Реферат: Виды материи, их эволюция и масштабные соотношения

Реферат: Виды материи, их эволюция и масштабные соотношения

С. С. Воронцов, к.т.н., с.н.с. Института Теоретической и Прикладной Механики СО РАН, г. Новосибирск

- “У эволюционной теории имеется еще один любопытный аспект - каждый полагает, что он понимает ее”.

Жак Мона (Jacques Monad), Спенсеровская лекция.

“История нам не принадлежит, но мы принадлежим ей. Самоосознание индивида есть только блик в замкнутых кругах исторической жизни”.

Gadamer, Truth and Method, p.245.

В настоящее время в связи с нарастающими экологическими, энергетическими и экономическими проблемами вопрос о соотношении масштабов и динамике развития пространственных, временных и иных параметров для различных видов материи – косной, биологической, разумной – из сферы чисто академического интереса приобретает важное практическое значение. К сожалению, пока нет теоретических работ, построенных на фактическом материале механизмов генетических, биологических и социальных процессов и прогнозирующих долговременную динамику биологического прогресса в экосистеме Земли. В предлагаемой Вашему вниманию работе сделана попытка проявить возможные пути рассмотрения проблемы и сделать прогноз на основе самых общих соображений. Эти проблемы нужно ставить и решать еще и потому, что из условия непрерывности процесса следует признать, что, несмотря на сильное изменение форм, при переходе к современным этапам развития социума продолжает идти процесс внутривидовой биологической борьбы за существование, но не в ландшафтной среде, а в сферах производства и распределения материально-энергетических ресурсов. Процессы глобализации ведут к все большей централизации управления социальным процессом, и бурно развиваются механизмы взаимовлияния популяций – экономического, информационного и иных. С одной стороны, унификация параметров популяций – гомогенизация - в долговременном процессе могут привести к значительным потерям генофонда человечества. Уменьшение же разнообразия способов поведения в общем случае сужает адаптационные возможности человечества как вида при изменении внешних условий. С другой стороны, пользуясь централизацией управления, стихийность этого процесса может быть преодолена при его организации на основе стратегий и идеологий, выработанных из знания грядущих угроз и эволюционных тупиков. “Эволюционная теория (психологии, В.С.С.) вполне может стать каркасом, внутри которого социальные науки смогут вырабатывать согласованные, комплиментарные парадигмы поведения, подобно тому как различные дисциплины естественных наук опираются на законы, которые отличаются комплиментарностью, согласованностью и неконфликтностью” [5].

Начнем с рассмотрения временных соотношений как наиболее важных, остальные параметры будут по необходимости анализироваться в динамике их развития. Основные типы материи, исключая промежуточные, определим в соответствии с классификацией [1] как косную, биологическую и разумную. Эта классификация в основных чертах соответствует рассмотрению В.И.Вернадского [2]. Рассмотрение динамики переходов видов материи одной в другую как этапов развития большой системы будет опираться в основном на концепцию А.М.Хазена [3], динамики энцефализации и эволюции разумной материи – на работы [5,6].

Хотя это и непросто сделать, но совсем коротко изложим суть концепции мироустройства А.М.Хазена [3]. На всех уровнях организации материи существуют общие принципы ее структурирования. Системный уровень образуется элементами, сформировавшимися в результате структурирования элементов предыдущего уровня, например, уровень атомов – уровень молекул – уровень кристаллов - и т.д. Характер структурирования определяется количеством, энергией и правилами отбора возможных связей между элементами, образующими системный уровень. Принципы структурирования определяются фундаментальными законами природы: наименьшего действия, сохранения энергии, роста энтропии - и описываются параметрами: действие – энтропия – информация, определяющими вероятности существования устойчивых элементов на каждом системном уровне при определенном наборе условий. В этом случае снимается противоречие, связанное с парадоксом неравновесности при переходе с одного уровня на другой, то есть условия равновесности выполняются для каждого уровня, и статистические вероятности существования элементов реализуются для определенных условий. Чем более сложные элементы образуются на уровне в результате вероятностной реализации разрешенных связей, тем уже становится диапазон параметров их существования, то есть снижается потенциальный порог разрыва связей. Закон роста энтропии выполняется для системы в целом всегда, не требуется вводить понятия негэнтропии. От себя добавим, что в этом случае, задавшись системой возможных связей, можно определить диапазон оптимальных условий существования наиболее сложных элементов, например, для кремнийорганических структур. Для углерода, очевидно, условия на Земле оказались близки к оптимуму, так вот нам повезло.

Теперь перейдем собственно к теме работы.

Возраст Метагалактики, как и нашей Галактики, по данным физической космологии составляет th ~ (10 – 20)х109 лет [4]. Приведем сокращенную таблицу основных событий эволюционного процесса из [5], в ней в 1 столбце для наглядности представлен масштаб времени из соотношения: 1 секунда – 100 лет.

Обратим внимание на два обстоятельства.

Возраст Солнечной системы составляет 4550 млн. лет и возраст биологической материи 4000 млн. лет, в то время как со времени образования первых звездных систем до зарождения Солнечной системы прошло 8000 млн. лет. Из высокой вероятности наличия условий зарождения биологической материи во Вселенной [3] и временного масштаба эволюции следует, что на многих планетах возможна эволюция жизни до ее высших, разумных форм. В этом случае биологический прогресс должен привести к появлению следов деятельности внеземных цивилизаций. Но такие следы не обнаружены, хотя в этом направлении предпринимались целенаправленные исследования.

Солнечная система движется по орбите вокруг центра галактики со скоростью, отличающейся от скорости большинства других звездных систем. Поэтому она “достаточно долго” не подвергалась воздействию факторов, которым часто подвергаются системы, находящиеся в рукавах нашей спиральной Галактики. Именно это обстоятельство способствовало сохранению относительно стабильных физических условий существования и эволюции биологической материи. Но даже в этих аномальных для подавляющего большинства звездных систем условиях наблюдаются кризисные периоды (245 и 65 млн. лет до н.в.), связанные, скорее всего, с космическими факторами и характеризующиеся большими потерями генофонда и массы биологической материи.

Эти обстоятельства свидетельствуют о том, что биологический прогресс, вероятно, не приводит к экспансии разумной материи на масштабы преобразования энергии и вещества, превышающие геофизические. Следовательно, имеются механизмы деградации разумной и биологической материи, связанные с эволюцией их внутренних параметров или с катастрофическими воздействиями косной материи.

Условия для возникновения жизни на Земле сформировались 4 миллиарда лет назад. Отбор генов при их репликации и обменом с внешней средой на ранних стадиях, приведшие к возникновению живых организмов во всем их многообразии, оставим здесь без обсуждения ввиду скудности достоверной информации о механизмах этого процесса. Хотя спектр генного состава исходного живого вещества очень важно знать, так как для появления первых рептилий, имеющих нервную систему, потребовалось 3700 млн. лет эволюции. В этот период, очевидно, произошло основное накопление разнообразия генного состава биосферы, дальнейшая эволюция продолжалась на этом фундаменте. И с этого момента количество перешло в качество, темп эволюции резко увеличился. После катастрофы конца Пермского периода для расцвета сухопутных рептилий потребовалось всего 70 млн. лет. Для их эволюции до катастрофического исчезновения природа отвела период в 170 млн. лет, то есть примерно столько же, сколько потребовалось теплокровным животным для эволюции до разумной формы материи. Что помешало нейронной системе рептилий развиться до разумных форм? Или отсутствовали внешние условия для развития в этом направлении, или были ограничения, связанные с особенностями анатомии и морфологии их организмов? Существует гипотеза Дейла Рассела о том, что один из видов рептилий – стенонихозавры – развился до разумных форм за 12 млн. лет, но доказать эту увлекательную гипотезу едва ли будет возможно.

Процесс энцефализации – ускоренного развития головного мозга и психики у предков человека – начался всего навсего около 500 тыс. лет назад. Значительный отрезок времени этого процесса занял последний Ледниковый период, который обусловил колебания климатических условий в сравнительно широких пределах. Каковы были предпосылки внутривидового отбора, обусловившие развитие головного мозга от состояния приматов до его нынешних параметров у человека? В работе [5] отмечаются два из них. Во первых, предки человека – так же, как и современный человек, - были глубоко социальными животными, поэтому доминирование вожака в группе и доминирование группы в сообществе были важными параметрами выживания. Это создавало необходимость создания коалиций, приводило к формированию так называемого “макеавелианского” мышления с элементами Гоббсовской агрессии, то есть к развитию способности интригами и другими аналогичными действиями сплачивать группу вокруг лидера, а сообщество вокруг лидирующей группы. Это стимулировало развитие коммуникационных механизмов, основной из которых – вербализация информации, речь. Второе обстоятельство – колебания климатических условий. Для передачи потомству способов поведения, способствующих выживанию в этих условиях, потребовалось развитие функции обучения, теснейшим образом связанной с формированием структур мозга. Этот же процесс еще более усиливал требования к ускоренному развитию функций вербализации информации и к выработке “чувства причинности”, то есть созданию синтетических моделей элементов окружающей среды, развитию явления инсайта [7]. Качественный скачек в этом процессе – децентрация, понимание отдельности организма человека от других элементов природы, его смертности. Индикатором наличия этого явления может считаться появление первых погребений. В терминах философии это явление означает появление субъект – объектных отношений, в терминах теософских концепций – это изгнание из Рая. Поэтому у многих людей мысли о возврате к слиянию с природой или богом вызывают в структурах мозга биохимический процесс, приводящий к выделению эндогенных опиатов. Это генерирует близкое к наркотическому состояние, соответствующее религиозному экстазу, что, в свою очередь, способствует созданию на этой основе очень устойчивых мифологических представлений. Вот такой рудимент.

Рассмотрим два аспекта процесса энцефализации, в которых в последние годы и десятилетия наука получила наиболее интересные результаты. Первый – нейрофизиологический в его связи с генетическими механизмами формирования структур мозга. Второй – психологический, с анализом пределов наследования поведенческих параметров в процессе геном – средовых взаимодействий, в конечном счете, связанный с динамикой как физических так и социальных процессов на уровне разумной материи.

Общепринятой теории зарождения репликаторов и их эволюции до нынешнего состава генофонда биосферы Земли, как отмечалось выше, не существует, интересующиеся могут найти такое описание, например, в работе Р.Докинза [11]. В ней сформулирован оригинальный подход к теории биологической эволюции: предлагается рассматривать конкуренцию и отбор генов, а не конкуренцию признаков их “носителей”. То есть биологические организмы рассматриваются как “машины выживания генов”.

Отметим очень важный для наших рассуждений и удивительный сам по себе факт: геном человека на 30% совпадает с геномом вирусов и на 50% совпадает с геномом мухи дрозофилы [3]. Так что вопрос сводится больше к исследованию эволюции не самих генов, а их функций как “машин” для создания и сохранения своей среды обитания, то есть биологических организмов.

Рассмотрим более подробно роль генных механизмов в формировании структур мозга и нейронной системы, что теснейшим образом связано с проблемами обучения и наследования поведенческих параметров, а это в свою очередь, через спектры психофизиологических параметров популяций, определяет макроскопическое структурирование социальных систем. Необходимо рассматривать “не просто физиологические механизмы возбуждения и торможения отдельных нейронов, областей и структур мозга, а специфические системные процессы и функциональные системы, осуществляющие взаимодействие целого организма с предметной средой в контексте структуры видового и индивидуального опыта” [6]. Для этого привлекаются данные нейроанатомии, эмбриологии, эволюционной биологии и молекулярной генетики.

При анализе нужно принимать во внимание следующие данные психофизиологии [6].

Специфичность каждой из клеток организма определяется составом белков, синтезируемых за счет активности генов в составе ДНК, содержащейся в геноме организма. Синтез белка посредством считывания информации с гена и ее трансляции в белковую молекулу называется экспрессией гена. Около половины генов человеческого генома имеет мозгоспецифическую экспрессию, в частности, за счет альтернативного сплайсинга – экспрессия генов в разных клетках дает различные белки за счет разной комбинации функциональных блоков одного и того же гена. 50% генетических заболеваний человека связаны с нарушением функций нервной системы. То есть роль и место нервной системы в эволюционной истории организмов в настоящее время недооценивается.

С точки зрения генетических механизмов эволюции, на первом плане исследований должно быть не морфологические и анатомические структуры организмов, а изменения в строении и функциях белков, ферментов, гормонов, рецепторов, детальных связей между клетками. “Каждая сохраненная отбором модификация строения и функций гена, каждое появление в клетке или органе нового стабильно экспрессирующего гена, свидетельствуют об отдельном эволюционном событии, общая сумма которых и отражает процесс проходившей эволюции”. Из расчета количества экспрессирующих в органах генов получается, что эволюция генома млекопитающих выполняла в основном задачу обеспечения организации и функций мозга!! Вопрос: эволюция генома определяла нейроэволюцию млекопитающих или наоборот??

В построении структур мозга млекопитающих участвуют гены, функции которых на более ранних стадиях не были связаны с нервной системой. Это явление эволюционного консерватизма генов, принципы вовлечения генов в процесс энцефалогенеза.

Отдельные группы генов контролируют развитие органов, в том числе мозга. “Селекторные” гены регулируют развитие, “реализаторные” обеспечивают построение структур органов. Первые гены кодируют “транскрипционные факторы” – белки, регулирующие экспрессию других генов. Например, исследования выявили группу “гомеобоксных генов”, участок около 180 аминокислот, которая кодирует транскрипционные факторы, выполняющие разнообразные функции на всех этапах эволюции. “Демонстрируя молекулярное взаимопроникновение механизмов развития и эволюции, они (исследования, В.С.С.) поднимают критический вопрос о принципах приемственности и смены функций генов в условиях эволюционно усложняющейся морфологической организации”.

Внутри популяции естественный отбор вызывает изменение пропорции генов, которые связаны с признаками, попавшими в этот процесс. Отбор действует на уровне целостных организмов – фенотипов – и их взаимоотношений со средой, в результате чего происходит популяционные изменения частот генов. Для реализации процесса отбора требуется набор из четырех трансформационных правил (Рис.1) – эволюционный цикл. Первое Т1 связывает зиготы G1 через процессы эмбрионального развития с признаками, несущими селективные преимущества. Второе Т2 определяет преобразование зрелых фенотипов в индивидуальной жизни и связано с экологическими воздействиями в процессе борьбы за существование, спаривания и отбора. Третье Т3 соотносит фенотипы с образованием половых клеток, законами рекомбинации и другими зависимостями, проецирующими фенотипы на генотипы. Наконец, Т4 описывает формирование новых зигот G1 и определяется правилами сортировки генов, такими как закон Менделя и закон Харди-Вайнберга, позволяющими, исходя из родительских генотипов, предсказать генотипы следующего поколения. Таким образом, особенно важно то, что правило Т1 определяет влияния генома на свойства организма, а фаза Т2 – влияния среды на свойства генома в одном цикле. В фазе Т2 происходит адаптивная модификация и формирование новых функциональных систем через процессы индивидуального обучения и системогенеза новых поведенческих актов.

Средовые влияния происходят через механизмы естественного отбора и соматические механизмы. Для “замыкания задачи” нужна единая теория, связывающая эмбриологию, морфологию, физиологию и психологию. В современных условиях информационно-психологическая среда в основном определяется свойствами социума, и наличие влияния среды на генные факторы при некоторых условиях может иметь сильные нелинейные, чаще всего негативные эффекты.

Основные средовые влияния могут быть выявлены исследованиями механизмов долговременной памяти. Консолидация долговременной памяти и опыта требует синтеза новых молекул РНК и белка, т.е. экспрессии генов, и связана с морфогенезом и развитием (Bailey, Kandel, 1994). При этом экспрессивными являются т.н. “ранние гены”, по свойствам напоминающие группу генов бактериофагов и ДНК-вирусов (Анохин, 1997). Процесс является двухфазным, “ранними” генами экспрессируются “поздние”, или “эффекторные” гены. “В результате реактивации во взрослом мозге… контролирующих развитие морфорегуляторных молекул нервные клетки могут приобретать при формировании нового опыта способность к перестройке своих синаптических контактов и специализации относительно вновь образующихся функциональных систем (Rose, 1995, Анохин, 1996, 1997)”. Таким образом, на молекулярно-генетическом уровне научение составляет с развитием единый континуум на всех этапах онтогенеза.

Экспрессия “ранних” генов критическим образом зависит от фактора субъективной новизны данного события для организма. То есть морфогенез, развитие зависит от предшествующего и генетически наследованного опыта, от когнитивных факторов. Научение на молекулярном уровне - это продолжающийся процесс развития, но на системном уровне он переходит под контроль общемозговых интегративных процессов.

Страницы: 1, 2