2019/04/20 うつせみ

生命現象を記述する為に必要となる制御工学の理論を整備します。

生命現象は、自己保存系の振る舞いに関する現象です。
様々な環境変化に対して、この自己保存系がどう振る舞うかが問題となります。

この現象は、思考形式上は、制御工学の問題です。自己が保存される過程は、制御工学の発想を使って記述可能です。
しかし、現代の制御理論は、素朴で、生命現象を記述するには、不充分でした。そこで、生命現象を記述可能な制御理論を、ゼロから開発しました。

なお、この理論は、もともとは、哲学上の認識論ずることが目的でした。
時空の認識と、時間と空間の相対性を説明する為に、作っていたものです。
それが、生命現象全体に適用可能なことが分かって、その方向に向けての整備を行っています。

進化現象も、生命現象の一部なので、この考え方が適用可能です。

8.制御工学の理論

生命現象を記述する為に必要となる制御工学の理論を整備します。
これを使って、自己保存系の振る舞いを考察、記述します。
現代の工学者が使っている制御理論は、生命現象を記述する目的には、全く、使い物になりませんでした。そこで、ゼロから作り直しています。

元々は、哲学上の認識論を論ずる為に作成したものです。認識過程を、哲学的空想の問題としてではなくて、具体的な情報学の問題として処理するつもりで作業を開始しました。具体的には、時空認識と、時間と空間の相対性を論ずることでした。

実際に出来上がってみると、この思考形式は、非常に便利でした。生命現象全般に適用可能でした。生命現象の問題の本質を非常に単純に表現できました。無意識のうちに、様々な他の生命現象にも適用していました。哲学や、心理学、脳科学、生物学、工学など、広い分野で、全く新しい切り口を与えてくれました。この進化論もその成果のひとつです。

この制御理論は、具体的には、次の目標に沿って、整備を急いでいます。

  1. 生命現象を、時間と空間の関数として記述すること。
  2. 物理学の為の認識論を作成すること。時空認識と、時空の相対性の関係について
  3. 心理学などの心の事象を生物学的に理解する。攻撃と逃避の同一性について
  4. 生物型制御原理を使って、実際に、ロボットや、各種組織を設計し、稼働させること。

8.1 生命相互作用と自己保存系

生命現象は、生物と環境との相互作用の上に成り立っています。

生物にとって、『生きる。(自己を保存する)』とは、この生物と環境との相対関係が、生物にとって都合のいいある一定の状態に保たれ続けることを意味しています。

生命現象を構成している相互作用
図名
生物にとって、『生きる。』、即ち、『自己を保存する。』とは、生命相互作用を通して、生物と環境との相対関係が、生物にとって、都合のいいある一定の状態に、保たれ続けることを意味しています。

この生命相互作用は、環境から生物へ働くと同時に、生物の側からも環境に影響を与えています。一方的関係ではありません。

例えは、大気中の酸素は、元々は、光合成の結果、生物が作り出した産業廃棄物でした。塩素と同じような猛毒の排泄物でした。それが、巡り巡って、(新しい環境として、)今度は、生物に大きな影響を与えました。嫌気性だけの生物の世界に、猛毒に適応した好気性の生物が登場してきました。好気性生物は、酸素の高い活性を利用して、高いエネルギー効率を実現しました。

この生物と環境の間で働いてる相互作用は、循環しており、図に纏めると、下図のように表現されます。この作用のフィードバック過程が制御システムを構成していると考えました。即ち、フィードバック制御です。

生物と環境との間の作用のフィードバック
生物と環境との間の作用のフィードバック
生物から環境に向かう作用を、信号『x』と、環境から生物に向かう作用を、信号『y』と記述しています。
作用説明
x生物から、環境に向かう作用(信号)
y環境から、生物に向かう作用(信号)

生物と環境は、思考形式上は、関数として記述されます。
生物を、関数『 B 』と記述するなら、生物は信号 y の信号 x への変換器ですので、下記のように記述されます。

x = B(y)

一方、環境は、逆の関係です。環境を、関数『 E 』と記述するなら、環境は、信号 x の信号 y への変換器ですので、下記のように記述されます。

y = E(x)

関数関数の説明
生物(B)信号yの、信号xへの変換器。
環境(E)信号xの、信号yへの変換器。

8.2 外乱

環境は、生物から影響を受けると同時に、生物の存在や都合とは無関係にも変動しています。

天体の衝突や、太陽活動、火山の爆発などの地殻変動によって、環境は大きな影響を受けますが、これらの変化は、生物の存在や、都合とは、全く、関係のないものです。
世間では、このような生物の存在とは無関係な外乱だけを指して、環境変化と呼んでいる場合も結構あります。

この外乱を、上の図に追加すると、下図のようになります。

生命相互作用への外乱の混入
外乱
環境は、天体衝突のように、生物の存在とは無関係にも、変動しています。この変動を、外乱『r』と記述します。
作用説明
x生物から、環境に向かう作用(信号)
y環境から、生物に向かう作用(信号)
r外乱。生物の都合とは無関係に生じている環境変化

環境から、生物への作用、即ち、信号 y は、生物から環境への作用 x と、外乱 r の関数となっています。その関数記述は、より正確には、下記のようになります。

y = E(x,r)

8.3 状況の主体化

今西錦司(以下敬称略)の『状況の主体化』を使って理解します。

生物と環境の間に生じている相互作用が平衡状態を保つ為には、上で述べた外乱に対抗する作用が、このフィードバック過程の何処かに加わる必要があります。この新しい作用を、今西の『状況の主体化』を使って説明します。

生物が自己保存する為には、生物と環境との相対関係を、生物にとって都合のいい、ある一定の状態に保ち続ける必要があります。

例えは、温度環境を例にとれば、生物は、自己の都合のいい温度帯に留まり続ける必要があります。寒さに適応した生物は寒い場所に、暑さに適応した生物は暑い場所に、留まり続ける必要があります。

その為には、生物にとって、どの程度、都合がいいか、生物の主観的基準に基づいて、その都合のいい度合を、数値化する必要があります。この基準は、客観的なものではなくて、各生物の都合によって、夫々異なっている、極めて主観的で、固有なものです。

このような生物の側からの基準に基づいた、即ち、生物の主観的都合に基づいた数値を作り出す行為を、今西錦司(以下敬称略)は、『状況の主体化』と呼んでいました。つまり、自分の置かれている状況を、自分の都合に基づいて、主観的に評価する行為です。

客観的に評価することではありません。あくまでも、自己中心的に、自分の都合に合わせて、主観的に評価する必要があります。自分が生きるのですから。
ここでは、この今西の用語と概念をそのまま使っています。

このようにして作り出されてた数値を、フロイトは『テンション』と呼んでいました。フロイトは、このテンションが運動器官に向かって放出されることによって、運動が生じると考えていした。彼は、心の動きを、このテンションの生成と、放出と、消滅によって説明していました。

つまり、心という電子回路を流れる信号を、テンションと呼んでいました。そう理解すると、フロイトの説明は、非常に理解し易くなります。心理学者のくせに、まるで、工学者のようです。説明が合理的です。

用語の定義

用語提唱者意味
状況の主体化今西錦司生きる事と直接結びついた数値を作り出す行為。
自己保存系が、自己の置かれている状況を主観的に評価する行為。
即ち、自己と環境との相対関係を、自己の都合を基準にして、自己にとって都合がいいかどうかを、主観的に評価する行為。
テンションフロイト生きる事と直接結びついた数値。
即ち、『状況の主体化』という行為によって作り出された数値。

テンションの性質

このテンションは、動物の神経組織において、一定の性質を持っています。

動物の神経組織は、自己の置かれている立場が悪ければ、興奮状態になります。都合がよければ、何もする必要が無いので、無興奮状態になります。

つまり、都合が悪くなると、心の中にテンション(興奮)が発生します。そのテンションを、運動器官へ向かって放出することによって、何らかの行動が生じています。
逆に都合が良ければ、何もする必要がないので、テンションは消滅します。テンションが存在しないので、行動もおこりません。

テンションの性質

自己の置かれている状況テンション説明
都合がいい場合ゼロ無興奮状態になります。
無興奮なので、行動は生じません。
都合が悪い場合正の値興奮状態になります。
興奮状態なので、何らかの行動が生じます。

生物の場合、テンションはマイナスの値を取ることはありません。それ故、相反する状況に妥協しなければいけない場合、相反する状況を夫々主体化して、その二つの状況の拮抗として制御しています。

例えは、生物の場合、暑すぎても、寒すぎても、困ります。寒さを感じる感覚細胞と、暑さを感じる感覚細胞は、夫々異なっています。各感覚細胞は、ある特定の都合が悪い状況を、知覚するように特化しています。暑さから寒さまでを感じることが出来る万能の感覚細胞は存在していません。
相反する2つの信号が拮抗することによって、行動が生じています。寒さを強く感じる時には、暖かい方向に、暑さを強く感じる時は、涼しい方向に行動します。

状況の主体化を付加したモデル

この今西とフロイトの辿り着いた結論を追加することによって、始めて、生物型制御理論の枠組みが完成します。それは、丁度、環境に混入している外乱に対抗する作用として機能します。

これを、今までの図に追加すると、下図のようになります。この思考形式自体は、対称性を持ちます。上下左右を、逆転しても、思考形式上は、全く問題ありません。物理的作用の向きは、同じになります。

生命現象を支えている制御システム

制御システムの構造上下左右を逆転
制御システム上下左右を逆転
生命現象を支えている制御システムは、4つの作用から構成されます。左図の上下左右を逆転しても作用(矢印)の向きは同じなります。
対称性を持ちます。

生物の行動を支配している物理量、即ち、テンションを、信号『t』と記述しています。生物は、信号『y』と、信号『t』の関数として記述できますので、下記のようになります。

x=B(y,t)

作用説明
x生物から、環境に向かう作用(信号)
y環境から、生物に向かう作用(信号)
r外乱。
生物の都合とは無関係に生じている環境変化
t状況の主体化。
フロイトがテンションと呼んでいるもの。
自己の生存にとって都合がいいかどうかを数値化。

この図で、生物や、環境は、数学的には、関数として記述可能です。
環境からの出力信号 y は、生物からの入力信号 x と、外乱 r の関数となっています。
生物からの出力信号 x は、環境からの入力信号 y と、状況を主体化した変数 t の関数になっています。

生物と環境の数学的表現

構成要素関数表現説明
生物x = B(y,t)生物は、環境からの作用『y』と、テンション『t』の関数です。
環境y = E(x,r)環境は、生物からの作用『x』と、外乱『r』の関数です。

人間の脳における状況の主体化

人間の脳の場合、この状況の主体化は、視覚野に、その片鱗を見ることができます。ただし、脳に関する情報は、まだ、断片的にしか分かりません。

目から流入した視覚情報は、脳の後頭葉の視覚野に投影されます。ここでは、漫然と処理されている訳ではなくて、各神経細胞毎に、異なった情報の主体化が行われています。点に反応する視覚野細胞、線に反応する視覚野細胞、並行線に反応する視覚野細胞等、情報の意味毎に、反応する細胞が異なっています。

これらの主体化は、階層化されていて、多段階になっているようです。単純な情報の主体化から、より複雑な主体化へと積み上げられ、最終的には、人間の顔に反応する細胞も見られるようです。

顔の認識の前段階では、目玉の主体化、即ち、大きな2つの丸い点に反応する細胞も存在しているものと思われます。これらの細胞群からの情報が合わさって、顔を認識する細胞が発火するものと思われます。

この目玉の主体化は、動物一般に広く存在しているものと思われます。と言うのも、昆虫たちの姿には、やたらと、この目玉を擬態した模様が多いからです。この目玉の主体化が、頭部の認識、即ち、攻撃対象である急所の認識に繋がっているのかもしれません。昆虫たちは、目玉模様を擬態することによって、即ち、ダミーの頭部を作ることによって、急所への攻撃を逸らしているのかもしれません。

我々の視覚情報は、このような状況の主体化の集合体であり、そのひとつひとつに、生きることの意味が結びついています。それらの生きることと結びついた情報の集合体が、我々の感じているイメージです。

視覚野における状況の主体化の階層イメージ

階層主体化の説明
高次階層目玉模様を検出。
人間の顔を検出。
その他、様々な状況が主体化されており、我々は、それらの総合的な組み合わせで映像の意味を理解しています。
。。。。。。。
第3階層平行線に反応する細胞。
二つの平行に並んだ線の状況を主体化。
第2階層線に反応する細胞。
点が真っ直ぐ並んだ線の状況を主体化。
基底階層点に反応する細胞。
まず最初に、光の点が主体化されます。

上の表は、視覚野で行われている情報の主体化のイメージです。まだ情報が断片的で、詳細は、よく解りません。
このような階層構造は、複眼で構成された昆虫たちの視覚システムでも、見られるようです。解剖学的に複数の階層から構成されていることが判別できるみたいです。昆虫の方が、行動様式が単純なので、昆虫の視覚システムを調べたら、意外と全体像が掴み易いかもしれません。

実際に、ロボットを制作する場合は、この状況の主体化、即ち、生きることと直接結びついた量の、階層構造をどのように理解するかがポイントになってきそうです。その為に、効率よく表現可能な数学的形式の開発が急務です。

まとめ

以上の内容を纏めます。
自己保存系は、4つの作用によって構成されます。その4つの作用の関係は、下図のようになります。

自己保存系の構造
制御システム
生命現象を支えている制御システムは、4つの作用から構成されます。

自己保存系を構成する4つの作用

No信号説明
1x生物から環境に向かう作用
2y環境から生物に向かう作用
3r環境自身が持っている外乱
4t状況を主体化した量
生きる事と直接結びついて量

そして、生物と環境は、数学的には、関数として表現されます。

生物と環境の数学的表現

構成要素関数表現説明
生物x = B(y,t)生物は、環境からの作用『y』と、テンション『t』の関数です。
環境y = E(x,r)環境は、生物からの作用『x』と、外乱『r』の関数です。

8.4 脳のが左右が逆転している原因

生物と環境を関数として表現した場合、生物は、環境の逆関数になっています。
脳の左右が逆転しているのも、これが原因と思われます。

この自己保存系が、うまく、自己保存されている場合は、生物と環境との関係がある一定の状態に保たれ、平衡状態になります。即ち、生物への入力信号 y は、ある一定値になることが、期待されます。例えは、生物は、最も自己に都合のいい温度帯に留まり続けようとします。即ち、環境からの入力信号y は、最も最適な一定の温度になります。

生物は環境の逆関数になっている。

このような状態では、生物は、環境の逆関数になります。生物学的には、環境の変化に対して、それを相殺するように、生物は行動します。

数学的には、2つの関数を繋げると、下記のように表現されます。大雑把には、恒等写像になります。
生物は、x=B(y,t) と表現されますから、環境を表現する式、y=E(x,r) の 環境への入力 x を、x=B(y,t) で置き換えると、y=E( B(y,t) ,r ) と表現されます。この 環境からの出力信号 y が、最適な状態に置かれた場合には、生物に都合のいい最適な一定値になります。

関数連結

逆関数

この生物が環境の逆関数になっていることは、我々動物の脳の左右が逆転している事と密接な関係にあるようです。

動物の脳のように、ワイヤードロジックによって、制御システムを構成した場合、即ち、(神経細胞の)配線よって、状況の主体化ロジックを構成した場合、その空間的因果関係も逆転してしまう為、つまり、空間配置も逆転してしまうと思われます。

例えば、人間の視覚野は、漫然と視覚情報を処理している訳ではありません。夫々の細胞が役割分担をしています。点に反応する細胞もあれば、直線に反応する細胞もあります。平行線に反応する細胞もあります。高度なところでは、2つの点の組み合わせ、即ち、眼玉模様のパタンに反応する細胞もあります。

情報の意味がひとつひとつが抽出されて、生きる意味に変換されて、それらの組み合わせによって、視覚情報は理解されています。そこで、情報の主体化、即ち、生きる事との関連が分析されています。例えば、目玉模様を、動物は本能的嫌います。それゆえ、蝶や蛾の中には、目玉模様を持ったものが、多く存在します。

蛇の赤外線を感知するピット器官は、皮膚が変化したものです。眼とは、進化の過程が大きく異なっています。眼は、動物の進化と同時に始まりましたが、ピット器官は、蛇の進化と共に始まりましたから、高々、まだ1億年程度です。
それでも、眼と同様に、左右が反転しています。右側の熱源は、脳の左側に投影され、左側の熱源は、脳の右側に投影されます。

左右が反転しているのは、決して、進化のイタズラや、偶然ではなくて、切実な理由が隠されていると思われます。

しかし、これを数学的にキチンと説明する為には、まだ、まだ、色々、積み上げる必要があります。もし、これが実現したら、その時には、生物型制御原理に基づくロボットの制御も実用化していると思います。
現代のAIのような「なぜ、そんな出力になるのか?」を説明できない恐怖からも解放されることになると思います。

脳は、左右だけでなく、前後も逆転しているように見えます。人間の視覚野は、頭の後ろ側にあります。眼は前に付いているので、配線コストを考えると、前側に投影した方が、配線が短くて済みます。それが、なぜ、わざわぜ、配線コストを無視して、脳の後ろ側(視覚野)に投影しているのでしょうか。なぜ、こんな面倒くさいことをしているのでしょうか。。。(多分、気のせいですね。)


注1)ワイヤードロジック

配線によって、制御用論理回路を実現する方法を、ワイヤードロジックと呼んでいます。

これに対して、プログラムによって論理回路を実現する方法を、ソフトロジック、又は、マイクロプログラムと呼んでいます。

現代では、主に、CPU(中央処理装置)の設計手法を説明する為に使わてれいます。

要は、昔のように、配線によって制御回路を作るか、最近のコンピュータのように、プログラムによって制御回路を作るかの違いです。

ちなみに、昔のボイラーの制御盤は、真空管もトランジスタも使っていませんでした。もちろん、コンピュータも使いません。リレーとタイマーの組み合わせだけで作っていました。信じられないでしょうが。

注2)対称性について

物理学理論の場合、成功している理論には、共通の特徴があります。思考形式や、数学的記述形式が、対象性を持っていることです。

例えは、ニュートン力学の場合、時間の流れについて対称性を持っており、未来に向かって流れても、過去に向かって流れても、それなりに、辻褄があうようになっています。
アイシュタインの相対論の場合は、時間と空間が対象性を持っており、形式的に、時間と空間を入れ替えても、それなりに成りったっています。

ここでも、新しい思考形式を導入する場合は、極力、対称性を持つように、心がけています。『生物』という概念と、それに対立する『環境』という概念が対称性を持つように、つまり、生物と環境を入れ替えても成り立つように、思考形式を整理しています。

と、言うよりは、対称性を持っていない思考形式は、まだ、未完成です。もっと、もっと、常識に対する執着心を、削ぎ落とす必要があります。

「思考形式が対称性を持っていないのは、常識に拘っているからです。見えている常識に執着し、呪縛されているから。」と、思っています。