Восхождение на гору Невероятности
Шрифт:
Шесть изображений паутины, показанные на рис. 2.11, можно рассматривать как биоморфы (точки пока во внимание не принимаем). Паутина вверху слева будет родителем. Остальные пять – мутировавшие отпрыски. Конечно, в жизни паутина не дает потомства, то есть “дочерние паутины” – это пауки, которые плетут паутину, рождают других пауков, которые тоже плетут паутину. Но в этих моих словах о паутинах кроется важная информация, применимая к организмам. У людей гены, определяющие особенности детей, возникают из генов, определяющих особенности родителей. В компьютерной модели те варианты генов, которые, меняя поведение не видимого на экране воображаемого паука, определяют вид родительской паутины (вверху слева), мутировали, и в результате появились другие варианты генов, определившие вид дочерних паутин на остальных пяти картинках.
Рис. 2.11. Сгенерированные в компьютере паутины под градом компьютерных
Мы, конечно, могли бы, взглянув на все шесть паутин, выбрать одну для дальнейшего разведения, как мы выбирали биоморфов. Это означало бы, что при наличии мутации мы выбрали варианты генов этой паутины для передачи по наследству. Но это был бы искусственный отбор. Мы отказались от биоморфов и перешли к паутине ради возможности создать модель естественного отбора, когда критерием служит не эстетская блажь человека, а поддающийся измерению параметр – эффективность ловли мух.
Давайте посмотрим на картинки. Компьютер хаотически рассеивает по паутинам мух. Если приглядеться, можно заметить, что во все шесть паутин была вброшена одна и та же комбинация мух. В отличие от живой природы, в компьютерном мире так будет всегда, если только вы не смените тактику и не дадите другую команду. В данном случае это не важно, так даже удобнее сравнивать разные паутины. Сравнивать – в частности значит с помощью программы подсчитывать количество мух, “пойманных” каждой паутиной. Если бы больше ничего не требовалось, лучшей следовало бы признать паутину внизу справа, так как к ее спиральным нитям прилипло больше всего мух. Но мушиная кучка – не единственный значимый параметр. Необходимо учесть и затраты на шелк. Меньше всего шелка ушло на паутину вверху в середине, и в отсутствие других критериев она победила бы. На самом деле лучшая паутина – та, что улавливает больше всего мух за вычетом затрат на шелк, которые рассчитываются как функция длины нитей. По результатам такого уточненного расчета наиболее выигрышной является паутина, изображенная внизу в середине. Она-то и будет выбрана для продолжения рода и передачи определяющих ее вариантов генов следующему поколению. Как и в программе с биоморфами, производство потомства от лучшей особи в течение многих поколений поддерживает устойчивость эволюционного тренда. Но если эволюцию биоморфов направляет в нужное русло исключительно воля человека, то в программе NetSpinner эволюция автоматически идет в сторону повышения КПД паутины. Мы получили то, что хотели – модель естественного отбора, а не искусственного. К чему приведет эволюция при таких условиях? Поразительно, насколько правдоподобно выглядят паутины, за одну ночь проскочившие сорок поколений эволюции (рис. 2.12).
Те картинки, что я здесь привожу, получены в программе NetSpinner II, над которой в основном работал Питер Фукс (NetSpinner I – это черновая версия, и ее мы обсуждать не будем). Разработанные Тимо Кринком более поздние версии этой программы составляют конкуренцию биоморфам еще в одном важном вопросе. В NetSpinner III добавлено размножение половым путем. Биоморфы и объекты программы NetSpinner II размножаются только бесполым путем. Что мы имеем в виду, когда говорим о половом способе размножения компьютерных пауков? Вы не увидите на экране акта спаривания с вероятным каннибалистическим финалом, хотя, очевидно, это можно было бы устроить. Просто в программе происходят характерные для полового размножения взаимодействия – рекомбинация половины генов одного родителя с половиной генов другого родителя.
Рис. 2.12. Последовательные превращения паутины, смоделированной в программе NetSpinner, с интервалом в пять поколений. На каждое превращение потребовалась примерно одна ночь.
Вот как это работает. В каждом поколении имеется особая группа в полдюжины пауков, каждый из которых плетет свою ловчую сеть; это локальная популяция, или дем. Геометрия паутины зависит от хромосомы, то есть цепочки генов. Как мы уже знаем, роль гена такова, что он оказывает влияние на специфический “закон” строительства ловушки. Затем в паутину вбрасывают мух. Качество паутины все так же определяется по функции количества пойманных “мух” с вычетом затрат на использованный шелк. В каждом поколении погибает определенный процент пауков – тех, чьи ловчие сети работают хуже всего. Выжившие пауки спариваются в произвольном порядке и дают жизнь новому поколению. Под спариванием подразумевается, что хромосомы двух пауков выравниваются относительно друг друга и обмениваются своими участками. Казалось бы, странная, надуманная схема, если не вспомнить, что при размножении половым путем живые хромосомы – и наши, и паучьи – именно так себя и ведут.
Процесс продолжается, популяция развивается от поколения к поколению, но с одним дополнительным плюсом. Это уже не один дем, в который входят шесть пауков, а, допустим, три полунезависимых дема (рис. 2.13). Эволюция каждого из трех демов протекает независимо, но отдельные особи периодически мигрируют из своего дема в другой и переносят свои варианты генов. В четвертой главе мы поговорим о теоретическом обосновании такой миграции. Сейчас
Во всех трех популяциях первое поколение включает в себя паутины разных форм, в большинстве своем с невысоким КПД. Мы видим, что по мере смены поколений, как и в случае неполового размножения (рис. 2.12), происходит постепенный переход к более качественным и эффективным вариантам. Но теперь “свежая кровь” распределяется за счет полового размножения, поэтому отдельные экземпляры в деме довольно похожи друг на друга. С другой стороны, генетически они являются отпрысками других демов, так что и различия достаточно заметны. На какой-то стадии в одиннадцатом поколении гены двух паутин из дема 3 мигрировали в дем 2, то есть “инфицировали” дем 2 “кровью” дема 3. К пятидесятому поколению, а в некоторых случаях гораздо раньше, паутины превратились в прочные, надежные и экономичные ловушки.
Итак, можно воссоздать на компьютере некое подобие естественного отбора и получить искусственные ловчие сети, которые захватывают мух эффективнее, чем исходные. Это еще не подлинный естественный отбор, но существенный шаг вперед, больше приближающий нас к цели, чем полностью искусственная селекция биоморфов. Однако даже NetSpinner не воссоздает природный естественный отбор. Для того чтобы с помощью программы найти достаточно экономичные ловчие сети и выбрать наиболее пригодные для воспроизводства, требуется выполнить расчет. Программист должен сам определить стоимость “шелка” для данной паутины, причем в тех же единицах, что и ценность “мухи”. Он может, если захочет, изменить обменный курс. Например, удвоить “цену на шелк”. Тогда паутина большей площади или более плотная, на которую потратили больше шелка ради того, чтобы поймать больше мух, окажется менее пригодной для воспроизводства. Программист должен сам выбрать коэффициент пересчета. Это лишь один, самый очевидный пример конвертации. Коэффициент соответствия “мушиного мяса” вновь рожденным паучкам тоже должен задать программист. Он может быть любым. Сколько пауков погибает по разным причинам, не связанным с качеством паутины, также решает программист. Эволюция вида зависит от его волюнтаризма.
Рис. 2.13. (на стр. 86 и 87) Пятьдесят поколений эволюции трех демов компьютерных паутин, полученных половым размножением и выведенных “естественным отбором” в программе NetSpinner. В одиннадцатом поколении два генотипа из третьего дема мигрировали во второй дем, и теперь их можно использовать для перекрестного скрещивания (пути миграции показаны на рисунке стрелками).
В жизни ни одно из этих решений не принимается по чьей-либо воле. Это и не решения как таковые, и здесь не применяются компьютерные технологии. Просто так происходит, само собой и без лишнего шума. Плоть мух действительно превращается в плоть маленьких паучков с уже существующим коэффициентом перевода. Если нам хочется рассчитать его – имеем право. Превращение идет независимо от того, опишет ли кто-нибудь этот процесс в математическом виде или нет. Точно так же происходит преобразование мушиного “мяса” в паутинный шелк. В сущности, для NetSpinner все мухи равны. В живой природе иногда возникают – тоже сами собой и без шума – всякие непредвиденные трудности и неприятности. Помимо того, что одни насекомые крупнее других, есть еще и качественные различия. Предположим, для выработки паутинного шелка нужна какая-то аминокислота, и ее мало. Разные виды насекомых способны поставлять определенное количество этой аминокислоты. В таком случае истинную ценность насекомого следует рассчитывать с учетом его вида и массы. NetSpinner позволяет выполнить подобный расчет, но это будет очередное волевое решение. В природе это естественный процесс, не требующий специальных условий. Вот еще пример. Наверное, если запасы белка у паучихи почти восполнены, лишняя муха ей не так дорога, как если белка почти нет. Программа это игнорирует, а природа – нет. Можно было бы ввести в программу и поправку на насыщение. В жизни это делается автоматически. Никакие расчеты для этого не нужны.
К чему я клоню, настолько очевидно, что едва ли надо об этом говорить, но вместе с тем настолько важно, что нельзя не сказать. Всякий раз, когда в программу вносится новая реперная точка, которая усложняет расчет, квалифицированный программист должен добавить еще сколько-то страниц с кодами команд. В жизни, напротив, бросается в глаза отсутствие расчетов. Коэффициент перевода мушиного белка в белок паутины уже заложен в природе. Безо всяких вычислений ясно, что для голодного паука муха дороже, чем для сытого. Было бы странно, если бы для голодного паука пища значила бы меньше. Мы привыкли рассматривать компьютерную модель как упрощение реальной жизни. Но в некотором смысле компьютерная модель естественного отбора отнюдь не упрощает, а только усложняет реальные природные процессы.