Восхождение на гору Невероятности
Шрифт:
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
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.
Наша первейшая задача – найти эффективный способ ловли насекомых для пропитания. Один из вариантов – летать побыстрее. Подняться в воздух, как сама потенциальная добыча. Летать как можно быстрее с разинутым ртом, зорко вглядываясь в цель. Это подходит стрижам и ласточкам, но требует немалых затрат на оснащение для скоростных полетов и маневрирования, а также “умных” систем навигации. Так действуют и летучие мыши, только они охотятся ночью и находят цель с помощью звукового эха, а не световых лучей.
Совершенно иной подход – “сидеть и выжидать”. Это излюбленная тактика богомолов, хамелеонов и других ящериц, которые в процессе эволюции независимо и конвергентно приобрели общие с хамелеоном черты и повадки; практически сливаясь с окружающей средой, держа наготове язык или лапы, они передвигаются тихо-тихо и крайне медленно, прежде чем резко броситься в атаку. Радиус действия хамелеонова языка позволяет ему ловить мух на расстоянии, сравнимом с размерами его собственного тела. Богомол тоже достает добычу, которая находится на таком же относительном удалении от него, передними хватательными ножками. Казалось бы, можно усовершенствовать эту модель и еще больше увеличить “дальнобойность”. Но если язык и ноги будут намного длиннее туловища, их монтаж и обслуживание обойдутся чересчур дорого, и даже лишние мухи, которых удастся поймать, не окупят затрат. Нельзя ли расширить зону охоты более экономичным способом?
Почему бы не сплести сеть? Для сети понадобится какой-то материал, и за него придется заплатить. Но в отличие от языка хамелеона, сеть неподвижна, поэтому не потребуется наращивать мышечную ткань. Тканью из тончайшего, как паутинка, недорогого материала можно покрыть огромную площадь. Если переработать в шелк белки мяса, которые в других условиях пошли бы на строительство тканей мощных лап и языка, можно намного превысить радиус действия языка хамелеона. Ничто не помешает нам с помощью такой бюджетной сетки, сделанной из секрета маленьких желез, охватить площадь в сто раз превышающую площадь тела.
Шелк – излюбленный материал членистоногих, одного из основных типов царства животных [2] , включающий в себя и насекомых, и пауков. Гусеницы свисают с веток деревьев на тонкой шелковой нитке. Муравьи-портные, держа челюстями своих личинок и действуя ими, словно ткацкими челноками, сшивают листья шелковым секретом, который те выделяют (рис. 2.1). Многие гусеницы, прежде чем превратиться во взрослое крылатое насекомое, окукливаются, заворачиваясь в шелковый кокон. Коконопряды душат деревья тонкой паутиной. Один одомашненный тутовый шелкопряд для постройки кокона прядет нитку длиной чуть ли не в милю. Но несмотря на то, что на тутовых шелкопрядах держится все наше производство шелка, самые искусные прядильщики и ткачи во всем животном мире – это пауки, и странно, что люди больше не находят применения паучьему шелку. Его использовали для нитей перекрестия в окулярах микроскопов. Зоолог и художник Джонатан Кингдон в замечательной книге “Человек, который сделал себя сам” (Jonatan Kingdon, Self-Made Man) рассуждает о том, что идею струны, одного из важнейших изобретений, людям, возможно, подсказали пауки. Птицы тоже по достоинству оценили высокие потребительские качества паучьего шелка. Известно, что 165 видов пернатых вьют гнезда с включениями паучьего шелка (эти виды принадлежат к 23 различным семействам, а стало быть “нашли” этот способ постройки гнёзд независимо друг от друга). Всем известный производитель круговой паутины, садовый паук-крестовик Araneus diadematus, выделяет через прядильные трубочки, отходящие от паутинных бородавок, расположенных на заднем конце тела, шелк шести различных “сортов”. Каждый из этих сортов шелка секретируется особыми паутинными железами, находящимися в полости брюшка, и паук “переключается” с производства одного сорта на другой, в зависимости от конкретной задачи. Пауки использовали шелк задолго до того, как в ходе эволюции приобрели способность плести свои круговые ловчие сетки. Даже пауки-скакуны, которые никогда не делают паутину, срываются в бездну на шелковых “лонжах”, словно альпинисты с самыми современными страховочными приспособлениями.
2
Тип Arthropoda. – Прим. научного редактора.
Рис. 2.1. Ткачество шелком. Муравьи-портные используют своих личинок в качестве челноков. Oecophila smaragdina, Австралия.
Итак, шелковая нить, материал выбора для плетения ловушек насекомых, входит в инструментарий пауков с незапамятных времен. Можно сказать, что паутина – это средство, которое дает возможность оказаться во многих местах одновременно. Паук, в масштабах его тела, – словно ласточка с пастью кита. Или хамелеон с пятнадцатиметровым языком. Паутина – вещь в высшей степени практичная. В то время как масса сильного языка хамелеона, бесспорно, составляет существенную долю его общего веса, шелковая паутина с суммарной длиной нитей до 20 м весит меньше тысячной доли массы тела паука. Более того, использованную паутину паук съедает, то есть отходы перерабатываются почти полностью. Однако плетение ловчей сетки сопряжено с определенными трудностями.
Паук должен сделать так, чтобы влетевшая в паутину жертва осталась в ней – задачка не из легких. Тут есть две опасности. Насекомое может легко порвать сетку и пролететь насквозь. Эта проблема отпадет, если сетка будет очень эластичная, но тогда возникает другая угроза – насекомое отлетит от паутины, как от батута. Идеальное шелковое волокно, мечта химика, растягивается очень сильно и поглощает импульс, который ему сообщает влетающее с высокой скоростью насекомое, и вместе с тем плавно возвращается в исходное состояние, чтобы не получился трамплин. Во всяком случае, некоторые разновидности паутины благодаря сложной структуре шелкового волокна, которую исследовали и описали профессор Фриц Фольрат и его коллеги из Оксфорда, а теперь и из датского Орхусского университета, обладают именно такими свойствами. На рис. 2.2 и 2.3 показано увеличенное изображение нитей паутины, и на самом деле они намного длиннее, чем кажутся, так как большей частью собраны в спирали внутри водянистых шариков. Будто ожерелье из бусин с клубками ниток внутри них. Механизм образования таких спиралей неясен, но результат очевиден. Нити могут растягиваться до длины, в десятки раз превышающей исходные размеры клубка, а затем вновь закручиваться, но достаточно медленно, так чтобы не отбросить насекомое.