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

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.

Рис. 3.11.

Скачок перехода на иер ступени, которые содержат в себе истоки современных высокоразвитых форм жизни, на “палеонтологической горке” отражает Кембрийский период (550 миллионов лет назад) имевший продолжительность всего 80 миллионов лет. Именно живые организмы его начала принимал Дарвин (например, в цитате, приведенной в параграфе 1 этой главы) как эквивалент заданных аксиоматически в качестве “творения” (то есть без объяснения эволюционных причин их возникновения).

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.

Рис. 3.12.

Сравните рис. 3.12 и рис. 1.6. На экспоненте в рис. 1.6 главы I изображены асимптотически уменьшающиеся количества информации внутри ступеней иерархии. На рис. 3.12  экспоненциальный рост количества таксономических единиц (в конечном счёте видов). Связь между этими двумя графиками в том, что чем меньше количества информации внутри ступеней иерархии, тем меньше времени надо случайностям для того, чтобы создать новые виды, тем меньше разница между ними в количествах информации и, соответственно, больше их число.

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).

Рис. 3.13.

Казалось бы, на основе палеонтологических фактов середина Кембрия напрочь исключает эволюционную преемственность его начала и конца. Именно это пытается доказать всей мощью своего знания палеонтологии Гоулд. И в рамках классической аксиоматики Дарвина спорить с ним бессмысленно и невозможно. Однако если эти же факты рассмотреть с точки зрения синтеза информации с участием принципа максимума производства энтропии, то противоречия устраняются. Покажу как это происходит.

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.

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