Денис тарасов о направляющей силе эволюции
Предлагаем вниманию отечественных читателей вторую статью Дениса Тарасова о естественном происхождении судьбы и её развитии на Земле и в космосе. Этот материал касается кроме этого обстоятельств, обуславливающих прогрессивное направление эволюции.
Возможность протекания реакций, приводящих, в итоге, к происхождению судьбы, можно считать прекрасно обоснованной. Главным возражением против догадки самозарождения судьбы остается очень низкая возможность самопроизвольного протекания этих реакций.
Редкое сочетание требуемых факторов думается практически неосуществимым, а догадки остаются только предположениями , пока малоизвестны основные правила, приводящие к необходимости происхождения судьбы. Об этих правилах мы на данный момент и поболтаем.
Одно предварительное замечание. По всей видимости, мы ни при каких обстоятельствах не сможем совершенно верно указать последовательность событий, приведших в итоге к происхождению судьбы на Земле — через чур много известно разных вариантов, через чур очень многое зависит от случайности.
Нереально всецело исключить и догадку занесения судьбы из космоса, которая действительно, всё равняется не снимает проблему, а только переносит её в второе место.
Оставаясь на позициях разума и науки, мы можем сформулировать только следующие утверждение:
Независимо от конкретных дорог появления судьбы на Земле, само её происхождение есть неизбежным следствием основных физических правил. Жизнь начинается в любой совокупности, отвечающей некоторым условиям.
развитие и Самозарождение судьбы на Земле было неизбежно в любом случае, безотносительно к тому, была ли она реально занесена из космоса, либо развивалась естественным путём.
Со времён происхождения первых эволюционных теорий, растолковывающих развитие и возникновение судьбы, неприятность движущей силы эволюции стала главным яблоком раздора.
Один из основателей эволюционного учения, Жан Батист Ламарк, должен был постулировать существование некого «закона градации» — рвения живых организмов к самосовершенствованию.
Жан Батист Ламарк, создатель идеи рвения живых организмов к самосовершенствованию (портрет с сайта darwin.museum.ru).
Теория Ламарка не взяла признания в значительной мере по причине того, что современникам учёного данный закон показался надуманным.
Последователи Ламарка, пробуя обойти это препятствие, выбросили непонятный закон градации и внесли предложение теорию упражнения/не упражнения.
В соответствии с ей, органы у животных развиваются благодаря их упражнения. Иными словами, жираф продолжительно тянул шею кверху, вот она у него и выросла.
Позднее эта абсурдная догадка незаслуженно ассоциировалась с именем Ламарка. Незаслуженно, по причине того, что сам Ламарк ни за что бы не додумался до таковой глупости…
К сожалению, мысль наследования благоприобретённых показателей была весьма живучей, и к ней много раз возвращались. В настоящие время полностью совершенно верно как мы знаем, что благоприобретённые показатели не наследуются.
Большим шагом вперед стала теория естественного отбора Дарвина-Уоллеса. Объяснения, представленные Дарвиным, были прекрасно обоснованы фактическим материалом, логичны и, основное, не потребовали вмешательства потусторонних сил.
Теория естественного отбора первенствовалаконцепцией, давшей научное объяснение движущей силе эволюции, и исходя из этого она скоро завоевала общее признание.
Чарльз Дарвин, создатель теории естественного отбора.
В современном виде теория эволюции по большей части опирается на дарвиновскую теорию естественного отбора и генетическую теорию наследования. К сожалению, многие неприятности остаются неразрешёнными.
Во-первых (и это самое основное), естественный отбор неимеетвозможности растолковать прогрессивного направления эволюции от несложных форм к более сложным.
Иначе говоря неясно, из-за чего эволюция шла от бактерии к человеку.
Бактериальная клетка с её необычным химическим разнообразием, возможностью существовать в самых немыслимых условиях и свойством к очень стремительному размножению, с позиций естественного отбора, находится в более удачном положении если сравнивать с высшими животными.
Во-вторых, естественный отбор не применим к начальным этапам происхождения судьбы — молекулярной эволюции. До происхождения самовоспроизводящихся молекул принцип естественного отбора не имел возможности функционировать. С позиций естественного отбора первичные биомолекулы имели возможность появиться лишь случайным путём, что маловероятно.
Итак, дано: некая исходная совокупность, к примеру Почва, около 4 миллиардов лет назад, без мельчайших показателей судьбы.
Требуется: растолковать переход данной совокупности через последовательность кажущихся маловероятными состояний к современной Почва с развитыми биологическими формами.
Иными словами, мы должны установить движущую силу эволюции, действующую, начиная с первых добиологических реакций, в течении всей истории органического мира до современного этапа и дальше.
Искомая сила должна иметь научное объяснение, быть универсальной, не зависеть от конкретных путей и молекулярных механизмов, и следовательно, проистекать из некоторых основных физических законов, неспециализированных для всей Вселенной.
Какой закон устанавливает направление всех процессов во Вселенной? Само собой разумеется, второе начало термодинамики. Но какое направление им указывается?
Чтобы выяснить это, нужно мало глубже разглядеть термодинамику как науку.
Лазарь Карно.
Термодинамика — это относительно молодая наука, но её выводы используются ко всем совокупностям, имеющим дело с работой и энергией.
Развитие термодинамики началось с работ Карно (1824 год), посвящённых паровым машинам. Он же дал самые первые формулировки законов термодинамики.
Мало позднее (1840-1860) Клаузиус систематизировал работы Карно, ввёл понятие энтропии и дал строгие формулировки законам.
Первый закон термодинамики говорит, что энергия неимеетвозможности ни появляться из ничего, ни уничтожаться: общее число энергии в совокупности остается постоянным, но форма (уровень качества) энергии может изменяться.
Второй закон термодинамики устанавливает направление превращений энергии. В соответствии с ему, энергия, делая работу, может всецело перейти в форму тепла, но тепловая энергия ни при каких обстоятельствах не может быть всецело перевоплощена в работу.
Другими словами, высококачественная энергия «»возможно использована для совершения работы, наряду с этим уровень качества энергии падает, и всецело вернуть его назад нереально.
Существует большое количество эквивалентных друг другу формулировок второго начала: «Неосуществим процесс, единственным результатом которого было бы преобразование теплоты в работу», «Нереально создание автомобили с коэффициентом нужного действия громадным чем у цикла Карно (другими словами вечного двигателя второго рода)», «Энтропия замкнутой совокупности неимеетвозможности убывать» и без того потом.
Второй закон устанавливает факт необратимости протекания определённых процессов.
Все природные процессы смогут быть рассмотрены с позиций второго закона термодинамики, и в любых ситуациях отмечается необратимость.
Тепло постоянно передаётся от тёплого тела к холодному, пока температуры не станут равными. В случае если смешать холодную и тёплую воду, то окажется вода средней температуры, и ни при каких обстоятельствах тёплая вода самопроизвольно не разделиться на холодную и тёплую «половины».
Подобным образом газ стремиться занять целый предоставленный ему количество. Ни при каких обстоятельствах не отмечается, к примеру того, дабы целый воздушное пространство в помещении собрался в одной её части.
Второй закон термодинамики устанавливает развитие замкнутой совокупности от более упорядоченной формы к менее упорядоченной, от порядка к хаосу.
Это прямо противоположно направлению эволюции и на первый взгляд несовместимо с ней. Но не всё так легко…
Изображение, сгенерированное программой CWL. Посредством данной программы показана неизбежность процессов самопроизвольного происхождения сложных совокупностей при приложения некоего энергетического градиента.
Хорошая термодинамика имеет дело с совокупностями, находящимися в состоянии равновесия. Попытки распространить её воздействие на неравновесные совокупности, связанные по большей части с работами Пригожина, продемонстрировали, что существование судьбы не противоречит второму началу (но и не более того).
Помимо этого, выводы Пригожина распространяются лишь на совокупности, родные к равновесию, что формирует трудности при приложении их к живым совокупностям.
Во второй половине 60-ых годов двадцатого века Кестин внес предложение формулировку, суммирующую нулевой, первый и второй законы термодинамики.
«В случае если в изолированной совокупности происходит некоторый процесс, то, по окончании исчезновения последовательности внутренних барьеров, совокупность достигнет состояния равновесия, независимо от того, в какой последовательности исчезают эти преграды».
Эта формулировка отличается от прошлых в одном очень ответственном нюансе. Прошлые формулировки говорили нам о том, чего неимеетвозможности происходить в совокупности. Формулировка Кестина устанавливает то, что будет в ней происходить.
Из доказательства Кестином его формулировки направляться тот факт, что состояние равновесия есть устойчивым — в ляпуновском смысле.
Это указывает, что совокупность будет оказывать сопротивление попыткам вывести её из термодинамического равновесия. Основываясь на этом, Шнайдер и Кей внесли предложение ещё одну формулировку второго начала:
В случае если совокупность выводится из состояния равновесия под действием внешних факторов, она будет применять все внутренние возможности, дабы возвратиться к равновесию.
Разглядим воздействие данной формулировки на несложном примере. Заберём заполненный водой цилиндр.
Будем охлаждать одно основание цилиндра (скажем нижнее), и нагревать второе. В случае если приложенный градиент незначителен, то вода будет передавать тепло от верхней части к нижней путём простой теплопроводности, так, рассеивая градиент.
Но в случае если отличие температур возрастёт, появится принципиально новое явление — конвекция.
Вода организует так именуемые конвекционные ячейки, каковые усилят скорость рассеивания градиента (другими словами скорость выравнивания температур верхней и нижней части).
Конвекционная ячейка — это организованная структура, в образовании которой участвует около 1023 молекул.
Её самопроизвольное формирование совсем поразительно. Происхождение конвекции при приложении температурного градиента — итог действия второго закона термодинамики.
Второй закон термодинамики применим ко всем совокупностям. Такое грозное метеорологическое явление, как торнадо, кроме этого появляется благодаря его действия.
Отличие температур между нагретой почвой и более холодной окружающей воздухом ведет к формированию сложной структуры, которая скоро сокращает тропосферный градиент.
Разрушительная сила торнадо — это проявление свойства более высокоорганизованных совокупностей стремительнее рассеивать температурный и барометрический градиенты.
Чем дальше совокупность уходит от равновесия, тем более сложные механизмы она будет применять чтобы сопротивляться внешнему действию.
Сейчас появление согласованных высокоорганизованных совокупностей для нас уже не случайность, а ожидаемый итог ответа совокупности на приложенное действие, выводящее её из равновесия.
Неизбежность этого устанавливается вторым законом термодинамики.
Данный вывод применим в равной степени ко всем совокупностям, среди них и химическим. Разглядим это на примере автокаталитических реакций.
Автокаталитическая реакция — это форма хорошей обратной связи, в то время, когда один из продуктов реакции есть её катализатором.
Вариантом автокаталитической реакции есть цикл: реакция, где A катализирует образование B, а B содействует происхождению A.
Автокаталитическая реакция существенно повышает возможности совокупности по рассеиванию градиента.
Происхождение же циклических автокаталитических процессов есть главным этапом для развития судьбы. Самовоспроизводящиеся автокаталитические структуры ещё более увеличивают скорость рассеивания энергии.
Представим себе жизнь в виде торнадо, формирующегося в соответствии с второму закону термодинамики, — в следствии того, что совокупность (старая Почва) сопротивляется действию теплового и светового градиента, исходящих от Солнца.
В случае если совокупность выводится из состояния равновесия под действием внешних факторов, она будет применять все внутренние возможности, дабы возвратиться к равновесию.
Энергетический градиент, создаваемый Солнцем, огромен.
Ещё больше он был четыре миллиарда лет назад, в то время, когда Солнце было ещё достаточно юный звездой.
На Земле имелись условия, каковые имели возможность, в принципе, привести к происхождению судьбы, но протекание процессов в отсутствие внешнего действия было практически немыслимым.
действие и Наличие градиента второго начала термодинамики сделали эти процессы неизбежными.
Чем сложнее форма судьбы, тем лучше она справляется с рассеиванием энергии. Человек применяет энергетические ресурсы значительно действеннее, чем бактерия. Иными словами, как раз второй закон термодинамики и растолковывает прогрессивное направление эволюции.
Законы термодинамики были открыты еще в первой половине 20-ых годов XIX века. Продолжительное время считалось, что происхождение судьбы противоречит им. В середине XX века было доказано, что термодинамика не запрещает существование судьбы.
И лишь в первой половине 90-ых годов двадцатого века, в работах Шнайдера и Кея, основанных на всём прошлом опыте развития науки, было прямо продемонстрировано, что происхождение судьбы есть естественным следствием этих законов.
Нужные и достаточные условия самоорганизации:
1. Совокупность должна быть возможно талантливой поддерживать существование самоорганизующихся структур. Математически это требование выражается в допустимости существования определённых элементов, их определённого набора и комбинаций разрешённых операций над ними.
2. К совокупности должен быть приложен энергетический градиент, выводящий ее из состояния равновесия.
3. Совокупность обязана подчиняться второму началу термодинамики.
Легко продемонстрировать, что многие области Вселенной удовлетворяют этим условиям. К их числу относиться и Почва, как современная, так и старая.
Сами условия допускают диагностику посредством компьютерного моделирования. Приведу лишь один пример: это компьютерная модель CWL, выстроенная исследовательской группой проекта «Основание».
Ещё одно изображение, организованное программой CWL.
Первое условие в CWL было задано с большой степенью абстракции, дабы избежать привязки к каким-либо механизмам и конкретным системам.
В самый общем виде была обрисована математическая структура, отвечающая условию 1. CWL по собственной структуре мало напоминает известную компьютерную игру «Жизнь», расширенную чтобы удовлетворять условиям самоорганизации.
На поле клеток CWL возможно создавать сверхсложные компьютерные программы.
Дабы выполнить третье и второе условие, в совокупность был добавлен градиент некоего параметра «активности» — и наличие активности сделано нужным условием для исполнения любого действия. При исполнении действия активность в CWL рассеивается приблизительно таким же образом, как и тепло.
CWL была запущена с полностью произвольными начальными параметрами, проработала пара часов, после этого была остановлена, и итог подвергся тщательному анализу.
Было найдено формирование сверхсложных структур, объединяющих сотрудничество нескольких десятков CWL-ячеек. Благодаря этим сотрудничествам реализовывались самовоспроизводящиеся программы, талантливые присоединять к себе другие ячейки.
Предстоящее изучение поведения CWL продемонстрировало, что такие программы существенно ускоряют рассеивание активности, и в случае если градиент изначально ограничен, то он всецело потребляется, и совокупность приходит к равновесию.
Замечаемый итог находится в полном соответствии с принципами самоорганизации и положениями термодинамики.
На данный момент проводятся работы с целью обобщить модель CWL на случай трёхмерного пространства, и создать личный вариант, имитирующей положение дел на старой Почва.
Возможно сохранять надежду, что эти работы поставят, в итоге, точку в затянувшемся споре о возможности либо неосуществимости самозарождения судьбы.
В качестве двух последних иллюстраций использованы изображения, организованные программой CWL. Сами по себе они, само собой разумеется, мало о чём говорят, процесс нужно замечать в динамике, но однако…
