Парадоксы эволюции. Как наличие ресурсов и отсутствие внешних угроз приводит к самоуничтожению вида и что мы можем с этим сделать

Стекло, как и любой материал, стремится к минимизации своего энергетического состояния, но не может в полной мере достигнуть его, то есть оказывается в так называемом состоянии фрустрации – в физико-математическом, разумеется, смысле. Здесь под фрустрацией понимается свойство данной конфигурации межатомных и межмолекулярных взаимодействий, состоящее в невозможности минимизировать энергии всех связей системы ни одним из возможных наборов значений своих динамических переменных. Это состояние вытекает из наличия нескольких конкурирующих между собой взаимодействий, например дально- и близкодействующих. В простейшей модели СОК – куче песка – такими взаимодействиями являются связанные, с одной стороны, с силами трения, ведущими к увеличению локального наклона кучи, с другой – совокупность сил, ведущих к осыпанию (сила тяжести в первую очередь), представляющие собой силы селекции или отбраковки. Фрустрированные состояния вообще характерны для многих сложных материалов, например некоторых полимеров, в том числе биологических, включая нуклеиновые кислоты и белки. Показано (Schmalian G. and Wolynes P.G., 2000), что конкурирующие взаимодействия на различных масштабах длин в равномерно фрустрированных системах демонстрируют самоформирование стеклоподобных фазовых переходов (стеклование), вызванное возникновением экспоненциально растущего числа метастабильных (слабоустойчивых) состояний. В физике, к примеру, подобные состояния, могут возникать в тонких ферромагнитных пленках при наличии дальне-(диполь-дипольных) и ближнедействующих межспиновых взаимодействий и проявляется в образовании так называемых полосатых стеклообразных структур (страйп-фаза вещества), то есть структур с внутренней ритмичной неоднородностью. Стеклообразность подобных структур выражается, в частности, в неэргодичности состояния и наличии памяти системы.

Неэргодичность: как прийти к эволюции от простой конкуренции

Предполагается (Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V., 2018), что для биополимерных структур, обретших состояние, подобное «полосатым стеклообразным структурам», дальнейшее усложнение естественным образом реализуется в достижении состояния СОК (хотя само по себе состояние СОК не эквивалентно высокой сложности). Дальнейшее развитие систем в состоянии СОК предполагает возможность (но, разумеется, не гарантирует) эволюционной траектории развития по типу прерывистого равновесия.

Во многом ландшафт таких стеклоподобных состояний напоминает эволюционный ландшафт приспособленности – представление, впервые введенное Сьюэллом Райтом, представляющее собой «пространство генотипов» с соответствующими фенотипическими «пиками» и «провалами» приспособленности. Популяция как бы передвигается по пересеченному адаптивному ландшафту, то двигаясь вверх к локальной вершине приспособленности под давлением отбора, то дрейфуя горизонтально в (квази-) нейтральном режиме. Прямые аналогии фрустрированных биологических объектов или эволюционных адаптивных ландшафтов с физико-математическими моделями квантовых состояний материи, с усложнениями внутренних взаимодействий порождающих как более сложные типы взаимодействий, так и коллективистские феномены в системе, или пространствами метастабильных состояний полосатых стеклообразных структур представляются, разумеется, чрезмерными упрощениями.

Однако движущую роль конкурирующих взаимодействий в развитии вообще (начиная от упомянутого уже гегелевского принципа «тезис-антитезис-синтез») отрицать невозможно, и, соответственно, повторяемость порождаемых этим движением мотивов. Е. Кунин и соавторы предполагают, что развитие эволюционной сложности естественным образом реализуется из внешне сравнительно простой последовательности переходов: конкурирующие взаимодействия → фрустрированное состояние → стеклоподобное состояние → неэргодичность → состояние СОК → эволюция в состоянии прерывистого равновесия (Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V., 2018). Этот эволюционный мотив, движимый конкурирующими взаимодействиями, можно проследить на разных уровнях биологической организации (табл. 2).