Глава VI

Принцип
оптимальности

Современная физика для описания мира пользуется принципом относительности. Этот принцип гласит, что все системы координат, в том числе и вращающиеся, равноправны. Земля вращается вокруг своей оси, а когда мы видим вращающийся вокруг Земли небосвод — это иллюзия. В настоящее время общая теория относительности Эйнштейна доказана экспериментально. 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. Для живых существ утверждение общей теории относительности о равноправии всех систем координат неверно.
Эйнштейн А. (1965) Cобрание научных трудов. Изд. «Наука». Т.1. с.319-398.

Задача сохранения равновесия тела
в системе неподвижных стен

Главная идея новой науки: 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 описания этого феномена Светлана Минина и я предположили, что нейроны мозга человека переходят во вращающуюся вместе с телом систему координат. Сложность вычисления настолько велика, 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.
Минина С. В., Либерман Е. А. (1990) Входные и выходные каналы квантового биокомпьютера // Биофизика. 35. 132-134.
Первая экспериментальная проверка принципа оптимальности
Провели первую проверку в аэрокосмической лаборатории на человеке. Испытуемого вращали вокруг вертикальной оси его тела и предлагали ему быстро показать рукой, где появляется на короткое время цель. Несмотря на то, что на руку испытуемого действовали кориолисовы силы, все испытуемые почти не ошибались. Их мозг подавал на мышцы сигнал: «произвести соответствующую коррекцию». Когда же на испытуемых надевали шлем виртуальной реальности, 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. Переход во вращающуюся систему координат происходит через изменение структуры вычисляющей среды в теле нейронов, управляющих движениями. Такое изменение возможно благодаря процессу, похожему на мышечное сокращение. Сокращение происходит с помощью многочисленных типов миозинов нервных клеток.

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 открывает ионные каналы, которые посылают гиперзвук в цитоскелет. Пройдя через эту среду, гиперзвук управляет выходными каналами. Каналы вызывают генерацию кода нервных импульсов. От кода зависит, какую задачу будет решать следующий нейрон. Рецепторы второго типа посылают сигналы для быстрой обратимой перестройки цитоскелета. Именно такая перестройка в маутнеровских нейронах нужна для управления хвостом во время вращения вокруг оси. Рецепторы третьего типа посылают сигналы для решения нестандартных задач. Цитоскелет собирается и разбирается с помощью программ, записанных на ДНК. Если соответствующих программ нет, цитоскелет не будет собран.
Cheney R. E., O'Shea M. K., Heuser J. E., Coelho M. V., Wolenski J. S., Espreafico E. M., Forscher P., Larson R. E., Mooseker M. S. (1993) Interneuronal myosins. Cell 75, 13-23.

Либерман Е. А., Минина С. В., Мошков Д. А., Санталова И. М., Шкловский-Корди Н.Е. (2004) Экспериментальное доказательство принципа оптимальности. Биофизика (в печати).
Примером такой не разрешимой задачи является вращение рыб одновременно вокруг двух взаимно перпендикулярных осей.

До эксперимента рыбы активно плавали. Ультраструктура дендрита маутнеровского нейрона показана на иллюстрации справа (сверху и в центре).

После двух часов вращения рыбы теряли способность плавать и в цитоскелете происходили существенные изменения. После трех дней отдыха рыбы снова нормально плавали, и цитоскелет восстанавливался (нижняя иллюстрация).

Made on
Tilda