Сила аналогий. Творчество выдающихся ученых, вдохновленных идеями Чарльза Дарвина
Новиков Н.Б.
Аннотация
Теория биологической эволюции, созданная Чарльзом Дарвином, смогла «перешагнуть» границы той области, в которой она впервые была сформулирована, и оказала огромное влияние на множество других научных дисциплин. Ключевые понятия и принципы дарвиновской концепции нашли применение и были успешно ассимилированы в таких сферах научного знания, как лингвистика, иммунология, нейробиология, медицина, химия (теория гиперциклов). Эти принципы и понятия оказались полезными в экономике, теории искусственного интеллекта, эволюционной эпистемологии, описывающей развитие научных парадигм, а также в теории эволюции технических систем, в которой Б.И.Кудрин ввел понятие информационного отбора. Каким же образом произошла ассимиляция идей Ч.Дарвина в перечисленных научных дисциплинах? Мы покажем, что за каждым «актом ассимиляции» стояли конкретные ученые, которые, используя процедуру аналогии, смело переносили в новую область элементы дарвиновского наследия. Мы также покажем, что дарвиновские идеи (в терминах эволюционной эпистемологии) дают решение 18-й проблемы С.Смейла.
Ключевые слова: новые идеи, научные теории, обнаружение сходства, проведение аналогии.
Abstract
The theory of biological evolution, created by Charles Darwin, was able to “step over” the boundaries of the field in which it was first formulated, and had a huge impact on many other scientific disciplines. The key concepts and principles of the Darwinian concept have found application and have been successfully assimilated in such areas of scientific knowledge as linguistics, immunology, neurobiology, medicine, chemistry (hypercycle theory). These principles and concepts turned out to be useful in economics, the theory of artificial intelligence, evolutionary epistemology, which describes the development of scientific paradigms, as well as in the theory of evolution of technical systems, in which B.I. Kudrin introduced the concept of informational selection. How did the assimilation of Charles Darwin's ideas take place in the listed scientific disciplines? We will show that behind each “act of assimilation ” there were specific scientists who, using the analogy procedure, boldly transferred elements of the Darwinian heritage to a new area. We will also show that Darwinian ideas (in terms of evolutionary epistemology) provide a solution to Smale's 18th problem.
Key words: new ideas, scientific theories, discovery of similarities, drawing analogies.
Август Шлейхер: перенос идей Дарвина в лингвистику
В 1859 г. Чарльз Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов путем естественного отбора», в которой показал, что колоссальное разнообразие живых организмов, населяющих нашу планету, - продукт постепенной эволюции, длившейся миллионы лет. Великий натуралист предложил теорию развития животных и растений, которая основывалась на нескольких (ключевых) принципах. Первый из них - градуализм, предполагающий медленность, постепенность (нечувствительность) изменений, которым подвергаются те или иные организмы. Ч.Дарвин отмечал: нельзя ожидать, что можно будет заметить существенные перемены меньше, чем за десятки тысяч лет. Второй принцип - понятие общего предка, согласно которому все представители того или иного таксономического класса произошли от общего предка. Объясняя разнообразие видов, Ч.Дарвин указывал, что оно возникло в результате ответвления (отпочкования) отдельных видов от общего «ствола жизни». В его книге «Происхождение видов» имеется рисунок, изображающий схему этого ответвления (схему дивергенции). Третий принцип - случайность наследственных изменений (вариаций), которые повышают степень адаптации животных к условиям внешней среды. Хотя английский ученый допускал возможность наследования приобретенных при жизни признаков (об этом свидетел ьствует его «гипотеза геммул», высказанная в 1868 г.), тем не менее, он настаивал на случайности большинства наследственных вариаций. Четвертый принцип - конкуренция между организмами за ресурсы, в которой преимущества получают особи, обладающие высокой жизнеспособностью. Этот принцип был подсказан Ч.Дарвину трактатом Томаса Мальтуса «Опыт о законе народонаселения» (1798), где рассматривалась экономическая конкуренция. Ч.Дарвин перенес экономические рассуждения Т.Мальтуса в область биологии, сформулировав понятие «борьбы за существование» среди животных. Наконец, пятый постулат эволюционной концепции - естественный отбор. Изучив селекционную практику (искусственный отбор), с помощью которой люди выводят новые породы животных и сорта растений, Ч.Дарвин постулировал, что в дикой природе действует аналогичный механизм, который он назвал естественным отбором. В ходе этого отбора природа «отсеивает» (элиминирует) нежизнеспособные формы.
Теория Ч.Дарвина получила высокую оценку специалистов сразу же после обнародования. Она удивляла их простотой идей, раскрывающих движущие силы эволюции. Известна, например, первая реакция Томаса Гексли (1825-1895) на механизм естественного отбора, изложенный в «Происхождении видов» Ч.Дарвина: «Не додуматься до этого - какая же неимоверная глупость с моей стороны» [1, с.131]. Идеи Ч.Дарвина с восхищением воспринял австрийский физик Людвиг Больцман (1844 -1906), открывший статистическую интерпретацию второго начала термодинамики, то есть закона роста энтропии. Скорее всего, Л.Больцман обратил внимание на сходство между статистической природой энтропии и случайной (статистической) природой явления биологической адаптации, которую изучал Ч.Дарвин. Л.Больцман писал: «Если вы меня спросите относительно моего глубочайшего убеждения, назовут ли нынешний век железным веком или веком пара и электричества, я отвечу, не задумываясь, что наш век будет называться веком Дарвина» [2, с.202].
Ученые, представители разных научных дисциплин, «почувствовали», что Ч.Дарвину удалось расшифровать некие фундаментальные законы, на основе которых живая природа развивается и адаптируется к постоянно меняющимся условиям внешней среды. Они «почувствовали», что эти законы должны работать везде, где есть развитие и эволюция.
Одним из первых, кто понял это, был немецкий лингвист и филолог Август Шлейхер (1821-1868). Еще до появления дарвиновской теории он опубликовал первые языковые деревья индоевропейских языков. Когда же вышел труд Ч.Дарвина «Происхождение видов», А.Шлейхер пришел к выводу о возможности перенести в лингвистику многие эволюционные понятия. В частности, А.Шлейхер решил, что существует соответствие между понятием родословного древа биологических видов и понятием родословного древа языков. Аналогично, вымирание видов соответствует вымиранию языков, изменчивость организмов - изменчивости словесных форм, биологическая борьба за существование - конкуренции языков (а также слов внутри языка). Примечательно, что эта эквивалентность между видами и языками отмечалась самим Ч.Дарвином (1871).
И.В.Стрекольщикова в диссертации [3] пишет об аналогии немецкого лингвиста: «А.Шлейхер полагает, что установленная Чарлзом Дарвином изменчивость видов, способствующая возникновению из одной формы многих новых особей, соответствует аналогичному процессу, происходящему среди организмов языков. Так, он пишет: «Те языки, которые по выражению ботаников и зоологов, следовало бы обозначить видами одного рода, мы считаем за детей одного общего основного языка, из которого они произошли путем постепенного изменения. Из племени языков, нам хорошо известных, мы точно так же составляем родословные, как это старался сделать Дарвин для видов растений и животных» [3, 32]. Автор продолжает: «...По словам Дарвина, если какая-нибудь группа полностью вымерла, она уже не появится, потому что цепь поколений прервана. Поэтому доминирующие формы находят широкое распространение и дают наибольшее число разновидностей, а их потомки успешно вытесняют группы, уступающие им в борьбе за существование. Применяя эту теорию к языкознанию, А.Шлейхер замечает, что в настоящее время победителями в борьбе за существование оказываются «индогерманские» языки, которые активно вытесняют все прочие языки» [3, с.34].
Об этом же сообщают Т.А.Амирова и др. в книге «История языкознания» [4]: «Наиболее ярко влияние теории Дарвина проявляется в перенесении Шлейхером положения о «борьбе за существование» в растительном и животном мире на язык. Согласно Дарвину, в «борьбе за существование» выживают, сохраняются лишь наиболее приспособленные, жизнеустойчивые виды, в то время как остальные исчезают, заменяясь более стойкими. Как считает Шлейхер, это положение Дарвина без всякого изменения может быть применено к языкам» [4, с.327]. «Шлейхер переносит на язык установленный Дарвином закон изменчивости видов» [4, с.327]. «По мнению Шлейхера, в языкознании даже легче прослеживать изменения языков, устанавливать происхождение новых форм из прежних, чем в сфере организмов животных и растений, поскольку благодаря наличию письменных памятников некоторые языки и семейства языков можно проследить в течение более чем двух тысячелетий» [4, с.327].
Нильс Ерне: перенос идей Дарвина в иммунологию
В свое время американский химик, лауреат Нобелевской премии, Лайнус Полинг (1901-1994) предложил теорию, призванную объяснить, как наша иммунная система распознает инфекцию и организует синтез антител для борьбы с чужеродными агентами, проникшими в организм. Л.Полинг (1940) предположил, что чужеродная частица (антиген) действует на антитело как матрица, информирующая (инструктирующая) антитело, какую конфигурацию ему следует принять, чтобы нейтрализовать антиген. Согласно Л.Полингу, при контакте с антигеном полипептидная цепь антитела приобретает такую форму, благодаря которой возникает комплементарность (соответствие) между антигеном и антителом. Первоначально ученые восприняли с энтузиазмом эту концепцию Л.Полинга, получившую название «инструктивной теории» или «теории прямой матрицы». Казалось, что она способна объяснить существование огромного количества антител, возникающих на основе немногих вариантов «аморфных заготовок» - протоантител, имеющихся в организме [5]. Однако иммунологические эксперименты не подтвердили эту теорию Л.Полинга. Выяснилось, что полипептиды иммуноглобулинов приобретают пространственную конфигурацию, обеспечивающую высокую специфичность и эффективность иммунологической реакции, при отсутствии антигена. Эта пространственная конфигурация определяется не матрицей антигена, а последовательностью аминокислот в N-концевых частях полипептидов антител.
Таким образом, проблема синтеза огромного количества антител, способных специфически связываться с инфекционными агентами (бактериями, вирусами), оставалась открытой и требовала решения. Если эти агенты не действуют подобно матрице, если они не инструктируют лимфоциты (клетки иммунной системы) относительно формы антител, то как же тогда иммунная система «умудряется» производить антитела нужной конфигурации? Ведь если нет инструкции, заранее подготовленного плана, то трудно понять, каким образом достигается высокая степень эффективности удаления чужеродных агентов из организма.
Однако факт отсутствия инструкции (плана) напоминает то, что в живой природе, способной эволюционировать и адекватно отвечать на «вызовы» внешней среды, тоже нет готового плана, замысла. «Схема работы» живой природы сводится к тому, что она производит на свет огромное количество организмов, и те «экземпляры», которые случайно обладают полезными признаками, подхватываются естественным отбором, а остальные - выводятся из игры. Таков алгоритм, описанный в теории Ч.Дарвина.
В 1950-х годах об этой «схеме работы» живой природы размышлял британский и датский иммунолог Нильс Ерне (Niels Jerne), который одновременно сопоставлял ее с научными результатами, накопленными в иммунологии к тому времени. Н.Ерне отверг гипотезу Л.Полинга и его коллег о том, что в иммунной системе антиген служит матрицей (шаблоном) для образования соответствующего антитела. В 1955 г. ученый предположил, что в процессе антителообразования действует механизм отбора, аналогичный естественному отбору Ч.Дарвина. Когда какие-то антитела случайно оказываются эффективными в нейтрализации конкретного антигена, иммунная система усиливает производство антител именно этой специфичности. Одновременно иммунная система прекращает синтез антител, не обладающих нужной специфичностью, т.е. неэффективных в борьбе с вирусами и бактериями. Конечно, это напоминает гибель организмов, которые не сумели адаптироваться (по теории Дарвина). Таким образом, Нильс Ерне объяснил механизм синтеза высокоспецифичных антител по аналогии с тем, как Ч.Дарвин объяснил способ появления высоко-адаптивных организмов. Другими словами, ученый перенес дарвиновскую концепцию естественного отбора в иммунологию, постулировав, что этот отбор действует и на уровне иммунных клеток (лимфоцитов). В 1984 г. Н.Ерне был удостоен за свою «дарвиновскую теорию антителообразования» Нобелевской премии по физиологии и медицине. Определенный вклад в эту теорию, часто называемую «клонально-селекционной», внес также Фрэнк Бернет, который получил эту премию раньше (в 1960 г.).
Кендалл Смит в статье «Интерлейкин-2» [6] повествует об аналогии Нильса Ерне: «Фундамент современных представлений об иммунной системе заложен в 1955 г. Н.Ерне - лауреатом Нобелевской премии в области медицины за 1984 г., - работавшим в Калифорнийском технологическом институте. Он предположил, что иммунная реактивность основана на принципе дарвиновского естественного отбора. В то время уже было известно, что в крови молекулы антител специфично взаимодействуют с антигенами. По гипотезе Ерне, всякий организм исходно обладает небольшим количеством антител против любого возможного антигена. Когда в организм проникает конкретный антиген, способные связываться с ним антитела подвергаются позитивному отбору (в терминологии Дарвина) и их количество возрастает» [6, с.16].
Об этом же пишет Н.Я.Лян в статье «Ерне Нильс» [7]: «В 1955 г. английским иммунологом Нильсом Ерне была предложена теория естественного отбора в антителообразовании, согласно которой каждый индивид имеет огромное количество естественных антител со специфичностями для всех антигенов, с которыми его организм может встретиться. <...> Когда появляется чужеродный антиген, он выбирает себе наиболее подходящую молекулу антитела. Реакция «антиген - антитело» стимулирует производство антител именной этой специфичности» [7, с.5]. Автор поясняет: «.. .Казалось, что в иммунной системе антиген служит своего рода матрицей для образования соответствующего антитела. Однако Ерне не признавал подобных «инструктивных» теорий. Он считал, что антитела либо выбираются из уже имеющихся, либо постепенно модифицируются. Антитела как бы претерпевали эволюцию путем естественного отбора» [7, с.6].
Говоря об объяснении механизма образования антител, предложенного Нильсом Ерне на основе аналогии, П.Медавар и Дж.Медавар в книге «Наука о живом» [8] пишут: «.Весьма показательно, что одна из самых первых научных статей по этому вопросу, вышедшая из-под пера Нильса К.Ерне, была озаглавлена: «Теория естественного отбора в образовании антител» [8, с.117].
Джеральд Эдельман: перенос идей Дарвина в нейробиологию
Изучая эмбриональное развитие нервной системы (нейрогенез), ученые с удивлением обнаружили, что многим нейронам суждено погибнуть во время этого развития. Это связано с тем, что первоначально в нервной системе образуется избыточное количество нейронов, которые должны установить точные синаптические связи с другими нейронами и клетками иннервируемых органов. Нервные клетки, которые не смогли образовать синапсов (контактов) со своим окружением или образовали их с неподходящей клеткой-мишенью, «выводятся из игры». Гибнут также нейроны, которые не получили специфических средовых стимулов (сигналов извне). Например, если в момент становления зрительного анализатора свет не будет падать на глаза, то система анализа визуальной информации не будет создана. При отсутствии внешней стимуляции нейроны теряют способность возбуждаться и генерировать нервные импульсы. Разумеется, нервная система не может допустить существования нефункционирующих клеток или тканей [9, с.458]. Она также не может допустить нарушения равновесия между количеством нейронов и их мишеней. Поэтому избыточные нервные клетки удаляются путем апоптоза - процесса, при котором активируется внутренняя «суицидальная» программа клетки, состоящая в ее распаде с участием протеолитических ферментов [10, с.566]. Оставшиеся нейроны конкурируют друг с другом, и в этом процессе конкуренции одни синапсы (связи) сохраняются, а другие утрачиваются. Примечательно, что это явление впервые наблюдал еще испанский врач и гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль (18521934), лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1906 г.