14
Внутринейронная система, управляемая цАМФ, работает максимально эффективно. Она закрывает выходные калиевые каналы мембраны тела нейрона, которые создают потенциал покоя, и открывает специальные выходные натриевые каналы. Выходные калиевые каналы обнаружили замечательные экспериментаторы Ольга Львовна Мякотина и Владимир Борисович Авдонин (Minina et al., 1991). Однако молекулярный компьютер нейронов медленный и мало подходит для решения физических задач, стоящих перед живыми существами. Такие задачи мог бы решать аналоговый волновой регулятор, использующий в теле нейронов цитоскелет в качестве вычисляющей среды. Это уже не макроскопический компьютер, а квантовый молекулярный регулятор. Цена действия в КМР приближается к обнаруженному физикой пределу. Именно для КМР был сформулирован первый принцип Хаиматики (Liberman et al, 1989).
Развитие физики и математики сначала происходило в “одних руках”, в “голове и в руках” Исаака Ньютона.
Полезно вспомнить, что меньше года назад опубликованы его рукописи, которые были под запретом триста лет. Теперь мы знаем: главным делом своей жизни он считал эти комментарии к Торе. Исаак Ньютон создал математическую физику и сам ставил физические эксперименты. Разница в описании реального мира физикой и математикой была незаметна до появления вычислительных машин и Хаиматики. Ньютон утвердил, что физическая величина определяется методом измерения. Длина — это то, что измеряется с помощью приложения масштаба. Время надлежит измерять часами.
Однако, заявляя “я гипотез не измышляю”, Ньютон сразу принял неверную гипотезу о том, что одни часы определяют время во всем пространстве. Только Альберт Эйнштейн понял несостоятельность этого утверждения и необходимость синхронизовать часы в разных точках пространства с помощью процедуры измерения. Надо измерить расстояние между точками, найти его середину и оттуда послать сигнал, распространяющийся с предельно большой скоростью — со скоростью света. Эта понятная измерительная процедура привела к понятной теории относительности. Однако, когда было обнаружено, что измерение меняет состояние квантовых систем, возникла квантовая механика, про которую создатель релятивистской квантовой механики Ричард Фейнман не зря утверждал, что ее не понимает никто. В математической физике Ньютона принцип наименьшего действия — третий интеграл. Для равномерного прямолинейного движения действие — это произведение энергии на время. В остальных случаях это довольно странный интегральный принцип, согласно которому макроскопическая частица ищет путь, выбирая тот, на котором величина действия наименьшая. У принципа наименьшего действия удивительная судьба.
А. Эйнштейн показал (Эйнштейн А., 1965а, б.), что механика Ньютона неверна, а принцип наименьшего действия работает в теории относительности. Из принципа наименьшего действия Р. Фейнман вывел релятивистскую квантовую механику (Feynman, Hibbs, 1965).
Сегодня все создатели роботов понимают, что для предсказания будущего необходимо не только произвести измерение, но и сделать реальное вычисление, поэтому цена действия становится понятной величиной. Действительно, в вычислительном процессе существенна именно цена действия, так как каждая вычислительная операция требует затраты свободной энергии и времени, а большую часть операций можно производить в параллель. Принцип наименьшей цены действия за измерение и вычисление — вот настоящий принцип, на котором работают все живые существа. Если создание измерительной аппаратуры оплачено и влияния вычисления на решаемую задачу нет, мы имеем обычную физику.
15
Чтобы понять принципиальное различие измеряющих и вычисляющих систем роботов и живых существ, достаточно посмотреть, как они двигаются. Измеряющие и вычисляющие конструкции роботов уже близки к пределу, который накладывают законы физики.
Первый принцип — принцип минимальной цены действия за измерение и вычисление
Первый принцип Хаиматики можно проверить прямым экспериментом. Надо показать, что цена действия за одиночную операцию в нейронах приближается к минимально возможной величине — одной постоянной Планка. Это возможно в экспериментах, в которых модулированные гиперзвуковой частотой лазерные пучки освещают нейрон. Предполагаем, что возникающие при этом гиперзвуковые волны будут распространяться по цитоскелету нейрона и управлять выходными ионными каналами, чувствительными к цАМФ. Выходные ионные каналы тела нейронов нужно будет обнаруживать с помощью инъекцией цАМФ.
Предполагаем, что гиперзвук определенной частоты будет эффективно менять время, в течение которого выходные каналы находятся в открытом состоянии. Меняя частоту амплитудной модуляции лазера, можно будет определить частоту гиперзвука, которую генерируют входные ионные каналы. Так можно будет доказать, что вычислительная среда живых клеток находится в состоянии высокотемпературной сверхтекучести.
Эксперименты с экстремальным квантовым регулятором
Другим способом проверки первого принципа Хаиматики являются эксперименты с экстремальным (предельным) квантовым регулятором (ЭКР). Мы предположили, что таким устройством является личное самосознание, в которое наш мозг во время бодрствования передает сведения об окружающем мире и которое управляет нашим телом (Liberman et al., 1989) . Мы предполагаем, что личное самосознание — это не программа, работающая на молекулярных компьютерах и нервных сетях, а особое устройство, в котором достигается не только минимальная цена действия за операцию, но и минимальный размер элементов. Основной вычислительный процесс в мозге происходит внутри шумовых молекулярных компьютеров нейронов. В личном самосознании каждого из нас шума нет. Там четырехмерный трехцветный мир, полный запахов. Там звучит музыка. Поэтому мы думаем, что это устройство не может быть собрано из КМР нервных клеток. Скорее всего, ЭКР есть и у животных. ЭКР связан с мозгом и управляет поведением человека и животного.
Временную потерю сознания можно вызвать наркозом, электрошоком и снижением концентрации кислорода в крови. Все эти воздействия, по-видимому, меняют состояние мембран нервных клеток так, что ЭКР теряет с ними связь. Однако удар по голове, приводящий к временной потере сознания, не влияет на состояние мембран. Не исключено, что ЭКР обладает инертной массой и поэтому теряет связь с мозгом. Эксперимент, в котором производится максимально точное взвешивание животного до и после его гибели, может продемонстрировать реальность ЭКР.
В настоящее время единственная возможность воздействовать на ЭКР, не влияя на мозг — использовать мощный пучок частиц, практически не взаимодействующих с обычной материей.
Например, можно посмотреть, не меняется ли поведение кузнечика под воздействием проходящего через него интенсивного пучка нейтрино. Лель Александрович Драчев и я ставили на себе такой эксперимент, используя ускоритель А.Л. Минца в Серпухове. Ощутить один из многих импульсов нейтрино удалось только мне, возможно, из-за недостаточной интенсивности пучка. Эксперименты на кузнечиках имеет смысл повторить на более мощных ускорителях.
16
Существование ЭКР, может быть, удастся продемонстрировать сравнительно простыми опытами по размножению мушек—дрозофил на космической станции. Я думаю, что в космосе они не смогут долго размножаться, поскольку, в отличие от бактерий, живому существу, которое видит и летит куда ему надо, для размножения недостаточно способности воспроизводить тело. Надо еще получить ЭКР, а хранилищем душ живых существ является Земля.
Второй принцип — принцип оптимальности
Современная физика для описания мира пользуется принципом относительности. Этот принцип гласит, что все системы координат, в том числе и вращающиеся, равноправны. Нас учили, что Земля вращается вокруг своей оси, а когда мы видим вращающийся вокруг Земли небосвод — это иллюзия. В настоящее время общая теория относительности Альберта Эйнштейна доказана экспериментально (Эйнштейн А., 1965а, б.). Так что движение небосвода вовсе не иллюзия. Физики, которые думают, что общая теория относительности существенна только там, где есть большие гравитационные поля, неправы. Эта теория экспериментально доказана на Земле с помощью точного измерения времени на разном расстоянии от поверхности. Чем ближе к Земле, тем медленнее идут атомные часы. Движение небосвода вовсе не иллюзия. В нас вложено правильное понимание устройства мира. Однако для живых существ утверждение общей теории относительности о равноправии всех систем координат неверно.
Задача сохранения равновесия тела в системе неподвижных стен
Главная идея новой науки, которая отличает ее от современной физики, состоит в том, что для живого существенно не только влияние измерения, но и влияние вычисления на решаемую задачу. Принцип оптимальности утверждает, что для сложных систем существует избранная система координат, в которой возможно решение задачи без влияния измерений и вычислений на саму решаемую задачу. Обычно мы ходим, используя для решения задач в нашем мозгу координаты неподвижных стен. Но если человек начинает вращаться на месте достаточно быстро, то в его сознании стены начинают двигаться. Об этом эффекте говорят, что у человека закружилась голова. Для научного описания этого всем известного феномена Светлана Владимировна Минина и я предположили, что нейроны мозга человека переходят во вращающуюся вместе с телом систему координат (Минина С.В., Либерман Е.А., 1990). Сложность вычисления для решения задачи сохранения равновесия тела в системе неподвижных стен становится настолько большой, что ее уже невозможно решить без влияния вычисления на решаемую задачу. Поэтому задача балерины, выполняющей тридцать два фуэте, или задача спортсмена, который делает сальто, состоит в том, чтобы как можно быстрее закрутить мир вокруг себя (Lackner, DiZio, 2000).
Первая экспериментальная проверка принципа оптимальности была произведена в аэрокосмической лаборатории на человеке. Испытуемого вращали вокруг вертикальной оси его тела и предлагали ему быстро показать рукой, где появляется на короткое время цель. При этом, несмотря на то, что на руку испытуемого действовали кориолисовы силы, все испытуемые практически не ошибались, так как их мозг подавал на мышцы сигнал: “произвести соответствующую коррекцию”. Когда же на испытуемых надевали шлем виртуальной реальности, и их сознание считало, что они вращаются, все показывали на цель с ошибками. Их мозг посылал на мышцы руки поправку на отсутствующие кориолисовы силы.
Что происходит в нейронах мозга при переходе во вращающуюся вместе с телом систему координат?
Мы думаем, что преобразуется цитоскелет. Сравнительно быстрый переход во вращающуюся систему координат происходит за счет соответствующего изменения структуры, вычисляющей среды в теле нейронов, управляющих движениями. Такое изменение может происходить за счет процесса (Cheney et al., 1993), похожего на мышечное сокращение, с помощью многочисленных разных типов миозинов нервных клеток (Либерман Е.А. и др., 2008).
Удалось получить новые данные в пользу этой гипотезы. Опыты велись на Маутнеровских клетках рыб, которые управляют движением хвоста. Нейроны имеют входные ионные каналы, контролируемые рецепторами, и выходные ионные каналы. Рецепторы можно разделить на три основных типа. Первый тип под действием медиаторов открывает ионные каналы, которые посылают гиперзвук в цитоскелет. Пройдя через эту вычисляющую среду, гиперзвук управляет выходными каналами. Эти каналы вызывают генерацию кода нервных импульсов. От того, какой код идет по аксону к следующему нейрону, зависит, какую из доступных данному нейрону задач он будет решать. Рецепторы второго типа посылают сигналы, которые вызывают быструю обратимую перестройку цитоскелета. Именно такая перестройка цитоскелета в Маутнеровских нейронах нужна для правильного управления хвостом во время вращения вокруг одной оси. Рецепторы третьего типа посылают сигналы, которые вызывают разборку элементов цитоскелета для решения нестандартных задач. Цитоскелет собирается и разбирается с помощью программ, записанных на ДНК. Если соответствующих программ нет, цитоскелет не будет собран.
17
Примером такой неразрешимой задачи является вращение рыб одновременно вокруг двух взаимно перпендикулярных осей (Рис. 6) (Либерман Е.А. и др., 2008). До эксперимента рыбы активно плавали. Ультраструктура дендрита Маутнеровского нейрона показана на Рис. 6а).
После двух часов вращения рыбы теряли способность плавать и в цитоскелете происходили существенные изменения (Рис. 6b). После трех дней отдыха рыбы снова нормально плавали, и цитоскелет восстанавливался (Рис. 6с).
Рис. 6. Влияние вращения на Маутнеровский нейрон рыбы. а — ультраструктура дендрита маутнеровского нейрона; b — изменения цитоскелета после двухчасового вращения; в — восстановление цитоскелета после трехдневного отдыха.
Третий принцип - влияние вычисления и измерения на реальность
Третий принцип утверждает, что необратимость “законов природы” (которая не вызвана решением управляющих систем, например, приказом взорвать водородную бомбу) связана с влиянием измерений и вычислений. Этот принцип указывает реальную причину необратимости «законов природы», которую невозможно просто вывести из обратимых во времени законов физики. Слова “законы природы” не случайно взяты в кавычки. Дело в том, что в новой науке законов у самой природы нет. Есть только программа, с помощью которой живые существа могут после измерений и вычислений предсказывать будущее и на основе этих предсказаний правильно вести себя. Мы надеемся, что этот принцип станет заменой неравновесной термодинамики в биологии.
Третий принцип Хаиматики помогает понять, какие преимущества имеют теплокровные животные. Хладнокровным животным для того, чтобы быстро двигаться, надо подогреться на солнце. И дело не только в том, что лучше работают мышцы, но главное, чтобы лучше работал мозг. У старой нейрофизиологии не было никаких идей, почему для работы мозга есть такая оптимальная температура. Действительно, ни скорость проведения нервного импульса, ни синаптическая передача практически не зависят от изменения температуры на десятки градусов Цельсия. Теперь мы начинаем понимать, что мозг работает на внутринейронных молекулярных квантовых регуляторах, использующих в качестве вычисляющей среды цитоскелет.
Скорость работы такого регулятора будет тем больше, чем быстрее движутся элементы, меняющие структуру вычисляющей среды. Надо показать, что при оптимальной температуре скорость движения миозина, выделенного из нервной ткани, по актину максимальна.
Четвертый принцип — новая формулировка принципа причинности
Четвертый принцип утверждает, что причина регулярных событий — это решение управляющих систем. Эйнштейн, который был одним из создателей квантовой механики, первым понял, что физического принципа причинности больше нет. Дело в том, что квантовая механика описывает систему с помощью Ψ-функции, которая меняется мгновенно, после того как произведен эксперимент. Например, когда измерения производятся в Лондоне, в то же мгновение меняется Ψ-функция в Москве. Физические же поля распространяются со скоростью не больше скорости света.
Хаиматика обращает внимание на настоящие причины событий в реальном мире.
Сначала управляющие системы решили запустить корабль Аполлон на Луну и только потом запустили. Физика не может правильно описать мир. В нашем мире есть реальные управляющие системы. Животные — частный случай таких систем.
Законы природы — не математические формулы, а тексты ДНК. Необходимость в новой науке возникла потому, что физика и математика не только не способны описать живое, но и говорят о нашем реальном мире противоположные вещи. Физика утверждает, что прошлое состояние физической системы определяет ее будущее, это аналогично заявлению, что никакого управления нет. Математика же, которая, по нашему мнению, вся является наукой об управлении (не только кибернетика, а вся математика), предполагает полное управление. Например, когда утверждает, что к любому числу можно прибавить единицу. При этом не учитывается, что в реальном мире всегда есть физические ограничения любого человеческого управления. “Число” с 1050 знаков из-за наличия гравитационных сил выглядит, как планета Юпитер, и над ним невозможно производить арифметические операции. Математика создается в головах математиков, в которых работа мозга также имеет физические ограничения.
Поэтому такие математические абстракции, как бесконечность и ноль, имеют смысл только для удобства вычисления.
Именно поэтому нет никакой вероятности случайного появления программ, записанных молекулярными буквами на ДНК, программ, которые определяют не только структуру, но и поведение каждого живого существа. Тексты ДНК для каждой травинки и для каждого живого существа написаны Творцом с полным пониманием устройства созданного Им реального мира. Основой классической биологии была теория Дарвина (Дарвин Ч., 1948). Создавая науку, которая объединяет биологию, физику и математику, мы понимаем, что все эволюционные теории (не только в биологии, но и в физике) (Девис П., 1985) не имеют научного смысла, поскольку не могут быть проверены прямыми экспериментами. Настоящий научный эксперимент только тот, который противоречит существовавшим до него воззрениям и воспроизводим всегда.
хаиматика
хаиматика
Итогом жизни в науке стало установление связей между биологией, физикой, математикой и новая область исследования, посвященная вычислениям в живых системах. Ефим Либерман дал имя новой науке: «Хаиматика»
I
ДНК – это текст программы для молекулярных компьютеров клеток. «Текст» по определению не случайная последовательность знаков и может существовать только внутри языковой системы. В данном случае это генетический язык, изоморфный естественному языку
II
Вычисление в живой клетке является реальным физическим действием и требует затрат свободной энергии и времени. Поскольку все живые организмы состоят из клеток, это относится ко всему управлению, которое осуществляется в биосфере
III
Молекулярные вычисления ограничены микроскопическим объемом клетки и принципиальной возможностью влияния вычисления на условия решаемой задачи: квантовая механика возникла из осознания реальности измерения, Хаиматика - из реальности вычисления
IV
Для решения сложных задач клетка создает устройство квантового вычисления, использующего кванты гиперзвука и клеточный цитоскелет, как вычисляющую среду. Цена вычисления в таком компьютере стремится к физическому пределу – постоянной Планка
Утверждения Хаиматики просты, но они требуют изменения традиционных представлений, принятых в научной практике
Читать книгу
Глава I
Как все начиналось
хаиматика