ОБОГАЩЕНИЕ ТРИЗ БИОЛОГИЕЙ

АННОТАЦИЯ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ
   2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫ
   2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ И ЭФФЕКТА

   ПРАВИЛА ДЛЯ ПОИСКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

   БАЗА ДАННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

   4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

   4.2. ДРУГИЕ СООБРАЖЕНИЯ

   4.3. ДЕТАЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ

   ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   ЛИТЕРАТУРА

АННОТАЦИЯ

В прошлом году мы начали проект по интеграции биологической информации в ТРИЗ, рассчитывая, что природные решения технических проблем, полученных в результате эволюции, которая длилась биллионы лет, окажутся полезными для заимствования в ТРИЗ.

Эта задача сначала может показаться сродни попытке поместить Вселенную в ореховую скорлупку. Биологические системы слишком сложны, чтобы для их описания годились даже очень универсальные инструменты ТРИЗ. Каждый отдельный эффект должен рассматриваться одновременно на многих уровнях организации живой природы - от клеточных органелл до экосистем. Кроме того, любой "эффект" связан с различными другими функциями и эффектами на разных уровнях системной организации. Чтоб описать это, мы предлагаем трехмерные матрицы, позволяющие нам разложить биологическую информацию в структуры, подобные тем, что используются для информации технической. Эти матрицы полностью включают базовые понятия ТРИЗ, такие как "функция", "эффект" и "противоречие". Однако параметры, улучшающие эффект и параметры, его ухудшающие, приходится "реконструировать" по результату, что приводит к множественности возможных противоречий. Мы вскрыли некоторые важные телеологические (имеющие отношение к целям действий) и эпистемологические проблемы, которые не возникали в ТРИЗ, поскольку система была создана для других целей. Вот те проблемы, с которыми мы столкнулись.

1. Потребность дать более подходящие для нашего случая определения "эффекта" и "функции". Эти термины по-разному используются в биологии и в ТРИЗ. В ТРИЗ эффект вызывается причиной, действующей в определенных условиях. В биологии причины не так очевидны. Эффекты же более сложно и тесно связаны с функциями различных уровней системы, под- и надсистем.

2. Потребность понять, насколько правомочна аналогия между биологическими и инженерными (техническими) функциями. Не существует непосредственной прямой корреляции между тем, что считается полезным и приемлемым в технике и в биологии. Чтоб междисциплинарные данные оказались понятны всем, необходимо одновременно расширить нашу классификацию (всего мы выделили 271 функцию), сделав классификацию иерархической, подразделив функции на 6 наиболее общих, совпадающих с техническими.

1. ВВЕДЕНИЕ

Для начала определимся с тем, что хотим реально - привнести теоретичность и инженерный подход в биологию или сделать "кашу" разнородной биологической информации доступной для инженерного использования? Оказывается, обе задачи весьма связаны. Приложение ТРИЗ к биологическим системам (или наоборот) еще только начинается, поэтому мы выскажем пока самые общие соображения и обсудим проблемы, которые встали перед нами в самом начале этого пути.

Наша задача - создать банк данных биологической информации ("биологических патентов"), доступный для инженеров. По аналогии с базами данных физических и химических эффектов, существующих в ТРИЗ, наша база данных должна содержать описания биологических эффектов. То есть, найти все возможные биологические эффекты и систематизировать их. Сделать это, казалось бы, просто. Мы только должны знать, что и где искать. То, что кажется простым в "железной" ТРИЗ, совершенно теряет четкие очертания, когда имеешь дело с живой природой. Определиться с тем, что такое биологический эффект и как нам его локализовать невозможно без некоторых начальных философских размышлений и сугубо теоретических подходов.

Эффект, как он определен в ТРИЗ, возникает в результате действия того или иного причинного события в определенных условиях. В биологии мы видим эффект, но должны искать причины (которых может быть более одной) и можем только догадываться о целях. Таким образом, чтобы построить базу данных биологических эффектов, мы должны двигаться в направлении, противоположном классической ТРИЗ: от решенных проблем (ответов) к противоречиям (вопросам). Впрочем, этим же путем шел Г.С. Альтшуллер, анализируя патенты. С той лишь разницей, что все эффекты были уже сформулированы изобретателями и он мог классифицировать их по степени удачности, а в жизни это понятие весьма относительно и зависит от многих условий.

Кроме того, для облегчения взаимной адаптации инженерии и биологии, мы считаем необходимым изменить понимание ряда терминов - ситуация, которая не столь отражает междисциплинарные конфликты, сколь указывает на общие методологические проблемы в ТРИЗ, претендующей в настоящее время на полидисциплинарность.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Чтобы иметь возможность провести аналогию между биологическими и техническими системами, нам необходимо рассмотреть их с более общей точки зрения, найти общую надсистему, в рамках которой мы сможем строить систему правил и аксиом для обеих областей сразу.

2.1. Определение системы

Техническая система, как она определена в ТРИЗ, состоит из источника энергии, преобразователя энергии, двигателя и устройства управления (6). Предполагается, что человек включается в систему как важнейшая часть устройства управления (рис.1). Заметим, что техника включает в рассмотрение человека еще и потому, что человеческое общество является главным пользователем технических систем (7).

Рис. 1. Компоненты технической системы.

Более того, человеческое общество является всего лишь подсистемой системы более глобальной - экосистемы (которая и представляет собой биологическое, природное сообщество). Давайте посмотрим, какие еще системы входят вместе с нами в эту надсистему - биосферу и определим свое место среди своих "соседей" - подчас созданных нами самими.

Сравним определения "системы" в биологии и технике (4). Для биологической системы определение будет таким: биологическая система - это живая система, которая функционирует, реализуя свои цели, в определенной среде. Технические системы создаются людьми (биологическими системами) для достижения биологических целей. Поэтому мы можем сказать: техническая система - это биологическая система, в которой некоторые функции делегированы техническим (неживым) устройствам. Таким образом, мы принимаем положение о том, что техническая система - это лишь разновидность биологических систем, причем явление, встречающееся не только в человеческом обществе (использование и изготовление орудий довольно обыденное явление в природе). Это выводит нас на общий надсистемный уровень для биологии и техники и создает необходимое условие для построения аналогий (Рис.2).

Рис. 2. Иерархия биологических и технических систем.

2.2. Определение Функции и Эффекта

Теперь необходимо определить два следующих важных понятия - функцию и эффект. Нам очень импонирует точка зрения Векоффа и Аллена (9) (один из авторов - философ, другой - биолог), которые пишут, что из-за возрастающего в настоящее время интереса к междисциплинарным вопросам в области функционального подхода появилась, наконец, возможность избавиться от вечного страха перед телеологией. Это произошло из-за современных достижений в области функционального подхода в психологии и общей биологии (ведущего к развитию науки о поведении, где никто уже не может обойтись без слов "цель" и "задача"), которые приучили общественное мнение к тому, что рассудочная деятельность, принятие решений, изобретательность, равно как и душевные переживания и эмоции не являются исключительно человеческим свойством и, таким образом, немного потеснили антропошовенизм, царящий, увы, не только в науке и философии, но и в обыденном сознании людей.

Итак, биологические системы являются телеологическими - созданными или возникшими с некоторой целью и обладающие способностями к формированию целей - целеполаганию. Их цели - некие приемлемые (или благоприятные) состояния систем в будущем. Определим функцию биологической системы как "действие, необходимое для достижения приемлемого/благоприятного будущего состояния".

В технических системах достижение цели биологической системы делегировано техническим устройствам. Целью по-прежнему остается состояние системы в будущем. Таким образом, функция технической системы - это "действие, необходимое для достижения приемлемого/благоприятного будущего состояния с помощью технических устройств.

Эти, может быть, чересчур откровенно педантичные выкладки позволяют дать определения эффекта, как результата выполнения функции технической системой в определенной среде (технический эффект), и результата выполнения функции биологической системой (биологический эффект). Технический эффект эквивалентен использованию инструментов, и этот феномен наблюдается у многих млекопитающих, птиц и насекомых. Техника не является специфически человеческим продуктом.

3. ПРАВИЛА ДЛЯ ПОИСКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

Мы хотим обратить внимание на то, что определение эффекта включает наблюдателя. С инженерной точки зрения биологический эффект (да и любой другой - физический или химический) обычно определяется как ресурс, который может быть использован в технических системах (10). Вопрос серьезный, что (кто) для чего является ресурсом... Эдак можно легко превратить людей и природу в ресурс для существования технических орудий - прямо кадр из популярного сейчас фильма "Матрица"...

Мы имеем иную точку зрения на этот предмет - эффект, по нашему мнению, не является ресурсом. Биологический эффект должен иметь системное определение, то есть мы постоянно должны помнить о том, что любой эффект отражается на всех уровнях иерархии систем и связан с прошлыми, настоящими и будущими (целевыми) событиями и эффектами. Каждый отдельный эффект может повлечь за собой множество других эффектов на разных уровнях биологической организации - от органоидов клетки до популяций животных и функционирующих экосистем. И наоборот, он может быть следствием множества других причин и эффектов на многих иных уровнях!

Например, мы можем сказать, что бег (перемещение в пространстве) - это эффект, происходящий благодаря быстрому движению ног (рассматривая организменный уровень). Но на уровне подсистем он дает другие эффекты: учащается пульс, учащается дыхание и т.д. Эти эффекты, являющиеся следствием "бега", - результат "движения" вообще, а не специфическое проявлением определенной функции (бега), они также проявляются во время плавания, например.

В этой сети возможных причин и следствий (эффектов) нам, таким образом, необходимо найти точку отсчета, некие конкретные правила, которые помогут нам построить контуры базы данных. Чтобы облегчить себе жизнь, предложим правило 1 - "системы проявляют целенаправленность поведения, что позволяет нам вычертить линию эффектов в сети причинности. Например, движение плавников рыбы (системы органов) влияет на надсистему - рыбу (организм), которая вследствие этого движется в своей среде, в воде. "Пользователь" этого эффекта - рыба: эффект является результатом взаимодействия между подсистемой и средой. Таким образом, мы приходим к правилу 2 - мы наблюдаем проявление эффекта в надсистеме, минимум на один уровень выше самой действующей системы.

Следующее 3 правило касается ресурсов. Система не может быть собственным ресурсом. ("Нельзя поднять самого себя за волосы". Английский аналог этого выражения: "Небесные крючки никогда не работают".) Ресурсы могут быть получены только из других внешних систем.

4. БАЗА ДАННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

4.1. Общая характеристика

В целях совместимости с инструментами ТРИЗ, база данных должна иметь следующие признаки.

1. Должны быть сформулированы общие или конкретные цели / функции биологического объекта (см. раздел 4.3).

2. Необходимо сравнить структуры, выполняющие одни и те же функции на разных иерархических уровнях сложности (интегрированности) биосистем в различных средах.

3. Следует охарактеризовать ресурсы.

4. Должен быть описан механизм устойчивости: как будет функционировать система, если определенные функции, ресурсы и факторы среды исчезнут - что улучшится, что ухудшится.

5. Мы должны знать, что облегчает или усложняет достижение эффекта.

6. В общем случае, конфликт, противоречие возникает между двумя противоположными целями. Нам необходимо определить атрактивное (привлекательное) и репеллентное (избегаемое) состояния нашего объекта и соответственно его целей. Например, для антилопы на водопое вода - привлекательный объект (состояние), а крокодил в реке - избегаемый. Эффект, который мы рассматриваем, зависит от воспринимаемого значения каждой цели.

Таким образом, противоречие целей уже менее предсказуемо, нежели противоречие функций или структур. В поиске эффекта мы вынуждены двигаться от конфликта целей к конфликтам функций и далее к структурным противоречиям (техническим и физическим) - постепенно выбираться из неопределенности и тумана в родную среду детерминизма и причинно-следственного мышления. Однако, про реальность "тумана" не следует забывать, может пригодиться, когда будут адекватные инструменты для его описания.

4.2. Другие соображения

Биологические системы обладают рядом особенностей, которые необходимо принимать во внимание. Это:

1. Иерархия систем, которая упорядочивает ресурсы, распределение энергии в веществе и поведение системы в пространстве и во времени. Иерархия систем - ее структурная характеристика. Живой систему делают функциональные связи между ее элементами - это уже организация, информационная характеристика системы. Она имеет свои законы. Например, закон циркуляции информации в системном операторе: подсистемы, в основном, передают информацию на нижние уровни, а надсистемы в большей степени считывают информацию с верхних уровней (11).

2. Инерция систем, влияющая на вероятность эффекта. Она проявляется на разных уровнях иерархической "пирамиды". Чем дальше надсистема от источника эффекта, тем меньше вероятность, что эффект будет там заметен. Это порождает в свою очередь и кумулятивные свойства биологических эффектов. Согласно правилу 2, эффект наблюдается только в надсистеме. И каждая надсистема стремится компенсировать изменения, эффекты, поступающие от подсистем. Но только та система, которая "хочет" измениться, движется к цели. Всеобщая инерция в биологических системах противостоит изменениям. Поэтому действующий эффект всегда искажается на уровне надсистемы и среды.

3. Самоорганизация и саморазвитие, которые дают неожиданные проявления биологического эффекта.

4. Избыточность и изменчивость, которые означают, что различные структуры могут выполнять одну и ту же функцию и одинаковые структуры могут выполнять различного рода функции. Избыточность и многофакторность обеспечивают надежность биологических систем.

5. Возникновение функции прежде специализированной структуры. Это порождает наиболее желательную ситуацию для технических систем.

В целом, биологический эффект является более сложным, чем физический или химический, т.к. он включает последние в различных комбинациях. Это придает ему качество физической непредсказуемости, или "внезапности". Но мы можем провести аналогию между эффектами в биологических непредсказуемых и технических предсказуемых системах, просто признав, что как биологические, так и технические системы следуют определенным целям.

4.3. Детали использования базы данных

В соответствии с нашим определением биологического эффекта как естественного результата выполнения биологической системой какой-либо функции (правило 1), мы классифицировали функции, основываясь на целях. В результате получился список из 6 "программных функций" (для которых не требуется от системы целеполагания - это своеобразные сверхинстинкты), 26 "целевых функций" (предполагающих готовность к достижению целей) и 271 "специфическая функция" (таблица 1).

Из таблицы видно, что для полного описания сложной функции мы должны сделать три последовательных выбора. Например, чтобы описать функцию "копировать", мы должны следовать такой линии рассуждения: создать (программа) - воспроизвести (цель) - копировать (собственно специфическая функция).

Далее, мы считаем, что каждое биологическое существо приспособлено к определенным условиям. Поэтому необходимо описать среду, в которой данный биологический эффект проявляется. Согласно правилу 2, мы можем описать эту совокупную информацию в одной матрице данных. Таким образом, заполняя базу данных, мы делаем выбор между 8 средами (3 основных вида сред: воздух, земля, вода плюс их комбинации и биотическая среда).

Мы знаем, что ресурсы также являются существенными признаками эффекта. Поэтому мы добавляем их описание, используя правило 3.

Таким образом, целевая функция (правило 1) выполняемая в среде на определенном уровне биологической организации и с использованием ресурса (правило 3) должна вызывать выявляемый биологический эффект (правило 2). Например, волнообразное движение плавников и хвоста, как частей тела рыбы (правило 3) в вязкой среде (воде) (правило 2) вызывает медленное направленное движение рыбы, где направление волнового движения плавников всегда противоположно направлению движения рыбы (эффект) (рис.3).

Рис. 3. Пример биологического эффекта.

Внутри каждой ячейки трехмерной матрицы (оси которой представляют собой функции, среды и уровни организации), описывающей биологический эффект, мы сделали еще одну матрицу "параметров эффекта". Эта двумерная матрица организована так же, как известная матрица противоречий Альтшуллера, что делает нашу базу данных совместимой с инструментами ТРИЗ.

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Введение ТРИЗ в биологию чрезвычайно перспективно для развития теоретических концепций в биологии. И, напротив, инженерная область нуждается в знаниях о разрешении технических и организационных проблем в природе.

Жизнь инженерного изобретения и его автора несколько отличается от жизни живого организма в природе. Если конструктор производит некоторые изменения в технической системе, и она при этом перестает работать, этот исход не является фатальным для инженера. Правда, он может оказаться таковым для других пользователей системы! Изделие просто уничтожается, автор делает множество других попыток. Поскольку конструктор жизнью не рискует, все 5 уровней изобретений (очевидные изменения, улучшения, изобретение в рамках парадигмы, изобретение за рамками парадигмы и открытие), описанные в классической ТРИЗ (6), оказываются возможными. В природе, мы можем легко найти решения первых двух уровней сложности просто в силу существования адаптивности. В то же время "изобретения", разрешающие морфологические противоречия, крайне редки и еще реже их появление на "изобретательских" уровнях, связанных с новыми функциями и структурами.

Появление верхнего уровня "изобретений" в природе может быть описано в теории макроэволюции, где в настоящее время больше вопросов, чем ответов. Например, как резкие, пусть даже весьма адаптивные трансформации, затрагивающие серьезные структурные и функциональные изменения не привели к резкой разбалансировке всей системы и, соответственно, в смерти объекта. Любая морфологическая и функциональная адаптация - постоянный риск погибнуть. В стремлении живых существ избежать эволюции зародилась техника: живые существа не взяли на себя самостоятельное выполнение всех своих функций, чтобы не подвергать опасности конструктора (самого себя). Более того, они пришли к "решению" делегировать некоторые функции неживому окружению (инструменты, гнезда, убежища, дороги), подобно тому, как мы создавали технические устройства, чтоб позволить себе быструю адаптацию и развитие без катастрофических морфологических изменений (последнее требует много времени, а выгоды от изменений сиюминутно не очевидны и достанутся лишь потомкам).

Мы можем предположить, что радикальные, непроверяемые изменения, вносимые в систему, могут убить "конструктора" (самого себя) и обход их, по-видимому, ведет к более стабильным решениям. Об этом стоит знать инженерам.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наша цель сделать биологическую информацию приемлемой для инженеров через базу эффектов, представленных в сложных системных связях, определенно, не тривиальна. Мы прошли меньше трети пути и пока ответили лишь на вопросы, поставленные во введении в эту статью - что и где нам следует искать. Предлагаемый нами каркас для базы данных гармонично в едином контексте объединяет в себе несколько инструментов ТРИЗ: 9-экранный оператор, функциональный анализ, матрицу противоречий и анализ ресурсов и в то же время является не только базой биологических (и включенных в них физических и химических) эффектов, но также и базой возможных целей и мотивов формирования потребностей.

7. ЛИТЕРАТУРА

1. Julian FV Vincent, Darrell Mann TRIZ in biology teaching. TRIZ Journal. September issue, 2000
2. Богатырев Н.Р. Экологическая инженерия жизнеобеспечения. -Н.: "Издательство СБ РАС", 2000, 184с.
3. Богатырев Н.Р. Прикладная экология шмелей. -Н.: "Издательство городского центра развития образования", 2001, 160с.
4. Julian FV Vincent, Darrell Mann Systematic Technology transfer from biology to engineering. World Conference "TRIZ Future 2001", Bath, 7-9 November 2001. - p.165-176.
5. Глазунов В.Н. Поиск принципов действия в технических системах./ Поиск методов анализа и решения проблем в технике, т.4-М.: "Речной транспорт", 1990, 111с.
6. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. -М.: "Московский рабочий", 1973, 296с.
7. Иловайский И.В. - http://tekne.narod.ru ; http://www.sinor.ru/~ilovaiskii , 2000.
8. Сибиряков В.Г., Семенова Л.Н. Как грамотно спорить? /Научно-практическая конференция "Творчество во имя достойной жизни"-В.Новогород, июль 10-12, 2001, с.127-130.
9. Bekoff M., Allen C. Teleology, function, design and the evolution of animal behaviour. TREE, vol. 10, no 6, June, 1995. - p. 253-255.
10. Тимохов В. Сборник творческих задач по биологии, экологии и ТРИЗ. -СПб: "ТРИЗ-ШАНС", 1996, 101с.
11. Корогодин В.Л., Соснин Е.А., Познер Б.Н. Руководство по социальному проектированию. -Томск, 2000, 150с.

07 Dec 2003