CC BY
18ФИЗИКА ЭВОЛЮЦИИ ИНТЕЛ-СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА И ГЛОБАЛЬНОЙ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Еремин А.Л.
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», г. Краснодар НОЧУ ВО «Кубанский медицинский институт», г. Краснодар
Аннотация
150 лет с первой публикации, посвященной ноогенезу - эволюции интеллекта. Но только в XXI веке, благодаря развертке цивилизации и результатам фундаментальным исследований в физике, биологии, медицине и междисциплинарных сферах, стало возможным определение количественных измерений некоторых параметров, способствующих в естественных науках пониманию эволюции интеллектуальных систем.
Ключевые слова: биофизика развития и эволюции, нейроинформатика, психофизика, нейрофизика, параметры интеллектуальных систем, ноогенез.
Введение
В 1871 г. Доктором медицины Хью Доэрти в главе «Ноогенез» книги «Органическая философия» впервые упоминается «ноогенез» [1]. 150 лет назад появление понятия «ноогенез» произошло одновременно с «абиогенезом» - естественный процесс возникновения жизни из неживой материи [2]. Однако если в ХХ веке система знаний по абиогенезу бурно развивалась с выдвижением гипотез, постановкой экспериментов, обоснованием теорий, многочисленными изданиями, то по ноогенезу, по публикациям, наблюдались длительные паузы с возвращением к активным исследованиям примерно через 70 лет.
Так, в 1955 году антропологом Пьер Тейяр де Шарденом в книге «Феномен человека» «ноогенез» упомянут в нескольких местах [3], но не было дано точной формулировки, и в ряде последующих тезаурусов интерпретации понятия велись вокруг «появление и эволюция разума». Появление, в теории систем, синергетике, науке, - способ образования комплексных систем и паттернов из разнообразия относительно простых взаимодействий; в эволюционной теории - повышение уровня системы, не предсказуемое из предшествующих состояний. Следует отметить, что эмерджентность разума является одним из пяти главных феноменов в эволюционном появлении принципиально новых форм: (1) происхождение жизни; (2) появление простейших, несущих ядро; (3) происхождение форм, размножающихся половым путем; (4) возникновение животных с нервной системой; и (5) появление мыслящих животных, а именно людей.
Только в 2005 году было предложено современное понятие: «Ноогенез - процесс развертки в пространстве и развития во времени интеллектуальных систем. Ноогенез представляет собой совокупность закономерных, взаимосвязанных, характеризующихся определенной временной последовательностью структурных и функциональных преобразований всей иерархии и совокупности взаимодействующих между собой относительно элементарных структур и процессов», - такая формулировка появилась в монографии, посвященной ноогенезу [4]. В данном исследовании была предложена концепция «интеллектуальных систем», «информационной логистики», «интеллектуальной энергии», ускорения, силы, потенциала, -объединенные в теорию интеллекта», благодаря этому «понятие «ноогенеза» активно введено в научный обиход, как понятие об эволюции интеллектуальных систем» [5], выделены биофизические параметры интеллектуальной энергетики - объем информации, количество ускорения (частота, скорость) и расстояние ее передачи» [6], "предложена аналогия между человеческим мозгом, состоящем из большого числа параллельно
работающих нейронов, и человеческим сообществом, состоящем из людей» [7]. Между тем, на момент публикации оценки количеств нейронов в головном мозге различались на три порядка от 109 до 1012. Только к 2020-ым годам более точная квантификация по ряду параметров позволила перейти к построению и изучению моделей процессов развертки структуры и функций реально существующих интеллектуальных систем с целью получения объяснений этих феноменов, возможных прогнозов для естественного интеллекта и бионики для искусственного интеллекта.
Была поставлена цель исследования: с применением биофизического инструментария и современных данных отдельных параметров предпринять опыты по моделированию развертки сложных интеллектуальных систем:
- эволюции и появлении разума у Homo sapiens (филогенез)
- развертки интеллекта при индивидуальном развитии (онтогенез);
- оценки гипотезы стремления популяции человечества к объединению в глобальную интеллектуальную систему.
Некоторые параметры интеллектуальных систем, их квантификация
и развертка во времени
Этиология и семантика терминологии. Ноогенез (от др.-греч. Noo< — разум и yevsai; — происхождение, рождение) — появление и эволюция разума. Следует отметить, что ноо- (русск), noo- (англ), (китайский) - не только самый ранний термин, известный от древне-греческого «v6o<», но и по словарным значениям - объединяющий феномены «ум, разум, интеллект, мысль, инсайт, мудрость» в единое явление.
Эволюция скорости передачи-обмена материальных объектов, физических сигналов-носителей информацией. Анализ показывает -увеличение скорости адаптации, рефлексии, движения, обмена веществом и информацией, которая возрастает на каждом новом уровне эволюции и организации биологических систем, при этом, приспособляемость (организма, популяции) улучшается с увеличением скорости реагирования (в
т.ч. скорости связи между интел-компонентами) на изменения окружающей среды. Одноклеточный организм - скорость движения ионов через мембрану одноклеточного организма ~10-10 м/с, воды через мембрану -10-6 м/с, внутриклеточного вещества (цитоплазма) -2-10-5 м/с; крови по сосудам многоклеточного организма -0,05 м/с. В 1849 году впервые измерена скорость, с которой сигнал проходит по нервному волокну (в диапазоне 24,6 - 38,4 метра в секунду) Гельмгольцем [8]. По современным данным измеренные скорости нервного импульса составляют 0,5 - 120 м/с. Скорость звука и скорость света были определены ранее в XVII веке. К XXI веку стало ясно, что они определяют в основном скорости физических сигналов-носителей информации, между интелсистемами и их компонентами: звук
о
(голос, аудиосигнал) ~ 300 м/с; квантово-электронные -3-10 м/сек (скорость радиоэлектромагнитных волн, электрического тока, светового, оптического потока, телекоммуникационного взаимодействия, в т.ч. через ТУ, телефонию, распространившийся интернет, и появившееся множество портативных устройств). Построена сжатая графическая модель эволюции скорости - рис. 1.
Эволюция количества компонентов. Интеллектуальные системы могут образовываться при достижении критических количеств составляющих их интеллектуальных компонентов и коммуникаций между ними. При достижении количества интеллектуальных компонентов п >1 млрд может наблюдаться феномен ноореволюции — перехода количественной развертки информационной системы в качественно новую автономно -интеллектуальную систему. Интеллектуальная система (ИС) - совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур и процессов, объединенных в целое выполнением функции интеллекта, несводимой к функции ее компонентов. Признаки И.С.: взаимодействует со средой и другими системами как единое целое; состоит из иерархии подсистем более низкого уровня [4].
4,5 млрд лет 2,5 млрд лет (1,5-3,7) 500 млн лет 0,2 млн лет Рис. 1. Эволюция скорости материальных объектов, физических сигналов-
носителей информации
Ноогенез при индивидуальном развитии (онтогенезе) мозга человека берет свое начало от 1—2 первичных эмбриональных клеток, увеличивающихся в количестве при дроблении и делении на стадиях морулы — бластулы — гаструлы, формирующих соответствующий зародышевый лепесток и его дифференцировку. Формируется нервная система зародыша. К моменту рождения объем головного мозга плода человека по некоторым
3 3
данным достигает 375 см , к 10 годам жизни — 1300 см . Морфо-функциональное созревание структур мозга заканчивается к 13 годам и окончательное морфофункциональное становление относится к 16—17-летнему возрасту.
В 1889 году Сантьяго Рамоном-и-Кахалем был открыт нейрон, и в дальнейшем развита нейронная доктрина - концепция, согласно которой нервная система состоит из дискретных отдельных клеток [9]. Подсчитать количество нейронов удалось только в XXI веке - в мозге H. Sapiens в результате филогенеза и онтогенеза у взрослого человека насчитывается нейронов 86 миллиардов [10]. Это позволяет смоделировать в сравнении
сжатые графические модели эволюции количеств компонентов интелсистем - рис. 2.
Рис. 2. Эволюция количества компонентов интелсистем: А - кол-во нейронов при индивидуальном развитии (онтогенезе) интелсистемы мозга, В - кол-во людей популяции человечества, С - кол-во нейронов при историческом развитии (филогенезе) нервных систем организмов
Здесь можно отметить, для сравнения, что в процессе эволюции численность человечества возрастает от первых Homo sapiens до ~70 млн человек (XX век до н.э.), ~300 млн (к началу н.э.), ~1 млрд (к 30-м годам XX века н. э.), 6 млрд к концу XX века, в соответствии с математическими моделями количество человечества может достигнуть 12,5—14 млрд в XXI-XXII веках [11].
Эволюция количества связей. Методы исследований связей и сотрудничества (cooperation). Актуальность изучения в этом направлении подтверждают, как современные комплексные исследования сотрудничества и связей информационных, генетических [12], обусловленного структурами на нейрональном уровне мозга [13], так и значение сотрудничества при развертке популяции человечества. В связи с этим нами был проведен анализ известных данных по эволюции количества связей для сотрудничества в интеллектуальных системах и информационном обществе [14]. Связи,
контакты между биологическими объектами, можно считать появившимися с многоклеточностью ~ 3-3,5 млрд. лет назад [15]. Система скоростных связей специализированных клеток, передающих информацию с помощью электрических сигналов, — нервная система, за всю историю жизни возникла только в одной крупной эволюционной ветви: у многоклеточных животных (Metazoa) и появилась в эдиакарском периоде (около 635— 542 млн лет назад) [16].
Синапс - от греческого синапсиса (ouva^i^), что означает «соединение», в свою очередь от auvanxsiv [auv («вместе») и anxsiv («крепить»)] - был введен в 1897 году Чарльзом Шеррингтоном [17]. В ходе эволюции (филогенез) количество связей между нейронами возрастало от одной до -7000 синоптических связей каждого нейрона с другими нейронами в мозге человека. В связи с освоением современных физических методов визуализации фМРТ стала возможна регистрация энергичного роста коннектома мозга человеческого плода в возрасте от 22 до 37 недель беременности [18]. По некоторым подсчетам мозг трехлетнего ребенка имеет около 1015 синапсов (1 квадриллион), при индивидуальном развитии (онтогенез) число синапсов уменьшается с возрастом до ~ [19] По другим данным, расчетное количество неокортикальных синапсов в мужском и женском мозге снижается в течение жизни человека с -1.4-1014 до -1.2-1014 [20].
Количество контактов человека сложно подсчитать, но в науке закрепилось «Число Данбара» -150 устойчивых связей человека с другими людьми, предполагаемый когнитивный предел количества людей, с которыми можно поддерживать стабильные социальные отношения [21], по данным других авторов - диапазон 100-290. В мозге определены структуры, ответственные за социальное взаимодействие [22]. С появлением Homo sapiens ~50-300 тыс лет назад, актуальность кооперации, с эволюцией в популяции человечества, возрастала количественно. Если 2 тыс лет назад на Земле был -0,1 млрд людей, 100 лет назад ~1 млрд, к середине ХХ века ~3
млрд, а к настоящему времени, человечество -8 млрд. Таким образом, общее количество «устойчивых связей» между людьми, социальные взаимоотношения внутри популяции, может оцениваться (150 х 8-109) числом в ~1012 (Рис. 3).
Рис. 3. Эволюция количества связей интеллектуальных систем: А - кол-во
синапсов между нейронами при индивидуальном развитии (онтогенезе) интелсистемы мозга человека, В - кол-во связей между людьми в динамике роста населения популяции человечества, С - кол-во синапсов между нейронами при эволюционном развитии (филогенезе) нервных систем
животных до мозга человека
Из графиков (Рис. 1, 2, 3) можно анализировать количественные аналогии: в эволюции интеллектуальной системы человечества проявляются в кратком повторении отдельные черты филогенеза (эволюции) мозга и в длительном повторении некоторые характеристики онтогенеза (индивидуального развития) мозга человека. Повторяющиеся черты - рост количества компонентов, связей между ними, скорости обмена информацией
и пр. Можно рассматривать предполагаемую интеллектуальную итерацию (лат. Iteratio - повторение) - повторение действия - образования интеллектуальной функции в едином по размерам материальном ряду (интеллекты людей); повторение явления - зарождения интеллектуальных систем на более высоком в иерархии материи размерном ряду [4].
Перспективы определения в биофизике параметров естественной
интеллектуальной системы
Известна единственная интеллектуальная (разумная) система Homo sapiens общепринятая из «Системы природы» Карла Линнея (1735). С тех пор ведется поиск параметров интелсистем для более полного биофизического описания, который должен быть продолжен. Следует отметить, что в ряде работ рассматриваются закономерности появления и параметры отличительных особенностей интелсистемы человека: объем рабочей памяти 7±2, способность к прогнозированию, многоуровневая (6 слоев нейронов) иерархия системного отбора ценной информации, сознание, память, концепция появления инсайта-озарения, лимиты некоторых физических параметров интеллекта человека и пр.
Эта область энергично развивается, с реализацией мегапроектов: Blue Brain Project, Allen Brain Atlas, Human Connectome Project, Google Brain - в попытке лучше понять функции мозга, а также в целях развития когнитивных функций человека в будущем с помощью искусственного интеллекта, информационные, коммуникационные и когнитивные технологии. «Международная инициатива по изучению мозга» в настоящее время объединяет инициативы по исследованию мозга на национальных уровнях (Brain Initiative (СЩА), Human Brain Project (Европейский Союз), China Brain Project, Japan Brain/MINDS, Canadian Brain Research Strategy, Australian Brain Alliance, Korea Brain Initiative) с целями, поддерживающими взаимодействие между странами, чтобы обеспечить синергетическое взаимодействие с междисциплинарными подходами, вытекающими из последних
исследований в области нейробиологии, искусственного интеллекта, вдохновленного мозгом. Между тем, остается обширный ряд нерешенных проблем в нейрофизике: нейронный код, феномен объединения информации, уровень упрощения для описания обработки информации в мозгу, расчет по кортикальным столбцам, точное время потенциалов действия для обработки информации в неокортексе, количественная
оценка долговременной памяти и др.
Некоторые параметры глобальной био-технической информационной системы
Гипотеза стремления к ноосфере (по В.И. Вернадскому и др.), мировому мозгу, всемирному разуму, глобальному интеллекту, суперинтеллекту и пр. не нова, первые упоминания относятся к началу ХХ века. Однако общепризнанная теория - не сформировалась. Попробуем рассмотреть на современном этапе некоторые аспекты, по проверяемым количественным параметрам и качественным феноменам. Трудность опыта принимается из теории Гёделя - описание системы изнутри может быть или противоречивым или неполным.
Количественные измерения. Первые попытки описания структурных и функциональных параметров можно основывать на известных цифрах: на 7,5 млрд человек приходилось 6 млрд телевизионных установок, 6 млрд телефонов, 2 млрд компьютеров, 4 млрд интернет-пользователей («We Are Social», «HootSuite», 2018), 3,2 млрд - зарегистрированных в социальных сетях («GlobalWeblndex», 2017). Эволюция био-технологических связей в популяции представлена Рис. 4.
10000
млн
1000
100
к А /i-
// HI ♦ / :: г у •• ' 1 ' ;: / "
а___ ~ а ^^ Х'— / « У * У * У ■ • / :: ■ • / 1 -I Я ш 1 а с / d" *е
-2000
-1000 До новой эры Новая эра 1000
2000 годы
Рис. 4. Развертка связей, инфо-взаимодействия внутри популяции H.sapiens: a - население Земли; b - кол-во грамотных; с - кол-во читающих книги (с книгопечатаньем); d - кол-во приемников (радио-, телевизоров); e - кол-во телефонов, компьютеров, пользователей Интернет
К началу века человечеством стало производиться в год информации
18
18 • 10 байт (18 эксабайт), обозначены параметры и объемы производимой человечеством и запоминаемой в различных средах информации, которые в
1 Я
мире возрастали ежегодно на 30% и достигли 2,5 • 10 байт в день («IBM», 2017).
Заключение
Анализ параметров интел-систем, закономерностей появления и эволюции, отличительных черт, констант и лимитов их структур и функций демонстрирует: измеряемость и сравнительный анализ развертки скорости коммуникаций - (~100 м/с - 300 млн м/с); квантификацию количества компонентов интеллектуальных систем (10-100 млрд); подсчет связей, обеспечивающих кооперацию (от 150 до 1 трлн связей). Синтез моделей мог
бы иметь прогностическую ценность при изучении феномена происхождения и эволюции: - мозга, как популяции нейронов в ходе биологической эволюции H.sapiens с появлением мышления; - мозга каждого человека при индивидуальном анатомо-физиологическом развитии с появлением творчества, мысли, сознания, идеи, инсайта, интуиции, эврики; - «ноо» в гипотезе морфо-функциональной эволюции биотехнической информационной системы человечества. Актуально моделирование и для бионики систем искусственного интеллекта.
Библиографический список
1. Doherty H. Organic Philosophy; Or, Man's True Place in Nature...: Epicosmology (Vol. 3). - 18l1 - London: Trübner & Company. Part III Noogenesis, P.466-468.
2. Huxley T. H. Biogenesis and abiogenesis. (18l3). In Critiques and addresses, (pp. 218-250). London, Great Britain: Macmillan and Co, xiv, 350 pp.
3. Teilhard de Chardin P. Le phénomène humain. Paris: Editions du Seuil, 1955. 348 p.
4. Еремин А.Л. Ноогенез и теория интеллекта. Краснодар: СовКуб, 2005. - 356 с.
5. Домбровская И. С. К проблеме психологического анализа культурогенеза // Культурно-историческая психология 2010. №3. C. 5l-59.
6. Мамедова М. Д. Концепт «ум» в китайской и русской языковых картинах мира. Душанбе: Российско-Таджикский Университет, 2015. 245 с.
l. Орехов В.Д. Прогнозирование развития человечества с учетом фактора знания. - Жуковский: МИМ ЛИНК, 2015. - 210 с.
8. Helmholtz H. Vorläufiger Bericht über die FortpflanzungsGeschwindigkeit der Nervenreizung. In: Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin. Jg. 1850, Veit & Comp., Berlin 1850, S. l1-l3.
9. Ramón y Cajal, S. Manual de histología normal y técnica micrográfica. Manual of normal histology and micrographic technique. - 1889 -Valencia: Libreria de Pascual Aguilar.
10. Herculano-Houzel S. The Human Advantage: A New Understanding of
How Our Brain Became Remarkable. MIT Press, 2016. 256 pp.
11. Капица С. П. Глобальная демографическая революция и будущее человечества //Новая и новейшая история. - 2004. - №. 4. - С. 42-54.
12. Voorhees, B. at al. Identity, Kinship, and the Evolution of Cooperation // Current Anthropology. - 2020. - Т. 61. - №.2. - 194-218.
13. Rilling, J.K. et al. A Neural Basis for Social Cooperation. // Neuron. 2002; 35: P. 395-405.
14. Еремин А.Л., Зибарев Е.В. Интеллектуальный труд — физиология, гигиена, медицина: ретроспектива и современные фундаментальные исследования. Медицина труда и промышленная экология. 2020; 60(12): C. 951-957.
15. Grosberg R.K., Strathmann R.R. The evolution of multicellularity: A minor major transition? // Annu Rev Ecol Evol Syst. - 2007; 38: 621-654.
16. Budd G. E. Early animal evolution and the origins of nervous systems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2015; 370(1684): 20150037.
17. Foster, M.; Sherrington, C.S. Textbook of Physiology, volume 3(7th ed.). - 1897 - London: Macmillan. P. 929.
18. Wilson S. et al. Proceedings of the National Academy of Sciences 118 (20) (2021).
19. Drachman D.A. Do we have brain to spare? Neurology. 2005; 64 (12): P. 2004-5.
20. Nguyen T. Total number of synapses in the adult human neocortex. Undergraduate Journal of Mathematical Modeling: One+ Two. 2010; 3(1): 26.
21. Dunbar, R. I. M. Neocortex size as a constraint on group size in primates. Journal of Human Evolution. 1992; 22 (6): P. 469-493.
22. Walbrin J. et al. Neural responses to visually observed social interactions. Neuropsychologia. 2018; 112: 31-39.
