Фрактальное поведение как основной механизм морфогенеза

Схема организации воздушного движения над территорией США. Источник изображения: https://www.aaronkoblin.com/project/flight-patterns/ (верхнее изображение) и триангуляционная сеть в пленке Oscillatoria terebriformis (нижнее изображение). (Иллюстрация из обсуждаемой статьи)

На примере организации нитчатых цианобактерий в культуре авторы рассматривают процесс (само)организации как отражение сложности строения «глубоких структурных уровней» на «уровне организованного социума». Ключевым механизмом такой координации авторы считают триангуляцию, обнаруженную у цианобактерий и строматолитов. (КП)

Выводы исследователей очень часто находятся в прямой зависимости от возможностей наблюдения объектов и в первую очередь это касается их структуры. При рассмотрении невооруженным взглядом крупные объекты представляются состоящими из более мелких, в силу чего воспринимаются как сложные и с точки зрения строения, и с точки зрения функций. Мелкие же объекты, структура которых лежит за пределами разрешающей способности зрения, воспринимаются фактически как не имеющие структуры, то есть «простые» и «элементарные» в смысле их простоты, а не положения.

Это обстоятельство оказало решающее влияние на развитие бытовых обобщений, а через них – на развитие философии и естественных наук. В целом оно легло в основу формулировки проблемы происхождения сложного из простого – или от простого, что является ее иным аспектом. Это положение затрагивает не только структурную, но и функциональную сложность – считаются, что высшие функции могут реализовываться только у высших, наиболее сложных объектов и возникают вместе с ними.

Одновременно, вначале стихийно, а затем осознанно в обществе распространялась эволюционная концепция. Своей кульминации этот процесс достиг с выходом в свет в 1859 г. работы Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь». С тех пор усложнение организмов благодаря их приспособлению к среде стало одним из достояний общественной культуры.

Однако сам Дарвин видел в таком теоретическом решении вопроса о движущих силах эволюции ряд непреодолимых противоречий. Совокупность случайных процессов и воздействия ниже организованной среды не могут приводить к усложнению организмов. Сейчас мы бы это назвали противоречием второму началу термодинамики. Это заставило его в последующей работе «Изменение животных и растений в домашнем состоянии», вышедшей в 1868 г. сформулировать теорию пангенезиса, сутью которой является положение о том, что строение многоклеточных организмов и его изменение определяется информационными процессами, идущими на клеточном и субклеточном уровнях. В этом смысле пангенезис можно охарактеризовать как самопроектирование организмов, но не в циклическом смысле, как этот термин принято понимать, а в направленном.

Для иллюстрации своих взглядов Дарвин предположил существование ряда микроскопических объектов и их взаимодействий, наблюдать которые тогда было технически невозможно, поэтому эта теория длительное время воспринималась как некий научный курьез. Однако с развитием методов исследования предположения Дарвина подтвердились – соматические клетки действительно обмениваются наследственной информацией с половыми при помощи специальных телец, которым Дарвин дал название «геммулы», а в современной биологии они носят название «экзосомы».

Таким образом был подтвержден внутренний источник усложнения организмов, однако это привело к возникновению еще большего противоречия, поскольку усложнять что-либо может только более сложное и если процесс усложнения идет от клеток к многоклеточным организмам, то клетки в отношении них должны быть более сложны, а не просты, в том числе и с функциональной точки зрения.

Современные научные методы дали огромный материал, не оставляющий сомнения в очень большой сложности клеточной структуры. Однако, исследователи не находятся в некой изолированной среде научных фактов – в большей степени они погружены в бытовую среду, где довлеет принцип простоты меньшего по отношению к большему. Поэтому в понимании процессов морфогенеза сложилась двойственная ситуация – с одной стороны, клетки направленно образуют многоклеточные организмы и, соответственно, сложнее их, а, с другой стороны, они «слишком мелки», чтобы обладать какими-либо сложными функциями. Для обозначения одноклеточных организмов даже был введён термин «простейшие», к которым первоначально были отнесены и микроскопические многоклеточные именно исходя из их размера.

Ещё более простыми представлялись прокариотные организмы, простота устройства которых, предположительно, не должна позволять им образовывать многоклеточные тела. Однако постоянно накапливались данные о свойствах колоний многих прокариот, приближающих сложность и согласованность их устройства к организмам. Тем более к многоклеточным организмам должны быть отнесены нитчатые формы, представляющие собой цепочки клеток с единой внутренней средой, иногда дифференцированные, и действующие как единое целое.

Авторы долгое время изучали культуры нитчатых цианобактерий с целью выяснения природы строматолитов – древнейших макроскопических ископаемых, встречающихся в известковых осадочных породах начиная с возраста 3,5 миллиардов лет. Геологическое изучение этих нетривиальных для палеонтологии объектов сразу же выявило организменную целостность их морфогенеза, что вошло в принципиальное противоречие с имевшимися представлениями о морфогенетических возможностях строматолитообразователей – плёнок цианобактерий. Некоторые авторы сравнивали попытки создать классификацию строматолитов с возможностями «классификации кочек на болоте».

Наблюдения над современными нитчатыми цианобактериями выявили у их пленчатых сообществ способности к морфогенезу организменного плана с выделением обособленных по строению и функциям органо- и тканеподобных участков, что, совместно с данными по строматолитам, позволило наглядно показать усложняющее воздействие индивидуальных нитчатых организмов, не находящихся в постоянной механической связи между собой, на структуру их сообщества. При этом сложность каждого следующего иерархического уровня падает – нити устроены проще, чем входящие в их состав клетки, а сообщества проще нитей.

Таким образом в данном случае наблюдается процесс, обратный «образованию сложного из простого» или «возникновению порядка из хаоса», как это предполагает теория самоорганизации. При рассмотрении других процессов развития, данные о которых представляют современные исследования, закономерность оказывается той же. Более того, ни на каком уровне строения материи она не является «хаотичной», а упорядоченность только возрастает при углублении в ее структуру.

Наглядным примером движения сложности от глубоких структурных уровней к последующим является применение методов триангуляции, позволяющих элементам координировать свои действия при организации систем. Достоянием общественной культуры на уровне бытового опознания эта система позиционирования стала в самое последнее время, поэтому биологические объекты ранее не рассматривались с этой точки зрения.

Отправной точкой для проведения широкого сравнения стало обнаружение применения современными нитчатыми цианобактериями триангуляции для координации быстрых и направленных изменений формы сообщества. Эти преобразования требуют создания и реализации информации, по крайней мере, о текущей форме, условиях обитания, несоответствии их сочетания жизненным потребностям, будущей форме и путях морфологической перестройки.

Это позволило интерпретировать ранее обнаруженную сходную микроскульптуру строматолитовых слоёв как след существования системы, управляющей морфогенезом строматолита. Если современным цианобактериям триангуляция позволяет изменять форму сообщества в течение часов, то ископаемые благодаря ей сохраняют постоянство направления морфогенеза на протяжении столетий.

Далее триангуляция была обнаружена в строении кожи человека как система позиционирования тактильных данных. Также аналогичной по свой организации оказалась и структура цитоскелета клеток. Несмотря на все различия данная система и в этих случаях обеспечивает направленное изменение отношений организма и среды.

Общественные явления обычно не включаются в ряды эволюционных сравнений, однако они органически к ним принадлежат как начальные стадии морфогенетических процессов соответствующего уровня. Боле того, эти процессы исследователь может наблюдать непосредственно с максимальным уровнем вовлеченности. В современном обществе применение методов триангуляции испытывает бурное развитие, постепенно внося определенность во все большее количество типов отношений.

Таким образом, сложность поведения не только в общем смысле, но и в конкретных морфологически опознаваемых выражениях распространяется от молекулярного, наиболее глубокого уровня строения организмов, к уровню организованного социума. Это процесс идет через всю эволюцию в течение миллиардов лет, фрактально воспроизводясь на каждом уровне объединения организмов в организмы следующего уровня с закономерным запаздыванием и упрощением.

В целом, у элементов всех биологических систем присутствует универсальная потенция создания следующего целого, которая остается универсальной, хотя у многоклеточных эукариот с некоторого момента уже не может быть выражена, а у цианобактерий сохраняется постоянно. Организмы элементарных уровней отражают во времени и пространстве состоящее из них целое не частично, а полностью, и даже шире, включая среду, в которой данное строение организма целесообразно.

Рекомендуем посмотреть на связанные темы на страницах «Журнала общей биологии» на «Элементах» (КП):
1. О фрактальности жизни и жизненности фракталов
2. Сообщества современных цианобактерий помогают понять условия формирования древнейших строматолитов
3. Зачем цианобактерии вьют из себя веревки