Книга: ЧЕЛОВЕК И НООСФЕРА

Некоторые общие свойства механизмов эволюции

Некоторые общие свойства

механизмов эволюции

Сегодня термин «механизм» стал употребляться довольно широко. Не только в технике, где он возник, но и в биологии (генетический механизм, например), в экономике (рыночный механизм, механизм ценообразования и т. д.), в социальной и политической сферах… Произнося слово «механизм», мы имеем в виду некоторую совокупность логических связей, процедур, определяющих возникновение изменений в той или иной развивающейся (эволюционирующей) системе.

В предыдущем параграфе я сделал попытку объяснить, что любой механизм в своей основе имеет три фактора — изменчивость, наследственность, отбор. Если достаточно широко понимать эти основные ключевые слова, то можно выработать весьма гибкие средства для описания различных механизмов самоорганизации материи — средства, позволяющие увидеть то общее состояние, которое присуще любым процессам развития, в том числе и общественным.

Следующим шагом было бы естественно попытаться построить классификацию этих механизмов и рассмотреть их с единых позиций. В практическом отношении это напоминало бы попытку Ампера дать классификацию наук. Несмотря на принципиальную важность такой проблемы, для ее решения, как мне кажется, еще не настало время. Поэтому я сужаю свою задачу и постараюсь выделить лишь два класса механизмов эволюции, играющих важнейшую роль в явлениях самой различной физической природы.

К первому классу я отнесу «адаптационные» механизмы. Это, конечно, прежде всего дарвиновские механизмы естественного отбора. Но подобные механизмы действуют и в физических, и в химических процессах, используются и в технике, и в общественной сфере. Принятое название весьма условное и требует разъяснений, ибо, произнося слово «адаптация», надо сказать о приспособлении, к чему идет речь. При изменении условий та логическая цепочка (или система процедур, или процесс), которая приспосабливала данную систему (организм в том числе), может уже перестать быть механизмом «адаптационного типа».

Основная особенность «адаптационных» механизмов состоит в том, что они позволяют нам в принципе предвидеть (с определенной точностью, конечно) результаты действия механизма, то есть развитие событий. А значит, и прогнозировать эти события. Это происходит потому, что адаптация, то есть самонастройка, обеспечивает развивающейся системе определенную стабильность в данных конкретных условиях внешней среды. Значит, изучая эти условия, особенности среды, мы можем предвидеть (предсказать) тенденции в изменении параметров системы, которые будут происходить под действием этих механизмов.

Другими словами, мы оказываемся способными заранее более или менее точно определить множество состояний (совокупность параметров, которые будут обеспечивать ее устойчивость при данных условиях внешней среды). Этими обстоятельствами уже давно пользуются селекционеры, формируя отбор надлежащим образом.

В физике и технике механизмы самоорганизации, использующие к тому же принцип обратной связи (об этом мы еще будем говорить специально), давно и широко используются для обеспечения адаптации. Соответствующая теория позволяет при наличии надлежащей информации об окружающей среде с большой уверенностью предсказывать результаты их действий.

Наверное, можно сказать и так: адаптационные механизмы обладают тем замечательным свойством, что ни внешние возмущения, ни внутренние пертурбации с помощью этих механизмов не способны вывести систему за пределы того «обозримого канала эволюции», того коридора, который заготовила природа для развития этой системы. Под действием механизмов адаптационного типа границы этого коридора, очерченные объективными законами нашего мира, более или менее близки друг к другу и достаточно обозримы в перспективе. Следовательно, путь развития в этом случае предсказуем со значительной точностью.

Но существует и другой тип механизмов эволюции. Он имеет уже совершенно иную природу, хотя, как мы увидим ниже, и для него дарвиновская триада полностью сохраняет свой смысл. Для иллюстрации этого типа механизмов обсудим некоторые особенности течения жидкости в трубе, пример, к которому я еще не раз буду обращаться.

Пока расход жидкости мал, ее течение носит ламинарный характер, оно следует закону Пуазейля: частицы жидкости движутся параллельно оси трубы, а эпюра их скоростей имеет параболический характер. Чтобы протолкнуть этот расход жидкости через трубу, требуется определенное усилие. Оно определяется разностью давлений, приложенных в различных сечениях трубы. С ростом расхода эта разность до поры до времени будет расти по линейному закону, а эпюра скоростей жидких частиц будет сохранять свою параболическую форму.

Но достаточно потоку превзойти некоторый критический порог, как характер течения жидкости качественно изменится. Ламинарное течение перестраивается, оно превращается в турбулентное. Разность давлений при этом начинает быстро расти.

Иными словами, существует некоторое критическое значение внешнего воздействия, определяемое величиной расхода жидкости. Выше этого значения прежняя, ламинарная, форма движения жидкости существовать уже не может, старая организация системы разрушается. Вместо ламинарного движения жидкости возникает турбулентное.

Этот пример показывает, что физические системы обладают пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому, качественному изменению протекающих в них процессов — к изменению их организации. И очень важно зафиксировать следующее положение: переход системы в новое состояние в этой пороговой ситуации неоднозначен, так же как и характер ее новой организации, то есть после бифуркации существует целое множество возможных структур, в рамках которых в дальнейшем будет развиваться система. И предсказать заранее, какая из этих структур реализуется, нельзя. Нельзя в принципе, ибо это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий — флюктуаций внешней среды, — которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять отбор.

Эта особенность пороговых (бифуркационных или катастрофических) механизмов играет совершенно особую роль в развитии нашего мира.

Поясним ее еще на одном примере.

Предположим, что мы взяли палку за два конца и начали ее изгибать. По мере увеличения силы, которую мы прикладываем, палка будет все больше и больше изгибаться. До поры до времени она будет все же оставаться палкой. Но в какой-то момент сломается и перестанет быть палкой. Точно предсказать, в каком месте сломается и на сколько частей, заранее мы не можем.

Вот эта неопределенность будущего и есть главная особенность рассматриваемого типа механизмов. Она есть следствие того, что будущее состояние системы при переходе ее характеристик через пороговое значение определяется прежде всего случайностью — флюктуациями.

А они присутствуют всегда! Важно сказать, что при переходе через бифуркационное состояние система как бы забывает (или почти забывает) свое прошлое. В этой точке происходит как бы разветвление путей эволюции. И в силу вероятностного характера перехода через это пороговое состояние обратного хода эволюции уже нет (точнее сказать, вероятность подобного события равна нулю)! Время, как и эволюция, приобретет направленность, необратимость!

Объясняя особенности пороговых механизмов, я привел два примера процессов, происходящих в мире неживой материи. Но пороговые механизмы свойственны и процессам, протекающим в мире живой природы и общества. Но там их проявление значительно сложнее. Вот почему, выбирая иллюстративные примеры, характеризующие пороговые механизмы, я следовал известному высказыванию В. И. Вернадского: «…вполне позволительно и удобно воспользоваться здесь (то есть в биологии. — Н. М.) аналогией между живым веществом и газовой массой».

Факт существования механизмов бифуркационного типа заставляет вносить известные коррективы и в общую картину эволюции жизни на Земле и реабилитировать, в известной степени, теорию катастроф Кювье. Не только дарвиновское постепенное совершенствование видов определило процесс развития, но и быстрые перестройки. Поскольку и адаптированные и бифуркационные алгоритмы являются типичными классами механизмов, реализующих самоорганизацию вещества, то нет никаких логических оснований исключать какие-либо универсальные механизмы из числа тех, что определяют эволюцию также и живого мира. Кажется, что эти общие соображения, основанные на представлениях о единстве процессов развития, находят подтверждение в наблюдениях естествоиспытателей.

В самом деле, как уже сейчас установлено геологами и палеонтологами, на Земле более или менее регулярно возникало повышение фоновой радиации (возможно, что это связано с прохождением Солнца через соответствующие зоны Космоса). В результате резко интенсифицировался мутагенез и менялись условия жизни на Земле. Это, в свою очередь, стимулировало быстрое вымирание старых видов и появление новых. Поэтому вопрос: Дарвин или Кювье — мне кажется неправомочным. Не или, а и! Катастрофические состояния биосферы, порождавшие бифуркации, были столь же естественными элементами эволюционного процесса, как и адаптация и внутривидовая борьба. Таким образом, изучение общей логики развития нас неизбежно наводит на соображения вполне конкретного характера.

Рассуждения о механизмах, которые были приведены выше, конечно, достаточно условны и схематичны. Реальные процессы развития — это всегда целая гамма различных механизмов (о некоторых из них я еще буду говорить). Тем не менее приведенные соображения достаточно наглядны и позволяют дать разнообразные интерпретации единого процесса развития.

Законы физики, химии и другие принципы отбора устанавливают определенные границы изменения состояний системы, определяют, так сказать, «каналы», внутри которых и могут протекать эволюционные процессы. В свою очередь, множество случайных факторов вне времени как бы пытаются вывести систему за эти «границы». Но до поры до времени этого не происходит— поток внутри «канала» следует механизму адаптационного типа. Границы адаптации («берега канала») эволюционного развития могут быть рассчитаны с большой степенью точности, если мы хорошо знаем принципы отбора, то есть законы развития.

Но вот однажды в силу тех или иных причин эволюционный поток выходит на «площадь» — пересечение нескольких каналов эволюции. И теперь вступают в действие механизмы, которые, следуя терминологии А. Пуанкаре, мы назвали бифуркационными. На перекрестке каналов возникает бифуркация (или катастрофа, если использовать язык Уитни и Тома). Характер развития качественно меняется. Но самое главное — возникает несколько вариантов дальнейшего развития эволюционного процесса. И этих вариантов столько, сколько каналов эволюции выходит на их перекресток. И выбор нового канала неопределенен — какова будет новая организация системы, предсказать невозможно!

Невозможно в принципе, ибо этот выбор зависит (окончательно определяется) от тех случайных факторов, которые неизбежно присутствуют в момент выхода системы на перекресток каналов эволюции. Они в этот момент являются фактором, определяющим последующее развитие. В этом одна из важнейших особенностей бифуркации, определяющая ее непредсказуемость.

Изложенная интерпретация характера эволюции делает наглядным один из общих законов самоорганизации материи: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Он носит название закона дивергенции и является справедливым в равной степени на всех трех этапах развития материального мира — в мире неживой материи, в эволюции живых веществ и в обществе. Я о нем уже упоминал (в биологии этот закон часто называют законом цефализации). Теперь хочу показать, что он является прямым следствием «работы» механизмов бифуркационного типа.

Законы природы ограничивают множество возможных (виртуальных) состояний материальных систем и форм их организации, которые я условно назвал «каналами эволюции». Подчас берега этих каналов оказываются очень близкими — поддержание большинства химических реакций или сохранение гомеостазиса некоего вида возможно только в узком диапазоне параметров внешней среды. Тем не менее стохастический характер причинности и действие бифуркационных механизмов может развести сколь угодно далеко даже самые близкие, практически тождественные формы организации.

Этот факт один из основных источников неустойчивостей, которые мы непрерывно наблюдаем в окружающем нас мире. Его легко интерпретировать на хорошо известном опытном материале.

Предположим, что две одинаковые круглые колонны находятся под действием одинаковых, все возрастающих вертикальных нагрузок. Кроме того, на эти колонны непрерывно действуют порывы ветра. Поскольку механические свойства колонн одинаковы и вертикальная нагрузка одинакова, то они в один и тот же момент достигнут своего порога устойчивости, и согласно теории Л. Эйлера у них одновременно произойдет бифуркация: вертикальная форма равновесия потеряет устойчивость, и вместо нее возникнет континуум новых форм равновесия — поверхность вращения полуволны синусоиды.

Однако поскольку порывы ветра никогда не бывают строго идентичными, то после бифуркации новые формы равновесия обеих колонн будут разными. Это означает, что в новых условиях колебания колонн будут происходить в разных каналах эволюции, в данном случае в разных плоскостях. Вероятность же того, что при новой бифуркации равновесные положения колонн совпадут, равна нулю, так как форм равновесия бесчисленное множество.

С увеличением размерности системы, что всегда происходит при увеличении ее сложности, количество состояний, в которых могут происходить катастрофы (бифуркации), быстро возрастает. Следовательно, с ростом сложности системы растет и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, то есть дивергенции, а вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю. Это и означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному росту числа организационных форм.

Примечание. Среди биологов существуют и сторонники другой точки зрения, отвергающие дивергенцию. Например, последователи академика Л. С. Берга утверждали возможность конвергенции, то есть схождения форм. Дискуссии о конвергенции и дивергенции продолжаются в той или иной форме и по сей день не только среди биологов, но и обществоведов. Мне кажется, что существование механизмов бифуркационного типа и установление роли флюктуаций в любых процессах развития в известной степени закрывают эту дискуссию: ведь появление идентичных форм практически всегда равно нулю. Кстати, конвергенцию не следует путать со сходством отдельных особенностей (признаков) в организации тех или иных систем, функционирующих в идентичных условиях. Например, морские млекопитающие могут иметь рыбообразную форму; адаптация к внешним условиям порождает гомологические ряды Н. И. Вавилова; структура советских предприятий может конвергировать структуру соответствующих американских предприятий и т. д.