litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3 4

Масштабная инвариантность социально-биологической эволюции и гипотеза самосогласованного галактического происхождения жизни.

А. Д. Панов

НИИЯФ МГУ, г. Москва

Приводятся аргументы в пользу того, что последовательность биосферных революций на Земле обладает свойством масштабной инвариантности. Показатель ускорения эволюции (фактор сокращения длительностей биосферных эпох) определен как 2,670,15. Режим масштабно-инвариантного ускорения эволюции ограничен точкой сингулярности, приходящейся на 2004±15 год. Мы находимся в начале совершенно нового — постсингулярного — рукава эволюции. Ввиду чрезвычайной краткости предсингулярного космотехнологического периода истории цивилизации наиболее вероятным партнером по SETI-контакту оказывается постсингулярная цивилизация. Чрезвычайно устойчивый характер ускорения эволюции на Земле позволяет высказать гипотезу о существовании универсальной шкалы времени эволюции (порядка 4 млрд. лет), что важно для оценки распространенности разума в Галактике. С помощью экстраполяции масштабно-инвариантного закона эволюции биосферы получена феноменологическая оценка продолжительности предбиологической химической эволюции как (5-7)×109 лет. Показано, что ожидаемая шкала времени межзвездной предбиологической панспермии составляет  0,3×109 лет, что много короче чем оценка длительности предбиологической эволюции. Из гипотезы продолжительной предбиологической эволюции следует: a) предбиологическая эволюция может быть самосогласованным галактическим процессом, но не процессом, локализованным на отдельных планетах; b) жизнь имеет одну и ту же химическую основу и киральность везде в Галактике.

1  Масштабная инвариантность эволюции биосферы

Количество космотехнологических1 коммуникативных цивилизаций в Галактике определяется характеристиками эволюционного процесса, который может приводить к возникновению жизни и разума, а также длительностью и характером коммуникативной фазы развития цивилизаций. Здесь будут рассмотрены некоторые гипотезы, позволяющие предложить шкалу времени предбиологической, биологической и социальной эволюции, а также позволяющие по-новому сформулировать вопрос о происхождении жизни и вопрос о возможном характере цивилизаций – потенциальных партнеров по SETI-контакту. Существенно, что в рамках предлагаемого подхода удается с единой точки зрения рассмотреть некоторые весьма различные, на первый взгляд, проблемы.


История жизни на Земле начинается с возникновения биосферы около 4×109 лет назад [1] и продолжается историей человечества после возникновения рода Homo примерно 4,4×106 лет назад [2]. В механизмах эволюции биосферы как таковой, и человечества имеется много общего [3-6]. Имеет смысл говорить об эволюции биосферы в обобщенном смысле, рассматривая эволюцию собственно биосферы и, затем, эволюцию человечества как единый непрерывный процесс. Далее термин «биосфера» будет пониматься в обобщенном смысле: биосфера включает цивилизацию на поздних стадиях своей эволюции.

Длительность первых фаз эволюции жизни на Земле, когда в биосфере доминировали простейшие организмы – прокариоты, измерялась миллиардами лет. Приматы прошли путь от человекообразной обезьяны до Homo sapiens уже всего за два-три десятка миллионов лет, а темпы эволюции современной цивилизации отличаются крайней стремительностью. Возникает интуитивное ощущение, что эволюция на Земле ускоряется. Можно ли ввести объективную шкалу скорости эволюции, охватывающую как чисто биологическую, так и социальную эволюцию? Ясно, что это чрезвычайно сложная задача, и трудно надеяться на ее исчерпывающее решение. Ниже, в качестве гипотезы, предлагается шкала скорости эволюции, основанная на анализе последовательности фазовых переходов биосферы.

Прежде всего следует отметить, что биосфера в некотором приближении развивается как единая система, поэтому в том же приближении можно говорить об этапах эволюции биосферы как целого. Эволюция биосферы проходит через последовательность фаз с фазовыми переходами между ними – биосферными революциями. Не существует точного и объективного метода для выделения биосферных революций, поэтому следующий ниже список фазовых переходов должен рассматриваться как гипотеза и предложение для дальнейшего обсуждения. Для выделения событий, которые могут быть квалифицированы как биосферные революции, был использован ряд признаков таких событий, как это предлагал А. П. Назаретян2 [5,6] и оценки некоторых хорошо известных событий в качестве революционных по литературным данным. Характерными признаками биосферного фазового перехода являются преодоление эндо-экзогенного кризиса и роль в этом фактора избыточного внутреннего разнообразия системы [5,6]. События собственно истории биосферы были выбраны в соответствие с литературой по бактериальной и классической палеонтологии (см. ниже), события истории человечества соответствуют периодизации, предложенной И. М. Дьяконовым [7] (восемь фазовых переходов Дьяконова) и С. П. Капицей [8].


Последовательность биосферных революций приведена ниже с нумерацией начиная с нуля. Даты в списке представлены весьма приблизительно, но большая точность и не требуется в последующем анализе. Если каждую дату сдвинуть в прошлое или будущее случайным образом на величину примерно до 30% от ее абсолютного значения, основные выводы не изменятся.

0. Возникновение жизни - 4×109 лет назад [1]. Биосфера после ее появления была представлена безъядерными анаэробными одноклеточными организмами – прокариотами и существовала первые 2-2,5 млрд. лет без существенных потрясений. Задолго то конца эры прокариот возникли первые эвкариоты и, возможно, даже примитивные многоклеточные организмы, но они не играли заметной роли в глобальных биохимических циклах вплоть до кислородного кризиса около 1,5 млрд. лет назад (см. ниже). Эвкариотная фауна на фоне прокариотной существовала в форме избыточного внутреннего разнообразия.

1. Неопротерозойская революция (Кислородный кризис) - 1,5×109 лет назад [9,10]. Цианобактерии обогатили атмосферу кислородом, который был сильным ядом для анаэробных прокариот. Это породило эндо-экзогенный кризис. Анаэробные прокариоты начали вымирать и анаэробная прокариотная фауна сменилась эвкариотной и примитивной многоклеточной. Анаэробные прокариоты не исчезли, но стали играть второстепенную роль в большинстве экосистем.

2. Кембрийский взрыв (начало Палеозоя) - 570×106 лет назад [11]. В течение немногих десятков миллионов лет появляются практически все современные филогенетические стволы многоклеточных (включая позвоночных). В течение Палеозоя суша постепенно заселялась жизнью. Палеозойская эра заканчивается господством на суше земноводных, чрезвычайно разнообразных и, часто, гигантских и высокоспециализированных. За несколько десятков миллионов лет до окончания Палеозоя возникают первые пресмыкающиеся (избыточное разнообразие), которые становятся системообразующим фактором следующей фазы развития биосферы.


3. Революция пресмыкающихся (Начало Мезозоя) - 235×106 лет назад [12,13]. Вымирают практически все виды палеозойских земноводных. На суше лидерами эволюции становятся рептилии, хотя и земноводные не исчезают полностью из экосистем. Уже в середине мезозоя появляются первые млекопитающие, но в экосистемах играют подчиненную роль (избыточное многообразие).

4. Революция млекопитающих (Начало Кайнозоя) - 66×106 лет назад [12,13]. Вымирают динозавры. На суше лидерами эволюции становятся млекопитающие и птицы, пресмыкающиеся не исчезают, но уходят на второй план. То, что вымирание динозавров вызвано исключительно последствиями падения гигантского метеорита, вызывает серьезную критику, так как вымирание динозавров длилось 1–2 млн. лет, а пыль и сажа могла держаться в атмосфере максимум несколько месяцев. При этом длительных глобальных климатических изменений в этот период не отмечается.

5. Революция гоминоидов, начало Неогена - 24×106 лет назад [13,14]. Большой эволюционный взрыв гоминоидов (человекообразных обезьян). Между 22-мя и 17-ю миллионами лет назад на Земле жило не менее 14 отрядов гоминоидов, что составляет многие десятки видов – много больше, чем сейчас [14]. Флора и фауна принимают практически современный вид.

6. Начало четвертичного периода (Антропоген) - (4-5)×106 лет назад [2]. Первые примитивные люди (Homo, гоминиды) отделяются от гоминоидов. Подобно началу Неогена, начало антропогена сопровождалось всплеском разнообразия Homo.

7. Палеолитическая революция - (2-1.5)×106 лет назад [15]. Homo habilis, первые обработанные каменные орудия.

8. Шелль - 0,7×106 лет назад [16]. Огонь, топоровидные орудия с поперечным лезвием (кливеры). Homo erecrus.

9. Ашель - 0,4×106 лет назад [17]. Стандартизованные симметричные каменные орудия. Основной представитель Homo — по-прежнему Homo erectus. На фоне ашельской культуры появляется неандерталец (Homo sapiens neandertalensis) и, около 160 тыс. лет назад – Homo sapiens sapiens или очень близкий вид. Однако, по-видимому, ни тот, ни другой, не играет пока существенной роли в планетарной системе (избыточное разнообразие).


10. Культурная революция неандертальцев (Мустье) - (150-100)×103 лет назад [18]. Лидером эволюции становится Homo sapiens neandertalensis. Каменные орудия тонкой обработки, захоронение мертвых (признаки примитивных религий).

11. Верхняя палеолитическая революция - 40×103 лет назад [19]. Homo sapiens sapiens вытесняет неандертальцев. Распространение «охотничьей автоматики» – копья, дротики, в конце фазы примитивные луки.

12. Неолитическая революция - (12-9)×103 лет назад [7,5]. В конце верхнего палеолита развитие охотничьих технологий привело к истреблению популяций и целых видов животных, что подорвало пищевые ресурсы палеолитического общества и вызвало жестокий эндо-экзогенный кризис. Ответом на кризис был переход от присваивающего (охота, собирательство) к производящему (земледелие, скотоводство) хозяйству. Уже в неолите появляются предки городов, такие, как Чатал-Хююка (6–7 тыс. до н. э.), Иерихон (7 тыс. до н. э.), однако, на этом этапе они еще не являются существенным системообразующим фактором (избыточное разнообразие).

13. Городская революция (Начало древнего мира) - 4000-3000 до н. э. [7,6]. Возникновение государств, письменности и первых правовых документов. Революция последовала за распространением бронзовых орудий, демографическим взрывом и резким обострением конкуренции за плодородные земли, сопровождавшимся чрезвычайным ростом кровопролития в межплеменных стычках.

14. Имперская древность, Железный век, революция Осевого времени-750 лет до н. э. [7,5,20]. Возникновение технологии получения железа около 1000–900 года до н. э. привело к тому, что оружие стало намного более дешевым, легким и эффективным. Следствием этого стала новая вспышка кровопролития, которая стала существенно тормозить торговые отношения и дальнейший прогресс общества. Ответом на кризис стало, во-первых, объединение мелких государств в более крупные образования — империи, и, во-вторых, авторитарное мифологическое мышление стало вытесняться личностным, возникли представления о личности как суверенном носителе морального выбора. Это привело к практически одновременному появлению в разных местах Земли мыслителей и полководцев нового типа — Заратустра, иудейские пророки, Сократ, Будда, Конфуций и др., и к культурному взрыву античности.


15. Гибель древнего мира, начало Средних веков-500 год н. э. [7]. Кризис и распад Западной Римской империи, распространение мировых тоталитарных религий (Христианство, Ислам), доминирование феодального способа производства.

16. Начало Нового времени, первая промышленная революция - 1500 год н. э. [7,6]. Преодоление затяжного сельскохозяйственного кризиса первой половины второго тысячелетия н.э. Возникновение мануфактурного производства, книгопечатание, культурная революция Нового времени, становление научного метода.

17. Вторая промышленная революция. Пар, электричество, механизированное производство - 1835 год [7]. Распространение механизированного производства, начало глобализации в области информации (в 1831 году изобретен телеграф), и т. д.

18. Информационная революция, начало постиндустриальной эпохи - 1950 год [7]. Основная часть населения индустриальных стран занята в сфере обслуживания и в переработке информации, но не в материальном производстве.

19. Кризис и распад системы тоталитарной плановой экономики, информационная глобализация - 1991 год. Распад системы тоталитарной плановой экономики сопровождался резким снижением уровня глобального военного противостояния. На это же время приходится становление мировой сети Интернет, означающее завершение информационной глобализации. 19-я революция не является общепринятой, но, как будет видно, по некоторым чисто формальным признакам имеет тот же статус, что и предыдущие.

Отметим одно существенное свойство эволюционного процесса, которое демонстрируется характером приведенных выше фазовых переходов. По мере появления новых, более прогрессивных эволюционных форм, старые не элиминируются полностью, но лишь уходят на второй план и начинают играть подчиненную роль в экосистемах или социальных системах. После неопротерозойской революции прокариоты не исчезают, но лишь уступают лидерство эвкариотам, после неолитической революции аграрное производство не вытесняет полностью охоту и собирательство, становление научного метода не отменяет философию и религию и т. д.


Нетрудно видеть, что продолжительность последовательных фаз эволюции биосферы устойчиво сокращается от прошлого к настоящему. Это подтверждает интуитивное представление об ускорении эволюции. Более того, оказывается, последовательность фазовых переходов в хорошем приближении обладает свойством масштабной инвариантности [3,4,8]. Это означает, что последовательность переходов образует геометрическую прогрессию и различные части этой последовательности могут быть получены друг из друга простым масштабным преобразованием – сжатием или растяжением.

Масштабно-инвариантная последовательность точек в общем случае имеет вид:

tn = t*T / n.




(1)

В уравнении (1) коэффициент  > 1 есть показатель сокращения длительности каждой последующей фазы эволюции по сравнению с предыдущей. T есть продолжительность всего описываемого промежутка времени, n представляет собой номер фазового перехода, t* является пределом последовательности фазовых переходов{tn}. На существование предела последовательности фазовых переходов обратил внимание И. М. Дьяконов [7]. Он назвал эту точку сингулярностью истории, но ее можно также называть точкой сингулярности эволюции, так как она является пределом последовательности фазовых переходов всей биосферы, а не только человеческой истории. Фактически речь идет о процессе, ускоряющемся в режиме с обострением, когда некоторые параметры системы стремятся к бесконечности за конечное время — явление, хорошо известное в синергетике. В данном случае к бесконечности стремится количество фазовых переходов в единицу времени


В уравнении (1) имеются три независимых параметра ,t*,T, оценка для которых может быть получена путем наилучшего приближения «экспериментальной» последовательности точек фазовых переходов идеальной последовательностью (1). Для того, чтобы понять, насколько хороша полученная аппроксимация, полезно переписать уравнение (1) в виде

lg(t*tn) = lgTnlg.




Видно, что зависимость расстояния от точки фазового перехода до сингулярности от номера точки в логарифмическом масштабе должна быть приблизительно прямой линией.

Результат такого анализа показан на Рис. 1. Фазовый переход 1991 г. не был использован в обработке. Видно, что последовательность фазовых переходов биосферы неплохо укладывается на прямую линию. Можно сказать, что существует масштабно-инвариантный аттрактор эволюции (прямая линия на Рис. 1). Реальная эволюция следует этому аттрактору с относительно малыми флуктуациями. Постольку, поскольку масштабно-инвариантный аттрактор существует, параметры  и t* становятся осмысленными. Анализ приводит к значениям

 = 2,670,15;    t* = (200415) год.




(2)

Забавно, что   e = 2,718... Есть ли в этом глубокий смысл? Заметим также, что, так как t*=2004 г., то можно заключить, что мы живем вблизи конечной точки цикла масштабно-инвариантной эволюции, длительностью около 4-х миллиардов лет.


Отметим, что революция 1991 года почти идеально ложится на экстраполяцию масштабно-инвариантной зависимости: 1950 + (1950  1835)/2,67  1993. Это подтверждает статус события как глобального биосферного перехода. Да и по сути оно таким является. Достаточно отметить резкое снижение уровня глобального ядерного противостояния, а ядерный конфликт имел бы поистине планетарный масштаб. Налицо также преодоление некоторых глобальных кризисов, что и является наиболее характерной чертой биосферного фазового перехода.

Вблизи точки сингулярности скорость эволюции формально должна была бы обратиться в бесконечность, что, видимо, реально невозможно. Отсюда следует, что характер эволюции на Земле неизбежно должен измениться в ближайшем будущем или уже изменился. Мы находимся в начале совершенно нового – постсингулярного – рукава эволюции. Что он может собой представлять – отдельный сложный вопрос, который здесь не будет рассматриваться. Одним из признаков того, что земная биосфера уже вступила в постсингулярный рукав эволюции, может быть удивительное явление демографического перехода [8]. Население развитых постиндустриальных государств прекратило рост в условиях материального изобилия. Впервые живая материя не стремится к неограниченной физической экспансии несмотря на наличие материальных условий для этого.

Масштабная инвариантность последовательности биосферных революций означает, что социально-биологическая эволюция на Земле, начиная с возникновения жизни и до наших дней, характеризуется удивительно устойчивым характером ее ускорения. И это несмотря на существенное изменение условий на Земле за это время и изменение структуры и свойств эволюционирующей системы. Это наводит на мысль, что масштабно-инвариантный характер ускорения эволюции на Земле вместе с характерной временной шкалой этого процесса связан не со случайно сложившимися именно на Земле условиями (ведь характер ускорения не зависел от сильно изменяющихся условий), но, возможно, обязан некоторым внутренним свойствам эволюции как явлению природы и поэтому имеет универсальный характер. Это позволяет сформулировать гипотезу, согласно которой и на других планетах земного типа, где возможна эволюция жизни вплоть до возникновения мыслящего существа, начальная часть эволюционного процесса будет иметь масштабно-инвариантный характер и продолжаться порядка 4-х миллиардов лет, заканчиваясь резким ускорением в режиме с обострением. Наличие точки обострения в конце масштабно-инвариантной эволюции вряд ли может означать что-то иное, кроме технологического взрыва, связанного с возникновением на планете разума.


Продолжительность заключительного участка масштабно-инвариантной эволюции, связанного с технологическим взрывом, ничтожна по космическим масштабам (десятки лет), поэтому и вероятность обнаружить другую цивилизацию в этом состоянии исчезающе мала. В рамках гипотезы существования универсальной масштабно-инвариантной шкалы времени эволюции, реальный шанс обнаружить внеземную космотехнологическую цивилизацию существует только в том случае, если возможно длительное существование цивилизаций после преодоления точки сингулярности. С этой точки зрения задачу SETI можно сформулировать как задачу поиска постсингулярных космотехнологических цивилизаций. Соответственно, вопрос о том, что может собой представлять потенциальный партнер по SETI-контакту можно переформулировать, как вопрос о том, что может собой представлять постсингулярная цивилизация.

Следует отметить, что результаты настоящей работы не являются совершенно оригинальными. Так, Г. Д. Снукс, исследуя изменения биосферы, в 1996 году предложил значение  = 3 для фактора ускорения эволюции, выражая ее в терминах величины биомассы и длительности «волн жизни», генерируемых биологическими и технологическими изменениями [3,сс. 79-82, 92-95,401-05]. И. М. Дьяконов в 1994 году отмечал экспоненциальное ускорение социальной эволюции (без количественной оценки показателя ускорения) начиная с неолитической революции до наших дней и указывал, что из характера ускорения следует существование «сингулярности истории» где-то в недалеком будущем (также без количественной оценки) [7,с.352-353]. С. П. Капица в 1996 году предложил величину  = 2,53,0 для фактора ускорения эволюции начиная с возникновения гоминид (4-5)×106 лет назад, до настоящего времени [8]. Наша оценка (2) подтверждает более ранние вычисления для биологической и социальной эволюции, но дает более высокий уровень точности.



следующая страница >>