Арактерные черты эволюционного процесса

еории возникновения жизни

Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные и характерные:

1) теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;

2) теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;

3) теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.

У каждой теории есть свои сильные и слабые стороны. Так теория панспермии многое объясняет, но не решает вопроса о происхождении жизни во Вселенной вообще, вопрос лишь отодвигается на более далекие космические объекты. К тому же существует ряд веских аргументов в пользу земного происхождения жизни. Например известно, что только земная биоорганика обладает оптической асимметрией. Так если раствор сахара, полученного из свеклы («живой сахар»), осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Это связано, по-видимому, с асимметрией молекулы ДНК, на основе которой строится земная жизнь. Вся «космическая» и искусственная органика оптически нейтральна.

Известно также, что вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой-либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, но однажды принятый «стандарт» един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.

Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии (Бог однажды устроил мир идеальным образом, теперь мир может только деградировать) и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной. В то же время теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (наука о самоорганизации) позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации.

Что касается целесообразности Вселенной, не вписывающейся в концепцию «слепых законов природы», то выход здесь следует искать в принципе дополнительности. То есть земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно «запрограммирован» в структуре изначальных холистских принципов существования Вселенной.

2. Самоорганизация в природе. Принципы разрушения и созидания.
Принцип минимума диссипации энергии. Принцип Онзагера

Динамика Вселенной проявляется в двух взаимодополнительных процессах: разрушение и созидание. Исторически первым был открыт принцип разрушения, известный как принцип роста энтропии. Как выяснилось, этот закон имеет всеобщий характер.

Существование процессов усложнения форм жизни вытекает из принципа дополнительности: при наличии во Вселенной процессов разрушения следует ожидать в ней равного по объему созидания. Более конкретно, жизнь является следствием принципа Ле Шателье - Брауна: рост энтропии Вселенной вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии (негэнтропия – мера упорядоченности), а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур. Это называется самоорганизацией.

Если учесть, что энтропия является не только мерой хаоса, но и мерой качества энергии, мерой ее концентрации и направленности, то неизбежность самоорганизации в природе можно вывести также из вариационного принципа минимума диссипации (рассеяния) энергии: если возможно множество сценариев протекания процесса, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то в реальности процесс протекает по сценарию, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, то есть минимальный прирост энтропии. Другими словами, если в ходе процесса возможно образование упорядоченных устойчивых статических или динамических структур в локальных областях системы, то они обязательно возникнут, уменьшая тем самым суммарный прирост энтропии.

Долгое время было непонятно, каким образом в живых организмах «обходится» запрет на рост энтропии. Сейчас мы знаем, что в основе самоорганизации лежит принцип Онзагера: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет.

Следствия из принципа Онзагера:

1) самоорганизующая система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;

2) она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.

Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). В энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый ей порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок, мерой которого является свободная энергия), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду.

Согласно Пригожину, любая самоорганизующаяся система должна обладать рядом особенностей:

1) открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;

2) неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;

3) нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.

В процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее; при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Только тогда система сможет потреблять энергию (упорядочивающий фактор) из окружающей среды, когда она подчинена принципу соответствия (резонанса) с окружающей средой. Однако подобие не должно быть абсолютным. «Свобода выбора», непредсказуемость в поведении систем дает перспективы для дальнейшего развития (поиска новых форм организации). Излишек стабильности, предсказуемости также грозит гибелью, как и отсутствие системного «законопослушания».

3. Эволюция жизни на Земле. Космопланетный характер жизни на Земле

Под действием сил гравитации протопланетное облако сжимается, и недра планеты значительно разогреваются. Возрастает и поток энергии в космос, который выступает для планеты в роли «холодильника». Согласно принципу Ле Шателье это приводит к формированию структур, аккумулирующих энергию, уменьшая темпы остывания планеты. Сначала идет кристаллизация минералов земной коры, потом - химическое усложнение вещества по цепи: органика-полимеризация-белки-РНК-ДНК.

Первые живые организмы существовали, по-видимому, за счет энергии недр планеты. Остатки такой жизни обнаружены в глубоководных рифтовых разломах. Ее основу составляют хемосинтезирующие (высвобождающие энергию за счет реакции окисления простых неорганических соединений, например сульфида или аммиака) бактерии, но имеются и более сложные многоклеточные существа (типа червей). По мере остывания планеты подобные формы жизни уступают место фотосинтезирующим организмам, существующим за счет энергии Солнца. Динамика остывания поверхности планеты в условиях относительной стабильности температуры Солнца обеспечивает, по-видимому, однонаправленность процессов усложнения форм самоорганизующихся систем. Вероятно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и, в конечном итоге, вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации.

Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринятом понимании. Вершина эволюции молекул – вирусы (вирус – это молекула ДНК, окруженная белковой оболочкой). Тейяр де Шарден предполагал, что прежде, чем была создана первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов. Первые клетки по теории Опарина возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно сложную форму. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние этих молекул в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры.

Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи: раздражимость-инстинкт-психика-сознание. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более высокого иерархического уровня - социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами, наиболее яркими примерами которых являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствует органичная целостность и функциональная взаимозависимость.

Было время, когда жизнь на поверхности Земли развивалась только за счет разогревающихся недр планеты, потом она «открыла» новый источник энергии – Солнце, и «изобрела» хлорофилл, позволивший связывать и аккумулировать солнечную энергию. Возможно, сейчас мы являемся свидетелями того, как планета пытается найти новый источник энергии. Может быть для этого мы и созданы?

арактерные черты эволюционного процесса

Эволюция есть, по-видимому, следствие единства Вселенной: расширение Вселенной в соответствии с принципом Ле Шателье вызывает ответный поток роста сложности организации ее структуры. Эволюцию нельзя остановить пока расширяется Вселенная. Эти два процесса, по-видимому, взаимодополнительны.

Для усложнения своей структуры природа задействует «взрывной механизм». То есть по мере расширения, являющегося результатом предыдущего взрыва, происходят локальные сжатия (консолидация) элементов (например, свободное расширение в пространстве облака водяного пара приводит к уменьшению его температуры и конденсацию молекул воды в капли), на более высоких стадиях эволюции консолидация принимает форму агрегации (например, рост численности людей на планете сопровождается тенденцией к концентрации людей в крупных городах). Сжатие останавливается внутренними процессами (например, сжатие звезды останавливается внутренним давлением разогретых недр; концентрация людей в городах сопровождается ростом их агрессивности, тормозящей дальнейшую консолидацию), после чего система стабилизируется. В стабилизировавшейся системе происходит дифференциация внутренней структуры, своего рода поиск энергетически выгодной внутренней организации, которая удовлетворяла бы принципу оптимальности (в недрах звезды идет синтез тяжелых элементов; в городах формируется инфраструктура, принимаются законы, регламентирующие внутренние отношения и снимающие остроту внутренних противоречий). За счет высвободившейся энергии происходит прогрессирующее усложнение форм организации. Когда резервы синтеза новых структур будут исчерпаны (например звезда практически исчерпывает все термоядерное топливо) система становится нестабильной и взрывается (недра звезды коллапсируют, то есть сжимаются силами гравитации до предельно малых размеров, а верхние оболочки сбрасываются в космическое пространство).

Итогом звездной эволюции является взрыв сверхновой. Социальные системы эволюционируют, по-видимому, аналогичным образом. На месте социального взрыва остается упорядоченная структура, хранящая в себе «достижения» целесообразности, найденные в предыдущем периоде. Именно по такому алгоритму формировались, по-видимому, муравейники, термитники, пчелиные семьи и т.п. Еще раньше по такому же алгоритму из одноклеточных существ формировались многоклеточные организмы. Сейчас мы являемся свидетелями формирования подобной структуры на базе таких сложных существ, как люди.

Алгоритм поиска новых форм системной организации Тейяр де Шарден назвал «тактикой пробного нащупывания» Согласно Шардену жизнь действует путем создания множества различных вариантов (мутаций), которое, расширяясь во всех возможных направлениях, обязательно найдет верные решения задачи поиска наиболее удачной организации живых существ, отвечающих требованиям внешней среды в данный момент времени. Такая тактика есть «неотразимое оружие всякого расширяющегося множества. В нем сочетаются слепая фантазия больших чисел и определенная целенаправленность. Это не просто случай, с которым его хотели смешать, но направленный случай. Все заполнить, чтобы все испробовать. Все испробовать, чтобы все найти». «Размножаясь в бесчисленности, жизнь делает себя неуязвимой от наносимых ей ударов и умножает свои шансы на продвижение вперед». «Нащупывающее изобилие, созидательная изобретательность, безразличие ко всему, что не является будущностью - таковы три тенденции поднимающие жизнь все выше и выше».

Когда какой-то вид сталкивается с определенной проблемой, например с изменением условий существования, то в нем увеличивается количество мутаций, которые «прощупывают» все возможные варианты изменения структуры организма. Неудачные мутации «забраковываются» внешней средой. Среди огромного количества вариантов обязательно найдутся такие, для которых новые условия среды окажутся наиболее оптимальными. Такие решения получают преимущества во внутривидовой конкуренции, быстро заполняя собой имеющиеся экологические ниши. Остальные уходят с арены жизни, обогатив ее опытом ошибок. Они как бы отдает свою жизненную силу тем, кто «угадал» правильный путь. Все работает на благо выживания вида в целом, а не отдельной особи.