Текст книги "Прозрение"

Л. А. Шеромов
Прозрение книга про эволюцию

Предисловие

Первое издание книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов» (1250 экз.) было раскуплено за один день. Второе издание (3000 экз.) также сразу было раскуплено. И при жизни Дарвина было шесть изданий этой книги. Разумеется с добавлениями и мелким исправлениями. Но теория эволюции Жизни Дарвина (дарвинизм) оказалась величайшим достижением науки. И, тем не менее, она доступна для понимания многих образованных людей. Так можно ли считать книгу Дарвина научно-популярной? Да, конечно. По крайней мере, для современного образованного человека, который имеет значительно более широкий кругозор, чем современники Дарвина. В книжке Л.А. Шеромова также нет свойственных «высокой науке» математических дебрей и заумных физических теорий. Она будет понятна для широкого круга читателей.

Эта книга содержит два существенно различных по содержанию раздела, но связанных общими идеями: «Алгоритмы эволюции» и «Социальная эволюция».

В первой части обосновывается идея решения старинного противоречия в науке, связанного со вторым законом термодинамики. Теплота переходит от горячего тела к холодному – это главный факт, на котором он основан. Но отсюда вытекают очень неприятные для людей последствия. Это значит, что все в мире стареет и разрушается, приближается к хаосу. Сама Смерть есть «орудие» этого закона. Оказывается все дело в том, что в природе существуют вероятностные, неоднозначные явления. Каждый человек знаком с этой неоднозначностью. Как упадет подброшенная монета, какая завтра будет погода и т.д. Из этих и множества им подобных фактов, уже математически можно вывести и второй закон термодинамики, и объяснить неизбежное нарастание неопределенности во всем остальном мире. То есть в природе существует закон естественного нарастания неопределенности, хаоса.

Но тогда как же быть, например, с атомами и молекулами, они явно не стареют! Более того, в природе существует множество естественных процессов, которые идут в противоположном направлении – отдаляясь от хаоса. Это, например, рост кристаллов, образование сложных химических соединений из более простых и т.д. А эволюция Жизни на нашей планете. Из «мертвой материи» вначале образовались сложные химические соединения (простые органические молекулы), и они с течением времени усложнялись, появились цепи взаимно обусловленных реакций, в том числе и кольцевые, замкнутые. Эти причинно-следственные цепи (алгоритмы) также могли усложняться, совершенно случайным образом.

Явное противоречие! Но оно легко устраняется, если иметь в виду, что в природе существует дискретность многих явлений. Часто приводят такой пример: «Нельзя быть немного беременной!» Только, либо да, либо нет. И далее, включил-выключил, нитка была целая и разорвалась и т.п. Самый впечатляющий пример – это дискретность атомов и молекул. Алгоритмы также дискретны. Алгоритм либо есть, либо его нет. Промежуточных состояний не бывает. Этот феномен подробно обсуждается в книге. Но алгоритмы и в природе, и в изобретениях людей всегда действуют, влияют на окружающую среду.

Двигатель внутреннего сгорания работает по алгоритму – четырехтактный. Но кто скажет, что он не влияет на жизнь людей. А компьютеры, в них всё основано на дискретности и алгоритмах. Обращая теперь взгляд на живую природу, мы видим, что в организмах очень много разнообразных алгоритмов. Более того, остановка работы этих алгоритмов (циклов, как говорят биологи) означает смерть.

И вот тут-то и оказалось, что некоторые из цепей химических реакций, в самом начале жизни на Земле, могли существовать в определенном диапазоне условий окружающей среды – изменений температуры, солености и проч. Это, конечно происходило в воде, в первобытном океане. Понятно также, что эти первобытные алгоритмы могли быть чрезвычайно разнообразны и более или менее чувствительны к разрушающим действиям внешней среды. А эти действия всегда есть – случайности.

Автор приходит к выводу, что более устойчивые алгоритмы сохранялись большее время. И здесь открывается первый алгоритм, необходимый для эволюции, для последовательного усложнения – действия естественного отбора. Этот алгоритм открыт Ч. Дарвином. Идя по этому пути можно найти и другие алгоритмы, необходимые для эволюции. Автор выделяет четыре таких алгоритма, необходимых и достаточных, по его мнению, для эволюции жизни в условиях планеты Земля. Это упомянутый выше алгоритм размножения и отбора. Далее: алгоритм накопления опыта, алгоритм восстановления испорченной информации и комплекс алгоритмов накопления и распределения энергии. Существование этих алгоритмов в жизни организмов, подробно описано в тексте книги.

Действие этих алгоритмов определяет направленность и необратимость эволюции. Более того, эта система из четырех эволюционных алгоритмов оказывается пригодной и в более общем случае, для любых функционирующих систем, имеющих другую Атериальную сущность. Например, для вычислительных машин, для социальных систем. Последнее очень интересно, и автор явно не мог устоять перед искушением «примерить» свои алгоритмы к объяснению некоторых исторических явлений. Хотя это и неправомерно, по большому счету. Надо быть специалистом в этой области, чтобы утверждать некие идеи, претендующие на новизну. Но автора оправдывает то, что он и не претендует на «истину в конечном итоге», предлагая специалистам материал для размышлений и соответствующих выводов.

Далее автор предлагает, как иллюстрации, примеры действия алгоритмов эволюции на некоторые явления в социальных системах. Эти примеры, конечно, есть лишь фрагменты более или менее полного описания реальных систем. Но они впечатляют и приведены, как раз, для демонстрации научных идей автора.

Не вызывает сомнений, что алгоритмы, предложенные автором, работают и в социальных системах любого уровня общности. Но их действие существенно осложняется тем, что воля человека может влиять на них, временно ускоряя или замедляя их работу. Но действие этих алгоритмов стихийно, и часто приводит к негативным явлениям в обществе, поэтому автор вполне разумно предлагает использовать их естественную силу для управления социальными системами, не нарушая при этом норм гуманности, то есть пытается обновить, обосновать известную идею разумной эволюции общества. Но одновременно он осознает, что предлагаемые им идеи требуют дальнейшей и достаточно глубокой проработки специалистами, чтобы найти адекватное их применение в реальной жизни социальных систем, в политике и экономике.

А.М. Рогачевский, кандидат экономических наук.

Вступление

Сразу следует объяснить название книжки. Это слово – прозрение – относится лично ко мне. Я многое узнал и открыл для себя, много раз испытал чувство откровения, открытия. Но эти открытия сродни открытиям человека, пробирающегося по темным комнатам старинного большого дома. Причем этот дом или замок расположен где-то в неизвестной фантастической стране. Поэтому я не утверждаю, что эти открытия «для себя» будут приемлемы и для других людей. И я сейчас объясню, почему это так.

Моя практическая работа с компьютерными экспертными системами привела к необходимости поиска минимального количества алгоритмов, необходимого для самоорганизации автоматов (термин кибернетики). Но при изучении известных результатов научных исследований теории автоматов, общей теории систем и теории самоорганизации в неравновесных структурах /8, 21, 27, 28/ такие алгоритмы не удалось найти.

В то же время, перед глазами находится огромное количество таких самоорганизующихся систем. Это биосфера. Можно ли в ней найти эти алгоритмы?

Сформировалась ясная задача – выделить среди многих алгоритмов (циклов в биологии) такой их минимальный комплекс, который обеспечил начало эволюции на Земле. Для меня эта идея была неожиданностью. А все неожиданное должно быть подробно исследовано. Конечно, может быть, эти алгоритмы исчезли из наследственной памяти организмов в течение длительного времени эволюции. Но я решил попробовать найти их.

Удалось разделить эту задачу на две подзадачи:

1. Не противоречат ли друг другу эволюция в биосфере и второй закон термодинамики о естественном нарастании энтропии?

2. Каким образом организмы накапливают информацию, полезную для выживания?

Исследование этих проблем оказалось очень интересным и привело меня к новым научным результатам в области знаний, где я непосредственно работаю – создание экспертных компьютерных диагностических систем /23/. По моему мнению, результаты, полученные на основе анализа биологических систем, имеют некоторую пользу и для биологии. Я предлагаю для обсуждения краткое изложение этих результатов специалистам по теории эволюции и всем другим читателям, интересующимся захватывающей проблемой возникновения Жизни на Земле. Я не биолог, и поэтому старался быть очень осторожным в своих выводах. Но, тем не менее, я не мог устоять перед искушением опубликовать их.

Результаты этих исследований, как оказалось, легко обобщаются и на все другие типы сложных эволюционирующих систем. Конечно, к ним относятся социальные системы. Интересно было применить концепцию алгоритмов самоорганизации к ним.

Но я не специалист по этим наукам. Поэтому, по меньшей мере, самонадеянно предлагать эти идеи как некую истину в конечном итоге. Но решился на это, и прошу прощения у специалистов за такое «нахальство».

Возникла необычная для меня, как ученого, ситуация. Все попытки анализа существующих теорий развития социальных систем привели к удивительному, во всяком случае, для меня факту. Известно, что «Логическая полнота (или неполнота) любой системы аксиом не может быть доказана в рамках этой системы. Для ее доказательства или опровержения требуются дополнительные аксиомы (усиление системы)». Это – известная теорема, доказанная австрийским математиком К. Гёделем. Но многие теории эволюции социальных систем не соответствуют этой теореме, следовательно, не могут претендовать на истинность. У них нет внешнего подтверждения их начальных утверждений. Это и социальная эволюция Г. Спенсера с его уподоблением социальной системы биологической структуре организма, и теория исторической смены общественных формаций К.Маркса и Ф. Энгельса с развитием от первобытнообщинного строя до некоего абстрактного «коммунизма». Мало умозрительно подметить некую закономерность. Надо еще доказать, что она единственна, что она есть закон природы. То есть надо попытаться опровергнуть свою же теорию.

Поэтому в части второй нижеследующего повествования я предпринял попытку применить закономерности эволюции к объяснению некоторых исторических событий и предложил идею использования этих закономерностей для дальнейшего развития цивилизации с их разумным использованием, с исключением глобального нарушения норм гуманности, так глубоко попранных в войнах XX века.

Основные идеи, заслуживающие внимания (по моему мнению), собраны в отдельный блок в конце книжки.

ЧАСТЬ I
Алгоритмы эволюции

Введение

Признание биологической эволюции должно быть присуще внутреннему миру образованного, культурного человека. Но часто образование оказывается односторонним или недостаточным, и многие люди, иногда втайне, не признают её.

Эволюция остается центральной проблемой биологических исследований. Значение ставших историческими открытий, сделанных молекулярной биологией за последние 30 лет, определяется, прежде всего, тем воздействием, которое они оказали на наше понимание процесса эволюции, которая и в настоящее время остается стержнем, вокруг которого строится вся биология.

Чарльз Дарвин опубликовал свою историческую книгу «Происхождение видов» в 1859 году. Но до сих пор (через 150 лет) существуют нападки на дарвинизм. То вспоминают Бога, то приводят в пример «недостающие звенья» в цепи эволюции или ее необъясненные до сих пор скачки. Например, неизвестен более или менее плавный переход от первобытного человека к человеку современному. Для таких недоверчивых людей специально заметим, что Дарвин открыл, заметил природное явление цепочки постоянно усложняющихся организмов, которые, изменяясь, сохраняют «генетический опыт предков». Основными явлениями этого процесса предстают изменчивость от предков к потомкам, наследственность и естественный отбор. И все!

На многих примерах эта цепочка прослеживается без всяких сомнений, так как собраны данные о предках многих организмов, как ископаемые останки. Мы и в повседневной жизни приходим к очевидному выводу, что многие, организмы, например животные, имеют общих предков. Ну, как еще объяснить, кроме промысла Божьего, то, что у собаки или обезьяны те же самые внутренние органы и системы (кровообращения, пищеварения и проч.), как и у человека. Почему у лягушки и у меня по пять пальцев на руках и ногах? Почему химический состав наших внутренних жидкостей, например крови, почти точно соответствуют составу морской воды? Из этих фактов и многих, многих других следует логический вывод об эволюции. Не идея, не беспочвенные рассуждения, а именно логический вывод на основе известных, проверенных фактов.

Конечно, не все цепочки эволюции прослежены от начала до конца. Но это не может опровергнуть открытую природную закономерность. Например, я не знаю имени своих древних предков, живших тысячу лет назад – цепочка моей личной родословной порвана, но они же были! Иначе меня бы не было. Так и для многих организмов. Цепочка их предков может быть потеряна в бесконечном разнообразии внешнего мира. И, может быть, не будет найдена никогда.

Природа создала в процессе эволюции биологические системы (организмы), почти бесконечно более сложные, чем системы, когда-либо придуманные человеком. Так нельзя ли понять, как все это получилось само собой, какие природные закономерности лежат в основе эволюции? Едва ли эти закономерности чисто биологические, так как формальная замена организмов какими-нибудь другими элементами, например, кибернетическими автоматами, не меняет их сущности. В кибернетике, например, доказано, что автоматы могут размножаться (строить себе подобных). Значит можно искать общие законы управления, обеспечивающие автоматическое развитие (самоорганизацию) других материальных систем, не вникая в сущность элементов, из которых они состоят. Например, социальных систем и их продукта – технических систем. Следовательно, можно представить и эволюцию автоматов.

Поэтому мы в дальнейшем и будем описывать общие закономерности развития материальных систем, рассматривая эволюцию Жизни как пример применения этой общей теории.

Но предварительно надо решить следующую проблему. В науке до сих пор существует фундаментальное противоречие. Естественное нарастание в Природе беспорядка, неопределенностей, стремления к хаосу – и естественное же возникновение процессов упорядочивания, усложнения, развития, эволюции.

Это «противостояние» имеет сильную эмоциональную сторону. Действительно, уже в школе, в курсе физики, изучается простой и очевидный закон – «теплота переходит от горячего тела к холодному и никогда наоборот». Если чуть-чуть вдуматься, то отсюда выходит, что температуры всех тел в природе должны со временем уравняться. Следовательно, всё в Природе стремится к «одинаковости», когда не выделяются ни тела, ни любые системы, ни связи между ними. Это, наиболее вероятное с точки зрения термодинамики состояние называется хаосом.

Но есть и примеры совершенно противоположного и также самопроизвольного процесса упорядочивания со временем, накопления информации, усложнения. Эти процессы не менее грандиозны: эволюция Жизни на Земле, существование сложных химических соединений (ясно, что они образовались из более простых веществ), рост кристаллов, появление и развитие цивилизации, обучение, технический прогресс.

Дальнейшее изложение связано с попыткой ясного и простого объяснения этого противоречия.

Наука всегда строится на основе некоторых простых и очевидных предпосылок, аксиом, из которых дедуктивным путем строится все остальное «здание» в виде теорем или других логических заключений Аксиомы же получаются обобщением известных фактов, среди которых не должно быть ни одного, им противоречащего. Ниже делается попытка обосновать такие аксиомы и сделать самые начальные дедуктивные выводы из них.

Конкретизируем некоторые термины, которые будут применяться в дальнейшем изложении.

Термин «самоорганизация» получил широкое распространение, и в дальнейшем используется как обобщение понятий процесса обучения природных систем, усложнения их структуры и функционирования самопроизвольно, автоматически, т.е. без участия человека. Понятие самоорганизации часто ассоциируется с эволюцией, развитием, прогрессом.

Термин «алгоритм» применяется в широком, общем смысле, как цепь явлений, связанных как причина и следствие (причинно-следственная цепь). Алгоритмы могут быть замкнутыми. Кругооборот воды в природе, цикл работы двигателя внутреннего сгорания, работа системы кровообращения в организме человека, компьютерные программы и т.д. Вероятностные алгоритмы понимаются лишь так, что из некоторой точки алгоритма есть несколько путей дальнейшего развития событий с разной вероятностью, но число таких путей всегда конечно.

Автоматы – устройства, машины или системы, которые осуществляют контроль и управление технологическим процессом без непосредственного участия человека. Автоматы-машины (устройства) и автоматы-системы очень разнообразны как по принципу действия, так и по своему назначению.

Система есть совокупность материальных элементов, которые взаимодействуют друг с другом во времени. Состояние системы определяется комплексом параметров, которые можно измерить. Вообще наука всегда имеет дело с явлениями, параметры, характеристики которых можно измерить. То есть нечто, открытое одним ученым, могут проверить (измерить) другие. Подчеркнем что понятие системы многозначно. Например, есть системы уравнений, системы управления и т.п. У нас далее используется понятие именно материальных систем. Например, организм человека и других организмов, «железо» компьютера, но не система команд, которая заставляет это железо работать, телефонная сеть, солнечная система и т.д.

Термодинамическая система – физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения характеристик отдельных частиц. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро. Это примерно 6·10²³ молекул на единицу массы вещества в килограммах численно равную его молекулярному весу, дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Такое количество молекул, например, содержится в 18 граммах воды (H₂O → 2 + 16 = 18 – сумма атомных весов водорода и кислорода). Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.

Исторически это понятие, да и сама наука термодинамика обозначились при постройке тепловых машин. Практически приходилось иметь дело с ограниченными объемами газа и пара, которые сжимались или расширялись, нагревались или охлаждались. Затем это понятие несколько расширилось, но все равно, характерной особенность термодинамической системы является огромное множество хаотически движущихся частиц, которые соударяются друг с другом.

Несколько слов о системном подходе, который мы также используем. Главная сущность его заключается в том, что в сложной системе могут существовать общие закономерности, никак не вытекающие из свойств элементов её составляющих (свойство эмерджентности). Простой пример. Имеется множество радиодеталей (микросхем, конденсаторов, резисторов и т.п.) любых номиналов и видов, но, изучив все их свойства, мы никак не сможем вывести из них конструкцию, например телевизора или радиоприемника. Эти аппараты можно только изобрести, т.е. изобрести их функционирование (алгоритм работы).

Ранее считалось, что наука – это исследование только природных закономерностей. Основателем этого направления «чистой науки» (редукционизма – метода разделения сложных явлений на более простые и изучения именно их, и после этого, сложное явление почти всегда становится понятным) можно считать И. Ньютона. Проводилась резкая граница между изобретениями и «истинно научными исследованиями», где, в основном, выводились и решались дифференциальные уравнения.

Но не вся природа описывается этими уравнениями. Алгоритмы, например, не описываются, а в Природе их сколько угодно. Ну, ни как не вытекает из всех уравнений физики алгоритм действия двигателя внутреннего сгорания. Его можно было только придумать, изобрести. Редукционизм и системный подход – два научных метода, дополняющих друг друга.

Мерой неупорядоченности материальных систем принимают энтропию. Чем больше энтропия, тем больше неупорядоченность. Энтропия максимальна при полном хаосе, когда невозможно выделить, найти отдельные объекты (или их системы), соответственно, нет и связей между ними. Нуль энтропии также непредставим, как и абсолютный хаос, так как невозможно вообразить предел сложности функционирования, упорядоченности материи и энергии. Заметим аналогию со временем. У него также невозможно представить начало и конец. Об энтропии будет еще много разговоров ниже, при обсуждении второго закона термодинамики.

Термины: самоорганизация и эволюция приняты идентичными в этой книге.