Взгляд в научное прошлое из начала нового века
К.М. Хайлов
доктор биологических наук
Мысль банальная: новый век -- новые мысли. Значит ли это, что мысли прошлого уходят в прошлое, причем навсегда? Нет, потому что такого не может быть. Но все-таки: почему нужно заглядывать в прошлое? Прежде всего потому, что мы делаем это не часто, а говоря по правде - редко, что плохо. А еще потому, что из настоящего разглядеть прошлое можно по-новому и не осуждая, а удивляясь как прозорливости наших предшественников, так и некоторым недомыслиям -- не только далеких предков, но и нашим собственным, из близкого XX века, а даже и из нынешнего (уже надумали).
Банально звучит и другое: научное обобщение, интеграция знаний всегда отстают от специализации и неизбежного при ней разобщения. Специализация знаний, в рабочем порядке необходимая, задачам нового века - глобальным, комплексным, системным - совершенно не соответствует. Чтобы жить на Земле устойчиво, как желаем, необходимы широкое понимание Земли и жизни, их научный синтез. Вот и приходит мысль оглянуться в прошлое наук о жизни и о Земле, но так, чтобы стояли они не отдельно, а вместе, интегрально, как давно предлагали многие - от Гумбольдта до Вернадского.
Ламаркизм, дарвинизм и эволюция организмов
Природоведение, о котором пойдет речь, включает три базовые вещественные части обитаемой области Земли -- косное глобальное Гео, Био (все на Земле живущее) и Социо -- глобальное человечество, сложная надстройка к Био. Три эти вещественные составляющие находятся в процессе эволюции. Это три разных процесса, с собственными законами и регуляторами, или их эволюции это коэволюция, в которой они тесно переплетаются, а регуляторы, хотя и разной «внешности», но системно подобны?
В истории знания такие вопросы задаются давно, в разной форме, но редко. Еще реже три эти типа эволюции вспоминают и сравнивают в поисках как различия, так и подобия; то и другое всегда вместе. Очевидно, что по мере глобализации Социо, а она уже зрима и настораживает, потребуются научные модели, охватывающие Гео, Био и Социо не только философски (что очень важно и совсем не просто), но и на внятном общенаучном языке и в общей метрике. Иначе можем в трудное время не выжить, примеры были.
Практика -- основа взрослой людской жизни, а научная основа практики, хочешь не хочешь, это теория. Но прежде нужна некая калька или, как теперь говорят, логистика. Наши предки-биологи с логистик и начинали. Одной из первых стала идея «общего плана строения» всех живых существ; поразительно в точку, нам бы так. Логистики были разные, но основными и между собой конфликтующими были в биологии две: 1) идущая от «общего плана» эволюционная идея Ламарка -- ступенчатое повышение организации жизни, ее «градаций» (но по калькам Всевышнего -- вот незадача... о приемлемой версии самоорганизации, предложенной позже физиками, Ламарк догадаться не мог, претензий нет; к градациям Ламарк добавил адаптивное «упражнение органов») и 2) эволюционная идея Дарвина -- адаптация организмов к среде обитания с участием конкуренции и естественного отбора, который все объясняет (во что охотно верится, а Высшие силы не требуются; что же касается упражнения органов, то дарвинисты правы: результаты упражнений не наследуются и эволюции дарвиновского типа, на генетической основе, не делают).
XX век был, как известно, веком победы материализма над всем Высшим, не только божественным, но и просто духовном. Успех логистике дарвинизма был обеспечен надежно: внешние признаки организмов наглядны, многие красивы, с отличным вкусом и запахом, можно надоить молоко, сбить масло и т. п. Тела с такими признаками имеют на рынке цену, а поднимать цену выгодно и легко. Признаки живых существ полезны в разных технологиях -- в делах селекции, семеноводства, растениеводства, животноводства, что тоже приносит доход. И напротив: уровни организации жизни разглядеть не всегда легко, скальпелем их не вырезать, нет опознавательных признаков (зубчиков, щетинок, венчиков и т. п.), нарисовать на бумаге не получается. Все эти «градации», «уровни жизни», «масштабные классы» или «ароморфозы» -- одно и то же, синонимы. Как их ни называй, практического смысла они не имеют, такие на рынок не понесешь. Естественно, что практичный XX век выбрал дарвинизм и отказал ламаркизму. Логистика дарвинизма без Дарвина (который ни в чем не виноват) уверенно перешла в науку, в учебники XX века и даже в XXI век заехала, но уже слаба. Сильны генетика и молекулярная биология, но не логистикой, а точными методами.
Жизнь и эволюцию организмов биологи изучают уже четыре столетия, дошли до генов и глубже. Однако логистика дарвинизма имеет дефекты с другой стороны -- на макроскопическом уровне. Биологи-дарвинисты считают заслугой отбора на основе конкуренции и наследования признаков не только адаптации, но также и усложнение организации живых существ, «градации» их масштабных уровней -- от отдельно взятой клетки (якобы «единицы жизни», что очень наивно) к тканям и органам до человека с целой системой органов. Именно градации уровней жизни упоминал Ламарк с ошибочной ссылкой на Всевышнего.
По сути дела, системный, как знаем теперь, процесс эволюции организмов, включающий сложную связку разномасштабных физико-химико-биологических процессов, самоорганизацию по законам термодинамики и адаптации организмов к внешним условиям, дарвинисты XIX века стали объяснять как явление целиком биологическое и целиком адаптивное. Для этого адаптации были разделены на два типа: 1) случайные изменения (мутации) и отбираемые из них путем конкуренции адаптивные или нейтральные и 2) усложнение организации и формирование ее масштабных уровней (ароморфозы). Ароморфозы также были признаны адаптацией к среде, но не к частным ее свойствам, а к «наиболее общим факторам среды». Однако почему «общие факторы» (температура, свет, гравитация?) и каким образом ведут к системному усложнению жизни и к иерархии масштабных уровней: от клеток к тканям, далее к сложным органам и к тканевым организмам и сообществам, к еще более сложным экосистемам и, наконец, к биосфере? Ведь это же сложный трансглобальный процесс, требующий физического объяснения, поскольку объяснения биологического в глобальном масштабе нет и не будет. Не будет потому, что процесс эволюции жизни выходит далеко за рамки биологии. Знать об этом классики биологии XVIII--XIX веков не могли. Претензий к классикам нет, но нет и отвечающего потребностям XXI века понимания жизни.
Порядок и беспорядок -- базовые состояния бытия
С самого начала XXI века вдруг обнаруживаем, что порядка вокруг почему-то недостает, а беспорядок в избытке, что плохо. Плохо и то, что зримая и сложная организованность жизни и ее не менее сложная эволюция (по учебникам биологии их не понять) интерпретируются исходя из подозрительно простого постулата о «единстве организмов и среды». По учебникам выходит странно: очень сложно упорядоченная жизнь, состоящая из многих уровней структурно-функциональной организации, включая людей с вольным поведением и желанием неуклонного прогресса, сложилась в очень слабо упорядоченной среде обитания, состоящей из случайно сочетающихся между собой, нескоррелированных «факторов», самых разных, вплоть до лунного света, солнечных пятен, вулканических газов и трясок, жестких лучей из космоса и падающих на головы метеоритов -- всего не перечесть. Однако (по сведениям большой группы современных наук) жизнь протекает и развивается не просто в окружении разных внешних «факторов», а в системе гораздо более организованной, чем сами организмы и их виды. Эта система именуется «географической оболочкой Земли», ее «обитаемой областью», «биосферой» или другими терминами. Классическая версия жизни биосферу, ее информационную и организующую роль в эволюции организмов не предусматривает. Поэтому биологическое понимание жизни и ее эволюции постепенно корректируется в межнаучной области в терминах порядка и хаоса с учетом термодинамических основ бытия и теории информации.
Рассказать о порядке (упорядоченности, организованности) и беспорядке (хаосе), обходя сложности физики и информатики, можно довольно просто, ребенок поймет, но в школах почему-то этого не делается. Схемы на рис. 1(а-в) отражают некоторые присущие миру формы упорядоченности, несущей в себе информацию. На рисунке: (а) -- пространственная упорядоченность вещества, энергии и информации в образе человека; (б) -- функциональная упорядоченность на основе взаимного обмена веществами, энергией и информацией по известному принципу дополнительности (на школьном уровне его выражают вполне понятные слова «ты мне, я тебе», обозначенные на рис. 16 обоюдными стрелками); (в) -- масштабная, она же иерархическая, упорядоченность, т. е. последовательное включение меньших структур в более крупные и сложные, что записывается строкой: К, с К, с К, и т. д. Поскольку понятие «масштаб» в биологии используется редко, масштабную упорядоченность называют «уровнями организации жизни», хотя масштабы, а соответственно и уровни организации, присущи всей Вселенной. Фундаментальное значение во Вселенной, на Земле и в жизни имеет также упорядоченность динамическая -- волновой процесс, развертывающийся во времени (рис. 1г). В школах его кратко проходят.
Каждой форме упорядоченности присущи свои структурно-функциональные черты и численные характеристики (на рис. 1 показаны условно). Любому природному объекту и явлению при данном объеме занимаемого им пространства и на данном отрезке времени соответствуют определенные квоты массы, энергии и информации в форме упорядоченности каждого типа. Все формы бытия в природе проявляются одновременно, в неразрывной связи (пространство--время--частица-волна--порядок--хаос), что не мешает рассматривать их каждую по отдельности, абстрагируясь от остальных. Чего тут не понять школьнику старших классов?
Иерархия существует, но конкуренции в ней нет
Разных косных и живых иерархий в природе множество. Приведем только два случая из области ботаники и фитоэкологии.
Любой вещественный объект характеризуется геометрическим объемом (V) и заключенной в нем массой W вещества. Их соотношение называется плотностью объекта, т. е. концентрацией вещества в занимаем объеме пространства. Величина плотности любого растения равна: ртела = W/V.p где W -- сырая масса растения или его органа, VT -- прижизненный объем тела или органа.
Рис. 1
Однако для нашего случая более уместен расчет плотности заполнения прижизненного объема тела сухим веществом организмов. Аналогичный расчет выполняется также для прижизненных крон деревьев, травянистых и подводных растений. Практика показывает, что объем кронового пространства удовлетворительно апроксимируется по формулам шара, конуса, цилиндра или их комбинациями. Плотность заполнения свободного пространства кроны сухой массой растения равна: ркроны = W/Vкpoны, где W -- сухая масса в объеме кроны. Вычисляется также плотность заполнения сухой массой прижизненного геометрического объема растительных пологов (рис. 2). Это может быть луговая поросль, полог пшеницы, группы деревьев, обширный полог леса, подводные заросли водорослей и т. д. Объем любого полога равен произведению площади занятой им земной поверхности и средней высоты растений. Поскольку сравнивать свойства разных живых пологов можно лишь при условии их геометрического подобия, величины рполога вычисляются для кубических высечек из них. Увысечки равен кубу средней высоты растений; при этом условии все высечки разного размера геометрически самоподобны и сопоставимы. рвысечки = 2W/Vвысечки, где EW - суммарная сухая органическая масса в составе высечек разного объема. Выразив значения соответствующих параметров в одинаковых единицах измерения,
Рис. 2
можно сравнивать в общей метрике соотношение р = f(W) в размерных рядах живых тел растений (Р), в их кронах (К) и в разнообразных пологах (П). Вместе они образуют иерархическую систему: Р с К с П. Значения р на ординате представлены как функция сухой массы (отдельных растений -- W, крон и пологов -- EW).
График (* Заимствован из: Хайлов К.М., Празукин А.В, Смолев Д.М., Юрченко Ю.Ю. Школа биогеоэкологии. -- Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2009. (http://repository.ibss.org.ua/dspace/ handle/99011/1754). на рис. 2 позволяет видеть, как в этой иерархии изменяется плотность заполнения сухой массой растений жизненных пространств разного масштаба. Тренды 1 (тела и органы растений, виды разные) и 2 (кроны и пологи растений, виды разные), обобщенные штриховой линией, показывают, что значение р изменяется закономерно.
Могут ли закономерные соотношения р и W в иерархии живых объектов разного масштаба быть следствием естественного отбора? Какие конкретно факторы среды могли бы при этом действовать и в чем состояла необходимая для отбора конкуренция? Конкурировали между собой уровни организации жизни, т. е. ее масштабные ранги? Но как такое возможно? За всю долгую историю дарвинизма удовлетворительного доказательства адаптивной природы иерархий в сфере жизни дано не было. Между разными уровнями организации конкуренции быть не может, внутри тоже. Адаптации -- другое дело, на Земле они всюду.
Для сравнения на рис. 2 (слева вверху графики) нанесены данные о плотности вещества в ряду планет Солнечной системы. Схожее ранговое распределение небесных тел Солнечной системы в диапазоне масс от 1011 до 1022т описано М.А. Садовским (** О распределении размеров твердых отдельностей/ ДАН СССР, 1983. Т. 28. № 1. С. 69-72).
Примечательно, что подобным же степенным уравнением описывается соотношение индивидуальной массы звезд и их светимости.
Эволюции много, «прогрессов» -- тоже
В космосе, на Земле и в связи с ней важно иметь в виду несколько типов эволюционных процессов. Эволюция Вселенной (Вс) включает в себя эволюцию Солнечной системы (Вс--Сс). На ее основе идет эволюция планетарного тела Земли (Вс--Сс-- Тз). В ее состав входит физико-химико-геологическая эволюция (Вс--Сс--Тз--Фхг). В этой древней водно-органо-минеральной системе Земли, вероятно, при участии разных косных матриц и АТФ начался протобиосинтез, а в архее появились безъядерные бактерии с эволюцией без естественного отбора (Вс--Сс--Тз--Фхг--Арх), длившейся 3,8 млрд лет (*** Заварзин Г.А. Прокариотная биосфера/ Вестник Моск. унта. Сер. 16. 2007. №4. С. 3-15.), что немало. На базе архейской биосферы стала возможной генетически обусловленная форма эволюции тканевых организмов и их видов -- дарвиновская (Вс--Сс--Тз--Фхг--Арх-- Дар).