Синергетический подход к биологической эволюции

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ЭВОЛЮЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
(Материалы научной конференции «От истории природы к истории общества: прошлое в настоящем и будущем», часть 2. Биосфера. Приложение к Вестнику Российского философского общества. Москва, 2001. С.24)

Синергетику можно определить как теорию развития сложных нелинейных самоорганизующихся систем. Все эти понятия существенны для применимости синергетических методов, поэтому уточним, что они означают как термины в этой науке.

Сложность — это обширность фазового пространства системы, его высокая размерность, т.е. многочисленность параметров, описывающих состояние системы, и связей между ними, что исключает исчерпывающий перебор возможных состояний при поиске оптимума. Оптимизация сложной системы — алгоритмически неразрешимая непереборная задача, требующая методов эвристического поиска, без всякой гарантии, что они приведут к успеху.

Нелинейность означает неприменимость к системе принципа суперпозиции решений: сумма решений сама может не являться решением. Это один из аспектов сложности. Все линейные системы в этом смысле просты и допускают достаточно быстро сходящиеся алгоритмы оптимизации, т.е. все линейные задачи алгоритмически разрешимы.

Способность к самоорганизации — важнейший фактор, обуславливающий возникновение устойчивых, развивающихся и адаптивных физических систем, обладающих высокой сложностью и алгоритмической неразрешимостью. Примерами служат ценозы различного ранга, живые организмы, экономические и социальные системы и многое другое. Самоорганизующиеся системы способны к прогрессивной эволюции.

Наконец, системность означает иерархичность структуры объекта, возможность мысленно разбить его на относительно автономные подсистемы; количество и интенсивность взаимодействий внутри которых выше, чем между ними. Подсистемы сами должны быть системами, т.е. допускать подобное расчленение; иначе понятие сложной системы вырождается, и синергетика становится ненужной.

Главный вопрос, возникающий в связи со сложными самоорганизующимися системами, состоит в том, почему они вообще способны находить устойчивые состояния, оптимизирующие их формы и структуры применительно к тем или иным эндогенным или экзогенным возмущениям. Эта проблема почти так же трудна, как проблема происхождения органической целесообразности, но отчасти прояснить механизмы самоорганизации все же возможно из-за связи между устойчивостью и·целесообразностью, представленной в понятии гомеостаза.

Интуитивно мы считаем целесообразным такое поведение системы, которое способствует её выживанию и сохранению. Почти тот же смысл мы вкладываем в понятие структурной устойчивости, формализуемое с помощью принципа Ле-Шателье: внутренние процессы в устойчивой системе направлены на противодействие изменениям, вызванным внешними воздействиями на систему. Ведь система, ведущая себя иначе, неспособна сохраниться. Фактически это принцип отбора, объясняющий статистическое преобладание устойчивости во Вселенной: негомеостатические системы разрушаются слишком быстро, чтобы быть наблюдаемыми. Но что значит «слишком быстро»? По сравнению с чем? Во-первых, по сравнению со временем жизни наблюдателя. Во-вторых — по сравнению со временем жизни гомеостатических систем. Для системы, могущей находиться либо в устойчивом, либо в неустойчивом состоянии, время ее пребывания в устойчивом состояний много больше, чем в неустойчивом переходном состоянии.

Однако время жизни системы в неустойчивом состоянии должно быть достаточным для нахождения устойчивого состояния методом случайного поиска. Это еще один критерий отбора, объясняющий, какие системы могут наблюдаться в физическом мире. Сложные формы возникают·потому, что форма может обеспечить устойчивость. Но как обеспечить сохранение системы в процессе поиска и сделать поиск эвристическим или хотя бы достаточно эффективным, чтобы он успел завершиться до распада системы?

Решением может служить иерархичность системы, ее организация в виде сочетания консервативной и оперативной подсистем, как предложил В.А. Геодакян. Оперативная подсистема ведет поиск в ограниченном подпространстве состояний, определяемом консервативной подсистемой, которая хранит идентичность системы, ее уже выработанные целесообразные реакции на изменения. Инновации, найденные оперативной подсистемой, затем передаются в консервативную подсистему, где они сохраняются и наследуются в виде конститутивных признаков.

Эволюционная системология сопрягается с синергетикой при помощи принципа подчинения Г. Хакена (1977): в нелинейных системах быстрые процессы релаксации подчиняются более медленным, что позволяет решать их методом адиабатической аппроксимации.

Этот метод обобщается на произвольные нелинейные динамические системы со многими переменными. В них всегда можно выделить линейные члены, и если переменные можно разбить на группы с существенно разными характерными временами переходных процессов, определяемыми коэффициентами при линейных членах, то можно последовательно находить стационарные значения для каждой из групп, начиная с самых быстрых процессов, подставлять эти значения в нелинейные части уравнений для более медленных переменных, последовательно уменьшая тем самым размерность пространства поиска.

Итак, для самоорганизующихся систем иерархия по управлению должна совпадать с иерархией характерных времен переходных процессов для их подсистем. Если последняя отсутствует, то система не выходит на аттрактор достаточно быстро. Поэтому такие «плохо структурированные» системы порождают лишь перманентный хаос и вскоре распадаются. Напротив, системы, в которых есть иерархия консервативности подсистем и механизмы передачи ценной, способствующей выживанию информации от менее консервативных подсистем к более консервативным, способны к прогрессивному усложнению в достаточно упорядоченном и сложном универсуме.