О роли функции и отбора в эволюционирующих системах ru en

На днях попала в поле моего зрения статья On the roles of function and selection in evolving systems (DOI: 10.1073/pnas.2310223120).

Michael L. Wong и соавторы лаконично описывают явление эволюции как универсального процесса своейственного нашей вселенной (а не только биосфере планеты Земля), ещё и в контексте системного подхода.

Идеи близки моей картине мира, поэтому я решил сделать краткое резюме статьи для себя и, заодно, для вас.

А если вы думаете, что понимание эволюции вам не нужно, то рекомендую подумать ещё раз, так как эволюции подвержены не только ёжики и обезьянки, но и софт, рабочие коллективы, страны, идеологии и даже мысли у вас в голове — понимать как это всё работает очень полезно.

Авторы определяют «эволюционирующую систему» как коллективный эмерджентный феномен взаимодействия множества компонентов (подсистем этой системы), который проявляется в увеличении их разнообразия, распределения и шаблонного поведения при движении вперёд по стрелке времени.

Подобное определение позволяет распространить концепцию эволюции на множество типов систем, которые мы можем наблюдать в нашей вселенной. Может быть даже на все.

Авторы постулируют, что система из множества взаимодействующих агентов демонстрирует увеличение разнообразия, распределения и/или шаблонного поведения, когда многочисленные конфигурации системы подвергаются селективному давлению.

В статье выделяют три уровня селекции, которые определяют эволюцию систем.

Селекция первого порядка

Конфигурация материи склонна сохраняться, если не существует кинетически благоприятных путей для её включения в более стабильные конфигурации.

Иными словами, системы склонны скатываться к некоторому энергетическому оптимуму, для выхода из которого (в другой) необходимо много внешней энергии.

Примером тут могут быть звёзды, звёздные системы, планеты, минералы и т.д.

Селекция первого порядка склонна создавать «энергетические карманы», которые служат источниками свободной энергии для систем, которые в них находятся.

Селекция второго порядка

Если функция системы способствует её сохранению, то эта функция будет предметом отбора — системы будут эволюционировать в сторону закрепления этой функции.

Под функцией в данном случае понимается процесс, который оказывает причинное влияние на внутреннее состояние системы или её внешнюю среду.

Авторы указывают, что ключевым свойством подобных функция является управление рассеянной энергией и выделяет несколько основных видов таких функций:

• Звёзды достигают гомеостаза путём балансировки гравитационного коллапса с кинетической энергией, генерируемой в процессе термоядерного синтеза, что позволяет синтезу продолжаться.
• Огонь достигает автокатализа путём нагрева окружающих материалов до температур горения, что продлевает процесс горения.
• Жизнь замыкает цикл обратной связи через различные механизмы циркуляции сигналов, включая нейрокогнитивные процессы, что в свою очередь поддерживает преемственность передачи информации, способствует выживанию, распространению и продолжению метаболической активности.

При этом эволюционирующие системы могут быть вложенными (без ограничений на вложенность), когда компоненты поддерживают существования надсистемы и в то же время эволюционируют в её контексте. То есть надсистема играет роль окружающей среды в которой эволюционируют подсистемы.

Важно отметить, что говорить о функциях подобных подсистем имеет смысл только в контексте надсистемы, в которой они существуют и эволюционируют. То есть для понимания функции системы необходимо рассматривать обе вещи: и систему и её контекст/окружение. Или систему и надсистему, если оставаться в терминологии систем.

Для примера, с перспективы организма может существовать давление отбора со стороны его сообщества, а сообщество может испытывать давление со стороны более высоких экологических единиц отбора и т.д.

Другой особенностью подобных процессов является их способность изменяться со временем. Для примера, есть теория что крылья насекомых и перья птиц изначально служили для терморегуляции, а не для полёта, и только позже были адаптированы для полёта, изменив свою функцию и, со временем, функции надсистемы и соседних подсистем.

Подобное изменения функций приводит к изменению (расширению) области применения системы (области поиска решения), что изменяет кинетический барьер системы, позволяя ей получать доступ к новым/альтернативным источникам свободной энергии и эволюционировать дальше.

Селекция третьего порядка

Селективное давление способствует системам, которые могут «бесконечно» производить (изобретать) новые функции, a.k.a. происходит селективное давление на новизну.

Чем более переплетены подсистемы, тем больше разнообразных функций возникает, и тем сложнее выявить причинно-следственные связи между ними.

Авторы предполагают, и я с ними солидарен, что в будущем возможен сдвиг парадигмы в биологии, аналогичный переходу от классической механики к квантовой механике.

Так же как мы заменили локализованные отдельные частицы и дискретные орбитали электронов волновыми функциями и облаками электронов, мы можем однажды заменить биологические индивиды на «размытое/облачное» представление живых систем. Это не отменит существование отдельных биологических единиц, но может существенно скорректировать онтологию биологических процессов.

В целом, статистический взгляд на структуру систем может быть интересен даже в контексте системной инженерии. В этом направлении есть некоторые подвижки, например, Process Mining.

Количественное измерение эволюции

Авторы вводят количественный закон увеличения функциональной информации на основе энтропии и показывают, что функциональная информация системы будет увеличиваться (система будет эволюционировать), если множество конфигураций системы подвергается отбору хотя бы по одной функции.

Формулы приводить не буду, так как плохо разбираюсь в энтропии и для сути статьи они не так важны.

Следствия

В заключении статьи авторы предлагают несколько интересных следствий из своей теории, среди которых мне особенно интересно следующее.

Скорость эволюции систем можно регулировать искусственно. Формула расчёта функциональной информации предполагает, что скорость эволюции системы может быть увеличена по крайней мере тремя способами:

1. Увеличением числа и/или разнообразия взаимодействующих агентов.
2. Увеличением числа различных конфигураций системы.
3. Увеличением селективного давления на систему. Например, в химических системах путём более частых циклов нагрева/охлаждения или смачивания/осушения.