Случайна или неизбежна эволюция
advertisement
Случайна или неизбежна эволюция? Н. Н. Моисеев. «Химия и жизнь», № 7, 1981, с. 23. Электронная версия (15 января 2003 года) Любая стохастичность так или иначе направлена Во втором номере "Химии и жизни" за этот год (1981) опубликована интересная статья Е. К. Тарасова "Случайна ли эволюция". Примечательно, что статья об одной из актуальнейших проблем биологии и написана не биологом, а физиком. Это знамение времени. Наука, расширяя свои границы, переходит к изучению, как говорят математики, всё более сложных "системных конструкций", для которых уже не хватает традиционных схем и полезен взгляд со стороны. Сегодня ясно видны два типа проблем. Одни выдвигаются повседневной практикой и требуют уточнения и конкретизации. Для их изучения необходимо глубоко знать детали, и дилетантизм здесь опасен. Но есть проблемы, где в один узел сплелись самые разнообразные темы и где настоящее открытие может лежать далеко в стороне от традиционных путей мышления. И может оказаться так, что мысли, высказанные специалистом в смежной области, несут в себе зачатки той истины, которую не заметили профессионалы. И если специалистбиолог отнесется к ним без высокомерия, то, может быть, он и найдет в этих мыслях нечто, что заставит его увидеть привычную проблему в непривычном ракурсе. Организовать плодотворную дискуссию, да и встречу исследователей разных областей знания, непросто. Я думаю, что здесь особую роль должны играть научно-популярные журналы. Они, конечно, несут просветительскую нагрузку. Но сегодня это отнюдь не единственная их функция. В наш "системный век", когда междисциплинарные исследования приобретают чрезвычайно важное значение, популярный журнал со статьями, не перегруженными деталями, пожалуй, делается единственным средством общения физиков и биологов, математиков и агрономов с историками, философами... Я принадлежу к числу тех, кто не согласен с Козьмой Прутковым и считает не только допустимым, но и необходимым к толкованию языка ирокезского привлекать непрофессионалов. Вот почему статья Е. К. Тарасова мне кажется более чем уместной в журнале "Химия и жизнь". К тому же статья содержит отнюдь не тривиальные суждения, которые обрисовывают новые грани обсуждаемой темы. Я продолжу разговор об эволюции. Соглашаясь (в принципе) с большинством утверждений Е. К. Тарасова, я хочу продемонстрировать еще одну позицию, с которой тоже можно посмотреть на процесс эволюции – позицию математика, занимающегося проблемами управления. О стохастичности природы и принципе карандаша Теории эволюции основываются на представлении о стохастическом, случайном характере мутаций и комбинациях генетического кода, алфавит которого состоит всего из четырех букв. Но из-за того, что слова этого кода могут быть длинными, содержать тысячу букв и более, то, как справедливо замечает Е. К. Тарасов, на каждом этапе эволюционного процесса мы встречаемся с числом комбинаций, превосходящим на много порядков число элементарных частиц во Вселенной. Поскольку перебор такого числа вариантов принципиально невозможен, то механизм случайного выбора нельзя считать основой эволюции. Я согласен с этим утверждением, но считаю, что проблема сложнее и такой аргументации недостаточно, тем более, что против нее существуют контрдоводы, отнюдь не лишенные смысла. Давайте лучше посмотрим на проблему эволюции с несколько иных позиций. Мир действительно стохастичен. И есть довольно много объективных причин для случайного характера движения материи. Первая – микроуровень бытия материи стохастичен в принципе. Мы просто не можем оперировать с конкретными частицами микромира, потому что в нашем распоряжении только вероятности их локализаций, вероятности распределения скоростей и т. д. Эта вероятностная природа обусловливает стохастичность и на более высоких уровнях материи. Законы же физики проявляются на фоне этой случайной картины. Закономерности диффузии, например, это следствие хаоса, вроде броуновского движения. Кроме того, есть вполне детерминированные процессы, которые все же не отличимы от стохастичных. Классический тому пример – странный "аттрактор Лоренца". Это система третьего порядка, траектория которой совершенно хаотична. Она целиком заполняет некоторое пространство. (Хаотичность движений в "аттракторе Лоренца" – это проявление предельной неустойчивости: два любых, даже близких начальных состояния порождают весьма разные движения, как будто бы они простимулированы случайными, независимыми друг от друга причинами.) Другой пример – движение жидкости или газа. В принципе мы можем математически описать движение всех молекул, составляющих поток. Но чтобы рассчитать их положение в тот или иной момент времени, надо знать начальные состояния и скорости молекул. А они – результат всей предыстории, о которой мы практически ничего не знаем. Во всяком случае мы никогда не будем знать начала, и это заставляет считать начальное состояние cлучайным. Таким образом, множество веских причин диктуют нам принять стохастичность материального мира и генетической информации в том числе. Но случайность случайности – рознь. И из сказанного вовсе ие следует, будто случайность – наиглавнейший фактор эволюции. Прежде чем идти дальше, упомяну лишь один экспериментальный факт: карандаш нельзя поставить на острие – он упадет. Повинна в этом все та же стохастичность, присущая природе. И среди всех возможных положений одинокого карандаша, поставленного однажды на острие, мы можем наблюдать лишь те, когда он пребывает в лежачем состоянии. Тем самым я хочу подчеркнуть, что из равновероятности причин вовсе не следует равновероятность окончательных состояний. Равновероятность или направленный отбор Давайте вспомним сказку Шехерезады, в которой маленький арабчонок выпустил джина из бутылки. Оказавшись на свободе, джин пообещал избавителю выполнить любое его желание. Этот джин был либо лгуном, либо невеждой. Как бы ни был могуч джин, ему не дано переступить через законы сохранения. Скорее всего, он не знал физики, не знал, что любые процессы материального мира подчиняются законам сохранения материи, импульса, энергии и т. д. Эти законы ограничивают выбор – в материальном мире отнюдь не любой процесс можно реализовать. Кроме того, есть и другие помехи, например второй закон термодинамики, гласящий, что энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Эти принципы отбора еще сильнее сужают спектр допустимых движений. Только что шла речь о "принципе карандаша". Это еще один принцип отбора: в природе можно наблюдать лишь те процессы, которые достаточно устойчивы при внешних "случайных" воздействиях. Но для дальнейших рассуждений нам важен другой принцип отбора – принцип минимума диссипации энергии. Речь идет о том, что возможных движений, не нарушающих законы сохранения, второй закон термодинамики и принцип устойчивости, может быть много, однако в природе мы наблюдаем лишь те, которые идут с минимальным ростом энтропии. Вот простейший и хорошо известный пример – течение жидкости в трубе. Здесь возможны два режима – ламинарный и турбулентный. И оба подчиняются всем законам сохранения. Но пока скорость жидкости мала, пока ламинарный поток не потерял устойчивости, наблюдается он и только он, потому что турбулентный режим сопровождается более быстрым ростом энтропии. Сказанного пока достаточно. Ибо любая мутация, любая запись генетического кода – суть процессы физико-химической природы, и подчиняются всем принципам отбора, о которых шла речь. Подсчеты вероятностей, которые делают для подтверждения или критики классической дарвиновской схемы, исходят из предположения о равновероятностном распределении возможных состояний. На самом же деле вероятность подавляющего большинства мыслимых состояний равна нулю, иначе говоря, они просто запрещены. К сожалению, никто не делал подсчетов вероятности тех или иных комбинаций генетического кода, исходя из того, что множество возможных состояний той или иной материальной системы, того или иного процесса стеснено запретами, что это множество в действительности достаточно узко. Да и сделать такой подсчет не просто. С этих позиций вряд ли верно говорить о случайном характере эволюции, даже признавая огромную роль случайностей. Но следует ли отсюда вывод о целенаправленном развитии природы? Наверное, нет. Все процессы неким образом направлены, канализированы законами физики и химии. А вот о широте этих каналов – о возможностях, которые отпускает природа стохастике, об этом поговорить стоит. Информация и обратные связи Е. К. Тарасов абсолютно прав, утверждая, что нельзя понять природу эволюции живой материи, не используя понятие информации. Нельзя в принципе! Я скажу больше – все основные особенности, отличающие биологический уровень организации материи от уровня неживой (или косной) материи, так или иначе обусловлены процессами сбора, передачи, обработки и анализа информации. Среди утверждений Е. К. Тарасова было одно, которое прозвучало как упрек: "... в современные физические теории понятие информации не входит". И это заставляет меня сделать небольшое отступление. Увы, понятие информации неоднозначно. Во всяком случае трактуют его по-разному. И я думаю, что это и служит предметом многочисленных заблуждений. Например, часто пытаются ввести информацию в ранг философской категории, приписать ей некое всеобщее значение, связывают ее с энтропией... И здесь нам необходимо хоть как-то в этом разобраться. Замечу, что новое понятие следует вводить в науку тогда и только тогда, когда без него не обойтись. Вот почему в физике не употребляют понятие информации. Все процессы, которые физика изучает, прекрасно укладываются в те законы и принципы отбора, которые обходятся без понятия "информация". Короче говоря, физике понятие информации не нужно. И я уверен, что физические законы и впредь не будут содержать этого понятия. Но оно абсолютно необходимо при изучении живого мира, где принципы отбора не выведешь из тех законов, которые управляют движением неживой материи. А теперь с отступлением пора покончить: нам предстоит коснуться святая святых – вопроса о том, что такое жизнь и чем процессы в живом веществе отличаются от процессов в неживой материи. Именно коснуться, а не обсуждать. Мне важно подчеркнуть лишь одно свойство, присущее всему живому – устойчивость, стремление к сохранению гомеостаза, порождающее гигантскую систему обратных связей. Конечно, я не могу описать процесс, породивший обратные связи. Если бы я смог это сделать, то оказался бы автором еще одной теории происхождения жизни. Но думаю, что именно эта кибернетическая концепция жизни однажды выведет исследователей на вершину, откуда откроется панорама ее зарождения. Так или иначе, но если однажды возник процесс с "усиленным законом Ле-Шателье", процесс с характером цепной реакции, то вместе с ним родилась и некая форма стабильности, коренным образом отличающаяся от устойчивости лежащего карандаша. И кто знает – может быть, именно такие процессы и запустили эволюционный механизм, создавший живую пирамиду, на вершину которой взгромоздился человек, с апломбом утверждающий, что именно он и есть венец творения. Что тут ни говори, все утверждения до поры до времени будут мыслями "от лукавого". Но есть факт. И он абсолютен: любая живая материя стремится сохранить свою стабильность, сохранить себя как живое с помощью обратных связей. И эти связи рождают новые принципы отбора, среди которых естественный отбор, наверное, лишь один из механизмов. Так вот, описать обратные связи, эту неотъемлемую основу жизненных процессов, нельзя без понятия информации (и памяти). Говорить же об информации и информационных потоках имеет смысл, лишь когда видна цель, для достижения которой используется информация. И такая цель есть – сохранение гомеостаза. Значит, любому живому существу необходимы датчики (рецепторы), фиксирующие отклонения организма от границы гомеостаза. Информация от этих датчиков тем или иным образом обрабатывается, и "принимается решение": организм мобилизует ресурсы и меняет свое состояние. Чем сложнее организм, тем сложнее его информационные потоки и структура обратных связей, тем разнообразнее возможности сохранения гомеостаза. С таких позиций возникновение обратных связей – по своему существу тождественно возникновению жизни. Однако об этом этапе, об этом моменте развития материи мы, увы, не знаем ничего. Давайте примем как аксиому то, что вместе с жизнью рождается и способность к целесообразному поведению – возникает механизм управления (механизм обратных связей). Этот механизм удивителен – крошечная толика атомов или молекул, ничтожная часть совокупности атомов, слагающих организм, определяет его бытие. И не только бытие. ДНК рождает упорядоченность – удивительную повторяемость процесса жизни. Ничего подобного физика не знает. У всех законов физики стохастическая основа и закономерности пробиваются сквозь стохастику, например, из хаоса гигантского числа молекул рождается диффузия. А она не что иное, как результат огромного количества случайностей. В живых же существах упорядоченность диктуется ничтожной группой молекул! Здесь невольно напрашивается аналогия с автопилотом пассажирского лайнера, но только с автопилотом, рожденным не волей конструктора, в возникшим в бесконечном естественном процессе эволюции. И вот эта невидимая глазом упорядоченность молекулярного уровня жизни, упорядоченность, рождающая порядок на макроуровне, дает и новые принципы отбора: структура обратных связей позволяет лишь ограниченный круг движений (развития). Возникает дополнительный отбор, порожденный отнюдь не законами физики и химии, а самой эволюцией. И все же эволюционный процесс, если понимать его широко, приобретает свойства цепной реакции. С этих позиций можно по-настоящему оценить роль памяти. Ведь именно структура памяти – залог сложности и надежности обратных связей, именно память гарантирует целесообразность реакций организма на внешние воздействия. Здесь Тарасов совершенно прав. Выявленный спектр типов памяти огромен и все время расширяется. Есть поведение чисто рефлекторное (или рефлексное), при котором сам рефлекс является памятью, и есть сложнейшие процессы мышления, обеспечивающие переработку информации на основе набора "памятей", и т. д. Промежуточный итог Процессы материального мира не могут быть произвольными. Любая стохастичность так или иначе направлена. Законы природы – это принципы отбора, которые ограничивают стохастическую индивидуальность. Кроме законов сохранения, особую роль в эволюции играют второй закон термодинамики и принцип минимума диссипации энергии. (Энтропию можно интерпретировать как меру неупорядоченности.) И вполне справедливо вот такое высказывание: все процессы, которые не подпитываются извне притоком энергии и вещества, ведут к разрушению первоначальной организации. А принцип минимума диссипации энергии можно трактовать вот так. Из всех возможных движений (возможных состояний) вещества, при которых идет постепенное разрушение организации. воплощается только то. которое дает минимальный ущерб. При переходе материи в живое состояние этот принцип приобретает особое значение, ибо начинается убывание энтропии за счет более быстрого ее нарастания вне организма. В живой материи возникают новые принципы отбора, по своей сути являющиеся обратными связями, которые при помощи метаболизма стимулируют дальнейшее усложнение организации, то есть локальное убывание энтропии. Эти принципы отбора совершенствуют структуру обратных связей и рождают новые. Бифуркации, катастрофы и роль случайностей Начнем с простого и хорошо известного примера, которым еще в XVIII веке пользовался великий Эйлер. На некий прямолинейный стержень действует сила р, направленная вдоль него (см. рис.). Если сила р мала, единственным состоянием равновесия стержня будет прямолинейное. Это означает, что если вывести стержень из равновесия, например ударив его по направлению стрелки, то возникнут колебания, но стержень в конце концов вернется в исходное состояние. Однако есть такое значение силы р*, что при любом р>р* у стержня появятся новые положения равновесия (положения II и III) в форме полуволны синусоиды. В таких условиях прямолинейное состояние стержня уже неустойчиво. Это значит, что каким бы ни было внешнее воздействие на стержень, он не вернется в исходное положение. Стержень займет положение II или III. А вот какое именно, предсказать нельзя. Оно зависит от направления случайного внешнего воздействия. Нагрузку, когда р=р*, называют точкой бифуркации, потому что при переходе того или иного параметра через свое критическое (бифуркационное) значение качественно меняется структура (организация) системы. Чем сложнее система, тем у нее больше самых разных критических значений. Это дискретные множества. И они строго детерминированы. Они продиктованы свойствами вещества, законами сохранения и внешней средой так же, как и возможные формы кристаллических решеток. До тех пор, пока значения параметров состемы далеки от бифуркационных (иногда их называют параметрами катастроф), случайные факторы мало влияют на эволюцию. Они приводят лишь к локальным флуктуациям. Это период медленного накопления изменений, тот этап эволюции, который можно предсказать. Конечно, речь идет лишь о принципиальной возможности: реальный прогноз требует знания множества возможных структур. Но когда система окажется в окрестности точки катастрофы, дальнейший ход эволюции принципиально непредсказуем. Конечно, условия отбора (принципы устойчивости, минимума диссипации и т. д.) ограничивают возможные альтернативы развития системы, но неоднозначность сохраняется. К какому новому состоянию она начнет приближаться, зависит от характера случайных возмущений, как и в примере со стержнем. Когда нагрузка р станет больше "катастрофической" р*, форма стержня может оказаться любой синусоидой, лежащей на поверхности вращения, образованной этой синусоидой, но предсказать, какой именно, невозможно. Выходит, что сам характер организации, сама структура вещества становится компасной стрелкой эволюции. И, пожалуй, неизмеримо сложное явление эволюции можно свести к примитивной схеме, разбив эволюционный процесс на два этапа. Этап медленного, я бы сказал, планомерного развития, этап накопления изменений, когда стохастичность, случайность внешних воздействий очень мало влияет на характер процесса. И второй этап – короткие периоды качественной перестройки системы, возникновение той или иной формы, когда то или иное состояние живого вещества сильно зависит от случайных факторов. На этом этапе эволюция идет чрезвычайно быстро. Наверное, быстрая адаптация биологических макросистем, при заполнении новых биологических ниш, связана именно со cменой структур. Е. К. Тарасов в своей статье говорит о роли "изобретений". Я думаю, что "изобретения", то есть отыскание организмом новых возможностей для упрочения своего гомеостаза с помощью обратных связей, делаются непрерывно. Но если "изобретения" появляются в периоды равновесного развития между бифуркациями, то они не очень-то влияют на характер эволюции. Наверное, они могут легко стереться из памяти. Другое дело, если "изобретения" возникают тогда, когда параметры системы близки к бифуркационным значениям. Тогда "изобретения" чрезвычайно важны для судьбы организма и популяции и навсегда закрепляются в памяти. Структура системы (организма, популяции) – это своеобразный ресурс, который можно использовать для упрочнения гомеостаза. В ходе эволюции организация обычно усложняется. Но это отнюдь не закон. Возможна и деградация. Пример тому – паразиты, о чем писал и Е. К. Тарасов. Говоря о механизмах отбора, я обратил внимание на принцип минимума диссипации энергии. Этот принцип можно по-разному интерпретировать. Например, так: среди возможных форм движения (развития), которые достаточно стабильны и обеспечивают гомеостаз, воплощаются самые экономные. Заключение Цель этой статьи ограниченная. Я лишь хотел обратить внимание читателей на то, что для объяснения тех или иных сторон эволюционного процесса вовсе не бесполезны общие соображения физики и теории управления.
