Страница 43 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Вернусь к иерархии синтеза информации в живой природе. Эво­лю­цию жизни обыч­но описывают в виде некоего древа или желез­нодо­рож­ной сорти­ро­воч­ной горки (рис. 3.11) [89]. Отрезки времени, от­де­ляющие ключевые периоды развития жизни в начале “горки” – огромны. Ближе к современности они быстро уменьшаются. Как было подчеркнуто в пре­ды­дущей главе, ин­тер­­ва­лы времени палеонтологи­чес­кой шкалы неявно связаны с количест­ва­ми информации, синтезируемой в её периоды.

Такое, как на рис. 3.11, изображение эволюции жизни соот­вет­ст­ву­ет человеческим представлениям о хронологии и принципах сбора пале­он­то­ло­гических находок. Оно наглядно. Однако в палеонтологию начи­на­ет входить ге­не­тический анализ, который использует свои прин­ципы груп­­пи­ровки на­ходок. “Па­ле­он­тологическая гор­ка” типа рис. 3.11 на его ос­но­ве уже сегодня существенно изменилась. Перечислять новые связи, например, как доказанное родство коров и китов, не буду. Важно, что “ге­нетическая палеонтология” коррелирует с подходом к эво­лю­ции жиз­ни в этой работе. Палеонтологические шкалы типа рис. 3.11 не от­ра­жают главный принцип эво­лю­ции жизни – иерархический син­тез ин­фор­мации. Факты, установленные на основе генетических ана­лизов, это подтверж­да­ют, хотя в явном виде принципы этой работы пока ещё в пелеон­то­ло­гии не испольуются. Не сомневаюсь, что время это исправит.

В схеме рис. 3.11 на различимом уровне участвуют уже много­кле­точ­ные организмы:  растения, животные, грибы. Древнейшая из извест­ных фаун – Вендская (примерно 620 миллионов лет в прошлом). Палеон­то­логия свидетельствует, что воз­ник­ла она скачком. Её об­разо­вы­вали мно­гочисленные обособленные группы бесскелетных жи­вотных.

В переходе к многоклеточным бесскелетным ор­га­­низ­мам в Венд­с­кой фауне и далее от них к почти современным формам в на­ча­ле Кемб­рийского периода таксономические скачки (как и при возникновении жизни) возникали в результате син­те­за информации с помощью прин­ци­па максимума производства энтро­пии-информации. Типич­ное не­­до­у­­ме­ние эволюционистов по по­воду отсутствия пе­ре­ходных форм в ис­то­ках фауны этих периодов не­о­бо­­снованно – их быть не должно (см. па­раграф 3 этой главы), а потому и нет. Пале­он­тология это только подтверждает.

Бесспорный факт в палеонтологии – существование явных быст­рых во времени скачков, которые иллю­ст­рируют находки резко отлич­ных форм живых организмов и полное от­сут­ствие форм, переходных меж­ду ни­­ми. Иначе быть не может. Для отбора фундаментальные “на­ход­ки” в эволю­ции жизни создаёт принцип максимума производства энт­ропии. При его действии переходных форм быть не должно – вы­жи­вают выживающие (в том числе заведомо неоп­ти­мальные). Для этого им нужна “пустая” экологическая ниша. Она в этих интервалах времён воз­никала неоднократно, например, при выходе растений, а потом живот­ных на сушу. Её источниками в последующем могли быть глобальные ка­­та­­ст­рофы и крупные климатические изменения. Так было, например, при вы­мирании динозавров. Освобождающиеся при этом экологические ниши в па­­ле­он­то­ло­ги­чес­ких масштабах заполняются быстро.

Однако новая экологическая ниша может возникнуть и без участия катастроф. Например, её может создать перенаселенность, возникшая у предыдущей формы жизни. Она обычно сопровождается быстрым выми­ранием как результатом того, что сильно размножившиеся виды прово­ци­руют размножение тех, кто их использует как ресурсы для своей жиз­ни. Если это вирусы и микробы, то смертность в результате болезней мгновенно освобождает соот­вет­ствующую экологическую ни­шу. Если это иерархически последующие виды, то вымирание предыдущих есть ре­­­сурс­ное условие для эволюционного развития и усложнения нового. Тре­бовать всегда аст­ро­но­мических или геологических катастроф как при­­­чи­ны для возник­но­вения новых таксономических градаций – ошибка.

Иерархический скачок синтеза информации, даже если он прои­зо­шёл на основе геологической катастрофы, не требует полного уничто­же­ния предшествовавших ему флоры и фауны.  Более того, на самых пер­вых этапах эволюции жизни такой скачок, как правило, был связан с симбиозом конкретных представителей предыдущих форм жизни как целого. Но и последующие иерархические скачки оставили не мало “жи­вых ископаемых”, хотя и не абсолютно необходимых как составляющих для симбиоза на старших ступенях иерархии жизни. В водной среде это ла­ти­мерии, двоякодышащие рыбы, гаттерии, акулы, крокодилы, чере­па­хи. Среди беспозвоночных такие “жи­вые ископаемые” представлены пле­че­но­гими, наутилусами, мечехвостами, устрицами. Список можно про­должить. Одни из распространённые сегодня деревьев – сосна и ель. Их от­но­сят к голосемен­ным, то есть иерархически и во времени к даль­ним про­ш­лым формам растений. Сегодня они существуют совместно с более позд­ни­ми растениями – покрытосеменными.

В этом долгожительстве всегда участвуют конк­ретные причины. Например, хвойные сосновые леса устойчивы – они могут сами себя вос­про­из­водить неизменными. Лист­венные леса, как правило, неустойчивы. Они про­­во­цируют своё непрерывное изменение по составу раститель­но­с­ти. Этим они оставляют возможность, например, сосне возвращать себе ло­каль­ные эко­ло­ги­чес­кие ниши. “Жи­вые ископаемые” не столько ста­рые виды, эволюционно приспособившиеся к новым условиям и соседям по эко­ло­гической нише, сколько выжившие из числа видов предыдущего рав­но­весия.

Для млекопитающих эко­ло­гическая ниша, в которой они развились путём выживания выживающих (возникших на основе принципа макси­му­ма производства энтропии-информации), не была пустой. Особеннос­ти их метаболизма поз­воляли им в ней только выживать. Они в конку­рент­ной борь­­бе существовали как мелкие животные. Глобальных преи­му­ществ по отно­ше­нию к уже существовавшим обитателям этой ниши у них не бы­­ло. Но и особой привлекательностью (как пищевым ресурсом) они не обладали. Так они и теплились около 100 миллионов лет, накап­ли­вая “молчащие”  му­тации и терпи­мые уродства. Однако похолодание после столкновения Зем­ли с метео­ри­том примерно 65 миллионов лет на­зад вызвало вымирание большинства видов динозав­ров и освободило для них экологическую нишу. В новых бо­лее холодных кли­матических усло­виях их теплокровность (в жарком влаж­ном климате скорее уродство, чем необходимость) создала им преимущества. Внутриутробный онто­ге­нез, вскармливание на основе молока как гарантированной рафини­рован­ной пищи разрешило запоминание выбора из нового класса случай­но­с­тей, нереализуемых при развитии из предварительных запасов яйца. Имен­но это привело к росту их роли в фауне Земли.

Одно из наиболее полных современных описаний Кембрийского пе­­ри­ода при­­надлежит С. Гоулду [90], [91]. Он в своих работах уделяет много вниманию анализу основ дарвинизма, однако ответов на парадок­сы слу­чайностей в дарвинизме он не нашёл. Начало Кембрийского пери­о­­да характеризуют те единич­ные пред­ста­вители таксономических гра­да­ции, которые Дарвин аксиоматически принял родо­на­чальниками буду­щей эволюции жизни. Животный и рас­ти­тельный мир окончания Кем­б­рия  считают, хотя и не вполне понят­ным, но эволюционным продолже­ни­ем его начала.

К концу Кембрия  природа пришла с результатами, решающими для современ­ной жизни. В океанах уже существовало около трёх чет­вер­тей ныне населяющих их форм жизни. Появился новый класс – чле­нистоногих – предков всех буду­щих позвоночных. Живые организмы по­лучили систему кровообращения, центральную нервную систему, по­ло­­вое размножение, желудочно-кишеч­ный тракт, совершенный набор спо­со­бов нападения и защиты.

Казалось, что середина Кемб­рия должна дать промежу­точ­­­ные эво­лю­ционно “гладкие” переходные фор­мы к этим новоприоб­ре­тениям при­роды. Проверить это было труд­но, так как организмы из мягких тка­ней поч­ти не оставляют палеон­то­логи­ческих следов (а именно они были ха­рактерны для начала Кембрия). Нео­жи­дан­но при­ро­да смог­ла в сланцах сохранить их чет­кие изо­б­ражения. В Бед­­жейс­ских слан­цевых от­ло­же­ни­ях в 1909 г. бы­ло найдено много но­вых фактов. Их объе­ди­няет понятие – “Кемб­рий­ский взрыв”.

            В физике взрывом называют та­кие процессы, которые развиваются по экспоненте. На рис. 3.12 [90] показан рост числа таксономических от­ря­­­дов на ру­беже Кембрийского пери­ода. Это действительно экспонен­та – взрыв в тер­ми­нах фи­зи­ки.

            Кембрийский взрыв был мгно­венным в мас­шта­бах всего вре­мени эво­лю­ции жизни. Он сопровождался не толь­ко по­яв­лением множества прин­ци­пи­аль­но нового, но это но­вое по­яви­лось в огромных количествах. В Кем­брийском периоде для многих видов жи­вых организ­мов об оп­ти­маль­­ности и речи нет. На­при­мер, пяти­гла­зая opabinia (рис. 3.13).

            К началу Кембрия существовали прокариотические и эукарио­ти­чес­­кие клетки как самостоятельные организмы. Были достаточно выра­жен­­ные и сложные многоклеточные организмы. В их возникновении глав­ным был синтез информации на основе эукариотических клеток как объек­тов предыдущего уровня иерархии энт­­ропии-информации. Обры­вая предис­то­­рию можно констатировать, что начало Кем­брия харак­те­ри­зо­вало относительно не­­­большое разнообразие прос­тейших ви­дов-пред­шест­венников современных форм жиз­ни. Они в мас­штабах времён эво­люции со­су­ществовали долго, при­б­ли­жа­ясь к рав­но­весию меж­ду собой и с окружающей средой, но многих ключе­вых осо­бенностей современных форм жизни у них не было даже в за­чат­ке – эволюции нечего было от­бирать и совершенст­во­вать.

            В процессе почти равновесного сосуществования этих форм жизни возникали генетические ошибки в воспроизведении, которые преиму­ще­ст­вен­но отбраковывались естественным отбором. Однако многие из них накапливались в молчащих участках ДНК – не работали. Одновременно дейст­вовало и дарвиновское видоообразование, выражаемое про­цес­сами самоорганизации при возврате к равновесию вида 1 – 5  на рис. 1.2.

Огромное разнообразие конкретных условий в этих процессах, вре­­мена их протекания, составлявшие многие десятки миллио­нов лет, давали свои результаты, не слишком нарушающие существую­щее равно­весие. Однако при этом возрастала плотность жизни в прос­тей­шем смыс­ле численности особей в объеме морей и океанов, частоты контактов. Пи­щевая основа их сосуществования содержала обычный источ­ник в ви­де фотосинтезирующих видов (растений) и последу­ющее взаимное пое­да­ние у животных.

            Первичное, главнейшее условие, определяющее возникно­вение и эво­люцию жизни, как многократно было подчёркнуто выше, есть прин­цип структурной комплементарности – продукты метаболизма законо­мер­но подчиняются правилам универсальной взаимопригодности.

            Гибридизация ДНК – объединение разных ДНК целиком или их от­­дель­ных участков – есть высоковероятный преимущественно физико-хи­ми­ческий процесс. При относительно высокой плотности много­кле­точ­­ных форм жизни такая гибридизация ДНК происходила час­то. Прокариоты и многоклеточные эукариоты имели достаточно обособ­лен­ные экологические ниши. Прокариоты ещё только создали кислород­ную атмосферу, а эукариоты имели преимущественно кислородный об­мен. Это их в какой-то мере разделяло территориально и экологически. Мно­го­клеточные эукариотические организмы поэтому могли выживать, не имея современных систем иммунитета. Тем более не было форм им­мунитета типа “свой-чужой”, которые стали почти обязательными в послекембрийские времена. Гибридные ДНК могли становиться основой выживания выживающих в виде любых монстров, которые получали возможность “призовым образом” занять новые экологические ниши. Пре­­и­мущества кислородной энергетики разрешали им любую расто­чи­тель­ность в потреблении энергии. Всё это есть типичные условия для преодоления тупика равновесия – дальнейших прев­ра­ще­ний.

Случайно в деталях, но закономерно биофизически, воз­никали та­кие изменения ДНК, которые приводили к реакциям и продуктам, силь­но расширяющим возможности симбиоза на уровне клеточных и внутри­кле­точных структур. Это коррелирует с самопроизвольностью увеличе­ния длины ДНК. Поэтому за короткий в масштабах эволюции пе­риод по­ряд­ка де­сятков миллионов лет возникло много новых генов и их комби­на­ций. Случайное сов­па­дение возможностей этих генов с особенностями рас­то­чи­тельной кемб­рий­ской экологической ниши стимулировало син­тез ин­формации на ос­но­ве принципа максимума производства энтропии – слу­чайное запо­ми­нание ключевых “находок”, приводящее к новым так­со­но­мическим градациям. Закрепившиеся таким образом гены могли пере­кре­ст­но диффунди­ровать в разных представителей жизни Кембрия. В каж­дом из них они вели себя индивидуально, но в среднем однотипно – повышая возможности синтеза и запоминания самых раз­нообразных (не обязательно “полезных”, а скорее гротескных) симбиозов внутри кон­­­­­к­ретных организмов и между ними. Симбиоз это есть морфоло­ги­чес­кое вы­ражение иерархии синтеза информации.

             Одномоментно в масштабах времён эволюции жизни закрепились путём выживания выживающих генети­чес­кие изменения, повышающие возможности изменчи­во­сти. Умень­шение количеств информации “внут­ри” более высоких ступеней иерар­хии синтеза ин­фор­мации (рис. 1.6) ста­ло основой многовариантности новых форм жизни и “од­но­момент­но­сти” их возникновения.

            Расширение возможностей генетически закрепленного симбиоза как ступени с номером  k = kkem – “кембрийский” в иерархии синтеза энтропии-информации могло быть запомнено (превращено в инфор­ма­цию) потому, что оно на основе выживания выживающих создавало ог­ромные новые способности к превращениям (ре­а­ли­за­цию максимума про­изводства энтропии). Пло­с­­кос­ть , по­ка­зан­ная на рис. 2.4 – это и есть “Кем­брийский взрыв”.

В терминах синтеза информации на уровне ДНК “Кембрийский взрыв” есть эволюционный процесс:  в пределах энергетического рав­но­правия разных структур ДНК запоминаются некоторые из них. Энер­ге­ти­ческие зако­ны для ДНК (типа минимума свободной энергии, а строго в виде кри­те­риев устойчивости в комплексной плоскости) не могут быть кри­­те­риями запоминания (синтеза информации), например, о мухе или слоне, но ими задаётся эволюционность в том смысле, что принцип мак­си­мума произ­водства энтропии запоминает одни из возможных слу­чай­ных структур ДНК. На их основе происходят в порядке стремления к рав­новесию иерархические процессы самоорганизации (синтеза инфор­ма­ции). Это превращает случайности для ДНК в “муху или слона”.

В терминах систематики и наблюдаемых форм жизни “Кембрийс­кий взрыв” есть огромный скачок, несопоставимый с происходившими вну­три предыдущих ступеней иерархии по­чти равновесными изменени­я­ми форм жизни. Дальше новые плоскости энтропии-информации возни­кают в убыстряющемся темпе – отличающие их интервалы времени из­ме­ряются в сотых и тысячных долях от миллиарда лет. Многие виды жизни “Кембрийского взрыва” являются закономер­ны­ми скачками как составляющей непрерыв­но­го эволюционного про­цесса. Кембрийский период маркирует тот рубеж, на котором пока­за­тель экспоненты, описы­вающей число таксоно­ми­ческих единиц, начи­нает пре­вышать единицу.

            Можно привести много примеров того, как расширение возмож­но­стей симбиоза с учётом действия принципа структурной комплементар­ности приводило к возникновению и эволюционному развитию важней­ших современных систем живых организмов. Отмечу из них один.

Все живые организмы в той или иной мере выделяют вещества в окружающую среду. В силу принципа структурной комплементарности среди них случайно, но обязательно, оказываются такие, которые могут использо­ваться в процессах, не связанных с основным энергетическим метабо­лиз­мом. Вещество, на которое организм отвечает химически, но так, что яв­ной “цели” в этом нет, создаёт возможность запомнить его как случай­ность, превращённую в сигнал взаимодействия организмов. В современ­ном виде это, на­при­мер, феромоны как средство управления сообщест­вами насе­ко­мых. Возникает (как скачок иерархии энт­ро­пии-ин­фор­ма­ции) сигналь­ная (гормональная и нейромедиаторная) био­химия. Когда ор­ганизм уве­личивает свои размеры, то составляющие его органы-сим­бионты сох­ра­ня­ют способность выделения внешних для них ве­ществ. Но теперь эти вещества могут распространяться преиму­щест­­вен­но только внутри ор­га­низмов. Так возникают и эволюционируют важ­­нейшие для жи­вых су­ществ гормональные системы.

Запоминание в процессе роста возможностей симбиоза находится (как и на всех этапах эволюции жизни) ещё и под контролем законов ме­ханики и физики. В своей работе [6] я приводил пример того, как из­вест­ная в меха­ни­­ке неустойчивость Релея с ростом размеров организ­ма при­водит к воз­никновению в нём сосудистых систем в качестве сред­ст­ва транспорта про­дук­тов и кислорода.

Неустойчивость Релея иллюстрируют капли на холодном потолке в комнате с очень влажным воздухом. Пар осаждается на потолок равно­мерной плёнкой, но неустойчивость делает обязательным нарастание в виде капель случайных нарушений однородности её толщины. Подобная неустойчивость возникает и при фильтрации жидкостей через однород­ную деформируемую среду – в ней возникают каналы как, например, при прорыве грунтовых дамб. При заданных свойствах среды порог возник­новения релеевской неустойчивости зависит от поперечного размера об­ласти, через которую происходит фильтрация.

Например, у насекомых размеры тела малы. При заданных, близ­ких друг дру­гу механических парамерах тканей, образующих организмы разных видов жизни, размеры насе­комых мень­ше тех, которые необ­хо­димы для возникновения неустой­чивости при филь­трации жидкостей в организме. Насекомые сосудистых сис­тем, как правило, не имеют. Жид­кости в них циркулируют, фильт­ру­ясь через однородные тка­ни.

С ростом размеров организма при фильтрации жидкостей в нём воз­никает неустойчивость Релея. Но организм есть симбионт клеток. Из­менение условий питания на границах каналов, возникших как случайно расположенные в однородной среде следствия неустойчивости, делает эти об­ласти (на основе случайностей, контролируемых принципом струк­­­тур­ной комплементарности) местом роста сосудов, как сообществ клеток-симбиотов, возникших в результате естественного отбора при дру­гих локальных условиях метаболизма внутри организма. Неустой­чи­вость Релея создаёт внутри организмов спе­цифическую “экологическую нишу”, а естественный отбор зак­реп­ля­ет её “заселение”. В главе VII этой книги я расскажу что есть подобная по принципам причина возник­но­ве­ния и эволюционного роста нервных систем.

Возможности симбиоза как реализация принципа максиму­ма про­из­водства энтропии создают плоскости  “ту­пиков равновесия”. В самом начале их образования огромная ско­рость размножения закрепляет совершенно невероятные случайные фор­мы сим­­­биоза. Выросло случайно пять глаз – сойдёт. Выросло 14 ног – хоть и с огромными трудностями, но ходить можно и т.д. Нет предзаданной це­ли, нет предзаданной оптимальности. Есть свободные экологические ни­ши для новых живых существ и их заполняют любые, хоть сколько-ни­будь жизнеспособные формы жизни. Поскольку внутри иерархической ступени синтеза информации, на конкретной плоскости  существует “цель” – равнове­сие, то возникают понятия оптимальности, “целесообразности” в до­с­ти­же­нии равновесия, которого нет при начале взрывного роста энтропии-ин­формации, задаваемом прин­ци­пом макси­мума производства энтропии. Оптимальность – это есть клас­сический дарвиновский отбор и эволюци­он­ная изменчивость в его про­цессе.

            Случайность наплодила монстров. Условия регулируют их взаимо­действие между собой и с внешней средой. В пределах плоскости “тупи­ков равновесия” становятся решающими самые малые отличия и преи­мущества конкретных видов. И, конечно, пятиглазки и подобные извра­щения обречены. Пять глаз надо кормить. Надо, чтобы сигналы пяти глаз хотя бы не мешали друг другу. Два глаза создают преимущество при определении рас­­­стояний. Очень много (но простейших) глаз сосу­ще­ст­вуют друг с дру­гом в виде фасеточного глаза насекомых. Проме­жу­точ­ные трёх-пяти­глазки либо пожираются более “целесообразными” двух­гла­зы­ми, либо в процессе малой случайной изменчивости превращают лишние глаза в отделы своей нервной системы, которые приобретают новые функции. Например, есть реальность “третий глаз” как функцио­наль­но автоном­ная область мозга у млекопитающих.

            Скорость размножения и скорость вымирания, когда действуют значительные преимущества в “борьбе за существование”, может быть со­поставлена со скоростями вымирания при планетарных катаклизмах.

            Вспомните общеизвестный пример с кактусом-опунцией, который завезли в Австралию без паразитирующих на нём симбионтов-насе­ко­мых. Из-за огромной скорости размножения этих кактусов возникла экологи­ческая катастрофа. Но как только привезли их паразитов, раз­мно­же­ние кактусов остановилось на ничтожном уровне.

Равновесие кактус-паразит возникло давно как результат дарви­нов­с­кого отбора, независимого от тех, кто завозил кактусы или парази­тов в Австралию. А “пятиглазки” должны были ещё выдержать испыта­ние естественным отбором. Поскольку они случайного происхождения, то гарантий успешных испытаний у них не было. Возможно, что некото­рым из них для вымирания и “поедающие” не были нужны. Достаточно сос­лать­­ся на ещё более общеизвестный пример с завозом коз на необи­та­е­мый остров, где их раньше никогда не было. Они вымерли, так как, распло­дившись, съели без остатка источники своей пищи.