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

состояния спинового стекла можно отметить, что в теории металлов оно иногда признается как одно из квантовых состояний вещества (низкоэнергетическое со случайными спиновыми взаимодействиями) наряду с проводниковым состоянием ферми-жидкости Ландау, диэлектриками Мотта (веществами, проявляющими свойства изоляторов, хотя по теории электропроводимости обязанные быть проводниками) и «странными металлами», к которым относятся все сверхпроводники и некоторые материалы без сверхпроводимости (Peter Cha et al., 2020). В «странных металлах» электроны активно рассеивают энергию, при этом передвигаются очень медленно, вовлекаясь в каскады взаимодействий, в отличие от обычных металлов со свободным перемещением электронов и небольшим количестве взаимодействий. При этом в «странных металлах возникают элементы коллективного поведения частиц, с одной стороны, и квантовая запутанность между отдельными частицами, с другой» (Jan Zaanen, 2019).

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).

Фундаментальные эволюционные инновации, описываемые Maynard S. J. and Szathmary E. (1997), оказываются результатом разрешения фрустрированного/ стеклоподобного состояния биологических и протобиологических систем в форме «фазового перехода биологической системы» или «биологического Большого взрыва», в терминологии Е. Кунина (The Biological Big Bang model for the major transitions in evolution, Koonin E., 2007), или, в более математической форме, выходом из «перемешивающего слоя» (Д. С. Чернавский) или «джокерами» (Г. Г. Малинецкий). Визуально это можно представить как сверхбыстрые перемещения с малопредсказуемой динамикой по ландшафту приспособленности, которые в большом масштабе времени могут выглядеть как эволюционные прыжки (рис. 17).

Таблица 2. Конкурирующие взаимодействия и фрустрированные состояния в биологической эволюции (из Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V., 2018 *, с незначительными дополнениями автора, выделенными курсивом)

Примеч. Системы, взаимодействия и возникшие явления, относящиеся к фундаментальным эволюционным инновациям (ФЭИ, Major Transitionin Evolution, MTE), выделены жирным.

*Авторы (Wolf Y. I., Katzenelson M. I., Koonin E. V.) «удерживаются от указания конфликтов, служащих драйверами возникновения и эволюции человеческих обществ»

Рис. 17. Эволюционное движение биологического объекта по ландшафту приспособленности:

а – первоначальный ландшафт; б, в – одинаково измененный:

а: начальное положение объекта и предпочтительное направление эволюционного движения в сторону локального максимума приспособленности: б: в силу трансформации ландшафта приспособленности (например, по причине геологических преобразований) достигнутые изменения в случае некритического состояния оказываются в лучшем (или в среднем) случае нейтральными (что в некоторых случаях также может иметь эволюционное значение); в: в случае критического состояния биологического объекта трансформация ландшафта привела к неожиданному сверхбыстрому перемещению в непредсказуемую локализацию

Так, сверхнормативное, но не разрушающее физическое воздействие на комплекс белков и нуклеиновых кислот, в обычных условиях приводившее к простым нуклеотидным или аминокислотным заменам, или другим подобным минорным изменениям, в его стеклоподобном фазовом состоянии «вдруг» приводит к замене трансформационных конфигураций всего комплекса и появлению новых функциональных возможностей; ситуативное сожительство двух простых организмов (прокариотов) «вдруг» рождает совершенно новую биологическую сущность; некое событие, как правило, исторически быстро забываемое, в некоей фрустрированной человеческой популяции «вдруг» делает из нее пассионарную общность, изменяющую историю всего человечества.

Быстрота перемещения практически не позволяет в отдаленной перспективе проследить промежуточные шаги (рис. 17в). Такие перемещения могут быть описаны как разновидность «полета Леви» – случайного блуждания, в котором длины шагов имеют распределение вероятностей с «тяжелым хвостом», при этом очень длинные скачки чередуются с эпизодами коротких разнонаправленных перемещений. Данное блуждание, обладающее масштабной инвариантностью, отличается от броуновского движения, имеющего более равномерное распределение длин шагов, но масштабно-специфичного. Предполагается, что в некоторых ситуациях (например, поиска пищи), многие животные (например, акулы) могут переходить от броуновского движению