АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ С ПОМОЩЬЮ БИОЛОГИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ | Опубликовать статью РИНЦ

Романенко В.Н.¹, Никитина Г.В.²

¹ Профессор, доктор техн. наук, Северо-Западный институт печати; ² Профессор, доктор пед. наук, Северо-Западное отделение Академии информатизации образования

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ С ПОМОЩЬЮ БИОЛОГИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ

Аннотация

В природе имеются законы, которые в равной мере проявляются в различных отраслях знания. Сравнительный анализ проявления этих законов позволяет сформулировать множество полезных рекомендаций. Особенно полезным для практики можно считать перенесение ряда представлений о развитии биологических систем в технику и даже в некоторые области социальной практики. В этих областях человеческого знания описание процессов эволюционного развития производится исходя из представлений о технологии. В силу этого анализ общих технологических представлений путём  сравнения их с законами биологической эволюции приводит к ряду интересных выводов.

Ключевые слова: развитие, эволюция, бионика, динамическая устойчивость, адаптивный компромисс.

Romanenko V.N.¹ , Nikitina G.V.²

¹ Professor, North-Western Institute of Printed matters; ² Professor, North-Western Branch of Academy of Information Technologies in Education.

THE STUDY OF TECHNOLOGY VIA COMPARING WITH THE BIOLOGY EVOLUTION

Abstract

One knows a set of general laws which are valid in all areas of human knowledge. Their comparing detects several useful recommendations. The most interesting is transforming some biological observations into technique and into describing of some social processes. Several useful recommendations were found on this way.

Keywords: evolution, development, path dependence, adaptive compromise.

Введение: о сходстве общих законов в разных областях естествознания и техники

Прогресс понимания Мироздания, отражаемый наукой, идёт неравномерно. Упрощённо можно говорить о том, что с одной стороны в разные периоды времени интенсивность накопления и осмысливания новых сведений может быть разной. С другой стороны периоды активной работы в отдельных отраслях знания сменяются периодами, когда основное внимание уделяется обобщению независимо полученных результатов. При этом на первое место выходит синтез частных закономерностей. В последние годы научное знание уделяет много внимания именно вопросам такого синтеза. Мы позволим себе обратить внимание на ряд моментов, которые пытаются развить общий взгляд на закономерности в области биологии и одновременно позволяют лучше осознать процессы в технологических науках. Частично это может быть отнесено и к гуманитарным знаниям. Идея переноса биологических представлений и просто наблюдений в технику имеет  давнюю историю. Часто её начало связывают с изучением Леонардо да Винчи полёта птиц с целью создать летающий аппарат. В XX  веке эта идея стала активно обсуждаться. В результате возникла специальная отрасль знания. Её чаще всего именуют бионикой. Известен и другой, менее распространённый термин, биомиметика [1]. Одним из тех, кто ввёл в употребление этот термин был О.Х. Шмитт [2]. Имеются примеры успешного перенесения в технику решений, которые были подсмотрены их авторами в природе. Самым эффектным примером такого рода считается создание застёжки Велькро, именуемой в просторечии «липучкой». Она была создана швейцарским инженером и изобретателем Жоржем де Мистраль в 1948 году. В качестве прототипа, использующего нужный механизм, он взял хорошо известные всем семенные корзинки репейника [3]. Ещё раньше, в 1935 году Перси Шоу использовал идеи, просматривавшиеся при изучении структуры кошачьего глаза для создания конструкции автомобильной фары. Известны и другие интересные и весьма эффектные примеры переноса в технику конкретных решений появившихся в результате биологической эволюции. Однако примеров подобного непосредственного переноса практически готовой идеи в технику не так много, как можно было бы ожидать. В действительности более распространена обратная картина, когда независимо найденное техническое решение обнаруживает интересные аналогии в биологии. Так принято считать, что создание судов на подводных крыльях позволило объяснить дополнительную подъемную силу, которая помогает оторваться от воды многим водоплавающим птицам. Широко известны аналогии многих строительных конструкций и костных систем животных и человека. Тем не менее процесс непосредственного переноса в технику решений, которые подсмотрены в биологии часто представляется намного менее продуктивным про сравнению с неоднократно высказывавшимися ожиданиями. Мы отнюдь не собираемся детально анализировать эту ситуацию. Наша основная цель иная. Мы хотим обратить внимание на то, что имеется ряд  общих законов природы, таких как законы эволюции (глобальный эволюционизм) [4-6], разнообразий [4,7,8], диссиметрии [9] технологий [10], которые в одинаковой мере присущи всем отраслям знания. Проявления этих законов в различных областях знания имеют свою специфику. В силу особенностей развития этих областей понимание и изученность этих законов тоже различны. Поэтому сравнение соответствующих достижений может быть полезным и для практической работы. Именно в этом плане ряд общих закономерностей исследованных применительно к биологии может принести существенную пользу в технических областях знания. Попытка сформулировать возможные пути дальнейшего анализа и является нашей целью.

Учёт законов биологической эволюции в технике и в гуманитарных областях знания

Идеи эволюции, чётко сформулированные в биологии после трудов Ч. Дарвина, имеют многовековую предысторию. До известной степени их формулировка была стимулирована идеями прогресса, развивавшимися применительно к социальной сфере. Принято считать, что наиболее чётко эти идеи были выражены Ж.А.Н. Кондорсе [11]. Эволюционные теории в биологии многократно и широко обсуждаются. Для простоты мы позволим себе ссылаться в этом плане на книгу [12]. Говоря об общих эволюционных идеях обычно уделят внимание их направленности в сторону увеличения сложности, необратимости и неравномерности развития во времени. Мы здесь хотим обратить внимание на ряд других важных обстоятельств. Они могут иметь конкретный практический интерес как в технической, так и в гуманитарных областях знания. Речь не будет идти о прямом переносе множества наблюдений, сформулированных правил или терминов. На самом деле главным должен быть перенос и развитие в новых творческих условиях некоторых общих идей, которые часто просто «остаются за кадром». Остановимся на этом подробнее.

В [12,13] чётко показано, что биологическую эволюцию нельзя считать неким аналогом прогрессивного линейного процесса. В ходе эволюции возникают ситуации, которые чисто условно естественно назвать тупиковыми. В обобщенном виде про соответствующую ситуацию можно сказать, что в ряде случаев траектория развития как бы  вынуждена заново отправляться по новому пути, который начинается на одном из предыдущих этапов. Это нельзя считать строго установленным принципом. Тем не менее такая ситуация может рассматриваться в качестве широко распространённой [10]. Несомненно схожие ситуации проявляются как в технико-технологической, так и в гуманитарной областях человеческой деятельности. Так введение в ряде случаев элементов случайности в процесс выбора кандидатур, может оцениваться, как возврат к древнегреческому принципу жеребьёвки кандидата на должность, где окончательный выбор производится из нескольких предварительно избранных кандидатур [14]. В Афинах для реализации механизма случайного выбора использовались специальные устройства. Они назывались клетерионами. Обращение к идеям интернет-голосования в известном смысле может рассматриваться в качестве современного аналога таких древнерусских институтов, как Новгородское вече. В  современных технических разработках использование в автомобилях в качестве источника энергии высокоёмких аккумуляторов по существу можно толковать как возвращение к старинным, основательно забытым, разработкам Т. А Эдисона [15]. При желании число таких примеров-аналогий можно увеличить.

Приведённые нами масштабные аналогии интересны и полезны для различных общих умозрительных сравнений и рассуждений. Вне всякого сомнения они имеют познавательный интерес. Однако при все их справедливости они малопродуктивны, так как из них невозможно извлечь никаких реальных рекомендаций для практики. С целью попыток конкретизации указанных принципов следует сделать попытку перейти на более низкие системные уровни. Это делается нами далее. Заметим ещё то, что понятие эволюция сейчас очень широко переносится в другие области знания. В то же время, иногда более удобно в этих случаях говорить о развитии, понимая под развитием общие черты изменения сложного набора сущностей разной природы, как материальных, так и идеальных [12].

Динамическая устойчивость, иерархичность, многофункциональность и path dependence

Социальные, технико-технологические и биологические системы иерархичны [6,16,17]. В разных областях человеческого знания изученность принципов иерархии разная. Эволюционные процессы с учётом иерархичности систем лучшего всего описаны применительно к биологии. Количество затрагивающих эту тему работ здесь столь велико, что наши отсылки, например к [12,13] имеют только иллюстративный характер. В биологических системах (организмах) легко прослеживается и часто детально обсуждается  мультифункциональность различных органов. Такую мультифункциональность можно проследить и в технико-технологической и социальной сферах деятельности. Простейшим наглядным примером могут служить тормоза и кулиса коробки передач автомобиля, которые несут дополнительные важные функции включения и выключения различных световых сигналов. В социальной области различные творческие союзы подчас одновременно со своими основными функциями выполняют дополнительные функции в виде медицинского обслуживания своих членов, организации отдыха и т. п. Различных вариантов такой многофункциональности можно перечислить достаточно много. Тем не менее их систематизация с указанной точки зрения не может идти ни в какое сравнение с тем, что описано в биологии. Выполнение одним органом нескольких функций накладывает ограничение на возможность полной реализации каждой из них. Иными словами за счёт выполнения сразу нескольких функций каждая из них реализует не все свои потенциальные возможности. Такое ограничение получило название адаптивный компромисс [12,18,19]. Одновременно  в качестве функциональной компенсации одну и ту же функцию могут обеспечивать несколько органов. Все соотношения такого рода можно проследить и в социальных системах. Они также проявляются и в технико-технологических областях. Важно отметить, что все известные примеры такого рода носят частный характер. Иными словами: «Их можно воспринимать скорее не как принцип, а как способы и случаи, не придавая им статуса биологических закономерностей» [12]. В то же время можно считать убедительным соображение о том, что общее количество этих приёмов и способов всё же ограничено. Поэтому их описание и классификация в каждой из областей человеческого знания может считаться первостепенной задачей.

В любой из отраслей человеческого знания достаточно очевидно наглядно прослеживаемое в биологии утверждение о том, что любая сложная конструкция построена таким образом, что более общие функции зависят от более высоких уровней иерархической пирамиды. По этой причине при любых перестройках системы более высокие уровни иерархии затрагиваются в последнюю очередь. Это означает, что при любой перестройке системы чем выше затрагиваемый иерархический уровень, тем реже на нём возникают какие-либо изменения. Сказанное означает, что эволюция как в биологии, так и в других областях человеческой деятельности редко затрагивает кардинальные свойства системы. Намного более распространена ситуация постепенного накопления относительно небольших частных изменений. Во второй половине 30-х годов прошлого века знаменитый немецкий конструктор Фердинанд Порше создал конструкцию небольшого, относительно дешевого легкового автомобиля. Впоследствии его стали называть «Фольксваген-Жук», хотя это никогда не было его официальным названием. Машина выпускалась долгие годы. Она оказалось самой продававшейся машиной в мире. Объём её продаж превысил даже знаменитый «Форд-Т». Если взглянуть на самые первые образцы этой модели, то выяснится, что машина вначале не имела ножного тормоза, приборная доска и многое иное были не такими как в последующих моделях. Фактически почти за полвека своего существования в модели постепенно было изменено всё. Однако общий облик, то что в биологии иногда называют морфологией, остался неизменным и узнаваемым. Делались предложения назвать такую постепенную замену элементов при сохранении общего облика технической системы «Эффектом Фольксвагена». Однако этот термин не получил широкого признания в силу того, что его часто используют в другом смысле, относящимся к схеме распространения акций этой фирмы.

Как следует из сказанного, развитие идёт небольшими, далеко не всегда согласованными между собой скачками и трансформациями на невысоких уровнях иерархии.

На более высоких уровнях изменения происходят редко. Часто отмечается [12], что чем выше уровень в иерархии свойств системы, тем реже на нём происходят изменения и тем более кардинальны сами эти изменения. Это считается справедливым для любого типа систем. Иными словами, самые низшие уровни системной иерархии наиболее активны и перспективны в процессах развития. На самом деле, однако, это кажущееся очевидным и легко подтверждаемое практическими наблюдениями правило сформулировано не вполне точно. Суть противоречия связана с тем, что большинство сложных систем обычно состоит из двух иерархических пирамид разной ориентации. Это не сразу бросающееся в глаза утверждение требует детального описания, которое в рамках это работы мы не можем позволить себе сделать. Поэтому ограничимся двумя поясняющими примерами. В биологии говоря об эволюции частей организма, скажем органов, мы в то же время полагаем, что самые глубокие структуры, например клеточные, остаются неизменными. Внутриклеточные структуры и сами клетки позволяют построить разные ткани. Из них в конечном итоге создаются органы. Рост разнообразия в этом случае идёт вверх от клетки к организму. Сам же организм строится из различных органов и разнообразие в нём направлено в противоположном направлении. В технике построение нового сложного устройства не затрагивает такие базовые решения, как крепёж, простейшие, рассмотренные ещё Леонардо да Винчи, простейшие механизмы и т. д. Новое, например передачи Новикова, появляется  на этих системных уровнях очень редко. Поэтому и здесь более разумно говорить о сочетании двух иерархических систем. Поэтому основная задача технолога и конструктора — это правильно определить тот наиболее актуальный для развития уровень иерархии системы, на котором имеет смысл активно работать. Коль скоро в биологии соответствующие проблемы изучены подробнее, чем в других отраслях знания, именно обобщение этих данных и и перенос выводов в другие области знания представляется перспективным направлением анализа.

Достаточно очевидно, что практическая невозможность использовать глубокие перестройки приводит к тому, что ряд решений оказавшихся со временем не удачными  переделать нельзя. В биологии в так их случаях часто говорят об инерционности траектории развития [20]. В гуманитарной области часто используют термин path dependence [21,22]. С точки зрения техники и технологии это поясняет трудности и даже невозможность изменить однажды принятые решения. Так в биологии удачным примером может служить анатомия глаза [23]. Светочувствительные элементы глаза: колбочки и палочки расположены в задней его области на сетчатке или ретине. Однако нервные окончания к ним подходят не сзади, что было бы естественным техническим решением, а спереди. Это, вероятно вызвано тем, что у низших живых существ в период формирования соответствующих органов оболочка клетки была прозрачна и с какой стороны подходят нервные окончания «было безразлично». Дальше вернуться столь далеко обратно процесс эволюционного развития не мог. В силу этого анатомическая структура обеспечивающая передачу сигнала в мозг оказалось хоть и хитроумной, но излишне сложной. В окружающем нас техническом мире нередко приходится сталкиваться с подобной инерционностью неудачных исходных решений. Как известно расположение клавиш на клавиатуре компьютера и пишущей машинке, т. н. раскладка клавиатуры, исходит из принципа удобства работы. Наиболее часто встречающиеся в конкретном алфавите буквы располагаются у центра клавиатуры. В англоязычной клавиатуре раскладка оказалась не вполне удачной. Однако менять её в силу огромных усилий на переучивание и ряд других обстоятельств не стали. Эффект такой инерции получил название QWERTY- эффект, по первым буквам слева в верхнем ряду англоязычной клавиатуры. С этим эффектом приходится, например, сталкиваться при изучения европейского стандарта ширины рельсовой колеи, а также во многих других неожиданных ситуациях. Изучение этих явлений и связанных с ними экономических проблем может считаться одной из основных задач рационального конструирования. Его удобно проводить на основе сравнения с биологическими и гуманитарными ситуациями, то сеть исходя из некоторых единых позиций.

Заключение

Рассмотрение с единых позиций процессов развития в разных областях человеческого знания имеет несомненную пользу Учитывая то обстоятельство, что эти процессы наиболее хорошо исследованы в биологии нам представляется разумным обратить  внимание на пользу от сравнительно обсуждения гуманитарных и технико-технологических проблем используя в качестве основы чисто биологические принципы и термины. В заключение позволим себе выразить глубокую благодарность профессору С.М. Абрамовичу (США), который прочитал первоначальный вариант рукописи и сделал ряд полезных замечаний.