4.5. Цепные взаимодействия как механизм эволюции (п.п.4.5 –4.7).

Можно допустить, что любой процесс в природе является цепью актов взаимодействий, развернутых в пространстве и во времени. Даже такой процесс, как столкновение бильярдных шаров А и В, является не одномоментным, а развернут в последовательную цепь событий. При сближении шаров впереди  катится волна сжатого воздуха, которая уже оказывает давление на другой шар. Поверхность шара имеет некомпенсированные электрические заряды, которые через электромагнитное поле осуществляют взаимодействие между А и В. Поверхность шара имеет микрошероховатости. Первыми в контакт при столкновении вступают «выступы», которые сминаются. Затем в контакт включаются остальные части поверхности. Из-за инерции шары не сразу изменяют характер своего движения, а будут какое - то время упруго сминаться. Кинетическая энергия движения будет переходить в потенциальную энергию сжатия и в тепло. Можно и дальше описывать алгоритм этого «простого» процесса, но и так ясно, что любое взаимодействие - это процесс, а процесс - это есть последовательность событий, т.е. поток информации.

Любые химические взаимодействия также есть цепь событий. Молекулы А и В должны найти друг друга, сблизиться, развернуться в «удобные» положения, обменяться электронами (объединиться), а записывается все это уравнением А+В = С. Процессы полимеризации - это также усложнение структуры молекулы путем цепного процесса [291]   А+А=АА+А=ААА+А… и т.д.

Цепи могут быть линейными и разветвленными [254, 235] (см. рис. 4.5.1.). Процесс считается цепным, если можно обнаружить, измерить его промежуточные стадии. Но иногда промежуточные стадии бывают настолько кратковременными, что их не замечают и считают, что реакции протекают в одну стадию, как описанный выше пример со столкновением бильярдных шаров. Тем не менее,  цепи взаимодействий имеют место всегда.


 

 


          .

 

 

 

                  Рис. 4.5.1. Схема разветвленного цепного процесса.

 

Например, последовательные стадии роста приводят к образованию кристаллов [62], формированию живых организмов, к образованию звезд,  планет, галактик [70]. Биоценозы также образуются путем последовательной смены ряда состояний. Этот процесс в растительном мире называется сукцессией [222].

Вся Вселенная есть процесс последовательной смены состояний. Эволюция -это цепи событий. Логика – это цепь умозаключений. Работа компьютера- это цепи действий алгоритмов. Все это есть алгоритм (т.е. информация).

Чего нельзя достигнуть сразу, можно получить, следуя цепи событий. Если нельзя одним прыжком преодолеть пропасть, то можно построить мост. Можно выдвинуть предположение, что все  достижимо, если найти путь достижения (алгоритм действия).

 Этот принцип положен в основу одного из мощнейших инструментов человеческой деятельности – системного анализа. В основе системного исследования какого-либо объекта (системы) лежит принцип цели. Формулируется цель исследования, которая кажется не достижимой на первый взгляд. Затем путь достижения цели разбивается на цепь последовательных шагов. Каждый шаг завершается маленьким, но реальным достижением. Совокупность простых, достигаемых шагов приводит к цели. Трудно ли сделать один шаг в гору? Конечно, нет. А если так, то совокупность «легких» шагов может привести к трудно достигаемой вершине [203, 186].

Рассуждая о цепных процессах укрупнения информационных пакетов, нельзя не вспомнить идеи  А.А. Богданова [38]. Объединение компонентов  он назвал конъюгацией. Объединение нельзя представить без наличия общих родственных звеньев. Людей объединяет общая цель. Детали конструкции объединяются клеем, пайкой, сваркой и т.п. Адгезия (прилипание) всегда происходит при наличии «родственных» химических групп атомов (молекул), при наличии общих зарядов и т.д. Если элементы А и В не имеют общих, объединяющих звеньев, то необходимо ввести третий (связующий) элемент С, имеющий сродство с А и В. Это можно представить схемой (рис. 4.5.2.):

 

 


          +                                 

               А                  С                   В                                А                            В

             Рис. 4.5.2. Пример конъюгации объектов А и В посредством связующего C.

 

Именно так работают поверхностноактивные вещества, эмульгаторы, клеи, цементы и др. [207]. Цепные конъюгации, приводящие к образованию сложных систем, сопровождаются возрастанием разнообразия их свойств. Это облегчает процесс дальнейшего усложнения.

Возникает лавина усложнений, цепное самоускоряющееся усложнение. Чем сложнее, разнообразнее объект, тем легче он вступает во взаимодействия с другими объектами (рис. 4.5.3).

Сложный полифильный объект A может вступать во взаимодействия с любым из четырех монофильных элементов (1,2,3,4)  или со всеми вместе, т.к. имеет с ними определенное родство. Если же  элементы сами обладают некоторым набором свойств (бифильные), то в итоге каждого подсоединения «полифильность»  системы еще больше увеличивается. Как следует из изложенного, эволюция это самоускоряющийся процесс увеличения сложности. Нет ничего удивительного в том, что из «простых» молекул достаточно быстро появилась живая клетка.

 

 

                                   2                 3                                                                                               

 

             

                                              

                                  1                                    4                                                           

                                                          А                        

 

                   Рис. 4.5.3. Пример «полифильности» объекта.          

 

Рассуждения математиков о невозможности случайной  самосборки живой клетки из молекул справедливо при условии, что некоторая совокупность молекул абсолютно случайно (хаотически) в движениях типа броуновского  вступает в случайные соединения. Вероятность того, что одно из соединений станет подобием клетки исчезающе мало. Но если представить, что некоторый «зародыш» (группа молекул), достаточно стабильный в ходе случайных контактов и конъюгаций, растет, как снежный ком, и в ходе роста приобретает разнообразие, то появление живой клетки станет объяснимым.

Проиллюстрировать сказанное можно следующим примером. Допустим,  с высоты сбрасывается смесь песка и крупных камней. Образуется со стопроцентной вероятностью куполообразная куча. Математики рассчитают, что вероятность образования купола с пещерой внутри ничтожна и, следовательно, это невозможно. Однако, если вначале насыпать кучу песка в форме купола (событие достоверное), а затем на эту кучу высыпать камни, потом удалить любым способом песок (промыть), то получим кучу камней с полостью внутри (прообраз дома). Произошло событие, о котором математики говорили как о невозможном. То, что нельзя было достигнуть сразу, оказалось  легко осуществимым в последовательном ряду действий. Сказанное можно иллюстрировать рис.4.5.4.

 

 

 


   

 

 Рис. 4.5.4.  Преобразование кучи песка и камней в пещеру.

 

Например, кристалл из раствора растет путем последовательного наслоения молекул на его поверхность. Причем рост кристалла происходит путем конъюгации всего нескольких типов элементов (атомов), что придает ему удивительно правильную форму и высокую устойчивость. Конъюгация полимерных молекул может образовать и жидкий кристалл [166].  Жидкие кристаллы, хотя и не обладают правильной формой, имеют большую мобильность и являются составной частью многих живых организмов (холестерин).

Процесс усложнения, рост информационных пакетов, объединение пакетов в блоки и суперблоки идет ускоренно, т.к. каждый пакет это «кентавр», комбинация многих более простых пакетов, и его полифильность огромна. Проблема не в том, чтобы  очередной раз укрупниться, а в том, чтобы новая форма оказалась  устойчивой.  Не всякое образование стабильно, естественный отбор вариантов направляет этот процесс в сторону стабильных образований,  остальные разрушаются.

Почему же происходит перманентное усложнение, где движущая сила этого процесса? Над этим вопросом задумывались многие исследователи. Например, В.П. Бранский [43], ссылаясь на И. Пригожина, объясняет эволюцию усложнения стремлением к максимальной устойчивости, к снижению термодинамического потенциала. Якобы выбор движения по направлению к устойчивости осуществляется естественным отбором. Данное объяснение верно лишь частично.

Неверно думать, что чем сложнее структуры, тем они стабильнее. Как раз все наоборот. Атом «прочнее» и долговечнее молекулы. Полимерная молекула чаще подвергается деструкции, чем мономерная молекула [131]. В случае экологической катастрофы в первую очередь должны погибнуть высшие (сложные) организмы, а бактерии останутся. Бактерии, возникнув примерно 3,8 млрд. лет назад, дожили и до наших дней, а гиганты рептилии исчезли [222]. Белковые молекулы в клетке настолько нестабильны, что существуют всего 2 дня, а затем реконструируются [13, 250]. Как видно, восхождение по эволюционной лестнице никак не сопровождается ростом стабильности. Сложные неживые информационные пакеты распадаются и изменяются легче, чем простые.

Крупные образования (планеты, звезды) существуют миллиарды лет, но их существование это процесс непрерывного изменения. Звезда возникает и непрерывно изменяет свои параметры: яркость, размеры, светимость, спектральные характеристики. Остается постоянным только сам факт реакций синтеза ядер атомов в недрах звезды. Звезда скорее процесс, чем атрибутивный пакет информации. Молекула или существует, или её нет (распалась). Звезда существует всегда, но она каждую секунду уже другая. Эта особенность  крупных сложных информационных пакетов имеет место и в живом. Биосфера существует более 4 млрд. лет, но всегда разная. Таким образом, укрупнение информационных пакетов сопровождается их перманентной изменчивостью. Так в чем же дело? Почему же река эволюции движет мир к неустойчивости? И прав ли И. Пригожин и его последователи, считающие, что усложнение  есть результат стремления к устойчивости.

 Очевидно, что при восхождении с уровня i на уровень i+1 остаются только те информационные пакеты, которые выдержали испытания в естественном отборе на прочность. Не всем  новшествам суждено жить. Одни разваливаются мгновенно, другие живут дольше. Чем прочнее, тем дольше живут. Но все равно появится рано или поздно экстремальная флюктуация, которая их «развалит» до более простых структур. Вечного ничего нет. Но в среднем структуры уровня i стабильнее и переход с уровня i на уровень i+1 сопровождается снижением устойчивости.

Причины происходящего нам видятся в следующем. В природе есть силы взаимодействия, стремящиеся соединить все со всем. Гравитация стремиться сжать весь мир до сингулярного состояния или хотя бы до черной дыры [192]. Электромагнитные, сильные, слабые взаимодействия также исполняют роль конъюгатора. Именно наличие  взаимодействий агрегирует мир, стремится его усложнить. Откуда взялись взаимодействия никому не известно.

  На каждом иерархическом уровне сложности есть некоторый оптимум, обеспечивающий долгожительство. Среди нуклонов протон более устойчив, чем нейтрон. Среди атомов железо устойчивее всех [139]. Устойчивость звезд также связана с их размерами. Капля воды большого размера под действием силы тяжести может распадаться на более мелкие [38], но мелкие капли сливаются.

Итак, укрупнение информационных пакетов идет вне зависимости от стремления к неустойчивости. Снижение устойчивости до некоторого предела не мешает структурам объединяться. Достижение этого предела прекратит эволюцию. Наступит равновесие. Сколько структур будет образовываться в единицу времени столько и распадется. Именно такое равновесие и понимают химики, когда пишут реакцию А+В=С. Если изменить внешние факторы, то равновесие сдвинется влево или вправо. Расширяющаяся Вселенная постоянно  и односторонне уменьшает среднюю плотность вещества и температуру, то есть смещает процессы вправо, в сторону интеграции, поэтому равновесие еще не наступило.

За  300 с. после   Большого   взрыва  температура  Вселенной   снизилась    до 4*103 К. Атомы, возникшие при 104-105 К, сейчас находятся при температуре  ниже 103 К и это снижает вероятность их распада. Но в условиях земных температур  некоторые молекулы и сейчас неустойчивы.

Однако охлаждение Вселенной идет только в среднем. Есть зоны с очень высокой температурой (Звезды) и есть области с Т=3 К. Захваченные полем тяготения, молекулы попадают во внутреннюю зону  звезды и распадаются до состояния плазмы. В «холодных» межзвездных пылевых облаках (и планетах) идут реакции синтеза более сложных молекул. Имеет место некоторая циркуляция вещества из звезд в «пространства» и обратно. Звезды выбрасывают струи вещества, а также могут взрываться, создавая газопылевые туманности. Из газовых облаков вновь могут возникать звезды.   А в недрах звезд постоянно возникают тяжелые атомы. Так постепенно водород эволюционирует в тяжелые элементы. Тяжелые атомы и молекулы являются основой жизни. Выше изложенное, справедливо для эволюции неживой материи. Для живой материи механизм эволюции другой.

Теория эволюции (синергетика) оперирует понятием бифуркация (развилка). Это резкое изменение пути развития системы. Как человек на развилке пути выбирает дальнейший путь, так и сложные системы могут изменять свое состояние, способ существования, свою структуру [138]. Бифуркация системы – это капля, переполнившая чашу. Устойчивость нарушается и сохранить систему в рамках  ее прежнего гомеостаза становится невозможно, поэтому  процесс  перестройки развивается  лавинообразно.

В каждой точке бифуркации происходит выбор дальнейшего пути развития (разветвленный процесс- это цепь бифуркаций).  Возникает вопрос, как система в точке бифуркации находит дальнейший путь движения?

 Выбор пути  может быть случайным, но он все же ограничен вариантами (их не бесконечное количество). Системе предлагается «коридор» (сектор) выбора. Ограничение выбора пути определяется законами природы и «свободой воли» выбора системы (если система разумная). Возможны следующие гипотезы поиска путей движения:

      1. Совершенно случайно, с одной попытки, сразу (выигрыш в лотерею).

      2. Методом  повторных  проб и ошибок.

      3. Движением сразу по всем путям одновременно.

Первый вариант возможен, но мало вероятен. С одной попытки случайно попасть в нужное русло трудно. Кроме того, эволюция живого демонстрирует определенную направленность. Прослеживается извилистый путь к разуму (цефализация) [246]. Отмечается усложнение информационных пакетов, а не упрощение. Тенденция на усложнение уже доказывает направленность эволюции. При случайном варианте выбора пути развития усложнения и упрощения равновероятны. Одна неудачная случайная попытка отбраковывается естественным образом (гибель системы) и не дает шансов на повторение.

Второй вариант более приемлем для самоорганизующихся систем. Например, жук в банке упорно ищет выход, совершая бессмысленные движения, пока случай не выведет его на верный путь. Он натыкается на препятствия и возвращается обратно, повторяя попытки многократно. Много жуков, одновременно ищущих пути выхода, быстрее найдут выход. Нашедший, указывает путь другим (это уже третий вариант).

Социальные системы, колонии организмов, способные безболезненно делиться на части (например, амебы),  могут исследовать все варианты путей. Часть популяции выживает и дает новую ветвь эволюции, которая найдёт удачный путь. Поэтому вариант 3 приемлем для слабосвязанных систем, например, человеческих сообществ, молекул газа, колоний организмов, колоний клеток, бактерий. Именно так человечество осваивало всю Землю. Группы первопроходцев уходили в разных направлениях и осваивали новые территории

Выводы.

1.                 Любой процесс в природе есть цепь  целенаправленных актов взаимодействия.

2.                 Взаимодействия интегрируют информационные пакеты.

3.                 Чем сложнее  пакет, тем больше у него шансов вступить в очередное объединение.

4.                 Следуя цепи взаимодействий, можно достичь любого разрешенного законами природы состояния.

5.                 Усложнение, укрупнение снижает устойчивость неживого информационного пакета.

6.                 На каждом иерархическом уровне сложности есть свой оптимум размеров пакетов, обеспечивающий им «долгожительство».

7.                 При некотором уровне сложности информационных пакетов эволюционные процессы могут остановиться, но постоянные изменения внешней среды подхлестывают процесс эволюции. Появление управления -  это появление нового способа стабилизации сложных информационных пакетов.

8.                 Выбор направления движения в точке бифуркации не всегда случайный.  

 


Следующий раздел



Хостинг от uCoz