О ДАРВИНИЗМЕ И НОМОГЕНЕЗЕ: КИБЕРНЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ Гринченко Сергей Николаевич д.т.н., проф., гл.н.с. Институт проблем информатики РАН

2 План доклада 1. О соотношении теории эволюции и теории управления (2 слайда). 2. Современный кибернетический аппарат моделирования природных систем (5 слайдов). 3. Иерархическая модель системы живого (4 слайда). 4. Метаэволюция системы живого (9 слайдов). 5. Дарвинизм и номогенез в терминах поведения механизма адаптивной поисковой оптимизации энергетики в системе живого (10 слайдов).

3 Кибернетическая (теоретико-управленческая) трактовка функционирования и эволюции живой природы была дана основоположниками на заре кибернетики. «Способность к авторегуляции жизненных проявлений – наиболее характерная особенность всех живых существ, причем регуляторные системы организмов – наиболее сложные, наиболее совершенные кибернетические устройства» [академик АН СССР И.И.Шмальгаузен ( ). Кибернетические вопросы биологии. Новосибирск: Наука, 1968, С.21]. «Управление можно объявить характеристическим свойством жизни в широком смысле» [член-корр. АН СССР А.А.Ляпунов ( ). Проблемы теоретической и прикладной кибернетики. М.: Наука, 1980, С.208].

4 «В целом регулирующий механизм эволюции популяции [Шмальгаузен И.И. Регулирующие механизмы эволюции // Зоол. ж., 1958, том 37, С.9] может быть представлен в виде следующего цикла: Этот "кибернетический" цикл является лишь перефразировкой дарвиновского понимания эволюции» ([Шмальгаузен И.И. Кибернетические вопросы биологии. Новосибирск: Наука, 1968, С. 177]).

5 Основной причиной весьма незначительного вклада кибернетики в теорию биоэволюции к началу 60-х гг. является недостаточная разработанность к этому времени базиса самой кибернетики. Впрочем, идея отрицательной обратной связи в контуре управления, реализующей устойчивость этого процесса, широко использовалась при моделировании биообъектов. Этого нельзя сказать об идее положительной обратной связи, которая моделирует процессы взрывного развития. Взрыв и эволюционное развитие имеют мало общего, что и привело к выводу о недостаточности самого кибернетического подхода в данной предметной области.

6 К концу 60-х гг. ситуация в самой кибернетике (теории управления) существенно изменилась: в её рамках были развиты существенно более эффективные и универсальные механизмы самоуправления. В том числе и те, которые опираются и на отрицательную, и на положительную обратную связь (попеременно). Появился аппарат адаптивной поисковой оптимизации, включающий аппарат случайно- регулярного, или рандомизированного, поиска. Этот аппарат получил широкое распространение в области технической кибернетики, – и, кстати, в промышленности, – но, к сожалению, остался практически неизвестным в биокибернетике.

7 Адаптивная поисковая оптимизация воспроизводит/моделирует активное непрерывное стремление основных компонентов биосистемы к наиболее энергетически предпочтительным для них состояниям. Адаптивная поисковая оптимизация – процесс движения к цели.

8 Современный развитый информатико- кибернетический язык оперирует не только простейшими понятиями кибернетики («обратная связь», «контур управления», «вход», «выход», «черный ящик» и т.п.), но и более агрегированными понятиями («поисковая оптимизация», «целевой критерий поисковой оптимизации», «алгоритм адаптивного случайно- регулярного поиска» и др.).

9 «Механизмы случайного поиска, по- видимому, свойственны природе нашего мира на всех уровнях его проявления и организации. И, во всяком случае, могут служить удобной и конструктивной моделью этих процессов» – д.т.н., проф. Л.А.Растригин [Случайный поиск. М.: Знание, 1979]. «По-видимому, всю историю развития жизни на Земле можно было бы изложить на языке многокритериальной оптимизации» – академик АН СССР/РАН Н.Н.Моисеев [Алгоритмы развития. М.: Наука,1987].

10 Предлагаемый поисково-оптимизационный подход предполагает рассмотрение биологических систем как иерархических, активных, адаптивных и целенаправленных. При этом важнейшие их цели имеют энергетический характер: где: – поток энергии, затрачиваемой на обеспечение специфической функциональной активности биообъекта; – поток дополнительной энергии, вырабатываемой во время переходных процессов в биообъекте и затрачиваемой на перестройку (оптимизацию) его внутренней структуры.

11 Легко показать, что минимизация критерия эквивалентна максимизации «к.п.д.» системы: Подобный «энергетический» подход – применительно к организменному и биогеоценотическому ярусам в иерархии живого – активно развивают д.т.н., проф. М.А.Ханин, д. б. н., проф. Н.С.Печуркин, академик РАН А.С.Бугаев и др.

12 «Нынешняя структура есть следствие вчерашней кинетики» [А.М.Молчанов,1967].

13 где:

14 Введем понятие метаэволюции как процесса последовательного наращивания числа уровней/ярусов в иерархической природной системе. Этот термин является фактически обобщением предложенного В.Ф.Турчиным термина «метасистемный переход» [Турчин В.Ф. Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции. М.: ЭТС, 2000 (1977)] – поскольку метаэволюция подразумевает последовательность таких метасистемных переходов.

15 Понятие «метаэволюция» необходимо выделить из традиционно использующегося понятия «эволюция», которое предлагается относить лишь к приспособительным процессам, происходящим на уже сформировавшихся «верхних» ярусах в системной иерархии. Метаэволюция же приспособительным процессом не является, и развивается по своим собственным законам (частью специфическим, частью общим с законами метаэволюции неживой природы и метаэволюции социально- технологической природы).

16 Живая природа сформировала на Земле, на 12-ти предшествующих и 13-ой текущей метафазах своей метаэволюции, различные формы своей системной организации. Метафазы метаэволюции живого составляют триады, с нарастанием их сложности и эффективности.

17

18

19

20

21 Продолжительность каждой триады (согласно эмпирическим данным) – около 1,01 млрд. лет. Тенденция усложнения структур, находящихся иерархически «внутри» вновь возникающих, постоянна. Важно, что все старые иерархические структуры с появлением новых продолжают «параллельно» существовать, коэволюционируя с вновь возникающими.

22 Размер эле- ментов выс- шего яруса [метров] Ярус иерархии, формирующийся на данной триаде метафаз Соответствующие эоны в геолого- биологической истории Земли Начало [млрд. лет назад] ~ 0, Атомы-- 0, «Элементоны»Катархей4,61 0, КлеткиАрхей3,60 0, ОрганизмыНижний протерозой2,59 0, БиогеоценозыВерхний протерозой1,58 0, БиогеосфераФанерозой0, кмтекущиймомент0 0, Земная группа планет ? «Неозой»+0,44

23 В иерархии системы живого процесс поисковой оптимизации энергетики происходит сразу в пяти контурах, иерархически вложенных друг в друга и образующих в результате этот целостный процесс. Поисковую активность проявляют представители всех ярусов в иерархии, а в качестве целезадающих выступают биообъекты, относящиеся к «основным уровням биологической интеграции». Это: 1) «элементоны» (прокариотические ячейки и ультраструктурные внутриклеточные элементы эвкариот), 2) одноклеточные эвкариоты (сложные клетки), 3) многоклеточные организмы, 4) биогеоценозы и 5) Биогеосфера в целом. Процессы поисковой оптимизации в контурах ярусов 1-3 обычно называют адаптацией (соответственно клеток или организмов). Процессы в контурах ярусов 4-5 целесообразно называть биогеоценотической эволюцией и Биогеосферной эволюцией. Все процессы в контурах ярусов 1-5 происходят одновременно и параллельно, но каждый в своих типичных пространствах и типичных темпах времени!

24 Микроэволюция, протекающая внутри конкретного вида, является частью биогеоценотической эволюции (с характерным ареалом – радиусом условного круга – порядка 15 км), в рамках которой этот вид существует и развивается. Макроэволюция, протекающая на надвидовом уровне, является частью Биогеосферной эволюции, в которой выделяются характерные размеры (порядка 222 км, 3370 км и 51 тыс. км), к которым тяготеют ареалы существования биомов, природных зон и живого на Земле как целого.

25 Основными средствами реализации поисково- оптимизационного процесса адаптации/эволюции живого являются: 1. селекция направленная (задающая тенденцию изменения приспособительного поведения субъектов S в направлении экстремума общегруппового энергетического целевого критерия Q), 2. селекция канализирующая (задающая предпочтительные варианты приспособительного поведения субъектов P в составе группы согласно общегрупповому целевому критерию G), 3. селекция ограничивающая (запрещающая нежелательные варианты приспособительного поведения субъектов R в составе группы согласно общегрупповому целевому критерию H), 4. селекция посредством внешнего дополнения W (никак не связанная с проявлениями активности субъектов S, P, R в составе группы – например, катастрофические влияния), 5. канализируемость структурная (посредством параметрических влияний системной памяти М на все перечисленные 4 типа селекции).

26 Согласно энергическому критерию поисково-оптимизационного развития системы живого, выживают биообъекты не «наиболее приспособленные к каким-то конкретным свойствам внешней среды», а наиболее приспособленные энергетически, т.е. интегрально к внешней и внутренней среде биообъекта.

27 Реконструкция механизма биологической эволюции по Ч.Дарвину. Места для третьей важнейшей составляющей поискового оптимизационного механизма – системной памяти – в рамках описываемой дарвинистской схемы нет.

28 1 – имманентная активность, т.е. «изменчивость», проявляемая генами; 2 – процесс онтогенеза, отражающий «наследственность»; 3 – проявление специфического поведения организмов в рамках соответствующих популяций; 4 – селектор получаемого на базе конкурентной борьбы между особями результата, определяемый целевой функцией (в данном случае только ограничениями типа равенств и типа неравенств), т.е. «естественный отбор» на базе критерия «приспособленности»; 5 – процесс сообщения отрицательного результата селекции на организменный уровень; 6 – процедура «изъятия» организма из популяции (его гибель или, как минимум, лишение возможности дать новое потомство); 7 – «внешнее дополнение», т.е. внешнее неспецифическое воздействие на организм (например, катастрофического характера: пожар, наводнение, извержение вулкана, резкое похолодание и т.п.), также приводящее к его устранению из популяции.

29 Предложенная концепция позволяет снять многолетнее недоразумение – рассмотрение дарвинистских и номогенетических теорий эволюции живого как альтернативных, объединяя их модифицированные версии в рамках единой схемы иерархической поисковой оптимизации живой природы. Это даёт возможность с единых позиций объяснить эмпирические факты, часть из которых противоречит дарвинизму, а часть - номогенезу.

30 «Необходимо отметить, что в биологии термин "эволюция" применяется в различных смыслах. Связь возникающих при этом проблем с языком описания процесса осознаётся редко, и большей частью они считаются содержательными; в результате возникают длительные, ожесточенные, но совершенно бесплодные дискуссии о том, какая модель эволюции лучше соответствует действительности (...) Корректная же теория, описывающая поведение морфологических структур во времени, по-видимому, должна быть существенно номогенетической (изменения частей подчиняются законам целого), и дискуссия между сторонниками номогенеза и дарвинистического подхода основана на непонимании того, что эти концепции дополнительны, а не взаимоисключающи» [д.б.н. Жерихин Владимир Васильевич, Раутиан Александр Сергеевич. Филоценогенез и эволюционные кризисы, 1997].

31 «Естественный отбор бесспорно остаётся движущим фактором эволюции, но не единственным. Дарвиновская инедарвиновская эволюции взаимно не противоречивы» [член-корр. РАН Н.Н.Воронцов. Развитие эволюционных идей в биологии. М.: МГУ, Прогресс-Традиция, 1999, С.606 ]. «Селектогенез не только не отрицает закономерность и направленность эволюции, но и вскрывает биологические причины этих явлений.» [д.б.н., проф. А.С.Северцов. Теория эволюции. М.: ВЛАДОС, 2005, С.351].

32 Резюме 1. Моделируется иерархическая система живого, поведение части переменных которой интерпретируется как процесс эволюции. 2. Основными переменными иерархического механизма системы живой природы являются: а) поисковая приспо- собительная активность его элементов; б) целевой критерий энергетического характера; в) системная память – память структур о прошлом приспособительном поведении. 3. Разделяются понятия «метаэволюция» (процесс последовательного наращивания числа уровней/ярусов в иерархии) и «эволюция» (процессы приспособительного поведения на «верхних» ярусах в системе живого). 4. Дарвинистские и номогенетические теории эволюции живого – их модифицированные версии – объединяются, как непротиворечивые, в рамках единой схемы иерархической поисковой оптимизации живой природы.

33 Гринченко С.Н. Системная память живого (как основа его метаэволюции и периодической структуры). М.: ИПИРАН, Мир, 2004, 512 с. Литература