Капра Фритьоф. Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем
Подождите немного. Документ загружается.
Затем карбонаты смываются в океан, где крошечные водоросли,
невидимые невооруженным глазом, поглощают их и используют для
построения изящных меловых (карбонат кальция) раковин. Итак, СО
2
,
который был в атмосфере, теперь оказывается в раковинах этих
мельчайших водорослей (рис. 5-4). Кроме того, океанические водоросли
поглощают углекислый газ и непосредственно из воздуха.
Рис. 5-4. Океаническая водоросль (кокколитофора) с меловой
раковиной
Когда водоросли умирают, их раковины оседают на океанское дно, где
образуют массивные отложения известняка (другой формы карбоната
кальция). Обладая громадным весом, эти известняковые отложения
постепенно погружаются в мантию Земли и плавятся, порой даже вызывая
сдвиги тектонических пластов. В конце концов некоторая часть СО
2
,
содержащаяся в расплавленной породе, снова извергается вулканами
наружу и запускает следующий оборот великого цикла Гайи.
Весь цикл — связь вулканов с эрозией пород, с почвенными
бактериями, с океаническими водорослями, с известняковыми
отложениями и снова с вулканами — работает как гигантская петля
обратной связи, участвующая в регулировании температуры Земли. Чем
интенсивнее солнечное излучение, тем активнее становятся бактерии
почвы и выше скорость эрозии пород. Это, в свою очередь, выкачивает
больше СО
2
из атмосферы и, таким образом, охлаждает планету. Согласно
Лавлоку и Маргулис, подобные циклы обратной связи — связывающие
друг с другом растения и камни, животных и атмосферные газы,
микроорганизмы и океаны — регулируют климат Земли, содержание соли
в ее океанах и другие важные планетарные условия.
Теория Гайи рассматривает жизнь в системном контексте, сопрягая
вместе геологию, микробиологию, химию атмосферы и другие
дисциплины, специалисты которых не привыкли взаимодействовать друг с
другом. Лавлок и Маргулис бросили вызов общепринятому убеждению,
что это изолированные дисциплины, что условия для жизни на Земле
создаются геологическими силами и что растения и животные — просто
пассажиры, которым случайно удалось найти подходящие условия для
своей эволюции. По Гайя теории, жизнь создает условия для собственного
существования. Линн Маргулис говорит об этом так:
Выражаясь простым языком, эта гипотеза [Гайи] говорит о том, что
поверхность Земли, которую мы всегда считали окружающей средой,
на самом деле является частью жизни. Воздушный покров —
тропосферу — следует считать круговой системой, которую
формирует и поддерживает сама жизнь... Когда ученые говорят нам,
что жизнь приспосабливается, по сути, к пассивному окружению
химии, физики и камней, они укрепляют сильно искаженный взгляд
на природу. Жизнь на самом деле производит, формирует и изменяет
то окружение, к которому она приспосабливается. В таком случае,
это «окружение» оказывает обратную связь на жизнь, которая
изменяется, действует и растет в нем. Происходят непрерывные
циклические взаимодействия
65
.
Поначалу неприятие научным сообществом этого нового взгляда на
жизнь было столь сильным, что авторы даже не могли опубликовать свою
гипотезу. Авторитетные академические журналы, такие как «Science» и
«Nature», отвергли ее. В конце концов астроном Карл Саган, который
издавал «Icarus», предложил Лавлоку и Маргулис опубликовать их
гипотезу в своем журнале
66
. Поражает тот факт, что ни одна из теорий и
Моделей самоорганизации, предложенных к тому времени, не встречала
такого сильного сопротивления. Это наводит на размышление о том, не
была ли эта в высшей степени иррациональная реакция научного
истэблишмента обусловлена влиянием Гайи как мощного архетипического
мифа.
Действительно, образ Гайи как чувствующего существа был одним из
главных неявных аргументов против Гайя-гипотезы после ее публикации.
Ученые выражали свое неприятие заявлениями, что гипотеза ненаучна,
поскольку она телеологична, т. е. подразумевает идею целенаправленного
формирования естественных процессов. «Ни Линн Маргулис, ни я сам
никогда не говорили, что планетарная саморегуляция целенаправленна, —
протестует Лавлок. — И все же мы столкнулись с настойчивой, почти
догматической критикой нашей теории как телеологической концепции»
67
.
Эта критика уходит корнями в старые споры между механицистами и
виталистами. В то время как механицисты утверждают, что все
биологические феномены будут в конце концов объяснены в рамках
законов физики и химии, виталисты постулируют существование
нематериальной сущности, каузального посредника, управляющего
жизненными процессами, которые не поддаются механистическому
объяснению
68
. Телеология — от греческого tellos («причина») —
утверждает, что каузальный посредник, признаваемый витализмом,
целенаправлен, что в природе существует цель и замысел. Упорно
противостоя виталистам и их телеологическим аргументам, механицисты
до сих пор сражаются с ньютоновской метафорой Бога как часового
мастера. Недавно зародившаяся теория живых систем положила конец
спорам между механицизмом и телеологией. Как мы увидим ниже, она
рассматривает живую природу как сущность, наделенную интеллектом и
разумом, и не нуждается в признании какого-либо высшего замысла или
причины
69
.
Представители механистической биологии атаковали гипотезу Гайи как
телеологическую концепцию, потому что они не могли представить, как
жизнь на Земле может создавать и регулировать условия для своего
собственного существования, не обладая сознанием и способностью к
целеполаганию. «Не проводятся ли собрания комитетов различных
биологических видов, чтобы обсудить температуру на будущий год?» —
со злорадным юмором вопрошали эти критики
70
.
Лавлок ответил на критику невинной математической моделью под
названием «Мир маргариток». Она представляет весьма упрощенную
схему Гайи, из которой становится совершенно понятно, что
регулирование температуры — это внезапно возникающее свойство
системы, которое проявляется автоматически в отсутствие какого бы то ни
было целенаправленного действия, как следствие наличия петель обратной
связи между организмами планеты и их окружением
71
.
«Мир маргариток» — это компьютерная модель планеты, согреваемой
солнцем с постоянно нарастающим излучением тепла и населенной только
двумя видами — черными и белыми маргаритками. Семена этих
маргариток рассеяны по всей планете, почва всюду влажна и плодородна,
однако маргаритки могут расти лишь в определенном температурном
интервале.
Лавлок ввел математические уравнения, соответствующие всем этим
условиям, в качестве начальной выбрал температуру замерзания — и
запустил модель на компьютере. «Приведет ли эволюция экосистемы мира
маргариток к саморегуляции климата?» — таков был решающий вопрос,
который он задал сам себе.
Результаты оказались впечатляющими. Планета постепенно
разогревается, и в какой-то момент экватор становится достаточно теплым
для поддержания жизни растений. Первыми появляются черные
маргаритки, поскольку они поглощают тепло лучше белых и поэтому
более приспособлены к выживанию и воспроизведению. Итак, в первой
фазе эволюции в мире маргариток появляется пояс черных маргариток,
распределенных вдоль экватора (рис. 5-5).
Рис. 5-5. Четыре эволюционные фазы мира маргариток
По мере дальнейшего повышения температуры на планете экватор
становится слишком жарким для выживания черных маргариток, и они
начинают колонизацию субтропических зон. В это же время в районе
экватора появляются белые маргаритки. Поскольку они белые, они
отражают тепло и охлаждаются, что повышает их выживаемость в
Перегретых зонах по сравнению с черными маргаритками. Итак, во второй
фазе вдоль экватора наблюдается пояс белых маргариток, а
субтропические зоны и области умеренного климата заполнены черными
маргаритками; вблизи полюсов еще слишком холодно для любого вида
маргариток.
Солнце продолжает греть с возрастающей интенсивностью, и
растительная жизнь на экваторе вымирает — там становится слишком
жарко даже для белых маргариток. Тем временем белые маргаритки
сменили черные в умеренных зонах, а черные маргаритки начинают
появляться вокруг полюсов. Таким образом, в третьей фазе экватор
оказывается бесплодным, умеренные зоны заселены белыми
маргаритками, вокруг полярных зон теснятся черные маргаритки, и лишь
на самых верхушках полюсов не наблюдается растительной жизни. В
последней фазе, наконец, обширные территории вокруг экватора и
субтропические зоны оказываются слишком горячими для выживания
обоих видов, и мы видим белые маргаритки в умеренных зонах, а черные
— на полюсах. После этого на модели планеты становится слишком жарко
для выживания обоих видов маргариток, и жизнь на ней вымирает.
Такова основная динамика системы мира маргариток. Важнейшее
свойство модели, обусловленное саморегулированием, заключается в том,
что черные маргаритки, поглощая тепло, согревают не только себя, но и
саму планету. Подобным же образом, когда белые маргаритки отражают
тепло и охлаждаются, они охлаждают и планету. Стало быть, в течение
всей эволюции мира маргариток тепло поглощается и отражается в
зависимости от того, какой вид маргариток доминирует.
Когда Лавлок изобразил на графике изменения температуры планеты в
ходе ее эволюции, он получил поразительный результат: температура
планеты поддерживается постоянной на протяжении всех четырех фаз
(рис. 5-6). Когда солнце относительно прохладно, мир маргариток
повышает свою температуру через поглощение тепла черными
маргаритками; по мере того как солнце нагревается, температура
постепенно снижается из-за прогрессирующего преобладания белых
маргариток, отражающих тепло. Так мир маргариток, без всякого
предвидения и планирования, «регулирует свою температуру в обширном
диапазоне лишь с помощью танца маргариток»
72
.
Петли обратной связи, которые регулируют влияние окружающей
среды на рост маргариток, который, в свою очередь, влияет на окружение,
представляют собой существенную особенность модели Мира маргариток.
Если этот цикл разорвать так, чтобы маргаритки перестали влиять на
окружающую среду, популяции маргариток начинают сильно и
беспорядочно колебаться и вся система приходит в хаотическое состояние.
Но как только петли замыкаются, снова связывая маргаритки с
окружающей средой, модель стабилизируется и возникает саморегуляция.
Рис. 5-6.
Эволюция температуры в мире маргариток: пунктирная кривая
показывает рост
температуры в отсутствии жизни; непрерывная кривая показывает, как
жизнь
поддерживает постоянную температуру. График взят из Lovelock (1991)
С тех пор Лавлок разработал несколько гораздо более сложных версий
мира маргариток. В новых моделях присутствуют не два, а гораздо больше
видов маргариток с различной пигментацией; существуют модели, в
которых маргаритки развиваются и изменяют цвет, модели, в которых
кролики поедают маргаритки, а лисы поедают кроликов, и т. д.
73
.
Конечный результат анализа всех этих весьма сложных моделей состоит в
том, что небольшие температурные колебания, присутствующие в
первоначальной модели мира маргариток, сглаживаются и саморегуляция
становится все более и более устойчивой по мере возрастания сложности
модели. Кроме того, Лавлок ввел в свои модели катастрофы, которые с
регулярными интервалами уничтожают 30% маргариток. Он обнаружил,
что саморегуляция мира маргариток обнаруживает замечательную
гибкость и при этих резких возмущениях.
Все эти модели вызвали оживленную дискуссию среди биологов,
геофизиков и геохимиков, и с тех пор, как они были впервые
опубликованы, стала вызывать больше уважения в научном сообществе и
Гайя- гипотеза. Сегодня уже в разных частях света существует несколько
исследовательских групп, которые работают над подробными
формулировками Гайя-теории
74
.
Первые попытки синтеза
В конце 70-х, почти двадцать лет спустя после того, как в различных
контекстах были обнаружены ключевые критерии самоорганизации,
удалось сформулировать подробные математические теории и модели
самоорганизующихся систем и стал очевиден набор присущих им
характеристик: непрерывный поток энергии и материи через систему,
далекое от равновесия устойчивое состояние, возникновение новых
паттернов порядка, центральная роль петель обратной связи и
математическое описание в виде нелинейных уравнений.
В это же время австрийский физик Эрих Янч, работавший тогда в
Калифорнийском университете в Беркли, в своей книге
«Самоорганизующаяся Вселенная» представил одну из первых попыток
синтеза новых моделей самоорганизации, основанную, главным образом,
на теории диссипативных структур Пригожина
75
. И хотя сегодня книга
Янча уже устарела, поскольку была написана прежде, чем широкую
известность приобрела математика сложных систем, и не включала
полную концепцию автопоэза как организации живых систем, в то время
она представляла собой огромную ценность. Это была первая книга,
сделавшая труды Пригожина доступными для широкой публики, и в ней
была предпринята попытка объединить самые новые (на тот момент)
концепции и идеи в связную парадигму самоорганизации. Мой синтез этих
концепций в настоящей книге является в некоторой мере попыткой
переформулировать ранние работы Эриха Янча.
ПРИМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 5
1. См. Checkland (1981), pp. 123ff.
2. См. там же, р. 129.
3. CM.Dickson(1971).
4. Цитируется по Checkland (1981), р. 137.
5. См. там же.
6. См. Richardson (1992), pp. 149ff, 170ff.
7. Ulrich(1984).
8. См. Konigswieser и Lutz (1992).
9.См.Сарга(1982),р. 116ff.
10.Lilienfeld(1978),pp. 191-2.
11. См. ниже, с 140— 142.
12. См. выше, с. 34— 35.
13. См. выше, с. 53.
14. См. ниже, с. 179 и далее.
15. См. Varela et al. (1992), p. 94.
16. См. выше, с. 73 и далее.
17. McCulloch и Pitts (1943).
18. См., например, Ashby (1947).
19. См. Yovits and Cameron (1959), Foerster and Zopf (1962); Yovits,
Jacobi and Goldstein (1962).
20. Математическое выражение избыточности имеет вид R = 1 —
H/Hmax > где Н — энтропия системы в данный момент, а Н мах —
максимально возможная энтропия для этой системы.
21. Подробный обзор истории этих исследовательских проектов см. в
Paslack (1991).
22. Цитируется там же, р. 97п.
23. См. Prigogine and Stengers (1984), p. 142.
24. См. Laszlo (1987), p. 29.
25. См. Prigogine and Stengers (1984), p. 146ff.
26. Там же, p. 143.
27. Prigogine (1967).
28. Prigogine and Glansdorff (1971).
29. Цитируется по Paslack(1991), p. 105.
30. См. Graham (1987).
31. CM. Paslack (1991), pp. 106-7.
32. Цитируется там же, р. 108; см. также Haken (1987).
33. Перепечатана в Haken (1983).
34. Graham (1987).
35.Цитируется по Paslack (1991),p. 111.
36.Eigen(1971).
37. См. Prigogine and Stengers (1984), p. 133ff, а также Laszlo (1987), p.
31ff.
38. CM. Laszlo( 1987), pp. 34-35.
39. Цитируется по Paslack (1991), p. 112.
40. Humberto Maturana в Maturana and Varela (1980), p. xii.
41. Maturana(1970).
42. Цитируется по Paslack (1991), p. 156.
43. Maturana (1970).
44. Цитируется по Paslack (1991), p. 155.
45. Maturana (1970); см. р. 162ff; подробности и примеры см. ниже, с.
182 и далее.
46. См. ниже, с. 285 и далее.
47. Humberto Maturana в Maturana and Varela (1980), p. xvii.
48. Maturana and Varela (1972).
49. Varela, Maturana and Uribe (1974).
50. Maturana and Varela (1980), p. 75.
51. См. выше, ее. 34 и 82— 83.
52. Maturana and Varela (1980), p. 82.
53. См. Capra (1985).
54. Geoffrey Chew, цитируется по Capra (1975), p. 296.
55. См. ниже, с. 176 и далее.
56. См. выше, ее. 37— 39 и 48.
57. См.Ке11еу(1988).
58. См. Lovelock (1979), p. Iff.
59. Lovelock (1991), pp. 21-22.
60. Там же, р. 12.
61. См. Lovelock (1979), р. 11.
62. Lovelock (1972).
63. Margulis (1989).
64. См. Lovelock (1991), pp. 108-11; см. также Harding (1994).
65. Margulis (1989).
66. См. Lovelock and Margulis (1974).
67. Lovelock (1991), p. 11.
68. См. выше, с. 40 и далее.
69. См. ниже, ее. 238— 239,252.
70. Lovelock (1991), р. 62.
71. См. там же, p. 62ff, см. также Harding (1994).
72. Harding (1994).
73. См. Lovelock (1991), pp. 70-72.
74. См. Schneider and Boston (1991).
75. Jantsch(1980).