Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - Розділ 5. САМООРГАНІЗАЦІЯ СКЛАДНИХ СИСТЕМ. ЕВОЛЮЦІЙНІ АСПЕКТИ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ВЗАЄМОДІЇ СИСТЕМИ ІЗ СЕРЕДОВИЩЕМ

Характерною рисою систем, що розвиваються, є їхня здатність до самоорганізації, яка виявляється в самоузгодженому функціонуванні системи за рахунок внутрішніх зв'язків із зовнішнім середовищем. Розглядаючи розвиток як процес самоорганізації системи, виділимо в ньому дві основні фази: адаптацію, або еволюційний розвиток, і добір.

Системи, що самоорганізуються, мають механізм безупинної пристосовності (адаптації) до мінливих внутрішніх і зовнішніх умов, безупинного вдосконалення поведінки з урахуванням минулого досвіду. При дослідженні процесів самоорганізації будемо виходити з припущення, що в системах, які розвиваються, структура і функція тісно взаємопов'язані. Система перетворює свою структуру для того, щоб виконати задані функції в умовах мінливого зовнішнього середовища.

Адаптація системи до мінливих умов відбувається завдяки появі елементів, які мають необхідні для функціонування системи властивості, причому завдяки не просто появі таких елементів (мається на увазі не тільки поява нових елементів, але й виникнення нових ознак у "старих" елементів), а надмірності таких елементів-ознак. Збільшення числа подібних елементів лежить в основі прогресивного розвитку систем, тому що є передумовою для подальшого добору елементів, диференціації й інтеграції структур. Разом з тим збільшення числа подібних елементів – найпростіший засіб для збільшення надійності відтворення, для інтенсифікації функцій і розширення зв'язків із зовнішнім середовищем. Періодові адаптації (стійкості системи) відповідає постійне нагромадження пристосувальних ознак широкого значення, наростання універсалізму системи. У результаті флуктуацій в системі виникають регулюючі сигнали, котрі змінюють, пристосовують структуру системи так, щоб система продовжувала функціонувати необхідним чином. Період адаптації – цс період еволюційних перетворень, пов'язаних лише з кількісними змінами в системі. Структурна стійкість при цьому не порушується. Поняття структурної стійкості відіграє важливу роль у теорії самоорганізації. Концепція структурної стійкості у найбільш стислому вигляді виражає ідею нововведень – появу нового механізму і нових елементів.

Проблема структурної стійкості зводиться до такого. Під впливом флуктуацій (як внутрішніх, так і зовнішніх) у системі, що самоорганізується, з'являються пристосувальні ознаки (це може виражатися в тому, що існуючі елементи набувають нових ознак або з'являються нові елементи, нові взаємозв'язки між елементами). Нова мережа елементів-ознак забезпечує адаптацію системи до флуктуацій. Якщо при цьому не міняється спосіб функціонування системи, то таку систему називають структурно стійкою. Рене Том звернув увагу на загальний характер і важливість поняття "структурна стійкість".

Які ж фактори визначають розвиток систем, і зокрема еволюції? Це питання найповніше розробляється в рамках біології. Не посилаючись на основоположників еволюційної теорії, перейдемо до аналізу результатів досліджень у цій області Шмальгаузена, якому вдалося пов'язати воєдино концепції Кюв'є, Дарвіна, Вернадського. Шмальгаузен бере як головні фактори еволюції мінливість, боротьбу за існування і природний добір. Шмальгаузен розуміє, що в чистому вигляді ці фактори не виявляються в природі, що уявлення про них – це результат наукової абстракції, підсумок певної розумової роботи. Ось чому для більш повного пояснення дій провідних факторів еволюції необхідне виявлення й інших, серед яких – різні види ізоляції, схрещування, кореляції, індивідуальна адаптація. Особливе місце при цьому він відводить стабілізуючому добору (А. К. Айламазян). Для Шмальгаузена на відміну від деяких інших еволюціоністів-теоретиків ясно, що абсолютизація якогось одного з відзначених факторів неминуче веде до неправильних і обмежених теоретичних висновків, гіпертрофованого перебільшення значення того чи іншого моменту еволюції. Більше того, він спеціально підкреслює, що навіть на різних етапах еволюції її фактори виявляються по-різному і відповідно мають неоднакове значення.

Іншим питанням, що не втрачає своєї актуальності, є питання про форми еволюції. Шмальгаузен розглядає його в ході аналізу процесу видоутворення і розбіжності ознак. При цьому він докладно висвітлює проблему адаптації, наочно показуючи місце цього феномена в еволюційному процесі, простежуючи зв'язок адаптації й організації, який у підсумку приводить до їхньої нерозривної єдності.

Заслуга Шмальгаузена в тому, що він розглядав еволюцію як єдиний, цілісний процес розвитку системи. При цьому вчений показав, що реальним об'єктом еволюції є саме система (наприклад, конкретна популяція або вид у цілому). Кожна особина – реальна одиниця життя – це елемент системи, що еволюціонує. Розвиток притаманний тільки системі, а не елементові. Розвиток – це єдиний цілісний спрямований процес і розглядається тільки стосовно системи. Досліджуючи систему, ми завжди можемо виділити думкою окремі її підсистеми і розглядати інші її підсистеми як зовнішнє середовище. Якщо ми хочемо досліджувати процес розвитку окремого елемента, то цей елемент ми повинні зобразити у вигляді системи, щоб визначити, що є її елементами, а що – зовнішнім середовищем.

Процес еволюції – це результат взаємодії системи із зовнішнім середовищем, тому при дослідженні цього процесу необхідно розглядати процес система – зовнішнє середовище. Значення зовнішніх і внутрішніх факторів в органічній еволюції Шмальгаузен виявляє, пояснюючи еволюційний процес як процес спрямований: "Біогеоценоз виступає стосовно всіх популяцій видів, що входять до нього, як керуючий пристрій. Контроль і регуляція взаємозалежностей популяцій різних видів один з одним і з неживими компонентами біогеоценозу відбуваються через добір або диференціальну участь особин у відтворенні наступного покоління. Загибель, повне чи часткове усунення від розмноження всіх, хто не може виконувати біогеохімічну функцію, підтримує стійкість процесів циркуляції речовини й енергії в біогеоценозі і разом з тим забезпечує еволюцію окремих видів. Еволюція є побічним, але неминучим результатом підтримки стійкості системи вищого стосовно організму рангу. Добір, здійснюючи контроль і регуляцію, тобто підтримуючи стаціонарний стан біогеоценозу, тим самим стає рушійним фактором еволюції виду і забезпечує не просто зміну виду як системи, що могло б привести її до руйнування, а перехід системи з одного гармонійного (стійкого за принципом регулювання) стану до іншого гармонійного стану".

Множинне регулювання за принципом зворотного зв'язку, або самонастроювання організму, який розвивається, лежить в основі підтримки стійкого стану, забезпечує збереження стійкості процесу розвитку при нерегулярно мінливих зовнішніх умовах, забезпечує надійність досягнення результату розвитку в регулярно мінливих умовах середовища. Самонастроювання становить основу пристосованості організму до середовища і взаємного пристосування органів один до одного. Але вона ж становить і основу пристосовності, щоправда, на іншому – надорганізменому рівні організації життя.

Шмальгаузен розкрив, яким чином добір, сприяючи утворенню регуляторних механізмів індивідуального розвитку, змінює характер розвитку і створює стійкі форми, що залишаються незмінними при незмінних умовах середовища і здатні мінятися, як тільки умови середовища змінилися. Цілісність організму, відповідно до цієї концепції, є одночасно умовою збереження стійкості і передумовою перетворення. Саме перетворення, тобто створення "нової спадкової програми", здійснюється за допомогою сил, що оперують уже на рівні безлічі особин – у біогеоценозі і на великих відрізках часу, що виходять за рамки життя особини в процесі зміни поколінь.

Вернадський зумів на рівні біосфери в цілому розкрити взаємодію концепції еволюційного процесу й ідеї стійкості живої природи. Однак у рамках самої біології ці визначальні концепції – константності й історизму – були роз'єднані аж до робіт Шмальгаузена. Шмальгаузен показав, що саме перетворення органічних форм закономірно здійснюється в рамках відносно стабільного механізму, який лежить на біогеоценотичному рівні організації життя і діє за статистичним принципом. Це і є вищий синтез ідеї еволюції органічних форм з ідеєю стійкості виду й ідеєю постійності геохімічної функції життя в біосфері.

Механізм еволюції Шмальгаузен розглядав з погляду кібернетики, процес взаємодії системи і зовнішнього середовища зобразив як послідовність інформаційних процесів: нагромадження, добору, перетворення, передачі інформації про властивості (ознаки) окремих елементів і системи в цілому. Дія регуляторного механізму розвитку системи виявляється на різних рівнях її організації і залежить від реакції на зміну зовнішніх факторів, від форм взаємодії системи з факторами зовнішнього середовища. Залежно від рівня структуризації системи взаємозалежність із зовнішніми факторами виявляється в різних формах, тому що стосується різних рівнів організації системи і різних процесів. У ролі регулятора виступає зовнішнє середовище, що включає розглянуту систему.

Зовнішнє середовище повинне бути пов'язане із системою, що розвивається, двома лініями зв'язку – прямою лінією передачі керуючих сигналів від зовнішнього середовища до системи і лінією зворотного зв'язку, що передає в зовнішнє середовище інформацію про дійсний стан системи. У процесі свого функціонування система передає в зовнішнє середовище інформацію про кількісний склад відповідних елементів-ознак, про їхній розподіл. У зовнішньому середовищі відбувається перетворення цієї інформації (контроль і добір найціннішої інформації). Відібрана інформація накопичується в зовнішньому середовищі і передається в систему шляхом набуття відповідних властивостей (ознак) елементами системи.

У біологічних системах у ролі регулятора виступає біогеоценоз. Популяція, що входить до складу даного біогеоценозу, пов'язана з ним двома каналами. Перший канал зв'язку лежить на молекулярному рівні організації і служить для передачі спадкової інформації від зиготи до первинних статевих клітин зрілої особини. Другий канал зв'язку лежить на рівні організації особини і служить для передачі зворотної інформації від фенотипів до біогеоценозу. Між цими двома каналами "вставлено" механізми перетворення, що забезпечують зв'язок між ними і замикають у такий спосіб елементарний цикл еволюційних змін. Таким чином здійснюється двосторонній зв'язок між зовнішнім середовищем і включеною до їхнього складу системою.

Однак між обома лініями передачі немає безпосереднього зв'язку, тому що вони знаходяться на різних рівнях. Накопичена інформація передасться через прямий канал на рівні ознак окремих елементів, а зворотна інформація – тільки на рівні елементів і компонентів системи. Оскільки регулюючі механізми розвитку системи пов'язані із зовнішнім середовищем, то варто враховувати можливість різних випадкових зовнішніх впливів, що спотворюють передачу інформації і порушують нормальний плин перетворень.

Якщо біогеоценоз у цілому відіграє роль регулятора еволюційного процесу, то він обов'язково повинен бути забезпечений "інформацією" про стан популяції (по лінії "зворотного" зв'язку), повинен містити специфічний механізм перетворення цієї інформації в керуючі сигнали і засоби передачі останніх на популяцію.

Таким чином, крім механізму перетворення, необхідні канали зв'язку для передачі інформації в двох напрямках – від популяції до біогеоценозу і від біогеоценозу до популяції. Через те, що зміна популяції, будучи елементарним еволюційним процесом, завжди супроводжується спадковою зміною її особин, то керуючі сигнали від біогеоценозу до популяції повинні якимось способом включити можливість зміни її спадкової структури. Останнє може відбутися тільки в процесі перетворення інформації в самому біогеоценозі (тобто в "регуляторі"). Оскільки первинні еволюційні зміни можливі тільки в популяції (або в поколіннях особин, але не в окремих особинах), то найпростішою зміною є хоча б невелика зміна в генетичному складі популяції, тобто у співвідношенні числа особин з різною спадковою характеристикою (генотипів). Інформація про такі зміни популяції може бути повідомлена через спадковий апарат її особин і передана особинам наступного покоління за допомогою, наприклад, статевих клітин. Такий апарат дійсно є, і, безсумнівно, він цілком забезпечує надійний зв'язок популяції з регулюючим механізмом біогеоценозу і подальшу передачу інформації від одного покоління особин до наступного.

Є і засоби передачі зворотної інформації від популяції до біогеоценозу. Популяція, безперечно, активно впливає на біогеоценоз, хоча б через споживання харчових матеріалів і нагромадження продуктів своєї життєдіяльності. У певних умовах популяція може внести значні зміни в будову біогеоценозу. Таким чином, є й канали зворотного зв'язку.

Однак немає прямого зв'язку між спадковою інформацією з першого каналу (від біогеоценозу) і зворотною інформацією з другого каналу (від популяції до біогеоценозу). Тут безпосередній зв'язок начебто переривається, тому що обидві лінії зв'язку знаходяться на різних рівнях. Спадкова інформація передається на внутрішньоклітинному (молекулярному) рівні організації, а зворотна інформація – тільки на рівні організації цілої особини. Перехід від однієї лінії зв'язку до іншої відбувається за допомогою досить складного механізму перетворення. Спадкова інформація перетворюється в процесах індивідуального розвитку в засоби передачі зворотної інформації, а саме у фенотип особини, – реального носія життя й активного учасника наступу на життєві ресурси біогеоценозу ("боротьби за існування"). У біогеоценозі через природний добір і процеси розмноження відбувається нове перетворення цієї інформації в спадкову з переходом від рівня організації особини (у фенотипах) на рівень організації клітини (статеві клітини, зиготи). Так замикається повне коло перетворень в елементарному циклі еволюційного процесу.

Таким чином, можна ще раз сказати, що адаптація системи відбувається за рахунок надмірності елементів-ознак, за рахунок нагромадження інформації в системі про стан оточення. Надмірність забезпечує селекцію, добір найбільш оптимальних варіантів. Накопичена в зовнішньому середовищі інформація відбиває вплив зовнішнього середовища і реалізується (передається в систему) шляхом набуття відповідних властивостей (ознак) елементами системи (передається на рівні елементів). Добір відбувається в результаті взаємодії системи із середовищем, нагромадження інформації йде в зовнішньому середовищі (накопичується відібрана інформація). Зворотна інформація передається від системи в зовнішнє середовище в процесі її функціонування (на рівні підсистем). Ця інформація перетворюється у зовнішньому середовищі (йде добір). Кожен елемент системи розвивається за тією ж схемою, тобто може або загинути, або змінити свої кількісні або якісні характеристики.

Кілька слів про поняття "добір". Шмальгаузен виділяє дві стадії добору: стабілізуючий і перетворюючий. Розглядаючи процес розвитку, представимо його як два взаємозалежні періоди: період еволюційного розвитку (адаптації) і період революційних якісних змін (добір). При цьому добір розуміємо як перетворюючий. Стабілізуючий добір у нашій схемі відбувається на етапі адаптації. Стабілізуючий добір закріплює досягнуті властивості системи, пов'язує їх у цілісну систему і забезпечує максимальну надійність їхнього відтворення. Цілісність виявляється в адаптації елемента до умов зовнішнього середовища, у формотворній ролі в ході встановлення основ певної організації в процесах диференціації й інтеграції. У процесі еволюції відбувається добір організмів найбільш здатних вилучати інформацію із зовнішнього середовища і накопичувати її в системі.

Прогресивна еволюція пов'язана із підвищенням здатності до вилучення інформації і збільшенням здатності до її збереження. Нагромадження інформації в організмах означає нагромадження негентропії. Видача зворотної інформації супроводжується і втратою негентропії, і її передачею в зовнішнє середовище. Організми не тільки підвищують рівень своєї негентропії (організації), але й сприяють нагромадженню негентропії у зовнішньому середовищі – вони впливають на це середовище організуючим способом. Це, однак, не означає, що організми тільки організують зовнішнє середовище. Одночасно вони його й руйнують, і це нагромадження ентропії незмінно перевищує зворотний процес організації.

Добір – це засіб здійснення зворотного зв'язку від зовнішнього середовища до системи, тобто добір інформує систему про її стан у зовнішньому середовищі. Добір виступає як механізм, відповідальний, у кінцевому рахунку, за ускладнення й удосконалення самого сховища накопиченої інформації і за узгодження його роботи зі складними мінливими умовами оточення.

Таким чином, процес перетворення зовнішнього у внутрішнє здійснюється в ході стабілізуючого добору, тобто залежний від зовнішніх факторів розвиток стає автономним. Шмальгаузен відзначав, що стабілізуюча форма природного добору веде до впорядкованості будови спадкового коду і до впорядкованості будови всього організму в цілому. З іншого боку, той же стабілізуючий добір підтримує високий рівень різноманіття в структурі всієї популяції.

Причиною різноманіття форм у популяції є, звичайно, процес мутації. Стабілізуюча форма природного добору перешкоджає нагромадженню однакових мутацій, переводить спадкове різноманіття особин у прихований стан і завжди підтримує кількість спадкової інформації в популяції на досить високому рівні. На ще більш високому рівні підтримується і кількість зворотної інформації у фенотипах популяції. Отже, ентропія популяції залишається високою.

Популяція – мало організована біологічна система, і цей низький рівень організації, тобто деяке безладдя і невизначеність, підтримується дією стабілізуючого добору. Цим самим підтримується висока еволюційна пластичність популяції та виду в цілому. У випадку зміни співвідношень між популяцією (видом) і зовнішнім середовищем (біогеоценозом) нормальні особини втрачають свою пристосованість. Стабілізуючий добір у відомих відносинах (за ознаками, що втратили своє значення) припиняється, і це веде до збільшення числа різноманітних мутацій. Різко збільшується кількість інформації в окремих особинах, організація розхитується.

Однак деякі мутації та їхні комбінації можуть одержати в нових умовах середовища позитивну оцінку. Це веде до вільного їх нагромадження під керівним впливом рушійної форми природного добору. Стабілізуюча форма добору веде, власне, до двох різних, але однаково важливих результатів: до максимальної стійкості особини і можливої мобільності, тобто еволюційної пластичності популяції. Стабілізуюча форма природного добору виступає в ролі фактора, що формує і підтримує надійне функціонування першого каналу зв'язку від зиготи до первинної статевої клітини (шляхом клітинних поділів) і безпомилкове перетворення отриманої в такий спосіб інформації в процесах індивідуального розвитку. Вона веде до створення і максимальної стабілізації апарату індивідуального розвитку і до нормалізації популяції, її особин та ознак.

Рушійна (перетворююча) форма добору виступає в ролі фактора, що формує і підтримує функцію другого каналу зв'язку від популяції до біогеоценозу. Вона веде до тих перебудов в організації спадкового апарату (у першому каналі зв'язку) і механізму індивідуального розвитку (у формах перетворення інформації), що сприяють виникненню нових адаптацій; до спеціалізації, загального ускладнення організації і збільшення активності окремих особин, тобто до зміни форм життєдіяльності як засобів зв'язку в другому каналі. Перетворюючий добір використовує у своїй діяльності те, що досягнуто стабілізуючим добором, – високу спадковість тих відхилень від норми, що викликані зміною генотипу. Ембріологічні роботи Шмальгаузена показали, що найшвидше еволюціонують ті структури, які у процесі розвитку зародка найбільш незалежні від інших частин організму. Ідея прискорення еволюції найстабільніших структур стала найвищою точкою синтезу ідеї стійкості та ідеї еволюції.

Дослідження Шмальгаузена показують, що для розвитку системи потрібні закріплені ознаки, які з'явилися в результаті адаптації до зовнішнього середовища, тобто необхідна наявність у системі певної форми пам'яті. Але однієї спадковості для розвитку мало, потрібен активний обмін із зовнішнім середовищем, система повинна бути відкритою. Організаційні форми не можуть виникнути без спеціально організованої пам'яті. Але поряд з "накопиченим досвідом" система повинна мати здатність до навчання.

Таким чином, Шмальгаузен пов'язав один з факторів еволюції -мінливість із процесами передачі, перетворення, нагромадження інформації. При цьому поняття "інформація" пов'язується з числом елементів-ознак. На етапі адаптації важливу роль відіграє надмірність інформації.