энергия возрастает. Это происходит за счет усиления трофических процессов. То есть работа совершается за счет ускоренного усвоения питательных веществ, присутствующих в организме. Эта стадия запускается парасимпатической вегетативной нервной системой. Этот эффект впервые был открыт И. П. Павловым в 1880-х гг. при изучении иннервации сердечной мышцы. Таким образом, законы сохранения здесь не нарушаются.

Отметим также, что фаза 3 избыточного анаболизма наступает после завершения реакции (в случае учебного процесса после завершения познавательной деятельности), т.е. после окончания фазы катаболизма в течение времени, достаточно длительного для консолидации следа долговременной памяти; это время – не менее 10 с, но может составлять минуты, часы, сутки, недели. Таким образом, основной процесс, ради которого ведется учебный процесс – долго-временная фиксация знаний, происходит, главным образом, вне учебного заведения, отчасти даже во сне, причем преимущественно неосознаваемо, только очень редко принимая лексическую форму (как, например, при озарении).

«Принцип множественности. Выше подчеркивалось значение принципов мультифункциональности и мультипотентности. Принцип мультифункциональности гласит, что каждая сложная структура имеет более чем одну функцию. Для эволюции это служит исходным пунктом последующей разнонаправленной специализации. В пределах одного организма большинство органов мультифункционально, что создает широкие возможности для значительных структурных и функциональных перестроек. В основе последних лежит изменение соотношения соответствующих функциональных блоков, результатом которого может быть уменьшение одних и увеличение других биологических эффектов.

Мультифункциональность системы не следует смешивать с мультипотентностью, которая отражает не менее важное свойство – участие… функционального блока в выполнении различных функций. Для самих блоков много-функциональность не характерна. Напротив, их отличает приспособленность к реализации одной операции… В то же время, соединяясь с рядом других функциональных блоков, данный блок приобретает способность участвовать в разнообразных процессах, т.е. он мультипотентен или полипотентен. Эволюционно мультипотентность служила основой для конструирования самых сложных структур, включая структуры, ответственные за интеллект.

Принципы множественности имеют значение для понимания не только общих, но и частных закономерностей функционирования любой конкретной системы. Они образуют систему принципов, которые включают в себя, возможно, наиболее общий гипотетический принцип – принцип мультиэссенциальности.

Принцип мультиэссенциальности. Этот принцип служит более глубоким выражением явлений, которые открываются в таких свойствах живой природы, как мультифункциональность и мультипотентность… Принцип мультиэссенциальности развит в связи с необходимостью подчеркнуть, что отдельные системы (молекулы, клетки, органы, организмы и т. д. ) ведут, если так можно сказать, двойную, тройную или даже более сложную жизнь…

Изменение одной из функциональных характеристик… может быть позитивным селективным (т. е. существенным для естественного отбора, адаптации и эволюции. – Авт. ) признаком, но может оказаться негативным по отношению к другим характеристикам. Из принципа мультиэссенциальности вытекают важные следствия. В частности, для полной характеристики биологической системы необходимо несколько независимых и дополняющих друг друга описаний.

Описание организма еще сложнее, чем клетки, т. к. свойства организма определяются свойствами его элементов и их взаимоотношениями, а также тем, что организм является не только высшей структурой, но и как элемент входит в состав популяции, биогеоценоза и биосферы. Принцип мультиэссенциональности охватывает многие стороны биологических процессов, систем и даже жизни в целом во всем ее многообразии и подчеркивает важность этого многообразия.

Принцип управления. Многообразие и пластичность функции служат отражением различных сочетаний ограниченного, хотя и большого числа функциональных блоков, и прямо указывают на первостепенную роль систем управления в организации естественных технологий. В основе принципов управления лежат законы управления, основные законы кибернетики. Управление достигается с помощью программ процесса (прежде всего генетических), определяющих алгоритм процесса, т.е. последовательность операций в пространстве и времени. Другим существенным свойством управления являются процессы регуляции и саморегуляции, обеспечиващие инициацию, завершение или поддержание определенной скорости биологического процесса. Общность функциональных блоков в регуляторных и исполнительныхсистемах различных структур одного и того же организма создает потенциальную возможность образования различных регуляторных путей и перестройку уже существующих в более или менее широких пределах. Это обстоятельство важно для понимания приспособительных и компенсаторных механизмов. Общность между организмами обеспечивает возможность регуляции на уровне популяции, экосистемы и биосферы.

Принцип сигнальности, возрастание сигнальности в ходе эволюции, принцип обратной связи и другие принципы управления имеют большое значение для технологических подходов к функционированию биологических систем.

Принцип компромисса. Адаптивность является важнейшим свойством биологических систем, но возможность адаптации ограничена многими факторами. Один из наиболее существенных – необходимость сочетания множества свойств, или мультиэссенциальность. С ограничением адаптивных процессов тесно связан и принцип компромисса… Принцип компромисса, заключающийся в невозможности одновременного поддержания всех функций и подсистем целостного организма на оптимальном уровне, позволяет лучше понять регуляцию отдельных органов и систем этого организма. Принцип оптимального компромисса чрезвычайно широк и дает возможность интерпретировать многие особенности деятельности живых систем. Он полезен также для понимания свойств популяции и экосистем, где каждый член осуществляет меньший объем работы и имеет меньшее значение, чем это могло бы иметь место при увеличении биологического пространства. Принцип компромисса объясняет неустойчивость, неспособность к длительному существованию искусственных систем, где этот принцип не соблюдается.

Следует подчеркнуть, что компромиссная реакция не является очень хорошим приспособлением к строго определенному фактору. Однако в условиях неопределенности внешних воздействий такая реакция означает некоторую приспособляемость к различным факторам, с которыми может встретиться данная система.

Принцип компромисса отчетливо проявляется при взаимодействии нескольких систем. В большинстве случаев между ними возникает компромиссное взаимодействие, ограничивающее чрезмерное развитие каждой из них и создающее гомеостатированный механизм.

К сожалению, механизмы биологических компромиссов не изучены» [11]. Последнее замечание, высказанное в 1987 г. , в значительной мере относится и к нашему времени. Системные исследования достаточно полного многообразия обратных связей, процессов Ле-Шателье и других механизмов, обеспечивающих биологические компромиссы, которые позволяют поддерживать в течение геологически длительного времени воспроизводство жизни на Земле как биологической системы планетарных масштабов, все еще весьма редки, единичны и не образуют единого глобального биологического научного направления. Подавляющая часть таких исследований посвящена изучению случаев очевидного нарушения биологических компромиссов, приводящего к депопуляции или полному исчезновению многих биологических видов. Так, значительная часть работ этого плана посвящена проблеме invasion (вторжения) различных биологических видов в несвойственные им сложившиеся биоценозы в результате неосторожности или плохо продуманных намеренных действий человека.

Приведенные принципы характеризуют жизнь с позиций естественных технологий. Когда основные принципы естественных технологий были представлены А. М. Уголевым в детальной сводке, появились замечания по поводу полноты их списка. С одной стороны, высказывались мнения, что этот список неполон. С другой стороны, высказывалось мнение, что принципов, на которых основывается жизнь, предлагается слишком много и можно предполагать, что существует небольшое количество принципов, более глубинно отражающих феномен жизни.

А. М. Уголев отмечает, что «большое количество принципов отражает не столько недостаточность наших знаний, сколько сущность жизни. Вероятно, уникальность жизни как наиболее организованного процесса определяется тем, что жизнь есть область, где взаимодействуют (как бы пересекаются в сверхпространстве) упомянутые и многие другие принципы. Жизнь, как гласит принцип множественности, – «многосущностный» процесс. Из этого, возможно, наиболее глубокого принципа вытекают многие фундаментальные закономерности, из которых каждая – необходимый атрибут жизни» [11].

Итак, законы жизни несмотря на все многообразие ее проявлений, универсальны. И человек, как ни окружен он искусственной средой техносферыи как ни вовлечен он в искусственные взаимоотношения, сложившиеся в ходе формирования этой среды, подчиняется тем же принципам технологий жизни, что и другие биологические системы. И эти принципы очень полезно и интересно знать каждому, поскольку каждый постоянно и самым непосредственным образом имеет дело со сложнейшей биологической системой – с собственным организмом, с самим собой. Каждый из нас, если не технолог, то уж во всяком случае, практик собственной жизни. И как всякий практик он постоянно осуществляет освоение и синтез знаний, опыта и понимания, достигнутых наукой, культурой и самим индивидом, обеспечивающий ему выбор решений, форм поведения и действия, наиболее адекватных в индивидуальном, социальном и природном (биосферном) планах. Подчеркнем здесь, что речь идет именно об освоении знаний, т. е. их слиянии со сформировавшейся на данный момент личностью индивида, растворением в нем, формированием целостного знания о жизни, о природе познания, о самом себе. Работа выполнена по госбюджетной теме 8. 5591 Рособразования «Построение открытой системы образования в техническом университете на основе технологии учебно-познавательной деятельности».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Капица, С. П. Парадоксы роста / С. П. Капица. – М. : Альпина нон фикшн, 2010. – 192 с.

2. Margulis, L. What is life / L. Margulis, D. Sagan // Berkely and Los Angeles. – University of California press, 1995. – 289 p.

3. Акофф, Р. Преобразование образования / Р. Акофф, Д. Гринберг. – Томск : Изд-во Том. гос. ун-та, 2009. − 196 с.

4. Тарасенко, Ф. П. Прикладной системный анализ (Наука и искусство решения проблем) /Ф. П. Тарасенко. – Томск : Изд-во Том. ун-та, 2004. – 186 с.

5. Тюрюканов, А. Н. Н. В. Тимофеев-Ресовский: Биосферные раздумья / А. Н. Тюрюканов, В. М. Федоров. – М. : Космонавтика – Человечеству, 1996. – 368 с.

6. Естественные ресурсы и технологии в образовательной деятельности / Л. Е. Попов, С. Н. Постников, С. Н. Колупаева, М. И. Слободской. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 2011. – 256 с.

7. Капра, Ф. Паутина жизни / Ф. Капра. – М. : ООО Издательский дом «София», 2002. – 368 с.

8. Капра, Ф. Скрытые связи / Ф. Капра. – М. : ООО Издательский дом «София», 2004. – 336 с.

9. Vernadsky, V. I. The Biosphere / V. I. Vernadsky. – Complete Annotated Edition. – New York :Newramont Publishing Company New York; Springer Verlag, New York, inc. , 1998. − 192 p.

10. Уголев, А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций. Элементы современного функционализма / А. М. Уголев. – Л. : Наука, 1985. – 544 с.

11. Уголев, А. М. Естественные технологии биологических систем / А. М. Уголев. – Л. : Нау-ка, 1987. – 318 с.

12. Уголев, А. М. Трофология – новая междисциплинарная наука / А. М. Уголев // ВестникАН СССР. – 1980. – № 1. – С. 50–61.

13. Уголев, А. М. Теория адекватного питания и трофология / А. М. Уголев. – СПб. : Наука, СПб. отделение, 1991. – 272 с.

14. Матурана, У. Древо познания / У. Матурана, Ф. Варела. – М. : Прогресс – Традиция, 2001. – 224 с.

15. Громова, Е. А. Эмоциональная память и ее механизмы / Е. А. Громова. – М. : Наука, 1980. – 181 с.

16. Аршавский, И. А. Физиологические механизмы и закономерности индивидуального развития / И. А. Аршавский. – М. : Наука, 1982. – 270 с.

17. Маунткасл, В. Организующий принцип функции мозга – элементарный модуль и распределенная система / В. Маунткасл, Дж. Эделман // Разумный мозг. – М. : Мир, 1981. –С. 15–66.

18. Хьюбел, Д. Глаз, мозг, зрение / Д. Хьюбел. – М. : Мир, 1990. – 240 с.

19. Хьюбел, Д. Центральные механизмы зрения / Д. Хьюбел, Т. Визель // Мозг. – М. : Мир, 1984. – С. 166–197.

20. Koch, C. Quest for Consciosness / C. Koch // A neurobiological approach. – Denver, Colo. :Roberts and Co, 2004. – 448 p.

21. Хокинс, Дж. Об интеллекте / Дж. Хокинс, С. Блейксли. – М. ; СПб. ; Киев : И. Д. «Вильямс», 2007. – 239 с.

22. Anokhin, K. V. Stalle memory traces in the ever changing brain: Reality or delusion? /K. V. Anokhin. // International Journal of Psychophysiology. – 2008. – V. 69. – P. 156–157.

23. Демидов, В. Е. Как мы видим то, что видим / В. Е. Демидов. – М. : Знание, 1979. – 208 с.

24. Вершинин, Б. И. Мозг и обучение. Методика реализации функциональных возможностей мозга / Б. И. Вершинин. – Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 1966. – 76 с.

25. Состояние души. Беседы о педагогике как науке о путях реализации функциональных возможностей мозга / Б. И. Вершинин, Л. Е. Попов, С. Н. Постников, М. И. Слободской. –Томск : Изд-во Том. гос. архит. -строит. ун-та, 2006. – 443 с.

26. Аршавский, И. А. Физиологические механизмы и закономерности индивидуального развития / И. А. Аршавский. – М.: Наука, 1982. – 270 с.

27. Пенроуз, Р. Тени разума. В поисках науки о сознании / Р. Пенроуз. – М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. – 688 с.

Авторы:

ПОПОВ ЛЕОНИД ЕВГЕНЬЕВИЧ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

l.popov@vemn.de

ПОСТНИКОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, доцент,

psntomsk@gmail.com

КОЛУПАЕВА СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА, докт. физ.-мат. наук, профессор,

ksn@tsuab.ru

СЛОБОДСКОЙ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

sloboda@tsuab.ru

Cтатья опубликована в журнале Вестник ТГАСУ