За счет способных к адаптации компонентов, которые могут обслуживать различные процессы, многослойные системы сводят к минимуму затраты на ресурсы. Так, за выполнение различных функций, связанных с передачей сигналов и петлями обратной связи (что обеспечивает управление системой на разных слоях), отвечают многие белки биохимического уровня мозга[26]. Энергия в системе экономится, поскольку отпадает необходимость развивать несколько компонентов, специфических для каждого слоя.
Оптимизация затрат происходит также благодаря контролю повреждений за счет параллельных процессов. Например, в многоклеточных организмах существует клеточный уровень, где клетки функционируют независимо друг от друга и вступают в обменные процессы по отдельности, а есть уровень тканей, состоящих из дружно функционирующих клеток, которые выполняют задачу ткани согласно протоколу ткани. На клеточном уровне каждая клетка следует собственному протоколу, и он может совпадать с протоколами других клеток в пределах данной ткани, но функционируют клетки сами по себе. Если одна из них повредится, ремонтировать ткань не придется – достаточно будет привлечь ресурсы для восстановления одной клетки. Кроме того, если клетка погибнет безвозвратно, ткань все равно будет делать свое дело, поскольку потеря одной независимо работающей клетки обычно остается незамеченной. Но если выйдет из строя ключевой элемент, передающий информацию от одного уровня к другому, эта система, как и любая иная многоуровневая, может оказаться в опасности. Что касается биологической ткани, то – если дефект возникает в белках, связывающих клетки, – может прекратиться передача информации от слоя индивидуальных клеток к слою ткани, и в итоге перестанет работать вся система. Многоуровневая конструкция биологических систем неидеальна, однако у нее есть свои плюсы, так как она минимизирует количество уязвимых мест, повреждение которых влечет за собой глобальную катастрофу, а также ограничивает влияние повреждений в других местах.
Как полагают Киршнер и Герхарт, легко изменяемые признаки мостят дорогу организмам с более сложным развитием, поскольку динамичные системы обычно менее подвержены смертельным мутациям. Благодаря фенотипической изменчивости, которую обеспечивает многоуровневая архитектура, популяции организмов получают шанс эволюционировать. Таким образом, «способность к эволюции» многоуровневых систем, по-видимому, внесла огромный вклад в их долгосрочную успешную выживаемость.
От хромосом до сознания: многоуровневая архитектура
Мы вступаем на тонкий лед. Нам понятно, что сложные биологические системы устроены по многоуровневому иерархическому принципу, но пока неясна общая роль уровней и трудно сказать, каковы их функции и какие в них протекают процессы. Одни системы, например бактерии, изучены лучше, другие – в частности, как вы догадываетесь, мозг – хуже. Фундаментальными составными структурами биологической системы являются самые ранние с точки зрения эволюции композиционные уровни, как их называет Дойл, которые состоят из субатомных частиц, атомов, молекул и прочих элементов, каждый со своим протоколом. Другие уровни могут включать в себя частицы, чьи протоколы описывают внутри- и межмолекулярные взаимодействия, третьи содержат протоколы осуществления динамических взаимодействий, описывающие изменения и развитие, а на контролирующих уровнях протоколы частиц задают обратную связь для настройки отклика системы. Протоколы контроля регулируют поведение системы, когда она сталкивается с различными внутренними и внешними возмущениями. И уж в чем мы точно уверены, так это в том, что системам контроля во взрослеющем человеческом мозге требуется больше времени для полного развития, чем многим другим системам. Если вы в этом сомневаетесь, попробуйте нарушить покой подростка.
Держите себя в руках!
Контроль предупреждает случайные действия в системе и тем самым обеспечивает порядок и безошибочную работу. Задумайтесь: если наши нейроны начнут возбуждаться как попало, мы не то что по канату пройти не сможем, а даже ложку до рта не донесем. Системы контроля могут быть настроены как на оптимальный режим для выбора тактики поведения при усредненном, безразличном к риску сценарии, так и на строгий, чувствительный к риску контроль поведения в неблагоприятных условиях. Оптимальные контролирующие системы, как и следует из их названия, – лучший выбор для решения конкретной задачи. Однако при других непредвиденных обстоятельствах они могут оказаться в той или иной степени ненадежными[27]. По этой причине в современных технических системах используется преимущественно строгий контроль – впрочем, скрытый, обнаружить его можно лишь по тому признаку, что в норме не происходит ничего вроде аварий, срыва потока и тому подобных вещей[28]. «Боинг-777» триумфально преодолевает грозовые зоны именно благодаря тому, что его системы управления не оптимизированы для полета в безоблачном небе, а настроены на жесткий контроль при плохой погоде.
Большинство нейробиологов придерживаются той точки зрения, что системы контроля в мозге оптимизированы, однако нейробиолог, инженер и врач Дэниел Уолперт с этим не согласен. По его мнению и мнению его коллег, регуляция моторики у человека лучше всего объясняется строгим контролем[29]. В системах строгого контроля предусмотрены жесткие ограничения по надежности и эффективности[30], в них все время ищется компромисс между скоростью и точностью, скоростью и приспосабливаемостью, приспосабливаемостью и эффективностью, скоростью и затратами и так далее. И все эти компромиссы детально задокументированы в самых разнообразных сознательных и подсознательных процессах обработки информации[31].
Для Уолперта контроль моторики – это основа основ. Один из ярых приверженцев идеи о верховенстве моторики, он принадлежит к славной когорте ученых, в которую входят нобелевский лауреат сэр Чарльз Шеррингтон, автор слов «цель жизни – не размышления, а действие», и Роджер Сперри, который призывал нас «объективно рассматривать мозг как то, чем он и является, – как механизм для управления двигательной активностью»[32]. В конце концов, еда на столе и дети появляются в результате активных действий, а не размышлений. Наши предки выжили и оставили потомство благодаря своим активным действиям. Уолперт – вероятно, лидер в этом направлении на сегодняшний день – утверждает, что мы обладаем мозгом исключительно потому, что способны двигаться, подстраиваясь под внешние условия[33]. Прежде чем сердито возразить, вспомните, что сердце – это мышца, без сокращений которой вы не выживете. Мы добываем пищу, пережевываем и перевариваем ее тоже за счет двигательной активности. Без еды мозг не может функционировать и, безусловно, не может создавать творческое пространство нашей жизни – литературу, искусство и музыку, – ибо без двигательной активности, которая средствами устной и письменной речи, жестов и мимики реализует творческие мысли во внешнем мире, оно в любом случае не вышло бы за пределы внутреннего пространства мозга. Мы должны задуматься о том, на какую позицию выводит нас эта мысль. Если наш мозг эволюционировал как система управления моторикой тела, то мышление, составление планов, память, чувственные восприятия и прочее – все это только инструменты, усложняющие многоуровневую архитектуру, созданную ради ужесточения контроля над моторикой в условиях изменчивой и непредсказуемой среды обитания. То же самое справедливо для обучения и когнитивной деятельности. Как всегда в таких случаях, добавленные в ходе эволюции уровни неизбежно привносят в систему и свои уязвимые точки.
