Текст книги "Универсум. Информация. Общество"

Изменчивость и наследственность в мире живого, как мы теперь понимаем, определяются прежде всего закономерностями функционирования генетического механизма. Комбинация генов, возникающая случайно из некоторого исходного набора, определяет свойства организма.

Но любой организм является элементом некоторой системы более высокого уровня, и не исключено, что эти системы способны накладывать определенные ограничения на те или иные комбинации генов. Так возникает разнообразие различных типов организмов, принадлежащих одному и тому же виду живого вещества.

Итак, каждый ген, как принято говорить, несет определенную информацию о свойствах будущего организма. Зная генотип, то есть набор генов, можно утверждать о тех или иных свойствах, которыми может (или не будет) обладать организм. При этом часто говорят и об определенной генетической программе.

На этом же принципе основано и понятие наследственности, и мы привыкли произносить фразу о передаче наследственной информации, хотя в этом процессе мы можем и избежать подобных словосочетаний. Но я хотел бы заметить, что наследственность я предложил определять более широко, чем это принято в биологии. Я предложил трактовать наследственность как влияние прошлого на настоящее и будущее. В этом же контексте следует понимать и смысл понятия «память». И это свойство живых систем проявляется не только вследствие действий генетического механизма.

Чисто генетическими причинами, несмотря на их определяющее значение, объяснить все многообразие возможных форм организации живого мира тоже вряд ли возможно: отдельные элементы (организмы) объединяются в системы, обладающие уже новыми системными свойствами. Последние, в свою очередь, являются элементами системы более высокого уровня и т. д. Этот процесс рождает и новые законы, и новые ограничения на уровень царствующих случайностей и неопределенности.

Еще раз обратим внимание на то, что для описания изменчивости и наследственности в живом веществе в их чисто биологическом понимании можно пока обойтись без использования понятия «информация». В самом деле, когда мы говорим о записи информации, ее кодировании теми или иными белками и нуклеиновыми кислотами, о передаче и хранении информации и т. д., мы имеем в виду лишь удачный способ выражения того факта, что в известных условиях создается возможность точного и многократного воспроизведения одного и того же физико-химического процесса. И из работ Эйгена, в частности, следует, что описанный механизм (работа генетического кода в том числе) может функционировать и на уровне биологических макромолекул, и он может быть описан без использования понятия информации, хотя сам Эйген им все время пользуется как своеобразной метафорой, лаконичным способом выражения мысли. И я часто буду использовать понятие «информация» именно в этом «жаргонном» смысле. А вот поведение живого организма описать без использования понятия «информация» уже невозможно.

Со структурой генетического механизма связан другой, как мне представляется, гораздо более глубокий и трудный вопрос, выходящий за рамки теории информации и круга тех вопросов, которым посвящена эта книга. Как могло случиться, что в земных условиях передача наследственной информации, необходимой для развития биоты, при всем ее удивительном многообразии определяется единым генетическим кодом всего из четырех «букв» (четырех нуклеиновых кислот), то есть вполне определенной структурой физико-химического взаимодействия?

Ответа на этот вопрос пока ни у кого нет.

Нет даже и рабочей гипотезы.

Итак, до сих пор при описании схемы процессов самоорганизации мы могли бы обходиться без использования понятия «информация». Но вот объяснить особенность функционирования всего механизма самоорганизации живого вещества, объяснить характер отбора действий, влекущих изменение состояния живыми организмами, без введения понятий информации и информационного взаимодействия невозможно.

Невозможно в принципе.

Отбор на уровне живого не противоречит, конечно, законам физики и химии, но, видимо, и не сводится только к ним. Живой организм – это система, и, получая сигнал или множество сигналов, живой организм их классифицирует, отбирает нужные и принимает «решение» о характере реакции на эти сигналы из каких-то собственных соображений. И эти реакции не однозначны.

Еще раз подчеркну: в общем случае реакции на сигнал не являются однозначным следствием тех или иных законов физики или химии. Одна и та же информация (сигнал) может вызвать разные реакции организма.

И чем сложнее живой организм, тем большее «количество информации» он пропускает через себя. Ибо он нуждается в ней и использует ее в своем сложном образе жизни. Но и тем выше уровень неопределенности в его реакциях на получаемую информацию.

В XIX веке Ч. Дарвин сделал грандиозный шаг – он создал язык, удобный для описания эволюционного процесса. Однако он вкладывал в слова своего языка очень упрощенный смысл, позволявший объяснять механизм усовершенствования организмов, но не возникновения новых!

И, видимо, тот язык, который он использовал для описания отбора, оказался чересчур простым. Так, например, в тех схемах, которые были предложены Дарвином для объяснения того, как произошли виды, многое мне всегда казалось непонятным. Изменчивость, создающая «поле возможностей» для дальнейшего развития, и наследственность предшествуют отбору. Это бесспорно: они создают для него необходимые посылки. Разумеется, если в результате случайных мутаций появляется нежизнеспособный организм, он гибнет, и информация, которая возникла в его генетическом аппарате, не передается по наследству. Но такой дарвиновский отбор, когда выживает более приспособленный организм (выживает тот, кто выживает), не может объяснить многого.

Он не может объяснить, например, как возникают качественно новые виды.

А вот пример, анализ которого не может не вызвать недоумения и не потребовать специального обсуждения.

Палеонтологи утверждают, что птицы в результате сложного эволюционного процесса произошли от динозавров. И это, наверное, так! Динозавры однажды (50–60 миллионов лет тому назад) погибли, а птицы и сегодня один из вполне благополучных представителей живого царства. Как это могло случиться?

По-видимому, первые птицы, археоптериксы или, быть может, птеродактили, произошли от динозавров, бегающих на двух ногах. Передние лапы им служили, вероятнее всего, для выполнения хватательных функций. И вот эти передние лапы превратились постепенно в крылья. Конечно, возможности полета резко увеличили потенциал выживаемости этих типов живых существ по сравнению с их предками. Они-то и обеспечили дальнейшее благополучное развитие потомков динозавров, бегающих на двух ногах.

Но такая трансформация организма не могла произойти за одно поколение. Конечно, теоретически можно допустить, что однажды произошла грандиозная мутация сразу в значительной части генофонда. Но вероятность такой мутации практически равна нулю. Значит, должны были существовать некоторые промежуточные формы.

Но и этот факт тоже кажется невероятным. В самом деле, даже небольшое «крылоподобное» изменение передних конечностей должно было бы резко ухудшить способность передних лап выполнять свои жизнеобеспечивающие функции. И такие промежуточные формы, согласно теории Дарвина, должны быть отбракованы: они были неконкурентоспособны.

И подобных примеров, которые не сводятся непосредственно к реализации принципа «выживает тот, кто выживает» – множество!

Если бы процессы самоорганизации живого вещества основывались бы только на чисто дарвиновской схеме, то для достижения современного уровня развития живого мира потребовалось бы не 4 миллиарда лет, а на много порядков больше. Другими словами, чисто дарвиновская схема естественного отбора на определенном этапе развития живого вела бы к прекращению процесса. Значит, развитие живого мира не может происходить по принципу, что каждое новое свойство, утверждающееся в качестве наследственного признака, дает виду новые преимущества.

Отсюда следует, что классическая дарвиновская схема должна быть качественно усложнена. Но как?

Ответа на этот вопрос я не знаю.

В одном из предыдущих разделов я уже обратил внимание на то, что описать все процессы жизнедеятельности без использования понятия «информация» невозможно. Для описания процессов развития живого вещества необходимо обращаться к использованию новых первопонятий информации и информационного взаимодействия. Выше я уже говорил о том, что «принятие решений» при поступлении сигнала может быть весьма неоднозначно и не следует непосредственно из законов физики или химии. Но роль информации значительно глубже и не исчерпывается сказанным.

По мере усложнения организмов растет «информационное взаимодействие» между организмом и окружающей средой и между отдельными организмами. Постепенно роль подобного взаимодействия становится едва ли не определяющей в судьбах отдельных организмов и живых сообществ. Например, если об обычных рефлексах еще можно говорить, что они закодированы в геноме (о чем говорят некоторые физиологи, но что мне кажется весьма сомнительным), то условные рефлексы имеют уже чисто информационное содержание. У животного накапливается информация о его предыдущих реакциях на тот или иной сигнал, и его память отбраковывает заведомо неудачные реакции и, наоборот, закрепляет до автоматизма необходимость исполнения положительных реакций. Свести к каким-либо законам физики или химии, объяснить с их помощью подобный эффект – невозможно.

Но что наиболее впечатляет при изучении информационных взаимодействий в живом мире, так это существующие в нем процессы обучения.

В сообществах высших животных, особенно стадных, процесс обучения происходит по принципу «делай как я!» В этих случаях возникают общие условные рефлексы, которые и обеспечивают стабильность стада. Давно замечено, например, что если домашний олень попадает в стадо диких оленей, то именно он в первую очередь становится добычей хищников, ибо домашний олень не прошел «школы коллективного поведения».

И последнее замечание. Физиологическая ограниченность порой ставит определенные границы интенсивности информационного взаимодействия, а иногда и просто исключает возможность информационных контактов и тогда это сказывается на темпах развития вида. Пример тому осьминог. Некоторые виды осьминогов имеют весьма развитый мозг, по объему и сложности практически не уступающий человеческому. Потенциально животные с таким объемом мозга могли бы накапливать информацию и создавать своеобразную цивилизацию. Но по природе своей осьминоги – каннибалы и не способны передавать информацию другим особям, а тем более новым поколениям. Поэтому информация в популяциях осьминогов не накапливается и не может служить прогрессу вида.

Любой организм сам является нелинейной динамической системой и в то же время всего лишь элементом некоторой другой, тоже нелинейной динамической системы. И эти системы, развиваясь по собственным, «системным» законам, определяют многие свойства и обстоятельства развития своих подсистем. Не это ли обстоятельство является причинами тех трудных вопросов, о которых шла речь в одном из предыдущих разделов?

В самом деле, еще обсуждая пример аномальной зависимости плотности воды от температуры, я обратил внимание на то, что мы почти ничего не можем сказать, как это свойство связано со свойствами элементов, составляющих систему. А обсуждая системные свойства живых систем, мы сталкиваемся с похожими, но неизмеримо более сложными явлениями.

Любое сообщество живых организмов, любая популяция в частности, представляет собой некую целостность, и как при эволюции любой нелинейной динамической системы периоды ее спокойного развития, когда происходит медленное накопление изменений, сменяются периодом бифуркаций, периодом перехода из одного канала развития (в общем случае, эволюции) в другой.

Биологами было замечено, что в период благополучных условий развития популяции отбор происходит по типичной дарвиновской схеме. При этом плодовитость популяции относительно невелика, но зато особи обладают весьма продолжительным сроком жизни. Такую ситуацию биологи называют K-стратегией эволюционного развития. Наоборот, в кризисных условиях резко возрастают интенсивность мутагенеза[7]7
  Мутагенез – процесс возникновения наследственных изменений (мутаций).


[Закрыть] и плодовитость популяции. Однако при этом срок жизни отдельных организмов резко снижается, и происходит быстрая смена поколений. Такую ситуацию называют r-стратегией.

Так вот, возможно, тут мы не очень далеки от разгадки тех вопросов, которые мной обсуждались в одном из предыдущих разделов. При интенсивном мутагенезе и быстрой смене поколений промежуточные признаки, вредные для элементов системы, может быть, просто не успевают «сработать», почему и успевают сформироваться новые признаки, способные обеспечить в будущем спокойное дарвиновское развитие?

Но именно «может быть»! Это всего лишь предположение.

Биологов очень интересует механизм, который они называют «механизмом r-K перехода». На этот счет уже высказано несколько гипотез (см. по этому поводу интересную статью В. П. Скулачева «Стратегия эволюции и кислород». – «Природа», 1998, № 12). Но даже понимание всех деталей этого механизма нас не очень приблизит к объяснению системных свойств популяции, определяющих начало работы такого механизма перехода, и прежде всего включения у популяции r-стратегии в бифуркационной фазе.

Почему такое происходит и как же возникает подобное системное свойство?

Катастрофические перестройки биотических систем, которые, следуя терминологии, принятой в теории динамических систем, мы называем бифуркациями, могут иметь как внутренние, так и внешние причины. Нельзя забывать, что биота – естественная составляющая системы, именуемой планетой Земля. И всякие перестройки геосферы, климатические изменения, подвижка плит, вулканизм – все это может быть причиной бифуркации и изменения канала эволюционного развития, что неизбежно приводит и к смене видового состава живого мира. Верно и обратное: изменение состава лесов, например, меняет величину альбедо,[8]8
  Альбедо – величина, характеризующая отражательную способность любой поверхности, связанную с ее физическими свойствами.


[Закрыть] что в свою очередь влияет на климат, и т. д.

До сих пор у нас шла речь о механизмах самоорганизации биоты как некоторой самостоятельной системы. Но она развивается в тесной взаимосвязи с геосферой и не только испытывает влияние процессов, в ней происходящих, но и сама влияет на характер протекания этих процессов.

Другими словами, наша планета – это система, в которой тесно взаимодействуют неживая природа и живое вещество, это некоторая целостность, находящаяся под действием внешних сил космической природы, например под действием солнечного излучения. Впрочем, и залетающие время от времени метеориты тоже не следует сбрасывать со счета.

Неживая, или косная, Природа не является застывшим образованием. Она непрерывно эволюционирует, изменяется. Происходит, например, метаморфизм – перестройка структуры горных пород. В них идут сложные физико-химические процессы. Меняется лик Земли, передвигаются континенты, возникают горные хребты. Происходят сложнейшие химические реакции и многое другое.

Но характерные времена процессов эволюции косной материи – сотни миллионов и миллиарды лет. Жизнь, возникшая на планете, не только ускоряет эти геохимические процессы, но и создает новую среду. Возникают, например, осадочные породы, рудные тела и т. д. Но характерные времена этих процессов, порожденных биотой, уже совершенно другие – миллионы лет.

И, что очень важно, разные процессы эволюции живого вещества также имеют разные характерные времена длительности. Так, например, для того чтобы трехпалая лапа предка лошади преобразовалась в конское копыто, потребовалось минимум 50 миллионов лет. А для того чтобы австралопитек покинул лес и научился говорить по-французски, понадобилось не более 3 миллионов лет.

И несмотря на это грандиозное рассогласование временных характеристик эволюционных процессов, Природа, порожденная живым веществом, которую условимся называть «второй природой», коэволюционирует с «исходной» Природой, развивается в согласии с ней. Своим развитием живое вещество не нарушает развития геосферы. В ней создаются новые, теперь уже не геохимические, а биогеохимические циклы, и 4 миллиарда лет существования биосферы тому пример!

В начале 1970-х годов, пытаясь осмыслить содержание концепции ноосферы, я ввел термин «коэволюция». Он не совсем удачен: лучше было бы говорить о «соразвитии», что я и делал вначале. Несмотря на то, что термин «коэволюция» подвергся ряду критических замечаний (прежде всего потому, что он уже «занят» биологами: коэволюция бабочки и цветка, опыляемого ею, и т. д.), он в конце концов прижился, вошел в литературу, и теперь мне необходимо дать его более подробную расшифровку.

Понятие «соразвитие» пришло из теории систем, и соответственно термин «коэволюция» я понимаю как одно из слов лексикона, принятого в теории систем.

Если я говорю о развитии системы, то имею в виду такое ее изменение, в результате которого нарастают разнообразие элементов системы и сложность организации, в первую очередь сложность и многообразие связей между элементами и сложность самих элементов.

Но каждый элемент системы, в свою очередь, тоже является некоторой системой. Так вот, коэволюцией (соразвитием) элемента и системы я называю такое развитие элемента, которое не нарушает процесса развития системы.

Опираясь на такое понимание этих терминов, я могу утверждать, что развитие биоты и биосферы в целом происходит в режиме коэволюции живого и косного вещества. Это – экспериментальный факт, установленный геологами и палеонтологами: на протяжении всей истории нашей планеты шло непрерывное усложнение организации биосферы, росло многообразие организационных форм как живой, так и косной составляющих планетарной оболочки.

Точно так же следует понимать термин «коэволюция», когда речь идет о развитии каких-либо живых систем и их коэволюции (соразвитии) с биосферой.

В предыдущем разделе я говорил о бифуркации, кризисах и перестройках живых систем. Используя введенный термин, теперь мы можем сказать, что кризис любой системы, популяции, любого вида или сообщества является в конечном счете нарушением условий коэволюции. Система верхнего уровня как бы отбраковывает тот элемент, развитие которого нарушает возможность ее, системы верхнего уровня, развития.

Классическим примером подобных явлений является бифуркация, связанная с заменой прокариотической биоты эукариотической. Первоначально в атмосфере Земли преобладала углекислота, и первыми живыми организмами были, по-видимому, прокариоты – микроорганизмы, использовавшие для дыхания углекислоту. Но одновременно они вырабатывали кислород – газ, смертельный для прокариотов. Вот в эту пору и появились эукариоты – организмы с кислородным дыханием, энергетически гораздо более эффективные.

Афористически выражаясь, биота предпочла иметь в качестве своих элементов эукариотов. Постепенная замена прокариотической биосферы эукариотической привела к резкому ускорению всех процессов развития биоты эукариотов.

Мы должны привыкнуть к системному образу мышления, к тому пониманию природных процессов, которое нам даровала прежде всего современная физика. Мы должны научиться видеть, что не только общее складывается из частного, но и то, что это общее в не меньшей мере определяет свойства частного.

Я еще раз хочу подчеркнуть основную особенность процессов коэволюции: жизнь перестраивает характер эволюции неживой природы, она действительно создает «новую» Природу с новыми характерными временами своих, теперь уже не геохимических, а биогеохимических процессов, процессов с новыми законами. Так, если бы на Земле не было, по терминологии В. И. Вернадского, тонкой пленки живого вещества, то наша планета имела бы только два устойчивых положения равновесия. Одно из них «марсо– или лунообразное», практически без атмосферы и каких-либо признаков жизни, другое – «венерообразное», когда плотная атмосфера, состоящая из «парниковых газов», задерживает тепловое излучение планеты и в результате разогревается до сотен градусов, что тоже исключает всякую возможность существования живого вещества.

Земля благодаря существованию биоты находится в совершенно других условиях. Это уже сложная нелинейная система «геосфера + биосфера», и она имеет множество возможных положений равновесия (точнее, квазиравновесия). И переход из одного состояния в другое может происходить как под влиянием внешних условий, например вариаций солнечной активности, так и под влиянием особенностей самой биоты и процессов, в ней происходящих, пример чего уже приводился: изменение видового состава лесов и площади занятых лесами пространств меняет альбедо, что немедленно сказывается на характере климата. И система «геосфера + биота» переходит в окрестность нового равновесного состояния – в новый атрактор.

Собственно в такой непрерывной перестройке и состоит смысл процесса развития Универсума. Земля является лишь доступным для нашего наблюдения феноменом.

Однажды возникая, каждая новая форма организации, в том числе и живые организмы, изменяют структуру Универсума. Поэтому рассматривать эволюцию каких-либо форм на фоне неизменной остальной Природы можно только на относительно малых интервалах времени. Здесь мы сталкиваемся с тем же явлением или той же трудностью, о которой я пытался говорить, обсуждая проблемы выделения «наблюдателя» или объекта наблюдения как самостоятельных элементов системы.

Процессы совместной эволюции подчиняются определенным, еще мало изученным законам. Некоторые авторы их называют законами биотической регуляции. Этот термин не совсем точен. Он удачно описывает системы типа обычных линейных «обратных связей». Но в этой системе существуют и положительные обратные связи, которые «раскачивают» систему. Без них, без непрерывно возникающей неустойчивости, без постоянно возникающего нарушения условий коэволюции прогрессивная эволюция – синоним развития – невозможна. Эти механизмы мне хотелось бы называть законами системной стабильности или системной согласованности (sustainability).