Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.13. У всех этих овощей общий предок – дикая капуста, Brassica olearacea; сверху слева по часовой стрелке: брюссельская капуста, кольраби, полевая капуста, полукочанная капуста, цветная капуста, савойская капуста.

Рис. 1.14. Возможности селекции при выведении пород собак. Люди вывели все эти породы от волка (вверху), их общего дикого предка; сверху вниз: датский дог, английский бульдог, гончая, длинношерстная такса, длинношерстная чихуахуа.

Что-то можно отыскать случайно. Дизайнерские вещи нельзя просто так найти, их надо смоделировать, отлить, вылепить, собрать или выточить – вещь обретает свой конечный вид постепенно. Дизайноиды – это продукты кумулятивного поиска, как в случае с собаками и капустой, когда ищет человек, так и в случае, когда отбирает (например, акул) среда обитания. Благодаря законам наследственности, случайные усовершенствования, которые можно обнаружить в каждом поколении, аккумулируются (усиливаются) в чреде поколений. Через много поколений кумулятивного поиска может сформироваться такой дизайноид, что мы ахнем от восхищения, любуясь великолепной “моделью”. Но модель эта будет ненастоящая, так как процесс ее формирования принципиально отличается от истинного конструирования.

Неплохо было бы посмотреть, как развивались события в то или иное время. Собачий век гораздо короче человеческого, но все равно нашей жизни не хватит на то, чтобы хоть в какой-то степени ускорить эволюцию собак. Люди вывели чихуахуа в десять тысяч раз быстрее, чем природа вырастила волков из их насекомоядных предков, живших в эпоху вымирания динозавров и размером не превосходивших чихуахуа, хотя внешне и не похожих на комнатных собачек. Но все равно искусственный отбор реальных живых существ – по крайней мере, более крупных, чем бактерии – продвигается слишком медленно для того, чтобы можно было продемонстрировать эти интригующие превращения нетерпеливым и далеко не вечным людям. Можно многократно ускорить их с помощью компьютера. Эти быстродействующие машины, при всех своих погрешностях, способны смоделировать все, что поддается точному описанию, в том числе процессы размножения, такие как, например, у животных и растений. Если воспроизвести процесс передачи признаков по наследству – а это основополагающее свойство жизни – и предусмотреть возможность случайных мутаций, то на ваших глазах развернется фантастическая картина отбора на протяжении нескольких сотен поколений животных или растений. Впервые я описал это в своей книге “Слепой часовщик”, использовав одноименную программу. Она позволяет вывести на экране путем искусственного отбора так называемые компьютерные биоморфы.

Мы полагаем, что все собаки произошли от волка, и все компьютерные биоморфы точно так же происходят от общих предков, примерно таких:

. Человек видит на экране монитора целые выводки различных особей со случайными “генетическими мутациями” и выбирает те, от которых ему хотелось бы получить потомство. Здесь необходимо кое-что пояснить. Прежде всего, что такое потомство, гены и мутации по отношению к компьютерным объектам? У всех биоморфов имеется одна и та же “эмбриология”. Они строятся в основном за счет ветвления, так же как деревья или целая серия таких деревьев, объединенных друг с другом. Параметры дерева (или деревьев) – количество ветвей, их длина и углы, под которыми они расположены, – регулируются “генами”, в данном случае цифрами. Гены настоящих деревьев, как и наши собственные или гены бактерий, представляют собой закодированные послания, записанные на языке ДНК. ДНК копируется из поколения в поколение с высокой, если не с идеальной точностью. В каждом поколении ДНК “считывается” и влияет на вид животного или растения. На рис. 1.15 показано, как изменение всего лишь нескольких генов влияет на форму настоящего живого или компьютерного биоморфного дерева за счет изменения запрограммированных правил роста отпочковывающихся ветвей. Гены биоморфов составлены не из ДНК, но для решения нашей задачи этим отличием можно пренебречь. ДНК – это закодированная в цифрах информация, подобно цифровой информации в компьютере, и цифровые “гены” переходят из поколения в поколение биоморфов точно так же, как настоящая ДНК – в живом организме.

Потомство биоморфа, если таковое появится, унаследует все гены родителя – единственного, так как половые контакты отсутствуют, – но возможны случайные мутации. Мутация – это спонтанное увеличение или уменьшение цифрового значения гена. Поэтому если у детки цифровой эквивалент Гена 6 вырастет с 20 до 21, она будет походить на родителя, но ее ветки будут отходить от ствола под несколько более острым углом. В режиме “разведение биоморфов” компьютер нарисует его в центре экрана, в окружении выводка произвольно мутировавших отпрысков. Поскольку гены меняются очень мало, потомки всегда похожи на своего предка и друг на друга, но у многих есть слабые отличия, заметные человеческому глазу. Вооружившись компьютерной мышкой, человек выбирает на экране одного из биоморфов “на развод”. На экране остается только выбранный биоморф, который перемещается в центр экрана, в родительскую зону, а вокруг него появляется новая “кладка” мутантов. Переходя от поколения к поколению, селекционер может направлять эволюцию почти точно так же, как люди направляют эволюцию породы собак, только гораздо быстрее. Когда я в первый раз написал такую программу, меня поразило, в частности, как быстро может эволюционировать исходное дерево. Оказалось, что можно сфокусироваться на “насекомом”, “цветке”, “летучей мыши”, “пауке” или “самолетике”. Все биоморфы с рис. 1.16 являются конечными продуктами сотен ступеней воспроизводства в процессе искусственного отбора. Разведение видов происходит в компьютере, поэтому можно за считанные минуты пробежаться по многим поколениям. Эта программа позволяет за несколько минут игры на современном быстродействующем компьютере наглядно представить себе и ощутить на практике, что такое дарвиновский естественный отбор. Биоморфы из “сафари-парка” на рис. 1.16 напоминают мне ос, бабочек, пауков, скорпионов, плоских червей, вшей, а также других “созданий”, которые выглядят вполне “биологически”, несмотря на то, что не имеют сходства ни с одним реально существующим на нашей планете видом. Впрочем, все они родственники деревьев, среди которых обитают, и эскадры “самолетиков”, выстроившейся в правом верхнем углу. Их объединяют близкие родственные связи. У всех по шестнадцать генов. Отличаются они только численно закодированными значениями генов. Можно заниматься их селекционным разведением – переходить от одной особи к другой в зоопарке сафари или к миллиарду других возможных биоморфов. Последняя версия программы позволяет выводить цветные биоморфы. Она основана на старой программе, но предлагает более совершенную “эмбриологию” и новые гены, которые задают окраску ветвей. Кроме того, есть гены, определяющие форму каждой ветки – линию, прямоугольник или овал, ее заполнение (ветка может быть сплошной или полой) и интенсивность оттенка. Работая с цветной версией, я бродил по дорожкам эволюции не только среди насекомых и скорпионов, но и среди цветов и каких-то абстрактных рисунков, которые неплохо смотрелись бы на обоях или на плитке в ванной комнате (рис. 1.17). Моя жена Лалла Уорд вышила один из этих рисунков на накидке для кресла – по стежку вместо каждого пикселя.

Рис. 1.15. Рисунки настоящих и компьютерных биоморфных деревьев показывают, как может измениться форма вида из-за незначительной коррекции механизма роста. Крона одних деревьев обвисает, как у плакучей ивы, в то время как другие устремляются ввысь, как пирамидальный тополь.

Рис. 1.16. “Зоопарк” черно-белых биоморфов, выведенных в программе “Слепой часовщик”.

Биоморфы “выведены” человеком. В этом смысле они подобны капусте и собакам. Однако искусственный отбор предполагает участие селекционера – человека, а это не является главной темой моей книги. Вслед за Дарвином я рассматриваю искусственный отбор в качестве модели совсем другого процесса – естественного отбора. Пора наконец поговорить собственно о нем. Естественный отбор происходит примерно так же, как искусственный, но без вмешательства человека. Здесь не человек, а сама природа “решает”, кому из потомства продолжить свой род, а кому умереть. Я поставил кавычки не просто так, ибо на самом деле природа не принимает осознанных решений. Банальная, казалось бы, истина, но вы не поверите, если вам сказать, сколь многие уверены в том, что естественный отбор сродни личному выбору. Это в корне не так. На самом деле просто вероятность гибели одних потомков достаточно велика, а другие обладают какими-то свойствами, которые помогают им выжить и дать потомство. Поэтому в среднем типичные представители популяции из поколения в поколение становятся все лучше и лучше в искусстве выживания и размножения. Я должен уточнить, что “всегда лучше” справедливо при сравнении с каким-то абсолютным стандартом. На деле, впрочем, отбор не всегда настолько эффективен, потому что их жизни всегда угрожают особи других видов, которые тоже эволюционируют и становятся более жизнеспособными. Можно выработать качества, которые помогают спастись от зубов и когтей хищника, но ведь и хищники тоже совершенствуют свои охотничьи качества, так что в конечном итоге ничего не выиграешь. Своего рода “эволюционная гонка вооружений” – тема интересная, но мы забегаем вперед.

Смоделировать на компьютере искусственный отбор не так сложно, и биоморфы – прекрасный тому пример. Моя мечта – воспроизвести еще и естественный отбор. В идеале я хотел бы создать условия для эволюционной борьбы, чтобы возникающие на экране “хищники” и “жертвы” побуждали друг друга к прогрессивному развитию, а мы просто наблюдали бы за их соперничеством. К сожалению, это непростое дело, и вот почему. Я говорил, что отдельные особи из потомства обречены на гибель, и вроде бы легко спровоцировать их насильственную смерть. Но цифровая тварь должна погибнуть от каких-либо нестандартных дефектов – например из-за коротких ног, не позволяющих ей убежать от хищника, – тогда смерть на экране будет выглядеть натурально. У некоторых насекомоподобных биоморфов с рис. 1.16 есть похожие на ножки отростки. Но они не пользуются своими “ножками”, и хищников вокруг них нет. Нет и жертв или растительной пищи. В их мире не бывает ни болезней, ни плохой или хорошей погоды. Теоретически мы могли бы включить любой из этих факторов риска. Но запрограммированная угроза будет столь же искусственной, как и сам искусственный отбор. Нам придется что-то предпринять – скажем, постановить, что длинным и тонким биоморфам легче уйти от преследования, чем коротким и толстым. Велеть машине измерить биоморфы и отобрать для дальнейшего разведения самых поджарых и голенастых – дело нехитрое. Но тогда процесс эволюции лишится интриги. Мы просто увидим, что по мере смены поколений особи становятся все более долговязыми. С тем же успехом мы могли бы просто на глазок прикинуть, какие из биоморфов тоньше и длиннее. Нет спонтанности, характерной для естественного отбора, которой можно было бы достичь при адекватной имитации.

В естественных условиях селекционный процесс намного сложнее. В каком-то смысле он очень запутан, но с другой стороны – предельно прост. Для начала прогресс в каком-то одном направлении – в частности, в направлении увеличения длины ног – возможен до определенного предела. В живой природе ноги могут оказаться и чересчур длинными. Они больше подвержены переломам, да и через подлесок продираться тяжело. Слегка пораскинув мозгами, мы можем предусмотреть в программе переломы и кусты. Можно встроить элементы физики перелома – найти способ отобразить линии напряжения, прочность на разрыв, коэффициент упругости; если разобраться в сути явления, можно воспроизвести что угодно. Проблему для нас представляет то, чего мы не знаем и о чем не подумали, то есть почти все. Мы упускаем из виду не только оптимальную длину конечностей и бесчисленное множество факторов, от которых она зависит. Мало того, длина ног – лишь один из многих взаимосвязанных признаков, который взаимодействует с другими признаками ног, а также с массой признаков других частей тела, влияющих на выживаемость особи. Это и толщина ног, и их жесткость, хрупкость, способность выдерживать вес, разница по толщине вверху и внизу, количество суставов и собственно ног. И это только то, что касается конечностей. Выживет животное или нет, зависит также от всех остальных частей и элементов его организма.

Пока программист пытается ввести все параметры в теоретическую задачу выживаемости компьютерных зверей, он вынужден сам принимать судьбоносные решения. По-хорошему, надо бы воспроизвести все физиологические и экологические условия, включая имитации хищников, жертв, растений и паразитов. В свою очередь, все эти виртуальные виды должны обладать способностью к изменчивости. Самый простой способ избавиться от необходимости думать самим – это вовсе отказаться от компьютера и смастерить трехмерных роботов, которые гонялись бы друг за дружкой в реальном трехмерном мире. Но тогда дешевле было бы сдать компьютер в утиль и наблюдать за живыми зверями и растениями – то есть вновь оказаться на исходной позиции! Доля шутки тут меньше, чем кажется. Я еще вернусь к этому позже. Тем не менее, мы можем еще кое-что сделать на компьютере, хотя и не с биоморфами.

Биоморфы трудно поддаются естественному отбору в основном потому, что они состоят из светящихся пикселей, расположенных на плоском экране. Двухмерный мир во многих отношениях не пригоден для отображения физических закономерностей реальной жизни. Остроту зубов хищника и прочность защитного панциря жертвы, мышечную силу нападающего хищника и смертоносную силу яда – все эти свойства не передашь двухмерными пикселями. Самих хищников и их жертвы можно показать на плоском экране естественным путем, без особых ухищрений, но можно ли рассчитывать на отображение их реальной жизни? По счастью, можно. Я уже говорил о паутине в связи с псевдомоделями природных ловушек. Пауки, как и все представители животного мира, обладают трехмерными телами и живут в обычном, сложно устроенном физическом пространстве. Но их хищнические повадки отличаются одной особенностью, чрезвычайно удобной для представления на плоскости. Типичная круговая паутина – это в сущности плоская фигура. Насекомые, которые угодили в сети, перемещаются по третьей оси, но в критический момент, когда они попадают в ловушку или вырываются на свободу, драма разворачивается в двухмерной плоскости паутины. Лучшего примера для красивой имитации естественного отбора на плоском экране монитора и не подберешь. Следующую главу мы большей частью посвятим паучьим сетям: начнем с обсуждения настоящей паутины, а затем перейдем к ее компьютерным аналогам и превращениям в процессе виртуального “естественного отбора”.

Глава 2 Шелковые путы

Чтобы систематизировать наши представления о жизни какого-либо существа, полезно напрячь воображение – даже позволить себе поэтическую вольность – и подумать, с каким комплексом задач и препятствий сталкивается это существо или, если угодно, его гипотетический “создатель”. Первым делом надо поставить исходную задачу и поискать разумные решения. Затем можно посмотреть, чем, собственно, занимаются наши подопечные. После этого мы, вероятно, увидим, какие еще проблемы встают перед животным данного вида, и так далее. Во второй главе “Слепого часовщика”, посвященной летучим мышам и их искусному владению методами эхолокации, я так и делал. Теперь я последую той же логике, чтобы изучить функции паутины. Отметим, что, изучая один вопрос за другим, мы не прослеживаем весь жизненный цикл живого существа. Если мы и говорим о продвижении во времени, то по эволюционной временной шкале, но иногда мы будем перемещаться не по оси времени, а по логической цепочке.