Выживание наиболее приспособленных или наиболее вероятных?
22.05.07 | Эволюция, Елена Наймарк | Комментарии (65)

http://elementy.ru/news/430520

Биоразнообразие в биологии и энтропия в теории информации и термодинамике в сущности эквиваленты. Тропический лес со своим высочайшим видовым разнообразием имеет наибольшую энтропию: исследователь, гуляя по тропическим зарослям, не может предсказать, какое растение он встретит следующим. (Фото с сайта www.masmol.com)

Дарвиновская теория эволюции основана на принципе выживания наиболее приспособленных. В конкуренции с себе подобными выигрывает тот, кто лучше всего подготовлен к местным условиям жизни. Так постепенно наращивается ряд всё более приспособленных и сложных существ. Одна из фундаментальных претензий к этому логическому построению: последовательный ряд усложнений противоречит второму закону термодинамики. Действительно, если в закрытой системе энтропия всегда возрастает, то жизнь действует вразрез с физическими законами: она стремится уменьшить энтропию системы. Джон Уитфилд, научный журналист, работающий в Лондоне, знакомит читателей с теориями и опытами, которые помогают это противоречие преодолеть.

Возникновение сложного из простого это, казалось бы, злостное нарушение второго закона термодинамики. Второй закон требует постепенного выравнивания градиентов, разупорядочивания элементов и увеличения энтропии в системе. Тем не менее жизнь так специально устроена, чтобы поддерживать градиенты, упорядочивать элементы и уменьшать энтропию. Эти принципы справедливы как для одного организма, так и для целых экосистем, биот, эволюционных последовательностей. Значит ли это, что жизнь действительно противоречит законам физики?

В 70-е годы прошлого века Илья Пригожин провозгласил и доказал принцип самоорганизации и усложнения неравновесных систем. Он показал возможность появления сложного поведения открытых систем в условиях постоянного притока энергии. А живые объекты как раз и являются именно такими открытыми системами с притоком энергии и материи. С тех пор прошло уже немало времени, но теории эволюции открытых систем пока не создано. По всей вероятности, причиной тому конфликт понятийного аппарата дарвиновской теории естественного отбора Дарвина и физики. Физические величины можно так или иначе подсчитать, а вот как подсчитать приспособленность? Эрик Смит (Eric Smith), физик из Института Санта-Фе (Santa Fe Institute, Нью-Мексико, США), предлагает новый понятийный аппарат для описания эволюции в частности и жизни в целом.

По его мнению, самоорганизующиеся системы это особые машины для выравнивания градиентов. Он предлагает рассматривать жизнь как один из частных случаев такой конструкции для быстрого выравнивания градиентов. Если создается градиент каких-то условий, например температурный градиент от тропиков к полюсам, то создаются упорядоченные и предсказуемые атмосферные структуры, а проще говоря ветер, который выравнивает этот градиент. И делает он это несравненно быстрее, чем если бы температура выравнивалась в статичной атмосфере. Так что сложные структуры, возникающие в системе с постоянным потоком энергии, сами по себе работают строго в соответствии со вторым законом термодинамики выравнивают градиенты и увеличивают энтропию.

В этом отношении работа живых систем не отличается от работы систем физических или химических. Живые организмы призваны накапливать в себе энергию и рассеивать ее по пространству планеты, быстро избавляя ее от градиентов энергии и материи. Тем самым жизнь не только не противоречит второму закону термодинамики, но даже и всячески его подтверждает. И чем эффективнее организм фиксирует градиент материи и энергии (пищи, тепла, солнечной и химической энергии), чем быстрее он их усваивает и передает по пищевой цепи или просто рассеивает в пространстве, тем более уравновешенной становится система. Так, заросший пруд с водорослями и планктоном зафиксирует и передаст в систему планеты гораздо больше энтропии, чем резервуар со стерильной водой. А ведь эволюция как раз и направлена на то, чтобы создавать организмы, эффективно усваивающие и передающие дальше энергию и материю.

Таким образом, парадокс эволюции заключается в том, что, создавая сложные биологические системы, эволюция увеличивает общую энтропию планеты, а вовсе не уменьшает ее. В открытой неравновесной системе наиболее вероятным будет такое положение, которое наилучшим и наискорейшим образом уберет градиенты и увеличит энтропию. В связи с этим Эрик Смит задает риторический вопрос: не лучше ли обсуждать эволюцию не с точки зрения выживания наиболее приспособленных, а с точки зрения выживания наиболее вероятных? Ведь в нашей неравновесной системе с притоком энергии извне наиболее вероятной окажется конструкция, эффективно уничтожающая градиенты и работающая в русле второго закона термодинамики, то есть живая система. И отбор будет призван ориентироваться не на самых приспособленных, а на самых вероятных. И при этом останется столь же естественным (что же более естественно, чем второй закон термодинамики!), как и дарвиновский.

Ученые, работающие в русле этой концепции, уже начали публиковать свои первые исследования. Расчеты строятся на том базовом принципе, что система должна свести к минимуму использование энергии для создания максимума энтропии. В этом смысле живая система или ее отдельные элементы уподобляются текущей реке, пробивающей себе русло поудобнее, чтобы побыстрее вынести воду к своему устью. В рамках этой концепции была удачно смоделирована работа фермента АТФ-синтазы, ответственного за производство энергии в клетке это работы Родерика Дьюара (Roderick Dewar) и коллег из Лаборатории экологии и физики окружающей среды в Бордо (при Французском национальном сельскохозяйственном исследовательском институте, INRA). С тех же позиций Адриан Бежан (Adrian Bejan) c коллегами из Университета Дьюка (Duke University, Дурхам, Северная Каролина, США) рассмотрел эволюцию способов локомоции у животных.

Сравнивая принципы поведения живых систем с неживыми, неизбежно упираешься в принципиальное различие. Ведь живые системы, какими бы они ни были молекулой РНК, клеткой или целым сосновым лесом, способны воспроизводить сами себя. Неживые лишены этой способности. Это различие может свести на нет все аналогии с термодинамикой в неорганическом мире. Однако Чарльз Лайнвивер (Charles Lineweaver), астроном и астробиолог из Австралийского национального университета в Канберре (Australian National University), считает проблему репликации жизни не более чем уловкой, следствием близорукости биологов в вопросах определения жизни. Почему, спрашивает он, мы считаем, что информация о системе должна храниться внутри самой системы? Это вовсе не обязательно. Например, рождение звезд зависит от состояния предшествующей генерации звезд, от того, какой они образовали набор элементов и как изменили гравитацию окружающей среды. Все зависит от условий среды: от того, какая вокруг имеется материя и сколько энергии; а где при этом хранится информация не так важно. Важно, что переход от нежизни к жизни получается постепенный, и Лайнвивер надеется найти количественный параметр, описывающий поведение «далеких от равновесия диссипативных систем». А в эту категорию равноправно входят и ураганы, и зеленые растения. По словам Родерика Дьюара, у нас нет оснований придумывать одни физические законы для неживого, а другие для живого, как нет оснований придумывать одну химию для косной материи, другую для живой, всеми процессами управляют единые потоки материи и энергии.

Источник: J. Whitfield. Survival of the Likeliest? // PLoS Biology. 2007, 5(5); doi:10.1371/journal.pbio.0050142.

См. также:
1) Статья Дениса Тарасова о втором законе термодинамики в эволюции.
2) В. П. Щербаков. Эволюция как сопротивление энтропии.

Елена Наймарк