Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Еще в начале XIX века происхождение различных видов животных и растений оставалось для человечества тайной Природы, хранимой за семью печатями. Наконец англичанину Чарлзу Дарвину (1809-1882) удалось совершить решительный прорыв. Во время своих многочисленных исследовательских путешествий по далеким странам (например по Южной Америке) внимание Дарвина было поглощено чрезвычайным многообразием животного и растительного мира и изощренностью существующих в природе способов выживания. Результаты многолетнего размышления над увиденным ученый изложил в учении, которое сегодня называют дарвинизмом. Дарвин сформулировал ряд оригинальных тезисов, касающихся возникновения и развития видов в растительном и животном мире; принципы дарвинизма и по сию пору сохранили признание и не забылись. Правда, забылось другое: независимо от Дарвина в то же самое время разработкой точно таких же идей занимался еще один англичанин, Альфред Рассел Уоллес (1823-1913).

За два года до того, как Дарвин получил потрясшее его сообщение Уоллеса с формулировками теории эволюции, то есть в 1856 году, Дарвин написал Чарлзу Лайелю (1797-1875) ставшее теперь знаменитым письмо, в котором объяснял, что он еще не совсем готов к опубликованию своей работы — а Лайель побуждал Дарвина сделать это, пока его никто не опередил. Дарвин пишет: «Мне претит мысль писать только для того, чтобы заявить о своем приоритете, но я, конечно, весьма огорчился бы, если кто-нибудь опубликовал бы мою теорию раньше меня.»[5] (Строка Гёте «Ах, две души живут в моей груди!» характеризует, кажется, многих ученых, и социолог Роберт К. Мертон для иллюстрации этого положения в науке наряду с другими примерами использует и письмо Дарвина.)

Удар обрушился на Дарвина в 1858 году: произошло то, о чем предупреждал Лайель — и то, во что не хотел верить Дарвин. Дарвин писал об этом убийственном, ошеломившем его событии Лайелю: «Сегодня я получил от него [Уоллеса] прилагаемую статью, которую он просит переслать Вам. По-моему, она вполне заслуживает внимания. Ваши слова о том, что меня опередят, полностью оправдались. [...] Если бы Уоллес имел мой рукописный очерк, законченный в 1842 году, он не мог бы составить лучшего извлечения! Даже его термины повторяются в названиях глав моей книги. [...] Итак, вся моя оригинальность, какова бы она ни была, разлетится в прах.»[6]

Скромность и desinteresse[7] толкали Дарвина к тому, чтобы отказаться от права на приоритет; желание же получить признание и утвердить собственное авторство не позволяло ему смириться с тем, что все потеряно. Сначала Дарвин принимает великодушное, но отчаянное решение вовсе отойти в сторону; однако спустя неделю он снова пишет Лайелю: «Я очень желал бы опубликовать теперь очерк моих общих взглядов, страниц на десять или около того; но я не уверен, будет ли это с моей стороны благородно.»[8] Снедаемый противоречивыми чувствами, Дарвин заканчивает письмо такими словами: «Мой добрый дорогой друг, простите меня. Это — вздорное письмо, подсказанное вздорными чувствами.»[9] И далее, в приписке, пытаясь окончательно очиститься от этих чувств: «Больше никогда не буду докучать Вам и Гукеру этим предметом.»[10]

От этих слов Дарвин отрекается на следующий же день, в очередном письме Лайелю; противоречивые чувства вновь овладевают им. Волею судьбы именно в этот момент Дарвин узнает о смерти сына, Чарлза-младшего. По просьбе своего друга, Джозефа Долтона Гукера (1817-1911), Дарвин высылает ему рукопись Уоллеса и первоначальный вариант своей собственной, в редакции 1844 года: «Я посылаю мой набросок 1844 года только для того, чтобы Вы могли видеть по Вашим собственноручным пометкам, что Вы его читали. [...] Не теряйте много времени. Это жалкая слабость с моей стороны — вообще думать о каком-либо приоритете.»[11] То, что измученный сомнениями Дарвин не хочет сделать для себя сам, делают для него другие члены научного сообщества.

Лайель и Гукер берут дело в свои руки и устраивают то судьбоносное заседание Линнеевского общества, на котором были представлены обе работы.

Это событие стало часом официального рождения теории эволюции, получившей название по имени своего создателя, Чарлза Дарвина. Теория находилась на волосок от того, чтобы называться «уоллесизмом»; почему этого не произошло, и почему дарвинизм так знаменит, а уоллесизм между тем почти совсем забыт, мы обсудим позднее, в главе 18. Здесь же будут изложены только основные положения теории эволюции. По Дарвину, природа пребывает в развитии, причем более сложные живые организмы являются продуктом развития организмов менее сложных. Фундаментальное значение для этого процесса имеет взаимодействие между генотипом, т. е. наследственными признаками, с одной стороны, и фенотипом, т. е. признаками и свойствами, приобретаемыми самими растениями и животными в процессе индивидуального развития, — с другой. Дарвин предполагал, что наследственные признаки могут спонтанно изменяться — мутировать. Сегодня возможность такого рода мутаций в генах, несущих в себе наследственную информацию, доказана. Эти мутации представляют собой изменения на микроскопическом уровне.

Вследствие изменившихся наследственных признаков происходят изменения присущих животным и растениям свойств. Например, потомство белых бабочек может иметь черные крылья, могут также быть видоизменены конечности. Жизнь животных под влиянием этих изменений также может изменяться в большей или меньшей степени. Так, например, птицы с изменившейся формой клюва могут питаться насекомыми, которых прежде были неспособны добывать. Природа постоянно поражает нас изобилием самых разнообразных форм, среди которых часто встречаются такие, чья функциональность и целесообразность становится очевидна с первого взгляда. Такая целесообразность рассматривалась в прежние времена как целенаправленность божественного промысла: бог намеренно создал животных именно такими, чтобы им легче было добывать себе пищу. Согласно же Дарвину, эти формы суть результат мутаций с одной стороны, и отбора, называемого также селекцией, — с другой. Разные виды животных, сумевших хорошо адаптироваться к окружающей среде, вступают в межвидовую конкурентную борьбу за пропитание. Можно назвать и другие потребности, ведущие к возникновению такой борьбы: для птиц это и поиск мест гнездования, и поиск укрытий. Так начинается конкурентная борьба между различными видами, приводящая к выживанию лучших из них. Таковы вкратце основные положения дарвинизма, и теперь мы можем двигаться дальше.

Правда, перед нами сразу же встает ряд проблем, связанных прежде всего с биологией и натурфилософией. Во-первых, тезис «выживает сильнейший» напоминает о кошке, пытающейся ухватить саму себя за хвост, так как согласно этому же тезису понятие «сильнейший» определяется следующим образом: сильнейший — это тот, кто выживает. Этот гордиев узел можно разрубить, использовав аналогичный пример из мира неживой природы, ведь дарвинизм применим не только к живой, но и к неживой материи. Мы уже сталкивались с этим на примере лазера, когда установили, что между световыми волнами существует конкуренция, в результате которой «выживает» только одна волна. Волну эту можно рассматривать как «сильнейшую». Однако важно здесь то, что в физике лазера мы имеем возможность с самого начала вычислить, какая именно мода или какая именно волна выживет, а значит, окажется «сильнейшей». Таким образом, в этом случае в нашем распоряжении имеются объективные критерии, благодаря которым мы еще до начала процесса можем сказать, кто станет победителем. Правда, здесь существуют и некоторые ограничения: обычно на роль «сильнейших» находится одновременно несколько волн-кандидатов.

Симметрия между этими волнами может быть нарушена только в результате случайной флуктуации, предсказание которой выходит за пределы наших возможностей, т. е. окончательный выбор одного из нескольких кандидатов происходит по воле случая. Однако наряду с этими сильнейшими модами существует еще множество других, о дальнейшей судьбе которых мы можем судить со всей определенностью: они не выживут.

Благодаря исследованиям в области динамики лазера, мы располагаем моделью, с помощью которой можно осуществить дополнительное физическое и математическое моделирование положений дарвинизма, очень быстро получающих в ходе экспериментов исчерпывающее подтверждение.

Электромагнитные колебания в лазере возникают и существуют за счет возбуждения атомов; этот процесс вполне можно перенести и на мир живой природы. Допустим, что существует несколько различных видов, питающихся одинаковой пищей; действительно, в результате конкурентной борьбы выживет только самый «толковый» — например тот, кто добывает пищу быстрее остальных.

Конкуренция между биомолекулами

Аналогия между процессами отбора в живой и неживой природе не ограничивается описанными выше колебаниями в лазере. Еще один мостик между «живым» и «неживым» обнаруживается в очень схожей по смыслу теории эволюции Эйгена. Основан этот мостик на том, что наследственные признаки определенных «биологических» молекул (о которых мы непременно поговорим подробнее чуть позже, в главе 9) в прямом смысле слова наследуются. Для нас в данном случае важно, что эти молекулы могут размножаться путем автокатализа (подобно модам в лазере!), а затем вступать в конкурентную борьбу. Впрочем, в начальной редакции теории Эйгена уравнения, описывающие размножение биомолекул, имели точно такую же форму, что и описывающие «размножение» волн в лазере. Совпадение такого рода в двух совершенно разных областях у авторов, получивших свои уравнения независимо друг от друга, едва ли можно счесть случайным; оно, скорее, указывает на существование универсальных принципов, которые мы действительно постоянно встречаем в этой книге.

Особенно привлекательно в этой теории эволюции, конечно, то, что она устанавливает связь между неживой и живой природой и в определенном смысле выявляет устойчивый переход от «неживого» к «живому», наблюдаемый в процессах мутации и селекции. Несомненно, именно в области биохимии предстоит еще большая исследовательская работа в этом направлении, однако многообещающее начало уже положено.

Ради полноты картины сделаем еще несколько замечаний. В семидесятые годы Манфред Эйген и Петер Шустер уточнили представление об автокаталитическом размножении биомолекул.

^{Рис. 7.1. Гиперциклы Эйгена. Слева: Молекулы типа А размножаются посредством автокатализа, однако при этом им необходимо содействие молекул типа Б в роли катализатора. Соответственно, молекулы типа Б размножаются посредством автокатализа при содействии молекул типа А в роли катализатора. Буквами ИВ обозначены молекулы исходных веществ, поставляющих молекулы каждого типа. Справа: Гиперцикл с участием молекул трех различных типов. Молекулы каждого типа размножаются автокаталитически, однако при этом им необходимо содействие молекул других типов, что и отображено на данной схеме. Круг участвующих в процессе молекул может быть значительно шире}

В простейшем случае мы имеем дело с молекулами двух типов — скажем, типа А и типа Б. Молекулы каждого из этих типов размножаются путем автокатализа. Однако при этом молекулы типа А выступают в роли катализатора при размножении молекул типа Б, а молекулы типа Б точно так же участвуют в роли катализатора в реакции размножения молекул типа А. Схематически этот случай показан на рис. 7.1 слева. Схему можно расширить, увеличив количество различных типов молекул, участвующих в процессе. Справа на рис. 7.1 показан случай с тремя типами молекул: А, Б и В. Все три типа размножаются автокаталитически, но при этом молекулы типа А в роли катализатора помогают молекулам типа Б, молекулы типа Б в роли катализатора помогают молекулам типа В, ну а молекулы типа В, в свою очередь, являются катализатором в процессе размножения молекул типа А. Изображенные на рисунке круги были названы Эйгеном и Шустером «гиперциклами». Гиперциклы могут подвергаться мутациям, а также вступать в конкурентную борьбу между собой.

Итак, неважно, имеем мы дело с лазерными модами, или с биомолекулами и гиперциклами, или с животным и растительным миром — мы вновь и вновь сталкиваемся с проявлениями принципов дарвинизма.

То, что принципы дарвинизма в равной степени относятся и к миру живой, и к миру неживой материи, указывает на чрезвычайную важность этих принципов. Они имеют непосредственное значение и для социологии, занимающейся проблемами, связанными с конкурентной борьбой в разных сферах человеческой деятельности. Такая точка зрения подразумевает, что, допустим, разные фирмы, производящие одинаковый товар, но по разной цене, на основе конкурентной борьбы за рынок будут подвергаться отбору до тех пор, пока не останется только одна из них — она и завладеет рынком. Является ли такой ход вещей, ведущий в конце концов к возникновению одного огромного концерна, естественным? Действительно ли в такой жесткой конкурентной борьбе выживает самый лучший? Природа дает нам ответы и на эти вопросы — именно им и посвящена следующая глава.