Эволюция — это не только биология: новый закон природы объясняет, как меняются планеты, звезды и атомы

В научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована статья, в которой описывается «отсутствующий закон природы», признающий впервые важную норму в работе природного мира. Суть нового закона состоит в том, что сложные природные системы эволюционируют к состояниям большего упорядочения, разнообразия и сложности. Иными словами, эволюция не ограничивается жизнью на Земле, она также происходит в других массивно сложных системах, от планет и звезд до атомов, минералов и других.

Статья была написана командой из девяти представителей — ведущими учеными из Карнегиевского института науки, Калифорнийского технологического института (Caltech) и Корнеллского университета, а также философами из Колорадского университета. Работа была финансирована Фондом Джона Темплтона.

«Макроскопические» законы природы описывают и объясняют явления, которые мы испытываем ежедневно в природном мире. Законы природы, связанные с силами и движением, гравитацией, электромагнетизмом и энергией, например, были описаны более 150 лет назад. Новая работа представляет собой современное дополнение — макроскопический закон, признающий эволюцию как общую черту сложных систем природного мира, которые характеризуются следующим образом:

• Они состоят из множества различных компонентов, таких как атомы, молекулы или клетки, которые могут быть упорядочены и переупорядочены многократно
• Они подвержены природным процессам, которые приводят к образованию бесчисленных различных конфигураций
• Только небольшая часть всех этих конфигураций выживает в процессе, называемом «отбор по функции».

Авторы «Закона возрастания функциональной информации» утверждают, что система будет эволюционировать «если множество различных конфигураций системы подвергается отбору по одной или нескольким функциям».

«Важным компонентом этого предложенного закона природы является идея ‘отбора по функции'», — говорит астробиолог Карнегиевского института доктор Майкл Л. Вонг, первый автор исследования. В случае биологии Дарвин приравнял функцию в основном к выживанию — способности жить достаточно долго, чтобы произвести плодовитое потомство. Новое исследование расширяет эту перспективу, отмечая, что в природе существует по крайней мере три вида функций. Самой базовой функцией является стабильность — стабильные конфигурации атомов или молекул отбираются для продолжения. Также выбираются для сохранения динамические системы с постоянными источниками энергии.

Примером такой динамической системы является Земля, которая эволюционировала в течение 4,5 миллиарда лет под влиянием геологических процессов, таких как вулканизм, плиты тектоники и циклы углерода. Эти процессы привели к образованию более 1500 новых видов минералов, которые в свою очередь взаимодействовали с живыми организмами, обогащая атмосферу кислородом и увеличивая биоразнообразие. Таким образом, биологическая и минеральная системы взаимодействуют друг с другом, создавая жизнь, как мы ее знаем сегодня.

Другим примером динамической системы является звезда, которая эволюционирует под действием ядерных реакций, превращающих легкие элементы в тяжелые. Этот процесс порождает различные виды излучения и частиц, которые влияют на окружающее пространство и планеты. Звезды также могут менять свою структуру и поведение в зависимости от своей массы, возраста и окружения. Например, звезды могут образовывать двойные или кратные системы, испытывать вспышки или выбросы материи, а также превращаться в новые типы астрономических объектов, таких как белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры.

Третьим видом функции является информация — способность хранить, передавать и обрабатывать данные. Информация может быть представлена в различных формах, таких как физические сигналы, химические соединения или символические коды. Информация играет ключевую роль в эволюции жизни на Земле, поскольку она определяет генетический код, регулирует клеточные процессы и обеспечивает обмен информацией между организмами. Информация также важна для других сложных систем, таких как планеты, звезды или атомы, поскольку она определяет их свойства, состояния и взаимодействия. Например, информация определяет химические связи между атомами, спектральные линии звезд или гравитационные потенциалы планет.

Авторы статьи утверждают, что эволюция сложных систем природы приводит к увеличению функциональной информации — количества информации, необходимой для описания функции системы. Это означает, что эволюция создает более упорядоченные, разнообразные и сложные конфигурации, которые лучше подходят для выполнения определенных функций. Например, эволюция жизни на Земле привела к образованию более 8 миллионов видов животных и растений, каждый из которых имеет свою уникальную роль в экосистеме. Эволюция звезд привела к образованию различных поколений звезд с разными химическими составами и светимостями. Эволюция атомов привела к образованию более 100 элементов периодической таблицы с разными физическими и химическими свойствами.

Авторы статьи также предлагают математическую формулу для вычисления функциональной информации в любой сложной системе природы. Формула имеет вид:

где If​ - это функциональная информация в битах, Nf​ - это число конфигураций системы, которые выполняют заданную функцию, а N — это общее число возможных конфигураций системы. Формула показывает, что функциональная информация тем выше, чем меньше конфигураций системы способны выполнять заданную функцию. Например, функциональная информация жизни на Земле высока, поскольку только небольшая часть всех возможных комбинаций атомов может образовывать живые организмы.

Авторы статьи надеются, что их работа будет способствовать объединению различных научных дисциплин под общей теорией эволюции сложных систем природы. Они считают, что открытие этого закона может иметь глубокие философские и практические последствия для понимания происхождения и судьбы жизни во Вселенной.