Движущие силы эволюции
© 2014 г. В.А. Дементьев
ISSN 0016_7029, Geochemistry International, 2014, Vol. 52, No. 13, pp. 1146–1189. © Pleiades Publishing, Ltd., 2014.
DOI: 10.1134/S0016702914130047
Поставлена задача выявления движущих сил эволюции на материале известных закономерностей из ядерной, атомной, молекулярной физики и биофизики. Привлечены результаты новых компьютерных экспериментов, проясняющих физические механизмы химической кинетики. Это позволило выделить отдельные факторы, направляющие развитие сложных химических систем в сторону усложнения. Такие эксперименты позволяют подтвердить работоспособность концепции эволюции, предложенной Э.М. Галимовым, и уточнить условия, в которых возможно эволюционное развитие сложных природных систем.
Ключевые слова: эволюция материи, этапы эволюции, компьютерное моделирование.
Постановка задачи
Данная задача была осознана в ходе семинара, организованного куратором Программы Президиума РАН академиком Э.М. Галимовым [1]. Там Э.М. Галимов высказал предположение, что в Природе должен действовать некий единый закон, который направляет эволюцию материи по определенным каналам, и который проявляется для нас в значительном сходстве всех известных нам эволюционных процессов. Отсюда возникает задача вскрыть содержание и форму такого закона ради построения количественных теорий различных ветвей эволюции материи, как это и принято во всех сферах естествознания. В частности, на этом пути должна быть создана предсказательная теория химической эволюции вплоть до эволюции живого вещества.
Конечно, до полного решения этой комплексной задачи наука должна пройти длинный путь, собрав воедино силы и средства многих разделов естествознания. В данной работе предлагается использовать принципы и подходы к решению подобных задач, которые выработаны и освоены в физике. Физика, предметом исследования которой являются природные процессы низкого уровня сложности, способна разглядеть самые простые и потому самые глубокие механизмы движения материальных объектов, которые в конечном итоге приводят к эволюционному развитию материального мира. Такие простые механизмы, естественно, будут недостаточны для понимания всех особенностей эволюционных процессов высокого уровня, присущих живой материи. Но если удастся выявить простые физические механизмы и закономерности их проявления, то они останутся неизменными и в деятельности белее сложных механизмов. Такая особенность физического знания уже ярко проявила себя в биологии – сложные биологические явления не способны подавить или исказить ни физические особенности молекулярной жизни, ни термодинамические закономерности жизни целых организмов и биосферы в целом.
Следуя хорошо выявленной логике физического поиска, мы должны при решении поставленной частной задачи пройти следующий путь.
- Выработать формальный язык описания процессов эволюции.
- Найти эмпирические закономерности, связывающие скорости движения по траекториям эволюции с силами, действующими между объектами эволюции и их окружением.
- Попытаться связать эмпирические закономерности с фундаментальными силами, действующими между природными объектами.
- На основе найденных закономерностей построить прогностические теории, специфические для различных ветвей эволюции материального мира.
- На основе положительного опыта прогнозирования частных эволюционных событий сформулировать общие законы эволюции.
Физика выполнила такой план в плане описания механического движения. Для этого ей понадобилось 300 лет, когда она прошла путь от Декарта, создавшего координатный способ описания положения точки в пространстве Евклида, до Лагранжа, сформулировавшего наиболее общий принцип, управляющий любым механическим движением в консервативных системах. Другие задачи решала уже прикладная, инженерная механика.
Посмотрим, что из намеченного плана уже осуществлено, а что даже не намечалось не только в физике, но и во всем естествознании.
По пункту 1 не сделано почти ничего. Нет даже формального определения феномена эволюции. Есть как минимум два различных научных представления о сущности эволюции. Это понятие эволюции по Дарвину и понятие эволюции по Галимову [2, 3]. А значит, совершенно неясно, что можно считать пространством эволюции. В работе [4] предлагается описывать эволюционные процессы в пространстве концентраций веществ, входящих в развивающуюся химическую систему. Это хорошее начало поиска подходящего пространства. Однако описание хода реакций в таком пространстве может и не иметь никакого отношения к химической эволюции, поскольку не всякие реакции ведут к качественному развитию химической системы.
Как следствие, в пункте 2, не имея формального описания конкретной траектории частного эволюционного процесса, мы не можем говорить ни о скорости, ни об ускорении процесса. Остается присмотреться на качественном уровне к силам, понуждающим различные материальные системы к эволюционному развитию. Хорошо бы, по аналогии с технической термодинамикой Пригожина, выразить эти обобщенные силы в виде потенциалов. А когда будет найден язык описания пространства, то можно будет описать потоки эволюции и связать эти обобщенные потоки с обобщенными потенциалами эволюционных сил Природы. Действуя в этом направлении, мы уже сейчас можем высказать следующее предложение.
Будем отталкиваться от действующей на сегодня самой фундаментальной картины устройства материального мира. Эта картина внешне проста и понятна: мир состоит из элементарных частиц, номенклатура которых очень ограничена, а элементарные частицы взаимодействуют с помощью также ограниченного набора фундаментальных сил. Далее, очень подробно изучены механические отклики всех частиц на все типы действующих сил. Причем это и сами элементарные частицы, и любые сложные их ансамбли, вплоть до твердых, пластичных и жидких тел. А раз ничего другого в Природе нет, то и эволюционные процессы вызываются и управляются физическими закономерностями, открытыми к настоящему времени для фундаментальных сил и откликов на эти силы. Следовательно, нам позволено хотя бы на качественном уровне следить за проявлениями этих фундаментальных свойств материального мира в известных нам эволюционных процессах и стараться на этом уровне выявлять некие общие закономерности эволюции. Конечно, мы должны будем ограничиться химическим и простейшим биологическим уровнем сложности развивающихся объектов, поскольку душевные, духовные и социальные аспекты развития мира выходят за рамки компетенции естествознания.
В пункте 3, раз у нас пока нет количественных эмпирических связей между силами и эволюционными процессами, нам остается на качественном уровне проследить за ролью фундаментальных сил различной мощности в разных ветвях эволюции материального мира. Это вполне решаемая задача, и ей будет посвящен специальный раздел данной работы.
В пункте 4 нам пока доступны лишь качественные предположения о характере движения природных объектов по путям эволюции.
В пункте 5 мы пока вынуждены выводить общие закономерности эволюции, исходя лишь из наблюдений за этими процессами, подкрепляя выводы из наблюдений анализом роли различных природных сил в этих процессах, а также конкретными результатами, полученными в ходе молекулярного моделирования явлений, связанных с эволюцией химических и биологических систем.
Таким образом, перед естествознанием возникает множество частных задач, которые предстоит поставить и решить, прежде чем будут достаточно полно прояснены общие и конкретные закономерности эволюции.
Заметим, что многие важные закономерности эволюционных процессов уже вскрыты и сформулированы. В монографии [2] сказано, что сущность эволюции заключена во всё возрастающем упорядочении вещества. Механизм же упорядочения состоит в последовательном ограничении степеней свободы природных объектов. Такое представление выработано на материале химической предбиологической эволюции, приведшей к самопроизвольному возникновению генетического кода.
Данная работа посвящена, в основном, анализу тех закономерностей эволюции, которые выявились благодаря молекулярному моделированию с помощью компьютерных имитационных экспериментов. Однако в анализ включены и известные факты из жизни таких систем, которые выходят далеко за рамки компетентности молекулярного моделирования. Это связано с попыткой усмотреть более общие закономерности, в то время как молекулярное моделирование имеет дело лишь со специфическим уровнем организации материи, на котором развиваются процессы с готовыми атомами и молекулами. На этом уровне проявляются лишь фундаментальные силы одного вида – электрические. А с позиций поставленной в работе задачи необходимо принять во внимание и фундаментальные силы других видов. Они же, ядерные и гравитационные силы, проявляются на других этапах эволюции материального мира. Поэтому в первой части работы мы, прежде всего, рассмотрим эволюционную игру этих сил.
Последующие главы статьи:
- Ядерные и гравитационные силы и их роль двигателя пред-химической эволюции
- Дополнения к концепции эволюции Э.М. Галимова
- Эволюция по Галимову и по Дарвину
- Эволюция, революция и стагнация
- Промежуточные выводы
- Химический уровень эволюции
- Атомная эволюция
- Молекулярная эволюция
- Супрамолекулярная эволюция
- Биологический уровень эволюции
- Первые результаты
- Пример 1. Кинетика реакций изотопного обмена в плотном газе водорода
- Пример 2. Кинетика накопления комплексов ван дер Ваальса в плотном газе пропилена
- Пример 3. Моделирование экстракции с помощью клеточного автомата
- Возможные приложения полученных результатов
- Выход в химическую теорию промежуточного комплекса реакции
- Выявление условий для многократного прямого и обратного превращений во временном комплексе ван дер Ваальса на материале реакций изотопного обмена
- Соображения о достоверности результатов моделирования столкновений молекул в плотных средах
- Более детальный анализ отдельных физических факторов химической кинетики
- Поиск упрощенных методик анализа хода химических реакций.
- Распространение механического возмущения вдоль молекулярного пространства
- Эффекты одновременного возбуждения многих нормальных колебаний в крупной органической молекуле
- Динамическая устойчивость сложных биохимических систем от живого организма и экосистем до биосферы
Часть 4. Развитие концепции эволюции по Галимову её автором и сравнение взглядов Э.М. Галимова с результатами данной работы
