CC BY
18D01:10.31249/metodannual/2021.11.05
Левченко В.Ф.*
Два подхода к эволюции биосферы: физический и информационный
Аннотация. Коротко рассмотрены два подхода к исследованию эволюции биосферы как живой системы надорганизменного уровня. Оба подхода - физический и информационный - не противоречат друг другу, но касаются разных аспектов эволюции. В рамках первого подхода обсуждаются изменения в биосфере, обусловленные значительным увеличением объема проходящего через нее в процессе эволюции энергетического потока, что связано с воздействием на планету астрофизических факторов. В рамках второго подхода рассматриваются изменения, обусловленные накоплением у живых организмов биосферы информации о технологиях выживания и эксплуатации среды. В случае человека этот процесс резко ускоряется из-за появления возможности фиксировать в культуре и передавать полезную информацию не только генетическим путем, но и между одновременно существующими особями. Представляется, что в дальнейшем оба подхода помогут в создании непротиворечивой теории эволюции биосферы.
Ключевые слова: биосфера; физическая эволюция; астрофизические факторы; информационный обмен; информационная эволюция; техносфера.
Для цитирования: Левченко В.Ф. Два подхода к эволюции биосферы: физический и информационный // МЕТОД : Московский ежегодник трудов из обществоведческих дисциплин : ежегод. науч. изд. / РАН. ИНИОН. Центр перспект. методологий социал. и гума-нит. исслед. - Москва, 2021. - Вып. 11. - С. 108-118. - URL: http://www.doi.org/10.31249/metodannual/2021.11.05
1. Физическая эволюция биосферы
Ранее автором была предложена гипотеза физической эволюции биосферы, в рамках которой обсуждалась взаимосвязь между энергетическим потоком через биосферу и биологической эволюцией [Левченко, 2012; Early Biosphere..., 2012]. При всех ее недостатках, обусловленных ориентировочным характером числовых оценок и неполнотой палеонтологических и палеоэкологических данных, в ее рамках удается непротиворечивым образом связать изменения в энергетике надорганизменных систем - экосистем и биосферы - с воздействием внешних факторов, описать общие особенности фи-
* Левченко Владимир Федорович, доктор биол. наук, гл. научн. сотр. ИЭФБ РАН (Санкт-Петербург), e-mail: lew@lew.spb.org.
108
зической эволюции биосферы, рассматриваемой как единая живая система, а также объяснить некоторые общие закономерности биологической эволюции.
В рамках этой гипотезы физическая эволюция биосферы объясняется как следствие в первую очередь внешних факторов, а именно - астрофизических, причем двух типов:
1) факторов масштаба Галактики, влияющих на геологические процессы и газоотделение С02 из недр Земли с периодом около 200 млн лет;
2) факторов масштаба Солнечной системы, вызывающих уменьшение инсоляции и климатические изменения на Земле каждые несколько десятков тысяч лет.
Воздействие этих факторов приводит в итоге к увеличению потока энергии через биосферу вследствие отбора и появления продуцентов, более эффективно использующих поток солнечной энергии, попадающий на Землю. В результате за время фанерозоя энергетический поток через наземные растительные сообщества возрос примерно на два порядка вследствие возрастания их фотосинтетического индекса (см. рис. 1), возникли новые экосистемы и биогеоценозы, что не могло не сказаться самым существенным образом на многих особенностях появившихся в этот период времени организмов.
Экологические кризисы вызывали адаптивные изменения биосферы в ответ на внешние воздействия, поэтому, хотя роль кризисов в биологической эволюции высока, они не предопределяют наиболее общие тенденции эволюции биосферы как целого [Бродский, 2006; Будыко, 1982; ЬеусЬепко, 1997].
Ссагь - суммарная масса С02, погребенного в фанерозойских осадочных толщах континентов (косвенно характеризует газоотделение углекислоты из недр Земли) и СоГЁ - масса погребенного органического углерода -даны в тоннах. Для Ьтах - максимального фотосинтетического индекса растительных сообществ приведены экстраполяции, основанные на аналогиях со сходными современными экосистемами. Циклы ~ 200 млн лет близки к периоду обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики.
Все эти данные подтолкнули автора к тому, чтобы рассмотреть и некоторые иные эволюционные изменения в истории биосферы [Левченко, 2012]. Кроме ставшего уже привычным изучения изменений ее строения и видового состава интересно было бы рассмотреть изменения в ее функционировании и взаимосвязанное с этим развитие информационного обмена внутри нее [Левченко, 2020].
109
Рис. 1.
Некоторые черты развития биосферы в фанерозое до антропоцена: изменение температуры, концентрации атмосферного СО2, темпов образования органики и накопления карбонатов, интенсивность фотосинтеза и развитие крупных таксонов наземных организмов. Ширина зон характеризует представленность различных макротаксонов (относительную распространенность, видовое разнообразие), масштаб условный и не отражает числовых отношений, построение упрощенное Рисунок приводится по: [Левченко, 2012].
110
2. Эволюция жизни и развитие информационного обмена в биосфере
Биологическая эволюция началась более 3 млрд лет назад. Тогда же возникла и биосфера - целостная биологическая система надорганизмен-ного уровня, «стремящаяся» удержать условия среды на планете в некотором диапазоне, своего рода внутренний гомеостазис. Вся эволюция биосферы сопряжена с биологической эволюцией, т.е. с возникновением, жизнедеятельностью и вымиранием различных видовых популяций, которые в каждый момент истории были приспособлены к той или иной среде, предоставляемой биосферой, но в то же самое время формировали и изменяли ее особенности [Maturana, Varela, 1980; Левченко, Старобогатов, 1994]. «Пленка жизни» увеличивалась в объеме и захватывала в свой круговорот все большее количество планетарного вещества, развивались системы биосферного гомеостазиса, возрастало потребление энергии (главным образом солнечной) и различных не самовозобновляемых ресурсов среды. Поэтому геосферы планеты необратимо изменялись [Вернадский, 1960; Lovelock, 1991]. Около 1,5-2 млрд лет назад сформировалась термодинамически неравновесная кислородная атмосфера, которая с тех пор постоянно поддерживалась и поддерживается за счет внешних по отношению к биосфере источников энергии, в первую очередь солнечной. Для промежутка времени фанерозоя «эволюцию неравновесности» биосферы можно продемонстрировать, рассмотрев увеличение фотосинтетического индекса наземных растительных сообществ, которое привело к очень существенному их усложнению, о чем уже шла речь выше.
Разумеется, особенности биологической эволюции и эволюции биосферы могут рассматриваться в различных аспектах, например с позиций традиционной биологии, с точки зрения биоценологии и т.д. На взгляд автора, при всей важности таких исследований упускается из виду крайне важное обобщение, сделанное еще В.И. Вернадским и позднее Дж. Лав-локом, а именно - что биосфера представляет собой единую живую надор-ганизменную систему, своего рода суверенный живой организм, живущий и развивающийся по своим законам и включающий в себя не только «пленку жизни», но и участвующие в его метаболизме неживые структуры планеты.
Эволюция биосферы может обсуждаться и с информационной точки зрения, поскольку у всех живых организмов имеется генетическая память. В процессе эволюции происходит передача (с искажениями) генетической информации между организмами разных поколений, происходит обмен организмами между разными частями биосферы и, следовательно, обмен генетической информацией. Биосфера, так же как и отдельные организмы, «помнит» свое прошлое. Это не только генетическая память организмов биосферы ее составляющих, но и «память среды», т.е. необратимые изменения в геосферах планеты, происходящие в процессе биосферного мета-
111
болизма и планетарной эволюции. Они, очевидно, влияли и продолжают влиять на ход эволюционных процессов.
Развитие человеческой цивилизации связано с появлением вида Homo sapiens, представители которого обладают развитой нервной системой и, главное, овладели новыми способами передачи важной для выживания информации как между поколениями, так и между одновременно живущими представителями человеческой популяции. Это стало возможным после возникновения абстрактного мышления, второй сигнальной системы и языковых средств коммуникации. В итоге каждый человек получил возможность использовать в своей жизни индивидуальный опыт множества других людей, причем не только своих современников, но и людей прошлого. Разумеется, при этом от человека человеку передается не просто совокупность сведений о конкретных событиях и объектах окружающей среды, а чаще всего обобщенный средствами мышления и языка опыт, включающий в себя всевозможные полезные для выживания навыки, в том числе и те, которые подразумевают использование приспособлений и технических средств.
Хорошо известно, что такие «достижения» нервной системы, как возможность использования чужого индивидуального опыта через наблюдение, подражание и обучение, передача актуальной ситуативной информации, например об опасности, а также различные способы коммуникации, существовали и существуют не только у человека. Многие виды высших, особенно социальных, животных в той или иной степени владеют этими средствами, используют для общения средства звуковой и запахо-вой коммуникации, различные формы демонстраций, и это способствует их успешному выживанию. Однако только в случае человека, как показывает вся история развития человечества, упомянутый обобщенный опыт, важнейшие навыки постепенно накапливаются в человеческой популяции в течение ее истории, несмотря на некоторые исключения, которые могут быть связаны с исчезновением носителей опыта, в том числе из-за вымирания по тем или иным причинам отдельных сообществ.
У животных накопление такого опыта не происходит, а то немногое, что известно стае и передается от поколения к поколению, касается главным образом конкретных условий обитания. Весьма часто при этом главным носителем опыта выступает стайная «элита» [Дольник, 1994].
У архаичных и древних культур передача и накопление опыта происходят в результате обучения, во многом основанного на запоминании того, что передано и получено посредством речи. После же появления письменности - это еще книги и библиотеки. Умение использовать одежду, строить жилища, обладание другими навыками, помогающими существовать в таких условиях среды, для которых биологически человек не приспособлен, -все это следствие того, что существуют культурное наследие, а также «культурная трансмиссия» негенетической информации в виде так называемых мемов [Dawkins, 1976; Броди, 2001]. Мемы могут создаваться,
112
сохраняться, быть передаваемыми и принятыми только живыми существами, имеющими абстрактное мышление и живущими в едином информационном социуме, т.е. - людьми.
Ход эволюции жизни на Земле можно описать как постепенное обучение живого способам эксплуатации среды [Яблоков, Левченко, Керженцев, 2018; Kull, 2018]. Понимая «обучение» в широком, эволюционном смысле, можно сказать, что оно возможно не только при наличии нервной системы и в онтогенезе, но и на основе использования иных механизмов памяти, в частности генетической памяти. Действительно, в результате естественного отбора происходит своеобразное обучение на популяционном уровне, поскольку при этом выявляется и сохраняется в поколениях существенная для выживания в некоей среде генетическая информация. Наличие нервной системы позволяет использовать еще и собственный, а не только популяционный опыт, иными словами, позволяет дополнительно обучаться в течение жизни. У социальных животных, обменивающихся информационными сообщениями, появляется дополнительная возможность обучения на основе использования результатов чужого индивидуального опыта. Венцом эволюции в этом направлении стал человек, который хранит и накапливает в виде культурного наследия результаты индивидуального опыта и мыслительной деятельности многих когда-либо живших и живущих членов человеческой популяции. В этом контексте культурное наследие этноса, сохраняемое теми или иными способами, отражает последствия обучения (в широком смысле этого слова) данного этноса окружающей природно-социальной средой.
Таким образом, каждый принципиально новый этап эволюции жизни на планете сопряжен с началом использования новых способов передачи, хранения и использования информации. То, как значимая для планетарной жизни информация хранится, передается и используется, непосредственно влияет на весь ход эволюции живого, предопределяет ее основные этапы.
Условно упомянутые особенности эволюции изображены на рис. 2. Там же показан переход к новейшему этапу эволюции - техносферной эволюции, - для которого характерно использование не только новых, связанных со спецификой биологии вида Homo sapiens механизмов памяти и обмена информацией, но и специально изобретенных, нефизиологических средств запоминания массивов данных, т.е. библиотек.
113
Химическая эволюция Эволюция эмбриосферы
Биологическая эволюция
Эволюция биосферы.
Информационная | эволюция Эволюция "" техносферы
__ Procatyota
— Eu.catyoia ^—Назелтая мсгинь
— Ц&ДООДК
Память среды
Память среды
Генетическая память
Генетическая память
I Гены
Культурное насление h ~ Мелеы
Бремя
J -у- Миллип'рдт л лет
Рис. 2.
Сопоставление различных эволюционных процессов, происходящих на планете, в связи с появлением и развитием различных механизмов памяти
Рисунок приводится по: [Левченко, 2012].
Сверху: этапы предбиологической и биологической эволюции в контексте традиционных естественных наук - химическая, биологическая, информационная. Ниже: те же этапы с позиций биоценологии и наук о геосферах и биосфере - эволюция эмбриосферы (предбиосферы - [Левченко, 2012; Левченко, 2020]), эволюция биосферы, появление и эволюция техносферы (а также ноосферы - [Вернадский, 1960]). Для сопоставления показано время появления некоторых главных «творцов биосферы»: прокариот, эукариот, развитых наземных форм жизни, человека.
Внизу: три типа памяти, которые предопределяли эволюцию жизни на планете, - «память среды», т.е. память абиотических компонентов биосферы (существует в течение всей истории планеты); генетическая память (ее появление сопряжено с возникновением архей и прокариот - первых организменных форм жизни); культурное наследие в виде мемов, как следствие появления второй сигнальной системы и человеческой памяти, сохраняющей и накапливающей популяционный опыт вида Homo sapiens. В самом низу рисунка указано геологическое время в миллиардах лет.
114
Накопленные знания и навыки позволяют на этом этапе широко применять технические приспособления, которые помогают активно использовать дополнительные, не известные другим животным источники энергии (например, ископаемые), создавать локально комфортные для жизни и разных видов деятельности условия среды (жилища и специализированные постройки) и т.п. Важно упомянуть также и о создании человеком агроценозов, необходимых для обеспечения людей питанием, но требующих постоянного контроля и ухода. Фактически постепенно возникает новый тип функционально-пространственных надорганизменных систем: природно-хозяйственных систем или биотехноценозов. Социум не может существовать без них, но и они не могут самостоятельно существовать и развиваться без участия человека [Русак, 2016].
В этом контексте человек превращается из биологического существа в нечто, подобное биомашине, у которой «биологическая начинка» снабжена и (или) пользуется множеством средств, являющихся усилителями физиологических возможностей. Это, например, приспособления, позволяющие более эффективно эксплуатировать окружающую среду, медицинские препараты, протезы, компенсирующие недостаточность функций естественных физиологических механизмов, средства защиты от неблагоприятных условий - одежда, жилища, - а также усилители возможностей мозга - библиотеки, компьютеры и т.п. При таком подходе следует обсуждать уже не эволюцию человека, а эволюцию связанных информационным обменом разумных биомеханизмов, принадлежащих к виду «Ното тесНатсш», или, если использовать традиционную для биологии латынь, -«Ното machinalis». Нет нужды предполагать, что такое возможно где-то в фантастическом будущем, населенном супербиороботами; будущее уже наступило, причем довольно давно, но мы - люди, слишком занятые собственными делами, - не слишком хорошо это осознали.
Попытки рассмотрения эволюции технических средств, в частности транспортных, уже предпринимались, причем было показано, что для них, как ни удивительно, наблюдается ряд известных эволюционных закономерностей. Например, переход от цепной передачи к карданному валу может рассматриваться как ароморфоз, а дальнейшие усовершенствования этого механизма передачи вращательного движения - как идиоадаптации. Такого рода эволюционные закономерности характерны для эволюции технологий, техники, всей техносферы [Меншуткин, 1995; Меншуткин, Наточин, Черниговская, 1992; Пут, 2020].
* * *
К сожалению, общая теория эволюции биосферы, в которой закономерно появляется Homo machinalis, находится еще только в процессе создания, и это - достойная научная задача для ученых нового време-
115
ни [Ilyin, 2020]. Критическое обсуждение общей картины строения и функционирования (морфологии и физиологии) живого планеты и основных путей ее многоуровневой эволюции, приведших к почти полностью замкнутому (до антропоцена) самоподдерживающемуся биосферному круговороту вещества, покажет, насколько предлагаемая картина адекватна [Левченко, 2012, Левченко, 2020]. Эти теоретические исследования направлены также на поиск путей и направлений перехода к управляемой эволюции биосферы. Управляемая эволюция - процесс поддержания жизнеобеспечивающей способности биосферы путем управления деятельностью человека, как «геологической силы», влияющей на природные процессы, - становится важнейшей областью созидательной работы человечества. Она должна идти как в гуманитарном, так и в естественнонаучном направлениях, и целью ее является сохранение жизнеобеспечивающих свойств биосферы [Яблоков, Левченко, Керженцев, 2018].
Список литературы
Броди Р. Психические вирусы. - Москва : Центр психологической культуры, 2001. - 192 с. Бродский А.К. Общая экология. - Москва : Издательский центр «Академия», 2006. - 254 с. Будыко М.И. Изменения окружающей среды и смены последовательности фаун. - Ленинград : Гидрометеоиздат, 1982. - 78 с. Вернадский В.И. Биосфера. I—II // Вернадский В.И. Избр. соч. - Москва : Изд-во АН СССР,
1960. - Т. 5 / под ред. А.П. Виноградова. - С. 5-102. Дольник В.Р. Непослушное дитя биосферы. Беседы о человеке в компании птиц и зверей. -
Москва : Педагогика-Пресс, 1994. - 208 с. Левченко В.Ф. Биосфера: этапы жизни (эволюция частей и целого). - Санкт-Петербург :
Свое издательство, 2012. - 264 с. Левченко В.Ф., Старобогатов Я.И. Авторегулируемая эволюция биосферы // Динамика разнообразия органического мира во времени и пространстве. Материалы 40 сессии ВПО. - Санкт-Петербург : ВСЕГЕИ, 1994. - С. 30-32. Левченко В.Ф. Эволюционная биосферология. - Санкт-Петербург : Изд. СПбГЭУ, 2020. -150 с.
Меншуткин В.В. Аналогия закономерностей биологической и технической эволюции // Теоретические проблемы экологии и эволюции: Вторые Любищевские чтения. - Тольятти, 1995. - С. 67-72.
Меншуткин В.В., Наточин Ю.В., Черниговская Т.В. Общие черты эволюции функциональных гомеостатических и информационных систем // Журн. эвол. биохим. и физиол. -1992. - № 6. - С. 623-636. Русак О.Н. Безопасность жизнедеятельности. История. Теория. Практика. Концептуальные
аспекты. - Санкт-Петербург : Изд. СПбГЛТУ, 2016. - 88 с. Яблоков А.В., Левченко В.Ф., Керженцев А. С. Очерки биосферологии. - Санкт-Петербург :
Свое издательство, 2018. - 150 с. Dawkins R. The Selfish Gene. - Oxford : Oxford University Press, 1976. - 224 p. Early Biosphere: Origin and Evolution / Levchenko V.F., Kazansky A.B., Sabirov M.A, Semenova E.M., Ishwaran N. (Ed.). - London : IntechOpen, 2012. - Р. 1-32. - DOI: 10.5772/35301. - URL: http://www.intechopen.com/books/the-biosphere/early-biosphere-origin-and-evolution (дата обращения: 11.03.2021).
116
Ilyin M. Emergence and advancement of basic human capacities // Linguistic Frontiers. - 2020. -N 3(2). - P. 3-20.
Kull K. Choosing and learning: semiosis means choice. Zn^siroxKq-Sign // Systems Studies. -
2018. - N 46(4). - P. 452-466. Levchenko V.F. Ecological Crises as Ordinary Evolutionary Events Canalised by the Biosphere // International Journal of Computing Anticipatory Systems (Belgium). - 1997. - Vol. 1. -P. 105-117.
Lovelock J.E. Gaia: the practical science of planetary medicine. - London : Gaia book limited, 1991. - 192 p.
Maturana H., Varela F. Autopoiesis and Cognition. - Dordrecht : Reidel, 1980. - 142 p.
Vladimir Levchenko* Two approaches to the evolution of biosphere: physical and informational
Abstract. Two approaches to the study of the evolution of the biosphere as a living system of the supraorganism level are briefly considered. Both approaches - physical and informational -do not contradict each other, but relate to different aspects of its evolution. The first approach discusses changes in the biosphere caused by a significant increase in the energy flow through it in the process of evolution, which is associated with the impact of astrophysical factors on the planet. Within the framework of the second approach, the changes caused by the accumulation of information in living organisms of the biosphere about the technologies of survival and exploitation of the environment are considered. In the case of humans, this process is sharply accelerated due to the emergence of the possibility of fixing in culture and transmitting useful information not only genetically, but also between simultaneously existing individuals. It seems that in the future, both approaches will help in the creation of a consistent theory of the evolution of the biosphere.
Keywords: biosphere; physical evolution; astrophysical factors; information exchange; informational evolution; technosphere.
For citation: Levchenko V.F. (2021). Two approaches to the evolution of the biosphere: physical and informational. METHOD: Moscow Yearbook of Social Studies, 11, P. 108-118. http://www.doi.org/10.31249/metodannual/2021.11.05
References
Brodskii, A.K. (2006). General Ecology. Izdatel'skii tsentr «Akademiia». (In Russ.)
Brody, R. (2001). Psychic viruses. Tsentr psikhologicheskoi kul'tury. (In Russ.)
Budyko, M.I. (1982). Changes in the Environment and Changes in the Sequence of Faunas.
Gidrometeoizdat. (In Russ.) Dawkins, R. (1976). Selfish Gene. Oxford University Press.
Dolnik, V.R. (1994). The naughty child of the biosphere. Conversations about a man in the company of birds and animals. Pedagogika-Press. (In Russ.) Ilyin, M.V. (2020). Emergence and advancement of basic human capacities. Linguistic Frontiers, 3(2), 3-20.
* Levchenko V.F., I.M. Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry (Saint Petersburg, Russia), e-mail: lew@lew.spb.org.
117
ReeneHKO B. 0.
Kull, K. (2018). Choosing and learning: Semiosis means choice. Zqneianxq-Sign Systems Studies, 46(4), 452-466.
Levchenko, V.F. (2012). Biosphere: stages of life (evolution of parts and the whole). Svoe izdatel'stvo. (In Russ.)
Levchenko, V.F., Kazansky A.B., Sabirov M. A, Semenova E.M. (2012). Early Biosphere: Origin
and Evolution. In N. Ishwaran (Ed.). The Biosphere (pp. 1-32). IntechOpen. Levchenko, V.F. (1997). Ecological Crises as Ordinary Evolutionary Events Canalised by the
Biosphere. International Journal of Computing Anticipatory Systems, 1, 105-117. Levchenko, V.F. (2020). Evolutionary biosphereology. SPUE. (In Russ.) Levchenko, V.F., Starobogatov J.I. (1994). Autoregulated evolution of the biosphere. In Dynamics of the diversity of the organic world in time and space. Materials of the 40th session of the VPO (pp. 30-32). ARGI. Lovelock, J.E. (1991). Gaia: The practical science of planetary medicine. Gaia book limited. Maturana, H., Varela, F. (1980). Autopoiesis and Cognition. Dordrecht, Holland. Menshutkin, V.V. (1995). Analogy of the laws of biological and technical evolution. In Theoretical problems of ecology and evolution. Second Lyubishchev Readings. (pp. 67-72). (In Russ.)
Menshutkin, V.V., Natochin, J.V., Chernigovskaya, T.V. (1992). General features of the evolution of functional homeostatic and information systems. Journal. Evol. Biochem. and Physiol., 6, 623-636. (In Russ.) Rusak, O.N. (2016). Life safety. History. Theory. Practice. Conceptual aspects. SPbGLTU. (In Russ.)
Vernadsky, V.I. (1960). Biosphere. In Selected works. Vol. 5. (In Russ.)
Yablokov, A.V., Levchenko, V.F., Kerzhentsev, A.S. (2018). Essays on biospherology. Svoe izdatel'stvo. (In Russ.)
118
