Разнообразие форм

Когда мы находим время оторваться от повседневных дел и взглянуть на животный и растительный мир вокруг нас, всегда поражаемся многообразию форм, размеров, богатству красок и приспособляемости биосферы. Нас всегда волновал вопрос: кто стоит за кулисами этого театра, кто постановщик, а кто - режиссер. Возможность присутствия "вселенского разума" кажется, порой, не такой уж невероятной. А может быть, дело просто в случайном наборе событий? Можно ли создать такой конструктор с набором унифицированных элементов, который позволил бы собирать живые организмы, как мы собираем типовые дома - из готовых блоков? Или просто положиться на эффект игральных костей? Долго встряхивать коробку с крыльями, ногами и хвостами, а потом выбросить на стол, вдруг получится нечто подходящее. Такие рассуждения выглядят несколько наивно.

Задумывался над этим и англичанин Чарльз Дарвин. После его "Происхождения видов" мир вздохнул с облегчением, наконец, расставлены все точки над "i". Было дано логическое объяснение, почему одни виды обезьян предпочитают использовать хвост как еще одну руку, а другие о нем просто забыли и отбросили за ненадобностью. Введя понятие естественного отбора, он упорядочил броуновские метания наших мыслей. Но и после Дарвина остались неразрешенные проблемы. Естественный отбор хорош для совершенствования частных признаков. Легко представить, как под воздействием положительных мутаций формировалось тело обитателей древних океанов: форма плавников, тип кожного покрова, зрение, обоняние и осязание. Но как им впоследствии удалось выбраться на сушу? Ведь потребовалось возникновение и закрепление более чем нескольких десятков новых признаков, рассматривая каждый из которых, легко сделать вывод, что он только ухудшал состояние особи в данный момент. Трансформация плавников в прообразы конечностей снижала скорость и маневренность, но еще не позволяла окончательно перебраться на сушу.

Естественный отбор

Сформулируем ключевые моменты алгоритма естественного отбора:

• случайное появление мутации или какого-либо другого изменения в гене;
• проекция гена на биологическую функцию (изменение окраски, формы и т.д.);
• закрепление измененного признака, если такое случайное изменение позволяет выжить в конкурентной борьбе.

Такая схема хорошо вписывается в рамки, когда речь идет о немедленной выгоде. Однако она дает осечку, если полезные признаки появятся только после очень большого количества мутаций. И совсем не срабатывает, если мутации вредят мутантам, а положительный эффект будет лишь в далеком будущем, когда появится большее число новых мутаций. Рассмотрим это на примере. В попытке овладеть сушей морская фауна должна была создать аппарат для передвижения по твердой поверхности. Такая "переделка" не может произойти мгновенно, неизбежны локальные ухудшения. Плавники становились более жесткими, снижалась динамичность поведения в воде, и такие особи проигрывали своим собратьям в добывании пищи, защите от хищников. Каким же образом вывести промежуточные формы эволюции из-под давления естественного отбора?

R- и K-стратегии

В 1967 году Р. Маккартур и Е. Уилсон, анализируя динамику развития популяций, выделили два коэффициента развития R и K. R - коэффициент, определяющий состояние популяции в критический период: неблагоприятные условия существования, эпидемии, резкое изменение среды обитания. В такие периоды популяция подвержена бурному размножению, появлению совершенно ненужных мутаций и кратковременному сроку жизни. K-стратегия характерна для благоденствия в уже захваченном ореале при сравнительно стабильных условиях. Для такой стратегии характерен низкий темп размножения и более долгий срок жизни. Остается проблема переходных форм, и чтобы ее решить, одной R-стратегии недостаточно, необходимо дополнить ее еще одним свойством - повышенной жизнеспособностью. В общем, это логично, но за повышением жизнеспособности всегда следует расплата: сокращение продолжительности жизни.

Перенесемся теперь к открытию другого англичанина. Летом 1998 г. Энтони Мур сделал заявление на десятой Европейской биоэнергетической конференции в Гетеборге. Автор получил растение табака с повышенной активностью гена, который кодирует белок определенного типа (mitichondrial heat protein), в результате чего количество белка увеличилось в тридцать раз. Вмешательство в геном оказалось очень замечательным: растение стало выше, чем обычный табак, и втрое увеличилась масса его наземной части. Возросла эффективность фотосинтеза. Может, это и был R->K переход, который сбросил все оковы, сдерживающие развитие растения? Приведем еще несколько примеров, но уже из реальной жизни. Во время Первой мировой войны, когда удушающие газы как косой стали сметать людей, возник вопрос о производстве больших партий противогазов. Но из-за сложной конструкции и химических фильтров такое производство наладить мгновенно невозможно. Немецкие инженеры пошли по пути упрощения, то есть выбросили из обычной конструкции все, что только было возможно, и получили ватно-марлиевый шлем, пропитанный "специальным" химическим раствором. Срок его службы был невелик, но такой подход позволил эффективно отражать атаки. Обычная мушка-дрозофила, этот вечный житель лабораторий генетиков, живет 31 день. По заявлению журнала Science, ученым из Коннектикутского медицинского центра удалось подлить этот срок до 71 дня. Такое увеличение жизни было вызвано мутациями в "определенных" генах. Исследователи сообщают, что мушки-долгожители были такими же здоровыми и активными, как и обычные, и даже продолжали размножаться. Измененный ген был тесно связан с метаболизмом организма, и его мутация затрудняет усвоение пищи. Очень знакомый феномен, не правда ли? Может быть, ученым удалось каким-то образом запустить механизм K-стратегии?

Программирование

Оторвемся от животного мира и попробуем посмотреть на эту проблему с высоты IT-технологий. Можно ли извлечь пользу из R- и K-стратегий? Попробуем облечь эти методы в программный код и построить формальный алгоритм. Представим, что мы никогда не видели ведра. Да, обычного ведра для переноса воды. Первобытная женщина пришла к своему первобытному мужчине, одетому в шкуру, и стала просить смастерить для нее "нечто" для переноса воды и хранения ягод, чтобы это "нечто" было удобно брать и переносить, и оно не падало бы на бок, если поставить на пол пещеры, и имело бы максимально полезный объем. Как он поступит? Наверно, вспомнит аналоги, которые он видел в природе, и попробует их скомбинировать и улучшить. В качестве элементарных заготовок возьмем: полый куб, цилиндр, конус. Алфавит примитивов может быть бесконечен, но для простоты ограничимся пока только этим набором. Рассмотрим возможный алгоритм на примере блок-схемы.

Для моделирования зададимся начальной конструкцией, установим ограничения по времени и наложим ограничительные условия. Такие как: плоское дно, наличие некоего "хвата" для подъема и переноса ведра. Затем следует "блок мутаций", в котором конструкция претерпевает изменения, пристыковываются различные элементы, полезность которых зачастую не видна, на первый взгляд. После одной итерации по мутированию проверяем, не истекло ли отпущенное время; если да, то выходим из блока и выводим результат, если нет, то проверяем, увеличился ли объем конструкции, по сравнению с предыдущим результатом. Если после определенного количества мутаций нет увеличения объема, то, значит, мы достигли предела и выходим из блока R-стратегий. Сейчас наступает очередь K-стратегии. На основе тех примитивов, которые были выбраны в R-блоке, пытаемся локально улучшить конструкцию, но уже не за счет спонтанных мутаций, а целенаправленным перебором. Такой "примитивный" подход дает на удивление интересные результаты. Был получен прообраз перископа.

Вопрос спорный, удобно ли им носить воду, но конструкция явно неординарная. Еще одна заманчивая находка - это ведро в стиле "будка для собаки". Как видим, такому творчеству нет пределов. Интересно было бы применение R- и K-стратегий, предположим, к музыке или живописи. Сейчас модно направление, когда авторами картин выступают животные, но почему бы не передать кисти компьютеру? Наверно, это будет еще один этаж в здании современного модернизма и кубизма, а если взять за конструктивные примитивы элементы, характерные для "классического" пейзажа, вдруг, мы сможем получить картины, достойные всеобщего восхищения?

Андрей ЛАПОУХОВ,
[email protected]