Коэволюционная парадигма и современная биология
Вступление.
Идеи и понятия биологического эволюционизма давно стали достоянием общей культуры, давно используются в самых различных областях научного знания. Теперь на наших глазах происходит проникновение в культуру и такого понятия, как коэволюция. Будучи биологическим по происхождению, связанным с изучением совместной эволюции различных биологических объектов и уровней их организации, понятие коэволюции ныне оказывается включенным в обсуждение предельно широких вопросов бытия и судеб человечества. Коэволюция природы и общества - это область исследований, которая уже не является собственно естественнонаучной. Это подтверждают современные концепции глобального эволюционизма, претендующие на то, чтобы дать обобщенную картину всех мыслимых эволюционных процессов.
Идея коэволюции в современном биологическом познании.
Термин “коэволюция” был предложен в 1964 г. экологами, для которых коэволюция - взаимное приспособление видов. Они давно обратили внимание на взаимодействие видов, среди которых обычно вычленяют:
· хищничество и паразитизм
· комменсализм
· конкуренцию
· мутуализм (взаимовыгодность).
Виды образуют мутуалистические ассоциации, эволюция которых собственно и называется коэволюцией. Экология имеет дело, прежде всего с взаимоотношением биотических и физических факторов. Любой вид вносит изменения в окружающую среду, но эти изменения не носят характера взаимного приспособления друг к другу, или коэволюции. Воздействие (адаптация) идет в одном направлении, обеспечивая повышение уровня приспособляемости вида к условиям среды. Важно обратить внимание на “запаздывание” эволюционного ответа на вызов со стороны среды, поскольку необходимо определенное время (“лаг”), чтобы естественный отбор “догнал” происходящие в окружающей среде изменения. Неоднородность среды обитания, генотипическое разнообразие и “лаг” в эволюционном “ответе” на “вызов” среды означает, что животное не может быть абсолютно приспособлено к жизни в своей нише. Каждый вид оказывает то или иное воздействие на биотические факторы (на другие виды), что вызывает у других видов адаптивные реакции. Вид и биотическая среда могут следовать по пути коэволюции.
В этой связи выделяются два вида коэволюции: 1) мутуалистическую (взаимовыгодную) и 2) немутуалистическую, при которой один из факторов обладает пагубным действием (отношение “эксплуатация - защита”). Примером первого типа коэволюции может быть развитие специализированных цветков и их опылителей - животных. Примерами второго типа коэволюции могут быть взаимоотношения между хищником и жертвой, хозяином и паразитом, хозяином и патогеном и др. Взаимоотношение между двумя эволюирующими видами также включает определенный “шаг”, чтобы один эволюирующий вид “догнал” происходящие в другом виде изменения.
Термодинамика диссипативных структур, развитая И. Пригожиным, фиксирует образование упорядоченных структур (их самоорганизацию) за счет рассеяния внешней энергии в среду, окружающую систему. Однако этот вариант термодинамики, принципиально отличающийся от классической термодинамики, объединяет с нею трактовка изменений как отклонения от состояния равновесия. Иными словами, и в этом варианте термодинамики сохраняется фундаментальность идеи равновесия и анализ процессов ведется под углом зрения отклонения от состояния равновесия. Попытки приложения термодинамики диссипативных структур к биологии (а их достаточно много) не могут считаться, как показал Ю.В. Чайковский, удовлетворительными. В этой связи можно напомнить слова И.А. Аршавского о том, что суть живого не в диссипации (рассеянии) внешней энергии, а “в избыточно анаболическом сопротивлении диссипации”. Большие перспективы и одновременно большие трудности возникают при экстраполяции термодинамики диссипативных структур на изучение биосферы. Дело в том, что новая термодинамика фиксирует процессы самоорганизации в открытых системах, т.е. системах, которые обмениваются энергией и веществом с окружающей средой. Биосфера является открытой системой, но в связи с планетарным характером деятельности человека возникает вопрос о необходимом соотношении потоков вещества и энергии через диссипативные структуры. Это означает что замкнутых круговоротов химических элементов не существует - циклы разомкнуты. Наиболее перспективным является не простое приложение термодинамики диссиспективным является не простое приложение термодинамики диссипативных структур к эволюции живого, а тот вариант эволюционной термодинамики, который развит Э. Янчем.
Для Янча диссипативные структуры - это “селективное и синхронизированное исправление консервативно-записанной (т.е. генетической) информации с помощью диссипативного процесса”. Отбор - важный фактор-ускоритель процессов самоорганизации в незрелых системах, в зрелых системах эту функцию выполняет флуктуация, т.е. образование диссипативных структур. Центральными понятиями эволюционной концепции Янча являются первичность движения, встреча (динамика сродства), динамическая память и нарушение симметрии на каждом этапе эволюции.
До возникновения коэволюционного подхода биология была сосредоточена на эволюции отдельных видов в определенной, правда, весьма грубой, среде. Даже экологическое понимание коэволюции, ограниченное разнообразными фактами симбиозов, не сформировало еще новый способ мышления в биологии. Включение в эволюционизм возникновения диссипативных структур, или процессов самоорганизации, осуществленное Э. Янчем, означает, что эволюция понимается теперь как возникновение новаций. Они трактуются не просто как продукт действия ранее существовавших факторов, но прежде всего как эмерджентных, качественно новых, невыводимых образований. Поэтому вполне обоснованно Янч трактует эмерджентную эволюцию как открытое обучение, детерминированное открытой целью, т.е. как творчество новых форм.
Всякая диссипативная система обладает динамической памятью, служащей “затравкой” для нового уровня эволюции. Помимо нее существует консервативная память, которая не участвует в процессах обмена, но служит “затравкой” для долговременных информационных процессов. Самопорождение, или переход от одного уровня эволюции к другому, Янч связывает с нарушением симметрии. Например, при переходе от механики к термодинамике нарушается симметрия времени. В диссипативных структурах нарушена симметрия пространства, а у прокариотов и симметрия времени (возникает наследственность). Ю.В. Чайковский вычленил ряд уровней, на каждом из которых формировалась консервативная структура, служившая “затравкой” для следующего уровня (“консервативная память” по Янчу, или “мертвая неравновесная структура”): 1) синтез РНК, служивший затравкой (2) для синтеза пеитидной цепочки; 3) эобионт, где появибран, обеспечивавших устойчивость информации; 6) появление про-кариота, где мембрана замкнута в изолированную плоско ль; 7) и 8) появление ядерной оболочки и объединение ДНК с белком в компактную хромосому. На каждом из этих уровней существуют устойчивые инвариантные структуры и одновременно биохимические процессы, ведущие к усложнению феномена жизни, к усложнению ее разнообразия и системности.
Э. Янч говорил о коэволюции макро- и микроструктур, где важное место занимает возникновение симбиоза и организм - элемент одного микроуровня - становится элементом макроуровня (биогео-ценозом). Возникновение человека означает, что само различение эволюции макро- и микроструктур потеряло смысл. Необходимо выработать, как отметил Ю.В. Чайковский, новый язык для понимания коэволюционных процессов. Таким языком, адекватным для описания коэволюции, может быть язык когерентности, т.е. согласованности фаз движения. Он позволяет описать взаимную приспособляемость организмов (взаимопомощь по П.А. Кропоткину, спаривание, симбиоз) и их “частей” (“сродство частиц” по Мопертюи, “корреляция частей” по Кювье и т.д.).
Исходным для книги Э. Янча “Самоорганизующаяся Вселенная” является, как видно из названия, идея самоорганизации, которая включает в себя, во-первых, специфическую макроскопическую динамику процессов системы, во-вторых, обмен и коэволюцию со средой, и, в-третьих, самотрансцендирование, эволюцию эволюционных процессов. Рассматривая самоорганизацию естественных систем, он подчеркивает, что биологические и социальные системы представляют собой самоорганизацию динамики когерентных систем. Нелинейная неравновесная термодинамика имеет дело с новым уровнем макроскопического порядка - уровнем кооперации, спонтанного формирования и эволюции структур. Обращаясь к термодинамике диссипативных структур, он отмечает, что равновесие эквивалентно состоянию стагнации и смерти, а отклонение от равновесия характерно для самоорганизующихся процессов, осуществляющих обмен веществом и энергией со средой, т.е. для процессов метаболизма. Янч обобщает такого рода динамические системы и говорит об автопоэзисе, т.е. о самопроизводстве. Автопоэтические системы, по его словам, выражают фундаментальную дополнительность структур и функций, устойчивости и пластичности, присущую динамическим отношениям, благодаря которым и делается возможным самоорганизация.
Автопоэтическая система автономна относительно среды. Янч рассматривает процессы коэволюции с разных точек зрения - от коэволюции макро- и микромира до социокультурной коэволюции. Касаясь проблем стандартной космологической модели эволюции Вселенной, он характеризует эволюцию как процесс, нарушающий симметрию (Symmetry - breaking process), фиксирует нарушение симметрии между физическими силами - гравитацией, электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями. “Непосредственным следствием нарушения симметрии физических сил является симультанность макро- и микроэволюции в универсуме. Макроскопические структуры создают среду для микроскопических структур и оказывают влияние на эволюцию или делают ее возможной. И наоборот, эволюция микроструктур (ядерных, атомных и молекулярных) является решающим фактором в формировании и эволюции макроструктур”.
Янч специально обсуждает и процессы коэволюции между биохимическими и биосферными структурами. После возникновения органических молекул следующий шаг состоит, вероятно, в формировании диссипативных, метаболических структур, которые призваны играть решающую роль в формировании биополимеров и предклеточной эволюции. “Возникновение способности к самопроизводству объясняется моделью гиперцикла, в частности, в симбиозе на молекулярном уровне”. Разделяя два аспекта генетической коммуникации - горизонтальный, присущий одноклеточным прокариотам, и вертикальный, связанный с самопроизводством, Янч обращает внимание на то, что жизнь, представленная прокариотами, сама создает условия своего существования, формируя атмосферу, богатую кислородом. Трансформация макросистемы создает предпосылки для развития более сложных форм жизни.
Биологическая среда и атмосфера, будучи саморегулирующейся, автопоэтической системой, стабилизировалась 1,5 млрд. лет тому назад и создала условия для поддержания сложных форм жизни на Земле, для возникновения эукариотов, или клеток с ядром. Обсуждая вопрос о происхождении эукариотов, Янч отмечает, что эукариоты представляют собой новый уровень координации, новый уровень автопоэтической системы. Для эукариотов характерны сексуальность, гете-ротрофность (т.е. способность жить за счет других биоорганизмов), смерть или деволюция в онтогенезе. Все эти характеристики идут наряду с развитием многообразия, в частности, с возникновением многоклеточных организмов с присущей им метаболической коммуникацией. “Принцип самовоспроизводства, который имеет решающее значение для жизни, основывается не на передаче вещества, а на передаче информации. Точнее, это - программы, которые передают и которые управляют формированием структур - не только материальных структур, но и структур отношений и процессов, другими словами, динамичных пространственно-временных структур
Особый тип коэволюции связан с макро- и микросистемами жизни. Возникновение эукариотов дает начало эпигенетическому развитию, избирательной утилизации генетической информации, индивидуальному “конструированию” отношений со средой, которая модифицируется организмом в экологическую нишу, находящуюся в состоянии коэволюции с изменениями других ниш. Их связь представлена в понятии экосистема. Эпигенетическое развитие отражается в генетических измерениях. Обсуждая проблемы социокультурной эволюции, Янч обращает внимание на процессы генетической и метаболической коммуникации, в частности, на роль нервной системы и мозга. С ними связаны различные формы символического выражения - от символической репрезентации организма до символической реконструкции внешнего мира. Характеризуя сознание как динамический принцип, Янч вычленяет различные уровни познания: организмическое, рефлексивное (в частности, апперцепцию, позволяющую сформировать альтернативные модели реальности) и саморефлексивное сознание (с его решающим компонентом - предвидением). Причем сознание для него это качество самоорганизации динамических процессов, характерных для системы и ее отношений со средой.
Системная теория эволюции, или системный эволюционизм, развиваемый Янчем, основывается на ряде фундаментальных принципов: 1) самотрансцендирование, которое объясняет эволюцию (эволюция - это результат самотрансцендирования на всех уровнях), творчество и свобода, 2) открытость эволюции; 3) циклическая организация как системная логика диссипативной самоорганизации и особенно жизни; 4) многообразие систем - от автопоэтических, саморегенерирующихся систем до систем, обладающих ростом, причем, коэволюция трансформирует циклическую организацию самоорганизующихся систем в спираль, которую можно наблюдать за длительное время; 5) такие ультрациклы являются моделью процессов обучения, которые можно описать как коэволюцию систем, аккумулирующих опыт.
Янч вычленяет различные фазы в коэволюции макро- и микрокосма: химическую - биологическую - социобиологическую - экологическую и социокультурную эволюции. Эти фазы характеризуются различными типами акта коммуникации и взаимодействия: метаболическая коммуникация играет важную роль во второй фазе эволюции. Эволюция саморефлексивного сознания выражается в социальных и культурных измерениях. Эволюция сознания связана с передачей и использованием информации опыта, корреспондирующейся с семантическим контекстом или с контекстом смысла. Эволюцию сложных форм жизни и ментальных способностей Янч описывает как эволюцию эволюционных процессов, или как метаэволюцию. Эволюция человека рассматривается им как многоуровневая реальность, в которой эволюционная цепь автопоэтических уровней существования появляется в иерархическом порядке. Эта многоуровневая реальность автономная и творческая по своему характеру. Динамическими параметрами эволюционного процесса, по Янчу, являются интенсивность, автономия и смысл.
Мы столь подробно остановились на концепции Э. Янча, потому что она представляет собой наиболее обобщенную философскую концепцию самоорганизации природы, причем идея самоорганизации и коэволюции в ней тесным образом взаимосвязаны. Сама идея самоорганизации, или диссипативных структур, важна в его концепции для анализа структур консервации информации, объясняющих “затравку”, “спусковой механизм”, позволяющий перейти к новому уровню эволюции. Взаимоотношение изменчивости и устойчивости, понятое как механизм эволюции, получило в работе Янча значение механизма коэволюции - сопряженной эволюции различных процессов и структур, которая развертывается в незамкнутых круговоротах, расширяющихся спирально. Подход, развитый Янчем, можно назвать системным эволюционизмом, сочетающим в себе анализ градаций уровней диссипативных структур с осмыслением эволюционных изменений, их дополнительности. Причем, для Янча изменчивость первична, что находит свое выражение в анализе “встречи” (динамике сродства), динамической памяти и нарушений симметрии.