Всякий раз, когда природа использует один и тот же принцип в разнообразных ситуациях, в основе такого повторяющегося проявления лежит фундаментально-выгодное энергетическое преимущество (энергоэффективность). Неудивительно, что эмбриональное развитие и эволюция всегда будут приводить к созданию механизмов, которые наиболее эффективны с точки зрения стабильности, материалов и массы (Serrao et al., 2017).
При этом крайне важно отметить, что пространственная организация и тенсегрити-дизайн не записаны ни в какой генетический план и программу (или где-либо еще), а являются эмерджентным (возникающим) результатом огромного количества взаимодействий между различными молекулами, клетками, тканями и сложными многофакторными путями обратной связи (Dinicola et al., 2011; Saetzler et al., 2011; Noble, 2017).
Хотя генетический код играет важную роль в определении конкретных характеристик организма, он может сделать это только в том случае, если основные элементы его структуры уже существуют, и вопрос о том, почему биология развивается именно так, как она развивается, по-прежнему остается открытым. Каковы же в действительности те фундаментальные принципы, которые объясняют наши наблюдения за жизнью и эволюцией?
Все природные системы соответствуют определенным внутренним базовым принципам или правилам мироустройства, скрытым от прямого наблюдения, а так называемые законы, которые мы используем для их описания в физике, лишь являются краткими утверждениями, обобщающими относительно простые наблюдения, которые всегда одинаковы. Если одно и то же происходит снова и снова, скорее всего, существует основной принцип, который заставляет его вести себя именно таким образом, и кто-то затем напишет об этом закон, компактно описывающий внешние проявления этого принципа.
Однако законы физики, которые часто получают громкое название законов природы, — это отнюдь не то же самое, что принципы мироустройства, а всего лишь наше наилучшее их понимание в данный момент и запись их в удобной форме. Они устанавливаются на основе консенсуса и открыты для пересмотра, и таких законов физики множество (Dhar & Giuliani, 2010). Например, законы термодинамики были сформулированы в XIX веке и теперь считаются применимыми ко всему и везде. Они описывают фундаментальные физические принципы, которые считаются истинными, абсолютными и неизменными (Ebeling, 2005). Первый закон — закон сохранения энергии — гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она лишь может поменять форму. Второй закон указывает направление спонтанного перетекания энергии от более высокого состояния к более низкому, то есть к состоянию с наименьшей энергией. Для неживой природы этот закон прошел проверку временем.
Однако в какой мере и в какой формулировке законы термодинамики применимы к живым организмам, пока они живы? Этот вопрос только в XXI веке перестал быть крамольным благодаря новым, более содержательным формулировкам об особенностях поточных состояний, диссипативных систем, теорий самоорганизации и пр.
Дело в том, что в физике оба эти закона применяются к системам, которые находятся в истинном равновесии (или близки к нему), где энергия рассеивается и становится равномерно распределенной, тогда как живые организмы характеризуются внутренним порядком, сложностью и поточностью. Их динамика находится в состоянии постоянного движения и существует в состояниях, далеких от равновесия (Tan et al., 2016). Существует также третий закон, но он применим лишь к системам с температурами, близкими к абсолютному нулю, поэтому оставим его в стороне.
С рассеиванием энергии связана концепция увеличения энтропии — показателя рассеивания энергии внутри и между системой и ее окружением, но это не имеет ничего общего с неупорядоченностью (Lambert, 2002).
Действительно, канонические платоновы формы естественным образом часто проявляются в минеральных кристаллах, которые относительно фиксированные и жесткие, благодаря основным принципам самоорганизации (глава 2), способствующим формированию структур с минимальной энергией. Однако живая биология в этом смысле сильно отличается от минералов, поскольку поведение молекул в жидких и газообразных жидкостях имеет гораздо меньше ограничений.
Живые организмы поточные!
Они постоянно поглощают, накапливают и высвобождают энергию в окружающую среду в виде питательных веществ, тепла, отходов, сил и информации, и постоянное рассеивание этих ресурсов в направлении некоторого энергоэффективного состояния (не обязательно строго минимального) естественным образом увеличивает энтропию как часть непреодолимого стремления системы к долгосрочному равновесию (Snir & Kamien, 2005; Van Anders et al., 2014; Frenkel, 2015).
На самом деле согласно современным наукам о сложности энтропия является мерой количества степеней свободы, микросостояний или вероятностей в системе, а самоорганизующаяся система обработки, которая увеличивает ее, — чрезвычайно эффективный способ поддержания жизненных процессов в состоянии неравновесия (Fritzsche, 2017). (Контролируемый и необходимый для самообновления процент полезного самораспада.)
Хотя анатомические структуры могут казаться стабильными и фиксированными, все они представляют собой лишь переходные состояния с внутренней организацией, которая от момента к моменту постоянно меняется (Teichtahl et al., 2015). Таким образом, способ распределения этих ресурсов очень важен, поскольку в конечном счете именно их поток через систему обеспечивает мощность, и архитектура этого потока постоянно меняется (см. предисловие, с. Xiii).
Энергия движет всем, что движется, живет и течет, а естественные двигатели, которые ее производят, зависят от непрерывного потока энергии, проходящего снаружи, внутри и сквозь систему.
Одной из характеристик жизни является способность трансформировать свое строение таким образом, чтобы эти ресурсы могли перетекать более легко, и в наше время это обобщено в законе конструктивной сложности (Constructal Law). Он формулируется следующим образом: «для того, чтобы система потока конечного размера сохранялась во времени (иначе говоря, «была способна жить»), она должна иметь возможность свободно развиваться так, чтобы это обеспечило ей больший доступ к образующим ее потокам энергии и вещества» (Bejan & Lorente, 2013; Bejan, 2016).[10]
Превращение в конфигурации, облегчающие доступ к тому, что протекает внутри систем, — тенденция, присущая системе естественного потока, и схемы ветвления рек, дендритов, деревьев, артерий и дыхательных путей являются простыми тому примерами (Reis & Miguel, 2004; Ball, 2016) (рис. 3.9).
Они представляют собой архитектурные решения для увеличения величины суммарного внутреннего потока в постоянно развивающейся системе, причем определенные паттерны формируются в ответ на оборачивающиеся потоки энергии и вещества с учетом локальных ограничений в окружающей среде, через которую они протекают. Каждый из них представляет собой непрерывный односторонний процесс во времени, когда рассеивающие каналы потока автоматически следуют по пути наименьшего сопротивления и устанавливаются в окружающей среде, которая может изменяться сама по себе.
Такая система изменяющегося потока применима ко всем аспектам развивающегося и самоподдерживающегося организма: от молекул, которые диффундируют через жидкую среду и взаимодействуют друг с другом сложными способами (Ball, 2015; Rutkowski & Swartz, 2007), до потока жидкостей через различные трубчатые системы (например, сосудистые) и структурные объекты, несущие силы растяжения и сжатия (Blechschmidt, 2004; Beloussov, 2008). В такой системе самые большие и самые жесткие структуры передают самые большие силы и распределяют их среди всех остальных, а самые маленькие и податливые собирают небольшие силы и передают их через гетерархию к более крупным структурам. То, что мы называем тросами, распорками и кинематическими стержнями, является геометрическим представлением анатомической системы внутренних анатомических трансформаций, которая легко приспосабливает свою архитектуру к протекающим через нее силам (законы Вольфа и Дэвиса) и связана с клетками, которые эту структуру производят, поддерживают и переделывают (Scarr, 2018).
Пространственная среда, окружающая все эти различные архитектуры потоков, так же важна, как и то, что через них проходит. Каждая из них содержит свои собственные отличительные потоковые системы, которые несут себя к своим собственным энергоэффективным «поглотителям» и сложным образом питают друг друга, усиливая общий динамизм, который мы воспринимаем как жизнь (Huang et al., 2006; Dinicola et al, 2011).
Несмотря на то что эмерджентные (самоорганизованно возникающие) пути ветвления и распределения потоков часто демонстрируют повторяющиеся характеристики (иногда называемые фракталоподобными), каждая часть их формирования уникальна для данной системы в данный момент времени и является результатом непрерывного процесса, который принципиально отличается от дискретной математической итерации истинного абстрактного фрактала.
Получающиеся в результате этого паттерны организации потоков могут выглядеть как коллажи одного и того же дизайна, но на самом деле это просто случайные, незапланированные и нерегулярные статистические вероятности, сбалансированные между порядком и хаосом. Важно также отметить, что эти организационные процессы не направлены на достижение какой-либо цели и не имеют ничего общего с целеполаганием, эффективностью, максимизацией, оптимизацией или интеллектом как таковыми в привычном смысле.
Да, действительно, биологические системы часто демонстрируют эти типовые характеристики — наличие паттернов ветвления, но эта общность видна лишь внешнему наблюдателю. Внутри себя системы «не знают» об этом общем наблюдаемом паттерне, в каждый данный момент жизни они просто следуют внутренним путям тесного взаимодействия пробивающегося потока. Иначе говоря, конечные паттерны распределения неизвестны системе изнутри, поэтому в отличие от образа инженерного проекта/чертежа они не мотивируют и не стимулируют систему на то, чтобы прибыть именно к такому конечному паттерну (Bejan & Lorente, 2013).
Развивающийся организм как бы перепоявляется и перепроявляется изнутри себя, в каждый данный момент времени в ответ на постоянно развивающиеся системы потока, которые его питают (проходят через него) — это его собственное морфогенетическое поле (Levin, 2006; Van der Wal, 2012); соотносимая сама с собой система, которая самопроизвольно меняет свою архитектуру в соответствии лишь с самыми базовыми принципами и ограничениями внутри системы, и развивается таким образом, чтобы поддерживать жизнь.
Все это подводит нас к сути того, что на самом деле представляет собой биотенсегрити в ее самом общем синергетическом понимании.