Ученые из ведущих институтов описывают новаторское открытие: это “недостающий закон природы”. Этот закон показывает, что эволюция не ограничивается живыми существами, но распространяется на все сложные природные системы, от атомов и звезд до минералов.
Этот “Закон увеличения функциональной информации” утверждает, что если конфигурации любой системы подвергаются отбору для выполнения определенной функции, происходит эволюция. Такое открытие переосмысливает наше понимание Вселенной, от происхождения жизни до свойств звезд.
Ключевые факты:
- Новый закон признает эволюцию особенностью всех сложных систем природного мира, а не только жизни.
- Системы, как живые, так и неживые, эволюционируют, когда конфигурация улучшает функции.
- Этот закон дополняет существующие законы, такие как 2-й закон термодинамики, фокусируясь на увеличении функциональной информации в развивающихся системах.
В статье, опубликованной сегодня в престижных трудах Национальной академии наук, описывается “недостающий закон природы”, впервые признается важная норма в функционировании природного мира.
По сути, новый закон гласит, что сложные природные системы эволюционируют до состояний большей структурированности, разнообразия и сложности. Другими словами, эволюция не ограничивается жизнью на Земле, она также происходит в других чрезвычайно сложных системах, от планет и звезд до атомов, минералов и многого другого.
Автором работы является команда из девяти человек - ведущих ученых из Института науки Карнеги, Калифорнийского технологического института (Caltech) и Корнельского университета, а также философов из Университета Колорадо. Работа финансировалась Фондом Джона Темплтона.
“Макроскопические” законы природы описывают и объясняют явления, ежедневно наблюдаемые в мире природы. Естественные законы, связанные, например, с силами и движением, гравитацией, электромагнетизмом и энергией, были описаны более 150 лет назад.
Новая работа представляет современное дополнение — макроскопический закон, признающий эволюцию как общую черту сложных систем природного мира, которые характеризуются следующим:
- Они сформированы из множества различных компонентов, таких как атомы, молекулы или клетки, которые могут быть расположены и перегруппированы многократно
- Они подвержены естественным процессам, которые приводят к формированию бесчисленного множества различных механизмов
- Лишь небольшая часть всех этих конфигураций выживает в процессе, называемом “отбором по функциям”.
Независимо от того, живая система или неживая, когда новая конфигурация работает хорошо и функции улучшаются, происходит эволюция.
Авторский “Закон увеличения функциональной информации” гласит, что система будет эволюционировать, “если множество различных конфигураций системы пройдут отбор для выполнения одной или нескольких функций”.
“Важным компонентом этого предлагаемого естественного закона является идея ‘отбора по функции”, - говорит астробиолог из университета Карнеги доктор Майкл Л. Вонг, первый автор исследования.
В случае с биологией Дарвин приравнивал функцию прежде всего к выживанию — способности жить достаточно долго, чтобы произвести плодовитое потомство.
Новое исследование расширяет эту перспективу, отмечая, что в природе встречаются по меньшей мере три вида функций.
Самой основной функцией является стабильность – выбираются стабильные расположения атомов или молекул для продолжения работы. Также выбираются для сохранения динамические системы с постоянным запасом энергии.
Третья и наиболее интересная функция — это “новизна” - тенденция развивающихся систем исследовать новые конфигурации, которые иногда приводят к поразительно новому поведению или характеристикам.
Эволюционная история жизни богата новшествами — фотосинтез развился, когда отдельные клетки научились использовать энергию света, многоклеточная жизнь развилась, когда клетки научились сотрудничать, а виды эволюционировали благодаря новым полезным формам поведения, таким как плавание, ходьба, полет и мышление.
Такого же рода эволюция происходит в минеральном царстве. Самые ранние минералы представляют собой особенно стабильное расположение атомов. Эти первичные минералы заложили основу для следующих поколений минералов, которые участвовали в зарождении жизни. Эволюция жизни и минералов взаимосвязана, поскольку жизнь использует минералы для изготовления раковин, зубов и костей.
Действительно, минералов на Земле, которых на заре нашей Солнечной системы насчитывалось около 20, сегодня известно почти 6000 благодаря все более сложным физическим, химическим и, в конечном счете, биологическим процессам, происходившим на протяжении 4,5 миллиардов лет.
В случае со звездами в статье отмечается, что только два основных элемента – водород и гелий – сформировали первые звезды вскоре после большого взрыва. Эти самые ранние звезды использовали водород и гелий для производства примерно 20 более тяжелых химических элементов. И следующее поколение звезд, опираясь на это разнообразие, произвело почти на 100 элементов больше.
“Чарльз Дарвин красноречиво описал, как растения и животные эволюционируют путем естественного отбора, с множеством вариаций и черт индивидуумов и множеством различных конфигураций”, - говорит соавтор Роберт М. Хейзен из Carnegie Science, руководитель исследования.
“Мы утверждаем, что дарвиновская теория - это просто особый, очень важный случай в рамках гораздо более масштабного природного явления. Представление о том, что отбор по функциям движет эволюцией, в равной степени применимо к звездам, атомам, минералам и многим другим концептуально эквивалентным ситуациям, где многие конфигурации подвергаются избирательному давлению. ”
Сами соавторы представляют уникальную мультидисциплинарную структуру: три философа науки, два астробиолога, специалист по обработке данных, минералог и физик-теоретик.
Говорит доктор Вонг: “В этой новой статье мы рассматриваем эволюцию в самом широком смысле — изменение с течением времени — которое включает в себя дарвиновскую эволюцию, основанную на особенностях ‘происхождения с модификацией’”.
“Вселенная генерирует новые комбинации атомов, молекул, клеток и т.д. Те комбинации, которые стабильны и могут порождать еще больше новизны, будут продолжать развиваться. Это то, что делает жизнь самым ярким примером эволюции, но эволюция присутствует повсюду ”.
Среди многих выводов, которые предлагает статья:
- Понимание того, как различные системы обладают разной степенью, до которой они могут продолжать эволюционировать. "Потенциальная сложность” или “будущая сложность” были предложены в качестве показателей того, насколько более сложной может стать развивающаяся система
- Понимание того, как можно искусственно влиять на скорость эволюции некоторых систем. Понятие функциональной информации предполагает, что скорость эволюции в системе может быть увеличена по меньшей мере тремя способами: (1) за счет увеличения числа и / или разнообразия взаимодействующих агентов, (2) за счет увеличения числа различных конфигураций системы; и / или 3) за счет усиления избирательного давления на систему (например, в химических системах за счет более частых циклов нагревания / охлаждения или увлажнения / сушки).
- Более глубокое понимание порождающих сил, стоящих за созданием и существованием сложных явлений во Вселенной, и роли информации в их описании
- Понимание жизни в контексте других сложных эволюционирующих систем. Жизнь имеет определенные концептуальные сходства с другими сложными эволюционирующими системами, но авторы указывают на будущее направление исследований, задаваясь вопросом, есть ли что-то отличное в том, как жизнь обрабатывает информацию о функциональности (см. Также https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2022.0810).
- Содействие поиску жизни в других местах: если существует граница между жизнью и не-жизнью, связанная с функциональным отбором, можем ли мы определить “правила жизни”, которые позволят нам различать эту биотическую разделительную линию в астробиологических исследованиях? (Смотрите также https://conta.cc/3LwLRYS, “Существовала ли жизнь на Марсе? На других планетах? С помощью искусственного интеллекта мы, возможно, скоро узнаем”)
- В то время, когда развивающиеся системы искусственного интеллекта вызывают все большую озабоченность, прогнозирующий закон информации, который характеризует эволюцию как естественных, так и символических систем, особенно приветствуется
Законы природы – движение, гравитация, электромагнетизм, термодинамика и т.д. - кодифицируют общее поведение различных макроскопических природных систем в пространстве и времени.
Опубликованный сегодня “закон увеличения функциональной информации” дополняет 2-й закон термодинамики, который гласит, что энтропия (беспорядок) изолированной системы увеличивается со временем (и тепло всегда перетекает от более горячих объектов к более холодным).
Перевод: Александр Юртаев
Источник: Карнеги
Оригинальное исследование: открытый доступ.
“О роли функции и отбора в развивающихся системах” Майкла Вонга и др. PNAS
