CC BY
26
© 2003 г. И.М. Вакула ОСНОВНЫЕ МОДУСЫ ПРОГРЕССИВНЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ
Образование качественно новых структур (систем) составляет основание всего предмета теории эволюции и общей концепции развития, поскольку любая форма подлинного развития есть не повторение старого, а появление нового качества. Данное утверждение выглядит особенно рельефно в приложении его к прогрессивному развитию, так как именно прогресс в наибольшей степени выражает качественные преобразования организации. Все сказанное в полной мере относится и к историческим преобразованиям техники.
Основное содержание эволюции живой природы и техники составляет адаптациогенез (в первом случае к внешней среде, во втором к потребностям человека), следовательно, изучение способов новообразований должно исходить из познания механизмов эволюции адаптаций. Так ставили вопрос о прогрессивной эволюции А.Н. Северцов [1] и его последователи, утверждавшие, что сущность ее заключается в формировании адаптаций широкого значения в виде ароморфозов.
Теоретическое положение об ароморфозе как возникновении неспециализированных эвриадаптаций само по себе не продвигало решения вопроса о конкретных механизмах макроэволюции, но служило стимулом и нацеливало на разработку принципов филогенетических преобразований органов. Решение этой фундаментальной не только для эволюционной морфологии задачи представляло собой результат коллективного труда нескольких поколений ученых из разных стран. Многие исследователи, занимавшиеся изучением филогенеза на организменном уровне и обнаружившие различные способы прогрессивных новообразований, предлагали разные варианты объяснения их происхождения. В итоге была создана целая система принципов (модусов, по выражению А.Н. Северцова), воплотившая в себе основные способы функциональных изменений частей организма.
Исходной основой филогенетических преобразований органов является общий принцип по ли функциональности (или мультифункциональности). Возможность выполнения органом или системой органов нескольких функций была обусловлена функциональной дифференциацией частей организма в связи с необходимостью приспособления к разнообразным факторам среды. Полифункциональность предоставляет широкие возможности для изменений органов путем как количественных, так и качественных преобразований. Первые включают такие модусы, как расширение, сужение, интенсификацию, активацию, иммобилизацию функций; вторые осуществляются путем смены функций, их разделения, субституции (замещения), фиксации стадий морфогенеза. Функциональные изменения органов согласуются с философским по-
стулатом о единстве формы и функции, но в филогенезе изменения последней являются, по-видимому, ведущими по отношению к преобразованиям структуры, однако наблюдаются случаи и примата формы над функцией (например, при преадаптации).
Из множества уже известных способов прогрессивных новообразований в живой природе рассмотрим, на наш взгляд, наиболее общие, в число которых включим сегрегациогенез, синтезогенез, трансформацию, перекомбинирова-ние, замещение. Нельзя сказать, что такая последовательность отражает снижение их роли в прогрессивной эволюции. Для некоторых случаев новообразований превалирующее значение будет иметь один из этих способов, для других - модус, исключающий все остальные или их большую часть. Кроме того, речь пойдет о проявлении указанных способов в основном на уровне филогенетических изменений организма, частично они будут рассматриваться по отношению к эволюции и видовой форме организации. Применительно к технике все рассуждения о способах новообразований относятся исключительно к ее отдельным типам, поскольку "видовая" форма их организации еще совершенно не исследована в такой мере, как это сделано применительно к живым системам.
Сегрегациогенез. Понятие сегрегациогенеза означает способ новообразований путем разделения ранее единого целого на части. Сам термин предложен K.M. Завадским [2] для обозначения давно известного и очевидного пути дивергентной эволюции. Данное понятие охватывает множество конкретных способов морфофизиологического прогресса, поскольку его содержательный смысл заключается в дифференцировании целого на части и дальнейшей их специализации внутри интегрированной системы. Когда речь идет о внутривидовой дифференциации, происходит выход дочерних популяций на самостоятельный путь развития с возможным их последующим выделением из материнского вида и многократным повторением этих чередований на длительных отрезках филогенетической эволюции.
Дифференциация частей в пределах организменной формы была названа одним из ведущих критериев морфофизиологического прогресса. Именно этим способом осуществляется усложнение структуры организмов и увеличение числа их функций, что не требует каких-то особых доказательств. С этим аргументом в пользу объективности эволюционного прогресса соглашаются сторонники релятивистской точки зрения, отрицающие реальность прогресса по адаптивному критерию, ссылаясь на то, что разные по сложности организмы (например, инфузория и обезьяна) одинаково хорошо приспособлены каядая к своей среде.
Понятие сегрегациогенеза синонимично принципу дивергенции, лежащему в основе дарвиновской концепции эволюции. Принцип разделения демонстрируется множеством фактов аллопатрического и симпатрического видооб-
разования [2, 3] с последующим выходом новых видов на арену прогрессивного развития всего филума.
В последние годы появились работы, позволяющие существенно пересмотреть прежнюю точку зрения об исключительной монополии дивергентной эволюции [4]. В противовес классическому дарвинизму, включая и его современный вариант (синтетическую теорию эволюции), выдвинуты аргументы, основанные на фактах формообразования путем межвидовой гибридизации (полиплоидные комплексы), симбиогенеза, экспериментального ресинтеза видов. Все эти способы нетрадиционной (постепенной) эволюции представляют собой проявление принципа синтезогенеза. Попутно отметим, что они исследовались авторами и сторонниками синтетической теории эволюции, если воспринимать ее в адекватном значении, т.е. как объединения генетики, экологии и теории естественного отбора. Впрочем, у нас нет еще достаточных данных, чтобы говорить о соотношении дивергенции и синтезогенеза в процессах макроэволюции, включая прогресс.
Действие принципа сегрегациогенеза прослеживается и на всем протяжении техноэволюции, поскольку здесь также фундаментальными признаками прогресса были дифференциация и усложнение технических объектов. Уже на заре каменной индустрии сегрегациогенез вступает в действие: до раннего палеолита первые орудия труда (чопперы) были однодетальными, т.е. монолитными, недифференцированными (галька, скребло, остроконечник, палка), в поздний палеолит появляются уже первые составные орудия в виде каменных топоров, стрел с наконечниками и других дифференцированных приспособлений. Эволюция на однодетальном уровне длилась около 1 млн лет и затем резко сократилась во времени с переходом на многодетальный уровень (около 50 тыс. лет назад). Следовательно, дифференциация и усложнение технических средств являются не только способом новообразований, но и мощным катализатором технического прогресса, что и показывает все дальнейшее развитие техники.
Синтезогенез. Известное философское изречение "целое больше суммы его частей" лаконично и метко выражает сущность синтезогенеза - объединения элементов в целостную конструкцию, в качественно новое образование, отличное от простого сложения частей. Скачкообразность (квантованность) процессов развития в живой природе доказана как на организменном, так и на видовом уровнях организации. К сожалению, в работах по теоретической биологии мало внимания уделяется феномену квантования, хотя фактов здесь более чем достаточно. Приводимый ниже материал позволяет представить квантованность биологических процессов в эволюционном освещении.
Убедительные примеры прогрессивного значения синтезогенеза приводит А.М. Уголев в подтверждение своей теории "функциональных блоков" [5, 6]. Так, почти все компоненты цикла Кребса (энергетические процессы дыхания) существовали еще у анаэробов, но их объединение обеспечило гораздо более
высокую энергетическую эффективность аэробного (кислородного) дыхания и возможность накопления свободной энергии в АТФ. Комплементарное сочетание уже имевшихся элементов в цикле Кребса оказалось настолько удачным, что в дальнейшем система эволюционировала как единое целое, устойчивое к мутационным изменениям. Аналогичным образом на протяжении гигантского отрезка времени сохраняются ион-транспортирующие АТФазы (ионные насосы) именно благодаря полезности интегрального эффекта.
Четко выраженной формой прогрессивного синтезогенеза является эволюция путем закрепления симбиотических отношений. К настоящему времени вопрос о симбиогенезе как факторе эволюционного прогресса достаточно изучен с историко-научной, экспериментальной и теоретической сторон. Своеобразие симбиогенного способа эволюционных новообразований состоит в том, что экологические взаимоотношения между видами внутри биоценоза превращаются в морфофизиологические связи внутри организма. При таком рассмотрении организм представляется в виде некоего микробиоценоза, своеобразной миниатюрной модели биоценотической формы организации.
Симбиогенез как фактор прогрессивной эволюции распространен, видимо, только у растений. Однако сам по себе способ новообразований путем синтеза разнородных элементов в одну целостную структуру - явление весьма распространенное в живой природе (эволюция микоризы грибов, симбиоз азотобактерий с бобовыми, разнообразные формы облигатных объединений, включая и животных, формы внутривидовой и межвидовой кооперации). В ряде случаев симбиоз приводил к возникновению крупных таксонов (тип лишайников), возможно, даже целых стволов, как в случае эукариот.
Будучи сугубо биологическим явлением, симбиогенез по своей сущности имеет множество аналогий в техническом прогрессе. Такой вывод правомерен, если рассматривать данный изоморфизм с точки зрения функциональности симбиогенных образований. При анализе вопроса о возникновении эукариотической клеточной организации А.Л. Тахтаджян обратил внимание на универсальное значение симбиогенеза как процесса "сборки" сложной системы из уже "готовых деталей", а это и есть один из ведущих путей прогрессивного развития техники [7]. Приведенные ниже примеры наглядно подтверждают положение о сходной роли синтезогенеза в эволюционном и техническом прогрессе.
Труды по истории техники содержат многочисленные примеры создания новых технических устройств на основе объединения различных компонентов: составляющих деталей, блоков, инструментов и т.д. Именно синтезогенез чаще всего приводил к появлению принципиально новых технических конструкций, которые делали переворот во всем материальном производстве. Его можно назвать "локомотивом" промышленных революций, одной из главных движущих сил технического прогресса.
Как и в эволюционном процессе, в техногенезе любое объединение частей предполагает исходное их наличие, возникающее путем дифференциации и специализации технических средств и деталей в предшествующий период. Так, разделение, упрощение и совершенствование рабочих инструментов в эпоху феодализма создавали "одну из материальных предпосылок машины, которая представляла собой комбинацию многих простых инструментов" [8]. Составляющими будущей машины были кривошипно-шатунный блок, маховик, суппорт, кулачковый механизм, появившиеся в результате мануфактурного разделения труда и после их объединения (синтезогенеза) ставшие основой машинного производства. Конкретно технический прогресс в области конструирования машин путем синтезогенеза выглядел следующим образом.
В своей пароатмосферной машине Ньюкомен (1706) удачно совместил достоинства машины Паппена (1690) и Севери (1696): первый создал поршневой пароатмосферный аппарат, второй - систему клапанов для водяного насоса. Машина Ньюкомена еще не была столь совершенной, чтобы вызвать промышленный переворот, но она подготовила почву для следующего шага на пути к такому перевороту. В начале XVIII в. идея универсального двигателя еще не созрела, но появилась мысль объединить положительные качества водяного колеса и паровой машины в целостную конструкцию.
Синтезогенез сыграл выдающуюся роль в создании основных типов рабочих машин (прядильных, ткацких, токарных станков и др.). Прядильная машина Аркрайта (1769) - пример удачного синтеза вытяжного механизма Уайетта с крутильно-наматывающимся устройством самопрялки. Она имела два прогрессивных достоинства: рассчитана была на механическую движущуюся силу (водяное колесо) и непрерывность работы. Затем С. Кромптон осуществил следующий синтезогенез: объединил положительные свойства машины Аркрайта и Харгривса (первая пряла тонкую, поэтому слабую нить, вторая -крепкую, но толстую). Вместо устройства Харгривса новый изобретатель применил вытяжные валки ватермашины (водяного колеса) и использовал каретку с веретенами, двигавшуюся попеременно назад и вперед. Важнейшей новацией Кромптона было введение специального механизма - квадранта -для равномерного наматывания нити на веретено. Затем Робертс (1825) предложил еще несколько новшеств, в частности механизировал главные рабочие операции прядильной машины Кромптона. В дальнейшем многие изобретатели постепенно совершенствуют ее уже по пути специализации отдельных частей. В итоге машина приобретает автоматизированную конструкцию, работает без участия человека.
Яркий пример эволюции техники путем синтезогенеза демонстрирует история токарного станка. При создании универсального токарного станка Г. Модели (1800) удачно объединил в одно целое подвижной суппорт, сменные шестерни, задние бабки и другие детали. Он создал конструкцию станка на-
столько удачную, что при незначительных доработках его модель получила бы вполне современный вид [9, с. 212].
Рассмотренные примеры прогрессивных новообразований касались эволюции конкретных типов техники, число которых можно было бы многократно умножить.
Для эволюционного прогресса характерны преобразования путем синтезогенеза на уровне не только организма, аналогично эволюции технических изделий, но и на видовом. Исходным пунктом макроэволюции является видообразование, поскольку именно вид представляет собой ее начало, "стартовую площадку" для последующих прогрессивных преобразований. Темпы и масштабы прогресса могут быть весьма различными в зависимости от того, пойдет ли развитие новых видов далее по пути дивергенция или изберет более эффективное направление синтеза с другими видами и последующим формированием новых надвидовых систем.
К настоящему времени достаточно хорошо изучены несколько способов синтезогенного видообразования, о чем K.M. Завадский писал: "Итак, можно считать, что как у животных, так и у растений видообразование путем синтезогенеза играло известную или даже важную роль в эволюции, принимая различные формы (трансдукция, гетерокариоз, симбиогенез, гибридизация и пр.)" [2, с. 313].
По эволюционному значению (эффективности, темпам, широте распространения) первенствующая роль в синтезогенном видообразовании принадлежит межвидовой гибридизации, в особенности отдаленной. Широко распространенный у растений этот путь видообразования намного реже встречается у животных, но все-таки имеет универсальное значение, поскольку существует также у простейших и грибов. "Внезапное" видообразование [3] характеризуется трехфазностью: скачкообразное появление новой видовой формы, образование местной популяции и внедрение ее в биоценоз под действием отбора [2, с. 345]. Отмеченная для видообразования трехфазность этого процесса присуща и техническому прогрессу. В сущности здесь также выделяются три стадии: появление нового изобретения и документа на него (видовая форма), отбор моделей будущих изделий на стендовых испытаниях (образование местной популяции), внедрение изделий в производство (вхождение популяции в состав биоценоза).
Трансформациогенез. Этим словом обозначается способ прогрессивных и меньших по масштабу новообразований путем постепенных изменений целостной организации и перехода ее в новое состояние. Эволюционная идея в биологии зарождалась именно с трансформизма - представлений о том, что старая форма (вид, тип) может перейти в новую либо путем медленных внутренних превращений, либо резким скачком (из яйца рептилии сразу появляется птица). Трансформации подвержены чаще всего так называемые количест-
венные признаки (размеры частей и масса тела, окраска, устойчивость к абиотическим факторам, иммунитет и т.п.).
Трансформация структуры осуществляется двумя основными способами: перекомбинацией элементов в рамках одной организации и превращением одних элементов в другие. Оба эти процесса могут привести к значительным ароморфным преобразованиям.
Сам феномен перестановки элементов в структуре, их новые сочетания, приводящие к кардинальным преобразованиям, давно описаны в науке. На основе перекомбинаций элементов протекают многие химические реакции и создается огромное разнообразие относительно простых и сложных веществ. Новообразования путем перекомбинации частей организации широко представлены в эволюции живых и технических систем в форме либо непосредственного фактора, либо предпосылки процессов развития.
Перекомбинация элементов в структуре как биологических, так и технических объектов по существу - воплощение модульного (блочного) принципа их организации, функционирования и эволюции, позволяющего быстро и относительно бесконфликтно для самой системы и ее отношений со средой развиваться по пути прогресса. В биологических науках накоплено много фактов, подтверждающих важную роль такого принципа в эволюции внутриор-ганизменных систем, организма в целом, а следовательно, и популяций. Его действие объективно возможно только в статичных системах, состоящих из дискретных элементов или частей относительно независимых друг от друга. Нельзя поменять местами органы, но это могут делать органоидные компоненты клетки (митохондрии, рибосомы), свободно перемещаясь в протоплазме. Таким образом, чем ниже уровень внутриорганизменной системы, тем выше вероятность перекомбинации ее элементов. Не случайно это явление наиболее широко распространено в изменениях наследственного аппарата.
Перестановки и новые сочетания генов (аллелей) и их комплексов в гомологичных и негомологичных хромосомах, перекомбинации хромосом в мейо-зе и при гибридизации составляют один из основных источников наследственной изменчивости. Обмен участками гомологичных хромосом при крос-синговере меняет положение генов, после чего гаметы несут хромосомы уже с перестроенной структурой. Транслокации частей хромосом имеют место как внутри хромосомы, так и между ними (инверсии, перемещения участков-траспозонов, истинные транслокации). При всех этих типах рекомбинаций создаются условия для проявления различных форм взаимодействия генов (эпистаз, полимерия, комплементарность и др.), усиливающее общий фенотипический эффект вплоть до появления признаков прогрессивного масштаба.
Рекомбинационная изменчивость существенно увеличивает разнообразие генетических вариантов в популяциях диплоидных организмов. Высказыва-
ется даже мнение [3], что по своему значению для эволюционного процесса она превосходит классическую генную изменчивость.
Убедительным доказательством модулирования как фактора прогресса живых систем на суборганизменном уровне служит структурная и функциональная рекомбинация физиологических компонентов, что было показано А.М. Уголевым в рамках его концепции универсальных функциональных блоков [5, 6]. Творческое значение принципа блочности в самой краткой форме отражено в словах: «новое - это набор новых, уже известных блоков» [6, с. 275].
Принцип блочности и его значение для эволюции наглядно представлены в широко распространенных явлениях перемещения функциональных блоков из одних координат системы в другие. Так, имеются доказательства о перемещении блоков, специфичных для одного типа органелл клетки, в другие. Типичный ионный насос эндоплазматической сети Са2+, М2+, - АТФ-аза обнаруживается в клеточной мембране. Одинаковые гормоны, выделяемые клетками желудочно-кишечного тракта, продуцируются и клетками центральной нервной системы, в которой они выполняют функцию нейромедиаторов и нейромодуляторов
Концепция универсальных функциональных блоков включает много других моментов, касающихся принципа блочности и его значения для эволюции, в том числе прогрессивной: изменчивость самих блоков, соотношение смены функций и эволюции блоков, их мультифункциональности и мультипо-тентности, модулирования в трофических цепях биоценоза.
Одно из условий наибольшей эффективности модулирования - ограниченное число блоков, по поводу чего А.М. Уголев писал: «Поиск нужных деталей и сборка машин из стандартных деталей является, по-видимому, более простым актом при реализации естественных технологий» [6, с. 197]. Справедливо будет данное высказывание и по отношению к искусственным технологиям, основанным на модульном принципе. Может вызвать возражение другая его фраза, что «главный путь эволюции - это комбинаторика» [6, с. 230], но то, что перекомбинирование - один из главных факторов эволюции, документировано весьма основательно во всяком случае для суборга-низменных систем, важнейший он и в эволюции техники.
Трансформационный способ новообразований следует рассматривать в двух аспектах. В первом случае организация сохраняет основную свою форму (конструкцию), изменяются лишь количественные параметры ее признаков. Классический пример морфологических филогенетических трансформаций такого типа демонстрирует направленная эволюция семейства лошадиных, отмеченная постепенным увеличением размеров и массы тела, удлинением конечностей, укрупнением мозга, нарастанием высоты зубной коронки. В итоге из предковой формы (величиной с собаку) возник тип современной лошади, значительно отличающийся от исходной формы, хотя и сохранились
общие с ней черты строения. По такому же пути количественных изменений признаков шла эволюция хоботных, моллюсков, цветковых растений.
Из области техники можно также подобрать факты количественной трансформации орудий труда, предметов культуры, средств военной техники, когда изменяются лишь некоторые параметры технических объектов и сохраняется принципиальная их конструкция. Так, эволюция паровозов проходила по линии увеличения размеров, мощности, экономичности и мало затронула общую конструкцию, в то же время музейные образцы первых паровозов и последних - далеко не близнецы. Транспортные и спортивные средства (беговые лыжи, коньки, двухколесные велосипеды) получили разные модификации, но весьма незначительные по отношению к общей конструкции и в то же время, например дорожный и гоночный велосипеды различаются по своим модификациям. Эволюция подводных лодок от малюток до атомных субмарин проходила в столь же мало дифференцированной форме: сохранилась общая сигарообразная конструкция, но произошла и значительная трансформация по размерам, мощности, длительности автономного плавания и т.п.
Во втором случае трансформационных новообразований происходят существенные превращения организации, в результате которых она может резко отличаться от предковой формы. Трансформацию такого типа можно назвать качественной и более впечатляющей.
Подобрать примеры этого способа трансформации из биологии не трудно. Процесс постепенного превращения пятипалой конечности у исходного предка в однопалую у современной лошади можно признать доказательным фактом качественной трансформации. Другим подтверждением филогенетической трансформации этого типа служат факты превращения хрящевого позвоночника в костный, легочных пузырей в настоящие легкие, мозга приматов в мыслящий орган у человека.
Исторически первым событием технической трансформации качественного типа является галечная культура: превращение в руках первобытного умельца природного монолита в чоппер. Фактом такой трансформации можно признать преобразование часового механизма в автоматические устройства более совершенной конструкции. Прародителем современного экскаватора была лопата, но она сильно отличается от последнего, хотя принцип копания сохранился.
При рассмотрении технических трансформаций через призму функциональных преобразований органов обнаруживаются удивительные совпадения между ними. К примеру, формирование однопалой конечности осуществлялось по принципу смены сужения функций: аналогичным образом шло превращение многофункциональной лопаты в экскаватор с его очень ограниченными, специализированными функциями. Трансформация хрящевого позвоночника в костный соответствует принципу активации функций, то же самое
наблюдается в конструировании многоступенчатой ракеты, преодолевшей земное тяготение.
Таким образом, трансформациогенез является существенным способом прогрессивных новообразований как в виде перекомбинирования, так и филе-тических превращений. Основные элементы машин состоят всего из нескольких простых конфигураций: ворот, блок, рычаг, винт, клин, наклонная плоскость и т.п.
Весьма заманчиво отыскать подобные элементарные образования и в живой природе, аналогично тому, как это уже сделано в химии (периодическая система элементов), квантовой физике (элементарные частицы) и, как видим, в технике.
Литература
1. Северцов А.Н Главные направления эволюционного процесса: 2-е изд., М., 1934.
2. Завадский КМ. Вид и видообразование. JL, 1968.
3. Майр Э. Зоологический вид и эволюция. М., 1968.
4. Воронцов H.H. Синтетическая теория эволюции: ее источники, основные постулаты и нерешенные проблемы // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. 1980. Т. 25. № 3.
5. У голе в А.М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций: Элементы современного функционализма. JL, 1985.
6. Уголев А.М. Естественные технологии биологических систем. JL, 1987.
7. Тахтаджян А.Л. Принципы организации и трансформации сложных систем: эволюционный подход. СПб., 1998.
8. Маркс К. Капитал. Т. 1 //Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 23. С. 354.
9. Техника в ее историческом развитии. М., 1979. Т. 1.
Ростовский юридический институт МВД России 30 января 2003 г.
