Book: Восхождение на гору Невероятности



Восхождение на гору Невероятности

Ричард Докинз

Восхождение на гору Невероятности

Роберту Уинстону, хорошему доктору и хорошему человеку

Восхождение на гору Невероятности

© Richard Dawkins, 1996

© Ю. Плискина, перевод на русский язык, 2020

© А. Бондаренко, оформление, 2020

© ООО “Издательство АСТ”, 2020

Издательство CORPUS ®

Слово благодарности

В основу этой книги лег цикл рождественских лекций, которые я читал в Королевском институте Великобритании и которые показал канал ВВС под общим названием “Трудности роста во вселенной” (Growing Up in the Universe). Я отказался от этого названия, потому что с тех пор вышло уже не меньше трех книг почти с такими же заголовками. Более того, и моя книга выросла и изменилась, и было бы не совсем правильно считать ее сборником рождественских лекций. Тем не менее, я хочу поблагодарить директора Королевского института за оказанную мне честь присоединиться к славной когорте рождественских лекторов, которую некогда возглавил Майкл Фарадей. Я готовил лекции, будучи под впечатлением от Брайсона Гора из Королевского института, а также Уильяма Вулларда и Ричарда Мелмана из Inca Television, и в моей существенно трансформированной и разросшейся книге сохранились следы их влияния.

В книгу вошли не все главы, первые черновые варианты которых прочел и отрецензировал Майкл Роджерс; вняв его конструктивным замечаниям, я перестроил структуру книги. Фриц Фольрат и Питер Фукс консультировали меня по второй главе, Майкл Лэнд и Дэн Нильссон – по пятой. Когда я работал над рукописью, все четверо щедро делились со мной своими знаниями и опытом. Марк Ридли, Мэтт Ридли, Чарльз Симони и Лалла Уорд Докинз прочли окончательный вариант рукописи и не поскупились на здоровую критику и одобрительную поддержку, смешанные в правильной пропорции. Мери Каннейн из издательства W. W. Norton и Рави Мирчандани из Viking Penguin проявили поразительную терпимость и доброжелательность, пока книга росла, переливалась через край, вновь сокращалась и наконец уместилась в разумных границах. Где‐то на заднем плане постоянно дежурил Джон Брокман; он старался не вмешиваться, но всегда был готов подбодрить и прийти на помощь. Герои компьютеров часто остаются незаслуженно забытыми. В этой книге я использовал программы Питера Фукса, Тимо Кринка и Сэма Чокке. Тед Келер помог мне разработать и написать сложную программу для артроморфов. Когда я сам писал свою серию программ “часовщика”, мне очень помогли дельные советы Алана Графена и Алуна ап Ришарта. Сотрудники отдела зоологии и энтомологии Музея Оксфордского университета предоставили мне экспонаты и дали научные консультации. Джозин Мейер – на редкость изобретательный и трудолюбивый бильд-редактор. Рисунки (правда, не макет) сделала моя жена Лалла Уорд Докинз, и каждый из них наполнен ее верностью дарвиновскому учению о сотворении мира.

Я должен поблагодарить Чарльза Симони не только за то, что он великодушно предложил мне работу в журнале Public Understanding of Science, который я теперь представляю в Оксфорде, но и за его подход к искусству разговора о науке с широкой аудиторией, во многом совпадающий с моим. Не говорить свысока. Стараться показать всем и каждому поэзию науки и объяснять все настолько простым языком, насколько это возможно, чтобы не погрешить против истины, но вместе с тем не избегать трудных тем. А если слушатели готовы напрячь свой мозг ради того, чтобы разобраться в сложных вопросах, надо не пожалеть сил на дополнительные объяснения.

Глава 1

У подножия горы Рашмор

Недавно я прослушал лекцию об инжире. Лекцию не по ботанике, а по литературе. Смоковницы (фиговые деревья) широко представлены в литературе, связанные с ними метафоры в корне меняют наше представление о них – плод символизирует самую деликатную часть женского тела, а фиговый лист служит минималистской одеждой для нее, “фигой” называют оскорбительный жест, Д. Г. Лоуренс учил нас есть инжир красиво и аккуратно, весьма популярна тема социального конструирования фиги, “прочитывания фиги”, скорее даже “фиги как текста”. Под конец лектор выдвинул любопытный тезис. Он вспомнил библейский миф о том, как Ева уговорила Адама отведать плод с древа познания. Какой именно, в Книге Бытия не уточняется, отметил он. Принято думать, что это было яблоко. На самом деле – инжир, предположил лектор и этой скандальной новостью завершил свое выступление. В узких литературных кругах такого рода идеи не новы, но у меня это вызвало приступ педантизма. Оратору, очевидно, было известно, что ни садов Эдема, ни древа познания добра и зла никогда не существовало. Тогда что же он хотел сказать? Полагаю, у него было смутное ощущение, что “так или иначе”, “если допустить, что”, “в какой‐то степени”, “в некотором смысле”, “если можно так выразиться”, “не исключено, что” в Библии имеется в виду именно плод фигового дерева. Однако хватит об этом. Не будем придираться по мелочам и брать пример с Томаса Грэдграйнда, но наш вдохновенный докладчик слишком многое упустил из виду. Под сенью смоковницы таится масса парадоксов и глубокая поэзия с тонкими нюансами и чудесами, которые заставляют напрячься пытливый ум и вызывают прилив чувств в душе эстета. В этой книге я хочу занять такую позицию, которая позволила бы мне пролить свет на историю фигового дерева. Но это лишь одна из миллионов историй со сходными дарвиновскими грамматикой и логикой – хотя и одна из самых увлекательных и интригующих в общей картине эволюции. Предвосхищая главную метафору нашей книги, скажу вам, что фиговое дерево стоит на самой высокой точке горного массива Невероятности. Однако в конце экспедиции окажется, что этот высочайший пик покорить легче всего. Но прежде нам предстоит еще многое обсудить, составить целое мировоззрение, развить и объяснить его, решить множество головоломок и уладить множество противоречий.

Как я уже говорил, на самом глубоком уровне история фигового дерева повторяет историю всех живых существ на планете. Несмотря на некоторые внешние различия, все это вариации на тему ДНК и тридцати миллионов способов передачи ее по наследству. Попутно мы изучим принципы действия паутины и восхитимся мастерством пауков, которые сами не осознают своего таланта. Воспроизведем медленный, постепенный процесс эволюции крыльев и слоновьего хобота. Увидим, что глаз – сложнейший орган – на самом деле независимо эволюционировал в царстве животных сорок, а то и шестьдесят раз. Мы придумаем компьютерные программы в помощь своему воображению, чтобы нам было легче ориентироваться в огромном музее когда‐либо живших и умиравших созданий, а также всех их бесчисленных гипотетических родственников, которые даже не появились на свет. Мы будем бродить по горным тропам, издали поражаясь крутизне неприступной горы Невероятности, но все же неустанно высматривая другие, более пологие ее склоны. Проясним для себя аллегорический смысл горы Невероятности и многое другое. Для начала я должен четко сформулировать проблему природного псевдодизайна, его соотношения с дизайнерской деятельностью людей и случайностью. Этим мы и займемся в первой главе.

В лондонском Музее естественной истории хранится оригинальная коллекция камней, напоминающих привычные нам объекты и предметы – ботинок, руку, голову ребенка, утку, рыбу. Те, кто их сюда принес, были убеждены в том, что в таком сходстве есть некий смысл. Но природа обтесывает камни как придется, и неудивительно, что иногда тот или иной становится похожим на башмак или на утку. В музее собраны самые удивительные из всех камней, которые попались людям на глаза во время прогулок по окрестностям. Еще тысячи ничем не примечательных камней в хранилища не попали. Случайные совпадения форм в экспозиции забавны, но не несут никакого особого смысла. Считается, что контуры утеса на рис. 1.1 повторяют профиль покойного президента Кеннеди. Если вам об этом сказать, наверное, вы заметите слабое сходство с Джоном или с Робертом Кеннеди. Но сходство заметят не все, так что, пожалуй, это подобие возникло случайно. С другой стороны, разумного человека трудно убедить в том, что гора Рашмор в Южной Дакоте обрела очертания лиц президентов Вашингтона, Джефферсона, Линкольна и Теодора Рузвельта просто по прихоти природы. Нам и без комментариев ясно, что их высекли специально – под руководством Гутзона Борглума. Никакого случайного совпадения тут, очевидно, нет, присутствие человеческого разума бросается в глаза.

Гора Рашмор, в отличие от природного подобия скульптуры Кеннеди – и любого другого объекта, созданного атмосферными явлениями, вроде горы Св. Петра на Маврикии, – имеет одну характерную особенность: слишком уж много мелочей наводит на мысли об увековеченных в камне президентах, для того чтобы сходство могло быть случайным. Напротив, профиль Кеннеди прослеживается в контурах скалы на рис. 1.1 только под определенным углом обзора и при определенном освещении. Да, один уступ мог под влиянием дождей и ветров обрести форму носа, а два других – осыпаться так, чтобы их можно было принять за губы, если смотреть с нужной стороны. Такие совпадения вполне вероятны, особенно если фотограф использует все доступные ракурсы, из которых только один даст нужный результат, и надо еще учесть (позже я вернусь к этому факту), что человеческий мозг настроен видеть лица, он ищет их повсюду. Но Рашморский мемориал – совсем другое дело. Там все четыре головы явно созданы по замыслу человека. Скульптор представил себе их, нарисовал на бумаге, тщательно промерил гору, и бригада рабочих, вооружившись пневмоперфораторами и взрывчаткой, под его руководством выточила лица высотой 18 м каждое. Непогода, может, и не хуже динамита, но из всех возможных вариантов ее воздействия на камень ничтожно мало таких, которые позволили бы достичь сходства с четырьмя конкретными человеческими лицами. Даже если бы мы ничего не знали о происхождении Рашморского мемориала, можно было бы смело делать ставки против того, что стихия случайно изваяла четыре головы – столь же невероятно сорок раз подбросить монетку так, чтобы все сорок раз выпала решка.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.1. Чистая случайность. Очертания скалы на Гавайских островах напоминают профиль Джона Кеннеди.


На мой взгляд, ясно – по крайней мере, в принципе, пусть и не всегда на практике, – чем отличается случайное от задуманного, однако в этой главе мы рассмотрим объекты третьего типа, которые труднее отсортировать. Назовем их дизайноидами. Это живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Дизайноиды настолько похожи на спроектированные объекты, что очень часто – к сожалению, чуть ли не всегда – их принимают за творение чьего‐то разума. Это ошибка. Хотя, конечно, такие объекты не возникают спонтанно. На самом деле они появились отнюдь не случайно, что создает полную иллюзию конструирования.

На рис. 1.2 показана живая скульптура. Обычно жуки не похожи на муравьев. Поэтому, глядя на жука, очень похожего на муравья, я резонно полагаю, что это неспроста, тем более, если он выбирает для обитания муравейник. Близкий родственник обычных садовых жуков, он выглядит и передвигается, как муравей, да и живет с муравьями в муравейнике. Брюшко у него точь‐в-точь муравьиное. Сходство любой реалистичной скульптуры с моделью случайным не бывает. Должно быть другое объяснение, кроме “так вышло”. Какое же? Если все жуки, внешне очень похожие на муравьев, обитают в муравейниках или, по крайней мере, в тесном соседстве с муравьями, может, последние выделяют какие‐нибудь химические вещества или микроорганизмы, которые передаются жукам и воздействуют на их развитие? Нет, истина кроется совсем в другом – в дарвиновском естественном отборе, и позднее мы еще к этому вернемся. Сейчас достаточно того, что мы уверены: подобное сходство и прочие примеры “мимикрии” далеки от случайных совпадений. Либо так было задумано, либо некий процесс породил то, что кажется нам созданным по плану. Мы рассмотрим и другие примеры мимикрии в животном мире, но вопрос о причинах такого сходства пока оставим открытым. Только что описанный случай показывает, на что способно тельце жука “в стремлении уподобиться” насекомому иного вида. Однако давайте взглянем на существо с рисунка 1.3b. Вроде бы это термит. Для сравнения, настоящий термит изображен на рис. 1.3а. Особь с рис. 1.3b – насекомое, но не термит. На самом деле это жук. Должен сказать, видал я и более похожие экземпляры – взять хотя бы “муравьиноподобного” жука из предыдущего эпизода. Здесь “жук” только чуть‐чуть странный. Его ножки будто без суставов, словно маленькие скрученные воздушные шарики. Поскольку у него, как у всех насекомых, ножки с члениками, можно было бы рассчитывать на более удачную имитацию термита с нормальными ножками. Где же кроется разгадка? Почему он больше напоминает раздутое чучело, чем живое насекомое с типичными конечностями? Ответ дает рисунок 1.3с, и это один из самых удивительных примеров в живом мире. Так выглядит термитоподобный жук сбоку. Его настоящая голова, чрезвычайно маленькая (видны глаза рядом с обычными членистыми антеннами), соединяется с грудным отделом изящного тельца, опирающимся на три пары типичных для членистоногого насекомого ног, с помощью которых он и перемещается. Решающую роль в исполнении этого фокуса играет брюшко. Оно загибается назад и, словно зонтик, прикрывает голову, туловище и конечности. “Термит” образуется как раз из задней (анатомически) половины брюшка жука. То, что мы принимаем за голову “термита”, – на самом деле задний кончик его брюшка. Его “конечности” и “антенны” формируются из уплощенных выростов на брюшке. Неудивительно, что он не дотягивает до уровня мимикрии своего муравьиноподобного сородича с предыдущего фото. Кстати, жуки-“термиты” обитают в термитниках и в основном ведут паразитический образ жизни, как и муравьиные жуки в муравейниках (рис. 1.2). Если принять во внимание то, с каким материалом работает жук-термит, он представляется более искусным имитатором, нежели муравьиный жук, несмотря на менее точное сходство с моделью. Дело в том, что муравьиноподобный жук подстраивает каждый фрагмент своего организма под соответствующий фрагмент муравьиного тельца, а “термит” видоизменяет только один свой отдел – брюшко – так, что он напоминает всего термита целиком.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.2. Неслучайное, хотя и не запланированное, сходство. Жук, который мимикрировал под муравья, Labidus praedator (а) и муравей, Mimeciton Antennatum (b).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.3. (а) Настоящий термит, Amitermes hastatus; (b) жук, который мимикрировал под термита, Coatonachthodes ovambolandicus; (с) вот в чем секрет фокуса.


Одна из моих любимых “скульптур” в живой природе – тряпичник (рис. 1.4). Эта рыба из породы морских коньков напоминает плоский лист крупного подводного растения. Такая форма обеспечивает тряпичнику безопасность, так как он обитает среди морских водорослей, где его трудно разглядеть. Для простой случайности он притворяется водорослью слишком мастерски. Тут уместнее вспомнить Рашморский мемориал, а не скалу Кеннеди. Я думаю так потому, что, во‐первых, обманчивая внешность часто производит на нас сильное впечатление, а во‐вторых, у рыб обычно не бывает выступающих органов, которые придавали бы им такие формы. В этом отношении уловка тряпичника сравнима скорее с мимикрией не муравьиного жука, а жука-“термита”.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.4. Камуфляж как искусство. Самка тряпичника, Phycodurus eques, Австралия.


До сих пор мы говорили о тех объектах, которые кажутся нам слепками с оригинала, что, как мы понимаем, при столь поразительном сходстве нельзя объяснить случайностью. Уж очень морские коньки-тряпичники и муравьиноподобные жуки напоминают творение рук скульптора-копииста. Но люди создают не только статуи. В других артефактах человеческой деятельности нас интересует не детальное сходство с чем‐то еще, а их функциональность. На самолете можно летать. В кувшин можно налить воды. Ножом можно резать.

Если бы вы учредили премию за камни с естественными острыми, как лезвие ножа, краями и за те, которые можно использовать как графин, вероятно, вам прислали бы несколько неплохих заменителей этих предметов обихода. Многие осколки кремня имеют достаточно острые края, и на каменоломне и осыпи легко найти удобный природный ножик. Среди камней, обработанных ветрами и водой, можно подобрать экземпляр с выемкой, пригодной для хранения жидкостей. Иногда кристаллы нарастают вокруг полого, пусть и бугристого шара, и если расколоть его надвое, получатся две круглые чаши. Такие камни имеют специальное название – жеоды. Я приспособил жеоду под пресс-папье у себя в кабинете, а если бы ее внутренняя поверхность была поровнее и ее проще было бы вымыть, я и пил бы из жеоды. Естественные сосуды менее практичны, чем сделанные людьми, и мы можем придумать единицу измерения для количественной оценки их коэффициента полезного действия (КПД). КПД – это некая мера полезного результата, деленная на затраты. Полезность сосуда можно измерять объемом вмещающейся в него воды. Затраты удобно измерять в эквивалентных единицах – как количество материала самого сосуда. Тогда КПД – это объем налитой в сосуд воды, деленный на объем материала, который нужен для изготовления сосуда. Полый камень с моего письменного стола вмещает 87,5 мл воды. Объем самого камня (я измерил его методом погружения, основанным на известном открытии Архимеда) составляет 130 мл. Таким образом, эффективность моего “сосуда” примерно равна 0,673. Это крайне невысокий коэффициент полезного действия, но чему тут удивляться – камни и не предназначены для хранения воды. Просто в этот можно налить воду. Точно так же я посчитал КПД бокала для вина, и он оказался около 3,5. Еще более эффективной емкостью оказалась серебряная кружка моего друга. В нее можно налить 250 мл воды, а серебро, из которого она сделана, выместило всего 20 мл. То есть ее КПД достигает значения 12,5. Не все сосуды, созданные людьми, столь же практичны, если оценивать их по такому критерию. В толстостенную чашу из кухонного буфета помещается 190 мл воды, и на нее ушел кусок мрамора объемом 440 мл. Ее КПД – всего 0,475, даже меньше, чем КПД жеоды, которую никто специально не создавал. Как такое возможно? Ларчик открывается просто. Эта мраморная чаша – на самом деле ступка. Она не рассчитана на то, чтобы из нее пили воду. Это приспособление для измельчения специй и других продуктов вручную с помощью пестика – массивной палочки, которая в процессе работы давит на внутренние стенки ступки. Бокал не может служить ступкой: треснет под нажимом. Если емкость задумана как ступка, наш метод определения КПД не годится. Мы должны выбрать какой‐то другой показатель соотношения полезности и затрат с учетом прочности на разбивание пестиком. В таком случае можно ли считать естественную жеоду удачно сконструированной ступкой? Не исключено, что она выдержит тест на прочность, но попробуйте что‐нибудь в ней растереть, и вы быстро поймете, что зернышки, застрявшие в мелких кавернах, не попадают под пестик, то есть ее неотшлифованная, бугристая внутренняя поверхность только мешает. Придется скорректировать метод расчета КПД ступки и добавить какой‐то критерий гладкости внутренней поверхности. О том, что мою ступку спроектировал дизайнер, можно судить и по другому признаку – безупречно круглому горизонтальному сечению в сочетании с аккуратно сглаженными краями и цоколем, что отчетливо видно, если смотреть на нее сбоку.



Можно задать критерий для измерения КПД ножа, и осколки, найденные на каменоломне, несомненно, будут уступать не только стальным лезвиям Sheffield, но и красивым плоским камешкам из музейной коллекции, которая относится к африканскому позднему каменному веку. Есть еще одно обстоятельство, которое делает сосуды и ножи, возникшие сами собой в дикой природе, менее практичными, чем наши обычные инструменты. В поисках одного достаточно острого каменного “ножика” или пригодного для употребления естественного сосуда надо отсортировать колоссальную массу бесполезной породы. По-честному, отмеряя объем воды в сосуде и деля его на объем камня или глины, из которых сосуд сделан, мы должны учесть в знаменателе затраты на отходы материала. Для сосуда, изготовленного на гончарном круге, этими дополнительными затратами можно пренебречь. Если предмет выточен из камня, стоимость отходов ощутима, но не велика. Для природной чашки или ножа – случайной находки – непроизводительные затраты огромны. В основном камни не имеют режущих краев и больших выемок. Производство, где используются только “находки”, а не специально разработанные инвентарь и оборудование, возможно, окажется нерентабельным и погибнет под терриконами пустой породы. Конструирование гораздо выгоднее собирательства.

Теперь давайте обратимся к “дизайноидам” – природным объектам, которые напоминают плод фантазии дизайнера, хотя и обрели свой вид в результате совершенно иных процессов, – и начнем с псевдодизайнерских чаш. Саррацению (рис. 1.5) можно отнести к сосудам, но по сравнению с бокалом, который я обмерял, и уж тем более с серебряной кружкой она выстроена “экономично” и пропорционально. Она выглядит, словно сделанная умным мастером не только для того, чтобы наливать в нее воду, но и чтобы приманивать и поедать насекомых. Насекомые не в силах сопротивляться магии ее нежного аромата. Запах в сочетании с чарующим цветным узором влечет их к верхушке кувшинчика. Там насекомые попадают на предательски гладкую – слишком гладкую для случайного совпадения – и почти отвесную стенку, выстеленную направленными вниз волосками, что уменьшает шансы жертв на победу в последнем бою. На дне темного жерла, куда они падают – а падают почти все, – не просто вода, в которой можно утонуть. Мой коллега, доктор Барри Джунипер, поведал мне удивительную историю, и я коротко перескажу ее вам. Поймать насекомое – это еще полдела, ведь у растения-кувшинчика нет челюстей, мышц и зубов, чтобы измельчить добычу до состояния, необходимого для переваривания пищи. Возможно, растения могли бы отрастить зубы и накачать мускулы, но они нашли более легкий выход. Вода в кувшинчике – прибежище для личинок мух и прочих существ. Они обитают только в закрытых “водоемах”, которые образуются в цветках саррацении, и вот у них‐то, в отличие от растения, есть челюсти. Они становятся соучастниками убийства – заглатывают невезучих насекомых и с помощью своих ротовых органов и пищеварительных соков перерабатывают их. Саррацении достаются продукты разложения и секрет, которые впитываются во внутреннюю оболочку кувшинчика.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.5. Псевдодизайнерский сосуд саррацении Nepenthes pervillei, Сейшельские острова.


Саррацения не только пассивно пользуется помощью личинок, плавающих в ее личном пруду. В ответ она оказывает им огромную услугу. Анализ воды из кувшинчика выявит один крайне любопытный факт. Она вовсе не вонюча, как можно было бы ожидать от застойного болотца, а на удивление насыщена кислородом. Без кислорода личинки, от которых зависит жизнь саррацении, захиреют, но откуда он берется? Кислород вырабатывает сама саррацения, она словно создана для насыщения воды кислородом, о чем говорит множество признаков. В клетках внутреннего слоя кувшинчика больше вырабатывающего кислород хлорофилла, чем в клетках внешней поверхности, обращенной к свету и воздуху. Этот неожиданный с точки зрения простого здравого смысла поворот вполне закономерен: клетки внутренней оболочки направленно снабжают кислородом воду в кувшинчике. Саррацения пользуется чужими челюстями не задаром – за наемный труд она расплачивается кислородом.

Различные ловушки – естественные “конструкторские разработки” – встречаются в природе довольно часто. Венерина мухоловка, столь же тонко устроенная, как и саррацения, располагает усовершенствованными подвижными органами. Несчастное насекомое касается чувствительных волосков растения и тем самым приводит в действие механизм западни – цветок аккуратно захлопывает свою пасть. Все видели паутину – самый распространенный тип ловушек в царстве животных, и в следующей главе мы отдадим ему должное. Аналог паутины в подводном мире – сети, которые плетут личинки ручейника. Эти речные жители славятся еще и искусством строить себе домики. Ручейники используют камешки, палочки, листики и крошечные ракушки.

Повсюду в мире можно увидеть конические воронки муравьиных львов. Всего‐то личинка сетчатокрылой мухи, а сколько страха нагоняет! Муравьиный лев сидит в засаде, слегка присыпавшись песком на дне ямки, и ждет, когда муравьи или другие насекомые упадут в нее. Ямка имеет форму почти правильного конуса, и жертве очень трудно из нее выбраться, но это не замысел строителя, а результат действия физических законов, которые работают на муравьиного льва. Резкими движениями головы он перебрасывает песок со дна ямки через ее краешек. Песок осыпается, как в песочных часах, и образуется ровный конус с крутыми, как и было задумано, склонами.

Рис. 1.6 возвращает нас к кувшинчикам и прочим емкостям. Многие одиночные осы откладывают яйца на тело своей жертвы – оса парализует ее жалом и затаскивает в гнездо. Затем запечатывает вход, так чтобы его нельзя было найти, и личинка питается жертвой, пока не превратится во взрослую крылатую особь и не завершит цикл. Большинство видов одиночных ос роет норы в земле. Некоторые прячут вылепленные из глины гнезда высоко в кронах деревьев (рис. 1.6а). Как и цветок саррацении, такой “горшочек” успешно выдержал бы наш тест на практичность для псевдомоделей. Одиночные пчелы тоже устраивают гнезда в дуплах, однако кормят своих личинок пыльцой, а не животной пищей. Среди пчел есть и каменщики (они принадлежат к роду Osmia). Домик, показанный на рис. 1.6b, выстроен не из глины, а из мелких, схваченных цементирующим веществом камешков. Образец, показанный на фото, помимо сходства с функциональным человеческим жилищем отличается еще одним весьма удивительным свойством. Вы видите только один кувшинчик, но на самом деле их четыре. Три из них скрыты под слоем затвердевшей глины, практически не отличимого от скалы. Ни один хищник не найдет маленькую личинку, которая подрастает в гнезде. Моему коллеге Кристоферу О’Тулу однажды посчастливилось увидеть такой кластер в Израиле, но лишь потому, что пчела не закончила строительство последнего кувшинчика.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.6. “Керамика” насекомых-“гончаров”: осы-отшельницы (а) и одинокой пчелы (b).


Для осиных и пчелиных горшков характерны все признаки дизайнерской работы. В данном случае, в отличие от кувшинчика саррацении, их и впрямь лепили умелые лапы, пусть “мастера” и не отдавали себе в том отчета. На первый взгляд, гнезда наездника и одиночной пчелы больше походят на рукотворные гончарные изделия, нежели кувшинчик саррацении. Но ни оса, ни пчела не занимаются осознанным конструированием своих гнезд. Несмотря на то, что эти формы из глины или из камешков создаются в результате жизнедеятельности насекомых, последние и сами в процессе эмбрионального развития претерпевают примерно такие же изменения. Звучит непонятно, но я поясню, если позволите. Нервная система живой осы развивается так, что ее мышцы, конечности и челюсти движутся скоординированно по определенной схеме. Совершая движения по часовой стрелке, конечности собирают глину и формируют горшочек. Едва ли насекомое понимает, что делает, зачем и почему. Оно не помышляет о создании произведения искусства, специального контейнера или детской комнаты. Его мышцы просто движутся согласно сигналам, которые передает им нервная система, а в итоге получается кувшинчик. Форма кувшинчика не есть плод творческой воли насекомого, поэтому мы решительно относим осиные и пчелиные гнезда не к подлинным, а к псевдодизайнерским моделям (дизайноидам), хотя и восхищаемся ими. Честно говоря, я не знаю наверняка, присущи ли осам творческая фантазия и конструкторские навыки или нет. В любом случае, мое объяснение приемлемо, и этого достаточно. То же самое можно сказать и о птичьих гнездах и домиках (рис. 1.7), о ловчих камерах ручейников, но только не о барельефах горы Рашмор и не о технических методах их создания – они как раз сделаны по проекту.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.7. Мастера псевдодизайна. Гнезда птиц ткачика (а) и портнихи Orthotomus sutorius (b).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.8. Высотки насекомых ориентированы с севера на юг. Строения австралийских компасных термитов.


Известный австрийский зоолог Карл фон Фриш, который открыл язык танца пчел, однажды написал: “Если на мгновение представить себе термитов ростом с человека, их самые крупные башни, увеличенные пропорционально, были бы высотой в милю, в четыре раза выше нью-йоркского Эмпайр Стейт Билдинг”. Небоскребы, показанные на рис. 1.8, соорудили австралийские термиты вида Amitermes meridionalis. Они еще называются компасными термитами за то, что их термитники всегда ориентированы с севера на юг, и заблудившиеся путники могут определять по ним стороны света – как, между прочим, и по спутниковым тарелкам, которые в Великобритании почти всегда смотрят на юг. Для термитов важно, чтобы на широкую, плоскую стенку термитника солнце попадало ранним утром и во второй половине дня. Зато узкий край обращен на север, то есть защищен от полуденного зноя, так как в южном полушарии солнце в полдень светит с северной стороны. Резонно предположить, что термиты сами нашли такое хитроумное решение. Но строительные технологии термитов осмысленны в той же степени, в какой созданы с умыслом их конечности и челюсти. Ни то, ни другое не было смоделировано. И то, и другое – дизайноиды.

Термитники, трубки ручейников, птичьи и пчелиные гнезда – все эти потрясающие атрибуты животного мира занимают в ряду дизайноидов особое место и представляют собой любопытнейшие объекты. Под словом “дизайноид” прежде всего подразумеваются сами живые организмы и их части. Живые организмы формируются в результате сложного процесса развития эмбрионов, а не ловкой работы рук, клювов или челюстей. Любители раскладывать все по полочкам могут назвать такие объекты, как осиное гнездо, “дизайноидами второго порядка” и поместить их между истинными моделями и дизайноидами, но, по‐моему, это только нас запутает. Следует признать, что глиняное гнездо-кувшинчик оформилось благодаря движениям конечностей, похожим на движения рук гончара. Но предпосылки создания “моделей” со всей их красотой и практичностью для решения конкретных задач совершенно разные. Человек включает свою творческую фантазию и рисует образ будущего кувшина у себя в голове или копирует модель, придуманную другим мастером. Кувшинчик осы обретает свою эстетичную форму и становится пригодным для определенных целей совсем иначе – точно по такой же схеме, по какой обретает свои очертания и функциональные особенности тело самой осы. Когда мы перейдем к обсуждению живых организмов как дизайноидов, это станет яснее.

И работу дизайнера, и подобную ей псевдомодель мы узнаем по очевидному сходству объектов. Профили на горе Рашмор явно вытесаны по замыслу художника, это скульптурные портреты президентов. Точно так же неслучайно сходство морских коньков-тряпичников с листьями подводных растений. Но помимо способов маскировки жука-“муравья” или насекомого, которое старается прильнуть к ветке дерева, в живой природе можно найти множество других удивительных примеров мимикрии. Мы нередко поражаемся степени сродства живого объекта и сделанной человеком вещи, которая выполняет те же функции. Всем известное подобие человеческого глаза и фотокамеры не нуждается в дополнительных комментариях. Лучшие инженеры – это те, кому квалификация позволяет разобраться в строении организмов животных и растений, ибо механизм, будь то машина или созданный природой дизайноид, работает эффективно, если он подчиняется определенным законам.

Зачастую живые организмы конвергируют к одной и той же форме тела не потому, что имитируют друг друга, а потому что данная форма независимо выгодна каждому из них. Ёж и тенрек (рис. 1.9) настолько похожи, что, казалось бы, нет никакого смысла рисовать обоих. Эти достаточно близкие родственники принадлежат к отряду насекомоядных. Впрочем, судя по другим признакам, они выработали свой колючий характер явно независимо друг от друга и, видимо, по одной и той же причине – иголки служат им защитой от хищников. Оба они очень напоминают землеройку, которая состоит с ними в гораздо более близком родстве, чем другие животные с игольчатым покровом[1]. На рис. 1.10 приведен другой пример. Многие животные и рыбы, которые быстро плавают вблизи поверхности воды, имеют сходную форму тела. Как сказал бы инженер, у них обтекаемый силуэт. На рисунке изображены дельфин (млекопитающее), ихтиозавр (вымершая рептилия, которую можно считать эквивалентом дельфина среди рептилий), марлин (костистая рыба) и пингвин (птица). Это называется конвергентной эволюцией.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.9. Животные с одинаковыми потребностями зачастую больше похожи друг на друга, чем на своих ближайших родственников. Алжирского ежа, Erinaceus algirus (а), и землеройкового ежа, Neotetracus sinensis (b), связывает близкое родство. Большой ежовый тенрек, Seifer setosus (c) – кузен длиннохвостого тенрека, Microgale melanorrachis (d).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.10. Конвергентная эволюция: независимое развитие обтекаемых форм. (а) Афалина, Tusiops truncates; (b) Ichthyosaurus; (c) синий [атлантический голубой] марлин, Makaira nigricans; (d) галапагосский пингвин, Spheniscus mendiculos.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.11. Многоножки Cylindroilus punctatus спариваются в миссионерской позе.


Далеко не всегда стоит делать какие‐то выводы из внешнего сходства объектов. Многоножки с рис. 1.11 вызовут умиление у сторонников миссионерской позы в постели (среди коих есть и не миссионеры), которые ратуют за секс лицом к лицу как якобы более человечный. Если мы и называем это конвергенцией, то она явно не связана со сходными потребностями упомянутых организмов. Скорее всего, дело в том, что количество способов расположения относительно друг друга тела самки и самца ограничено, и существует огромное количество причин, по которым может зафиксироваться один из них.

Тут мы замыкаем круг и возвращаемся к первоначальной теме чистой случайности. Иногда живые существа могут сильно напоминать те или иные объекты, однако не до такой степени, чтобы мы заподозрили какую‐то закономерность. Красное пятно на грудке лусонского куриного голубя вызывает иллюзию смертельной раны, но вряд ли это что‐либо означает. Случайно и сходство морского кокоса с женскими ягодицами (рис. 1.12а). Всегда найдется масса причин, чтобы заметить сходство – подобно тому, как мы вычерчиваем профиль Кеннеди в горном массиве. Кровавая рана на грудке голубя – всего лишь пучок красных перьев. Более сильное впечатление производит кажущаяся “мимикрия” морского кокоса. Тут уже не одна характерная примета, а две или три. Можно даже углядеть лобковые волосы. Но креативный человеческий мозг склонен всюду находить совпадения, особенно с самыми привлекательными частями тела. Думаю, это и происходит, когда мы разглядываем морской кокос и узнаем лицо Кеннеди в очертаниях скалы.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.12а. Случайное совпадение форм в природе: морской кокос.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 1.12b. Случайное совпадение форм в природе: бражник “мертвая голова”, Acherontia atropos.


Ту же картину мы наблюдаем в случае с бабочкой из семейства бражников, которую называют “мертвая голова” (рис. 1.12b). Наш мозг прямо‐таки одержимо ищет сходство с лицами, на чем основана одна из самых эффектных иллюзий, хорошо знакомая психологам. Если вы возьмете обычную карнавальную маску, обратив ее внутренней стороной к другому человеку и подставив сзади фон, так чтобы глаза четко выделялись, скорее всего, ваш оппонент увидит нормальное лицо. Если затем вы начнете медленно поворачивать маску из стороны в сторону, последует весьма странное явление. Не забудьте, что мозг наблюдателя “думает”, что видит лицо, хотя на самом деле перед ним вогнутая маска. Когда маска наклоняется влево, согласовать информацию, которая передается от глаз маски, с тем, что мозг воспринимает маску как лицо, можно только предположив, что оно движется в противоположном направлении. Это и есть обман зрения. Кажется, будто лицо поворачивается в направлении, противоположном реальному направлению вращения.



Скорее всего, и “лицо” бражника “мертвая голова” ничего не выражает. Однако я должен добавить, что Роберт Трайверс, один из самых авторитетных ученых в области теории эволюции, ныне работающий в Ратгерском университете в Нью-Джерси, полагает, что маски на спинке насекомых – это результат их стремления напугать потенциальных хищников – например птиц; мы трактуем рисунок бабочки как человеческое лицо, но с тем же успехом это может быть обезьянья морда. Может, он и прав, и в таком случае я должен отнести этот пример к рубрике “дизайноиды”. То же самое, хотя и по другой причине, можно сказать и про японского краба-самурая, еще одного имитатора “с человеческим лицом”. Рисунок на его панцире напоминает – надо сказать, даже слишком напоминает – лицо разъяренного японского воина. По легенде, много веков назад японские рыбаки, как и все люди, склонные в любом узоре находить знакомые черты, разглядели на спине некоторых крабов намек на лицо. Из суеверия или из уважения к такому образу рыбаки не хотели губить крабов, похожих на людей – тем более, наверное, на самураев, – и отпускали их обратно в море. Благодаря этим верованиям и антропоморфному рисунку было спасено много крабьих жизней, и в результате потомство крабов с наиболее четко выраженной специфической “гуманоидной” окраской составляло непропорционально большую часть каждого следующего поколения. Таким образом, в каждом следующем поколении усиливалось сходство рисунка с человеческим лицом.

Обдумывая, как бы найти подходящий каменный нож, мы сошлись на том, что лучше всего было бы внимательно осмотреть все камни в мире и отбросить тупые – каковых наверняка окажется подавляющее большинство. Походите по каменистым осыпям и карьерам, и вам наверняка попадется камень не только достаточно острый, но и с более или менее удобной ручкой. Мы не погрешим против истины, если скажем, что в фармацевтической отрасли так и происходит – огромное множество веществ синтезируют наугад, прежде чем отобрать для тестирования те немногие, что, может быть, окажутся действенными. Однако мы пришли к выводу, что добывать себе орудия труда путем поисков крайне нерационально. Куда разумнее обтесать или заточить подходящий материал – камень или сталь. Но живые объекты с признаками моделирования – так называемые дизайноиды – возникают иначе. В конечном итоге они формируются в процессе, который гораздо ближе к изыскательскому, хотя по основным признакам отличается от поиска как такового.

У камня есть еще одно, возможно, не самое важное свойство, но давайте все же поговорим о нем и о его следствиях. У камней не может быть потомков. Похожие на них дети, если бы они родились, унаследовали бы от родителей способность иметь детей. Это означает, что в следующих поколениях у них были бы внуки и правнуки. Вы скажете, что это умозрительные рассуждения? Не совсем. Позвольте обратить ваше внимание на другие объекты, тоже острые по случайному стечению обстоятельств, но способные производить потомство.

Жесткие края плоских листьев тростниковых растений довольно острые. Вероятно, это непредвиденный побочный эффект развития других свойств листа. О тростниковый лист можно серьезно пораниться, но он не настолько хорошо заточен, чтобы это могло показаться нам преднамеренным. Конечно, попадаются листья более острые, чем другие, и можно обшарить берег в поисках самого травмоопасного листа. С этого момента камни нам больше не нужны. Вы сможете не только резать своим тростниковым ножом, но и выращивать ему подобные! Или разводить другие растения, которые вы нарвали себе на ножи. Cамым острым обеспечьте возможности для перекрестного опыления, тупые уничтожьте – делайте что хотите, но следите за тем, чтобы растения с наиболее острыми листьями размножались как можно лучше. Не сразу, поколение за поколением. Со временем вы увидите, что одни листья режут хорошо, другие похуже, но в среднем тростник стал острее. Возможно, за сто поколений вам удастся вывести вполне качественную бритву. Если вы поставите своей целью добиться не только остроты, но и жесткости растительного “лезвия”, то вы рискуете рано или поздно нечаянно перерезать себе глотку. В известном смысле вы не сделали ничего – не пилили и не строгали, не лепили из глины, не затачивали инструмент, а просто искали объект с нужными свойствами и нашли самый подходящий. Острые листья отобрали, мягкие выбросили. Камни с режущим краем вы тоже находили, но во втором случае есть одно существенное отличие – это кумулятивный процесс. Камни не дают потомства, в то время как листья – точнее, растения – порождают другие листья. Обнаружив в очередном поколении самое острое лезвие, вы не просто пользуетесь им, пока оно не затупится. Вы добиваетесь воспроизводства и передачи его лучших качеств следующим поколениям, усиливаете их и тем самым извлекаете дополнительную выгоду. Это бесконечный накопительный процесс. Вы по‐прежнему занимаетесь только поисками, но поскольку генетические механизмы наследования обеспечивают кумулятивный (накопительный) эффект, т. е. дальнейшее развитие признака, лучший образец из более позднего поколения лучше самого лучшего образца из предыдущего поколения. Как мы узнаем в третьей главе, это и подразумевается под восхождением на гору Невероятности.

Рецепт выведения тростника с улучшенными режущими свойствами – выдумка, которая помогла нам обрисовать проблему. Все растения на рис. 1.13 происходят от одного вида – дикой капусты, Brassica oleracea. Это ни на что не похожее растение на самом деле и капусту напоминает слабо. Люди довольно быстро модифицировали его в несколько совершенно разных огородных растений. То же самое произошло с собаками (рис. 1.14). Хотя гибриды собак с шакалами и собак с койотами и существуют, в настоящее время большинство ученых полагает, что предками домашних собак всех пород были волки (вверху слева), жившие, вероятно, несколько тысяч лет назад. Человек словно бы использовал волчью плоть в качестве глины. Конечно, никто не месил и не формовал волков в буквальном смысле, чтобы вылепить себе гончую или таксу. Люди сделали это путем кумулятивного (накопительного) поиска – или, если оперировать более привычными терминами, селекционного скрещивания и искусственного отбора. Заводчики гончих нашли особей с качествами гончих собак чуть выше среднего. Получили щенков от них, отобрали лучших из одного помета, и так далее. Безусловно, в реальности все было не так примитивно, и заводчики не представляли себе заранее, как должен выглядеть пес современной гончей породы. Может, им просто понравился экстерьер, который мы теперь видим у гончих собак, а может, эти внешние физические данные сформировались спонтанно при попытках добиться каких‐то других качеств, например, способности гнать зайцев. Но будь то гончая, такса, датский дог или бульдог, процесс их выведения скорее напоминал поиск, а не лепку. Впрочем, все‐таки не только поиск, так как от поколения к поколению происходило кумулятивное усиление тех или иных свойств. Вот почему я называю это кумулятивным поиском.


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.


Восхождение на гору Невероятности

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:

Восхождение на гору Невероятности
. 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.


Восхождение на гору Невероятности

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.


Восхождение на гору Невероятности

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.

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.


Восхождение на гору Невероятности

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.

Далее, для того чтобы добыча не ускользнула, паутина должна быть липкой. Нитяные спирали покрыты особым веществом, а не просто влагой. Оно тоже клейкое. Всего одно касание – и насекомому не вырваться на свободу. Но пауки добиваются этой клейкости разными способами. Есть особенная группа так называемых крибеллятных пауков, которые вытягивают из крибеллума – специальной пластины с отверстиями протоков паутинных желез, образовавшейся за счет слияния паутинных бородавок, – нить в несколько сложений. Затем паук пропускает многопрядную нить через гребни прядильных щетинок, расположенных на предлапках четвертой пары ног, и таким образом прочесывает ее. Такая “чесаная” многоволоконная пряжа разбухает и превращается в толстый слой путаной массы (рис. 2.4). Невооруженным глазом переплетения не разглядеть, но для ножек насекомого это серьезное препятствие. Чесаные “крибеллятные” нити действуют так, как если бы они были клейкими – подобно тем, которые мы уже обсуждали. Просто эффект прилипания достигается другими средствами. У крибеллятных пауков есть одно преимущество. Их паутина долго остается липкой. Если паук не имеет органов для “чесания” нити, а выделяет клей, он вынужден каждое утро обновлять свою ловчую сеть. Невероятно, но факт – на восстановительные работы уходит менее часа; когда имеешь дело с естественным отбором, дорога каждая минута.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.2. Бусины на шелковой нитке паутины.

Рис. 2.3. Увеличенное изображение одной бусины – внутри виден клубок нити, и бусина в целом работает как “лебедка”.

Рис. 2.4. Один из способов придать паутине липкость: крибеллятные пауки прочесывают и распушают нити.


Однако липкость нитей приводит к новой, довольно курьезной проблеме. Если ловчая сеть сделана на совесть и насекомое попадается в плен – неважно, прилипает ли к паутине или запутывается в ней, – то и самому пауку надо как‐то изловчиться и не оказаться там же. Пауки не обладают неуязвимостью волшебников, но в ходе эволюционных трансформаций нашлось комплексное решение вопроса, как избежать участи террориста-смертника. Ноги паука, выделяющего клей, смазаны особым маслом, которое не дает ему прилипнуть. Это было доказано на опыте – паука окунули лапками в эфир, смыв масло и тем самым лишив его защиты. Некоторые пауки взяли на вооружение другой метод – отдельные нити, а именно радиальные, отходящие от центра паутины, остаются нелипкими. Самка паука бегает только по этим главным дорожкам, обхватывая тоненькие нити крошечными клешнями, расположенными на концах специальным образом модифицированных ног. Вообще‐то самцы тоже плетут паутину, а на стр. 65 я попытаюсь оправдать свой сексизм. Липкие спирали, которые закручиваются по кругу над эстакадой из радиальных линий, паучиха не затрагивает. Это для нее несложно, ибо она, как правило, сидит, выжидая, в самой гуще паутины, кратчайший путь откуда до любой точки паутины все равно пролегает по радиусу.

Давайте теперь вернемся к тем реальным задачам, которые решают пауки в процессе создания паутины. Все пауки разные, и там, где это имеет значение, я выберу в качестве типичного примера знакомого нам крестовика Araneus diadematus[3]. В первую очередь мы – то есть пауки – должны умудриться перекинуть первую нить через то пространство, где планируется сплести паутину, например от дерева до камня. Если начальная, наиболее важная нить протянута, по ней уже можно переправиться через пропасть. Но как навести этот первый мостик? Можно было бы сползти вниз, совершить круг и снова подняться наверх, волоча за собой нить. Иногда пауки так и делают, но нет ли более творческого решения? Скажем, запустить воздушного змея. Нельзя ли обратить себе на пользу свойства почти невесомого шелка? Можно. Пауки так и поступают, если ветер достаточно сильный. Самка паука выпускает одинарную нить с крошечным шелковым парусом (или воздушным змеем) на конце. Эта конструкция наполняется воздухом и улетает. Поскольку воздушный змей липкий, то он приклеится к твердой поверхности на другом краю пропасти, при условии, что вообще туда долетит. В противном случае паучиха подтягивает его назад, съедает шелк, дабы он не пропал зря, и совершает вторую попытку. Рано или поздно она протянет над пропастью пригодный для передвижения мостик и закрепит конец на своей стороне, приклеив и его тоже. Виадук готов.

Вряд ли первая линия будет туго натянута – тут уж как повезет, под определенное пространство длину нити не подгонишь. Паучиха может укоротить ее, задействовав один конец для кромки паутины или вытянув нить углом, чтобы образовались два несущих радиуса. Загвоздка в том, что вытянуть‐то нить можно, но едва ли настолько, чтобы получились две радиальные линии приемлемой длины. Паучиха находит выход из положения – она оставляет мостик как есть, но использует его в качестве опоры, чтобы заменить нитку на более длинную. Вот как она это делает. Оставаясь на одном конце линии, она выпускает сзади себя новую нитку и надежно закрепляет ее. Затем обрубает первую нить – постепенно пожирает ее, удерживая в лапках конец. Переправляется на противоположный берег, цепляясь за концы старой нити перед собой и новой, которую разматывает позади. Сама живое звено в собственном сооружении, она уверенно преодолевает весь путь. Первая нить, как и та ее часть, по которой паучиха только что прошла, отслужила свое, и ее доедают. Вот таким удивительным способом, продвигаясь по старой дорожке и заглатывая ее по мере того, как вытягивает новую, самка паука перебирается через пропасть. Более того, задняя нить наращивается быстрее, чем съедается передняя. Теперь все под контролем, и новый мостик получается длиннее прежнего. Кончики зафиксированы, и нить провисает ровно настолько, чтобы можно было натянуть ее углом и обозначить центр паутины.

Для этого самка паука возвращается к середине нового мостика, и под ее тяжестью провисшая нить растягивается в виде буквы V. Правильно расположенные лучи угла образуют две главные радиальные линии паутины. Какой радиус будет следующим, вопроса нет. Очевидно, разумнее всего опустить перпендикуляр из вершины угла, чтобы зафиксировать нижнюю точку будущей сердцевины и сохранить лучи угла натянутыми даже в отсутствие груза – веса паучихи. Самка цепляет новую нить к уголку и сваливается вниз, точно отвес, к земле или к другой подходящей поверхности, где закрепляет вертикальную нить. Три основные линии паутины готовы и аккуратно натянуты в виде буквы Y.

Теперь надо решить еще две задачи – провести остальные лучи из центра и “кольцевую дорогу” по периметру. Зачастую пауки проявляют незаурядную сообразительность и ухитряются убить двух зайцев сразу – выпускают две, а то и три нити и, передвигаясь по уже проложенным радиальным дорожкам, тянут новые в разные стороны. В черновике этой главы я детально описал паучью игру в веревочку, но мне пришлось как следует пошевелить мозгами. Один из моих редакторов признался, что он тоже был вынужден интенсивно шевелить мозгами, когда читал текст, и настоятельно просил меня убрать этот кусок. В общем и целом, паук создает базовый каркас паутины – колесо, которое, в зависимости от вида и конкретной особи, имеет от двадцати пяти до тридцати спиц. Но колесо неподвижное, с большими, как у велосипедного, просветами между спицами, через которые муха может пролететь. Даже наткнувшись на одну из нитей, она не застрянет в паутине, потому что нити еще не липкие. Необходимо оплести лучи поперечными нитями. Это можно сделать разными способами. Например, пройти зигзагом между двумя нитями от центра к периферии, затем развернуться, пройти по другому сектору и таким образом заполнить все промежутки по очереди. Но множество поворотов потребует больших затрат сил и времени. Более рациональное решение – обходить основу по спирали, что и делают обычно пауки, хотя порой могут и петлять.

Но в обоих случаях, при движении по спирали или зигзагом, возникают новые проблемы. Укладывание липкой нити, пригодной для ловли насекомых, требует точного расчета. Важно выверить размер ячеек сети. Поперечные нити должны пересекать радиальные так, чтобы они не стягивали лучевые дорожки, иначе плетение будет неравномерное и добыча ускользнет сквозь дыры. Если паучиха попытается проделать столь ювелирную работу, балансируя на одной радиальной нити, то, скорее всего, под весом ее тела нить сместится и связанная с ней спиральная параллель будет натянута неправильно. Кроме того, ближе к кромке расстояние между лучевыми нитями будет слишком велико для паучьих ножек. Обе проблемы можно устранить, если плести паутину от центра к внешнему краю. В середине интервалы между нитями небольшие, радиальные нити поддерживают друг друга и не так легко смещаются под весом паука. По мере приближения к кромке расстояние между радиусами неизбежно увеличится, но это уже не страшно: после перехода на следующий уровень предыдущий виток спирали, расположенный ближе к центру, будет служить мостиком между расходящимися лучами. Однако остается одна неприятность: нить, пригодная для ловли насекомых, должна быть очень тонкой и эластичной. Это ненадежная опора. Когда спираль будет наконец готова, мы получим достаточно прочную паутину, но на промежуточной стадии недостроенная конструкция еще хлипкая.

Тонкая и крепкая спираль ловчей сетки – главная, но не единственная цель. Пауку более или менее удобно перемещаться по нелипким лучевым нитям, но нас интересует уже клейкая паутина, “разработанная” специально для ловушек насекомых. Как мы уже знаем, пауки застрахованы от прилипания к собственной паутине не на сто процентов. Но даже если бы это было так, протягивая очередной уровень и используя в качестве опоры предыдущие витки, паук частично стирал бы с них липкий слой. Так что метод плетения липкой спирали от центра к периферии с перемещением по предыдущим виткам выглядит очень привлекательно, но как бы одновременно не подстроить ловушку – в буквальном и переносном смысле.

Самка паука готова к трудностям такого рода. Она делает то, что сделали бы на ее месте строители: сооружает временные леса. Она действительно плетет паутину по направлению от центра к кромке. Но это еще не окончательный вариант полупрозрачной и липкой ловчей сети. Пока что паучиха создает “вспомогательную”, одноразовую спиральную нить, которая даст ей возможность потом сплести клейкую спираль. Первая спиральная сетка нелипкая и не такая частая, как клейкая паутина, которая будет в конце концов изготовлена. Ею насекомое не поймаешь. Но она прочнее постоянной. Она придает паутине жесткость и держит ее, а паучихе, когда та наконец приступит к плетению настоящей – липкой – спирали, обеспечивает безопасность при перемещении между радиальными нитями. Чтобы добраться от центра до внешнего края, достаточно семи-восьми витков вспомогательной спирали. Построив “леса”, паучиха отключает свои паутинные железы, которые вырабатывают нелипкую нить, и расчехляет тяжелые орудия – конические паутинные трубочки, которыми оканчиваются протоки желез, предназначенных для выработки смертельно липкого шелка. Теперь она движется обратно, от кромки к центру, и укладывает витки плотнее и равномернее. Временная спираль нужна ей не только как подмости, но и для визуального – а строго говоря, тактильного – контроля. В процессе работы паучиха обрывает отслужившие свое вспомогательные нити. С новой, тонкой и липкой спиралью, аккуратно переплетенной с радиальными нитями, с аккуратными узелками, паутина выглядит, как тонкая ячеистая или рыболовная сеть. Кстати сказать, временная шелковая нить не выбрасывается, ее фрагменты свисают с радиальных нитей – впоследствии, когда паучиха примется пожирать паутину, она съест и их заодно. Возможно, она не поедает отработанный шелк сразу, чтобы не тратить время на отделение фрагментов от основных радиальных нитей.

Когда паучиха, совершая виток за витком, добирается до центрального узла нитей, паутина практически готова. Теперь надо отрегулировать натяжение нитей – это кропотливая и тонкая работа, сродни настройке скрипки. Закрепившись в центре, самка паука осторожно поддергивает нити лапками, чтобы проверить натяжение, при необходимости укорачивает или удлиняет их, а затем поворачивает и повторяет все операции в другом секторе. Некоторые пауки оплетают сердцевину причудливым узором, что позволяет им скорректировать натяжение.

Ассоциации со струнными инструментами поднимают мужскую тему. До сих пор я все время говорил о самках не потому, что самцы не плетут паутину – еще как плетут, и даже недавно народившиеся паучата способны смастерить миниатюрную ловушку, – просто самки крупнее и более приметны. А если учесть, что пауки независимо от пола и возраста стараются сожрать все, что шевелится и меньше их самих, то станет ясно, как тяжела доля самца. Пауки входят в рацион жуков, муравьев, многоножек, жаб, ящериц, землероек и множества птиц. Целые группы ос ловят исключительно пауков и скармливают их своим личинкам. Но самые страшные для паука хищники – это, наверное, другие пауки, и родственные связи тут во внимание не принимаются. Смертельная опасность грозит любому пауку, угодившему в ловушку своего более крупного собрата, но если самец собирается исполнить свой долг, он точно должен быть готов рискнуть жизнью.

Как паук будет решать свои проблемы, зависит от конкретного вида. Бывает, что кавалер преподносит избраннице муху в шелковом свертке. Он дожидается, пока паучиха вопьется в муху, и лишь потом подкатывается к ней с любовными намерениями. Если он не заготовил подарка, его самого могут съесть. Хотя иногда пауку удается уйти от расправы – например, подсунуть даме пустой сверток или после совокупления вырвать кусок из пасти подруги и удрать с ним, чтобы отдать его другой самке. Самцы других видов рассчитывают на относительную уязвимость паучихи в тот момент, когда она скинула старый панцирь, а новый еще не нарастила. Именно в это время паук испытывает прилив чувств – насколько он вообще на это способен, – и некоторые виды спариваются только сразу после линьки: самка становится мягче и сговорчивей – или, по крайней мере, менее агрессивной.

Другие виды выбирают более честную тактику, что и привело меня к этому лирическому отступлению. Среда обитания пауков заполнена упругим шелком. Шелковые нити играют роль дополнительных конечностей, чувствительных усиков, чуть ли не заменяют паукам глаза и уши. По тому, как натягиваются и провисают нити, как меняется баланс натяжения, они распознают происходящие события и явления. Струны женской паучьей души сделаны из прочного, хорошо натянутого шелка. Если самец хочет оплодотворить самку и не быть при этом съеденным – или хотя бы оттянуть минуту казни, – он должен овладеть искусством игры на этих струнах. Даже у Орфея не было столь сильного побудительного мотива. Бывает, что паук сидит на кромке женской паутины и перебирает нити, словно струны арфы (рис. 2.5). Такие ритмичные сигналы не могут исходить от запутавшегося в сети насекомого, и, видимо, они настраивают паучиху на мирный лад. Нередко самцы остаются на удалении от паутины самки, но цепляют к ней собственную “нить спаривания”. Они пощипывают ее, будто играют на однострунном инструменте в шумовом оркестре. Колебания передаются по нити и распространяются по всей женской паутине. Вибрация притупляет хронический голод паучихи и манит ее прогуляться по “канату любви” к источнику подергиваний, где и происходит спаривание. Для бренного тела паука роман не всегда имеет счастливый конец, зато его бессмертные гены благополучно оседают в организме самки. В мире полно пауков, чьи предки по мужской линии погибли после совокупления. Тех пауков, чьи потенциальные предки не считали спаривание приоритетной задачей, миру не суждено было увидеть.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.5. На безопасном расстоянии: самец присоединяет свою “нить спаривания” к паутине самки.


Прежде чем завершить тему секса и шелка, расскажу вам еще одну историю, и думайте, что хотите. У некоторых видов пауков самцы перед спариванием связывают самок паутинным шелком, как лилипуты Гулливера (рис. 2.6). Логично было бы предположить, что половое влечение временно берет верх над хищническими инстинктами паучихи, и паук пользуется этим, связывая ее и тем самым обеспечивая себе возможность сбежать, пока к подруге не вернулся аппетит. Я лишь пересказываю то, что слышал: факт тот, что самка после спаривания без труда рвет путы и уходит восвояси. Может быть, ритуальное связывание – это символический отголосок древних, более жестоких повадок. Или самку просто лишают свободы на время, достаточное для того, чтобы улепетывающий самец получил фору. В конце концов, ему нет резона приковывать ее к земле навечно: чтобы отложить яйца, она должна оказаться на воле, иначе его сопряженное со смертельным риском предприятие с самого начала будет обречено на провал.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.6. Самец опутывает паутиной более крупную самку.


Вернемся к нашей основной теме – круговым ловчим сетям и к тому, как пауки их плетут и эксплуатируют. Мы оставили паучиху в центре паутины, на завершающей стадии строительства, когда она готовится отрегулировать натяжение нитей. В дополнение к перечню задач и их решений надо сказать, что сеть, достаточно тонкая для ловли насекомых, чересчур тонка для того, чтобы сама хозяйка могла ее пересечь. Чтобы добраться с одного края паутины на другой, пауки часто прибегают к несложному приему – оставляют “свободную зону”. Обычно это участок без липких спиральных нитей, охватывающий кольцом середину сети. Некоторые виды, например рода Zygiella, довольствуются одним сектором. Я сказал, что подобная дыра служит проходом от одного края паутины к другому, но на самом деле ее значение не столь важно, как может показаться, потому что Zygiella, в отличие от многих других пауков, не застревает в центре паутины. Она устраивает себе убежище в виде трубочки ближе к кромке – а причина, по которой она это делает, подводит нас к новой паучьей проблеме.

Как мы уже знаем, саму паучиху тоже могут съесть – например, птица. Обычно тоненькую паутину видно плохо – разве что свет падает под нужным углом или она покрыта капельками росы. Самый заметный элемент паутины – собственно ее творец, тупо сидящий посередине. Если ты жирный и слишком заметен для птицы, лучше бы тебе выбрать местечко где‐нибудь снаружи. С другой стороны, паукам при их охотничьих повадках просто необходимо подолгу сидеть в засаде, поджидая жертву, и вроде бы самое подходящее для этого место – как раз серединка паутины, где пересекаются все нелипкие магистральные пути. Без компромисса эту дилемму не решить, и пауки разных видов выбирают свои варианты. Наша самка Zygiella может расположиться за пределами паутины, но не слишком далеко от центра событий. От ее наблюдательного пункта к середине паутины тянется сигнальная нить, поэтому паучиха всегда начеку. Туго натянутая сигнальная нить немедленно передает колебания поджидающей самке. В любой момент паучиха готова устремиться по сигнальной нити к центру, а оттуда по радиальной дорожке – прямиком к отчаянно бьющейся в сетях добыче. Сигнальная нить проходит ровно посередине открытого участка, о котором я только что говорил. Поскольку вопрос о назначении открытого участка мы еще не закрыли, скажу, что, возможно, липкий трап был бы препятствием на пути бросившегося в атаку паука. А может, по перехваченной поперечными витками сигнальной нити хуже передаются колебания.

Zygiella предпочитает караулить жертву за пределами паутины и, когда та пытается вырваться на волю, очевидно, расплачивается за небольшое опоздание (вы скоро поймете, почему так важна хорошая реакция). Другое, тоже компромиссное решение – вести слежку из центра, но попытаться стать как можно незаметнее. Нередко пауки ткут в середине паутины плотный шелковый коврик, чтобы спрятаться за ним или замаскироваться на его фоне. В паутине может быть целая полоса, и даже не одна, очень плотного плетения зигзагом, отвлекающая внимание от паучихи, которая притаилась в самой ее гуще, – хотя есть мнение, что на самом деле эти полосы нужны паукам для тонкой регулировки натяжения нитей. Иногда в сетке встречаются орнаменты, похожие на пауков; в литературе высказывалось предположение, что такие обманки принимают на себя удары птичьих клювов. Впрочем, предлагалась альтернативная гипотеза – совсем о другом назначении подобных узоров. Сгусток нитей отражает невидимые для нас ультрафиолетовые лучи таким образом, что глаз насекомого воспринимает его как клочок голубого неба – иначе говоря, дыру.

Как я уже говорил, сразу после попадания насекомого в сеть паук должен со всех ножек бежать к месту происшествия. Куда спешить? Почему бы не подождать, пока насекомое не устанет бороться? Дело в том, что пленник часто выходит из борьбы победителем. Насекомым, особенно крупным сильным осам, нередко удается вырваться на свободу. Даже если узник не сумеет улететь, ущерб для паутины может оказаться весьма значительным. Итак, встает следующий вопрос – как утихомирить угодившую в сети добычу.

Первый способ прост до примитивности. Ориентируясь по дрожанию нитей, которые дергает застрявшее в паутине насекомое, быстро добраться до него. Если оно оставит попытки освободиться раньше, чем его найдут, можно попробовать определить его местонахождение по натяжению радиальных нитей – постараться понять, какая из них оказалась под нагрузкой. Отыскав насекомое, надо атаковать его и ввести смертельную или парализующую дозу нервно-паралитического яда. У большинства видов пауков имеются острые полые хелицеры с ядовитыми железами – некоторые пауки, например, знаменитая черная вдова, опасны и для нас, хотя, как правило, пауки не способны проколоть кожу, а даже если и способны, порции яда не хватит для того, чтобы нанести вред крупному животному. Вонзив ядовитые хелицеры в жертву, паук еще несколько минут ждет, пока она не затихнет.

Ядовитый укус – самый распространенный, но далеко не единственный способ усмирить сопротивляющуюся жертву. В большинстве других случаев пауки, как и следует ожидать, используют паутинный шелк. Зачастую даже перед тем, как укусить насекомое, пауки-кругопряды в дополнение к той паутине, которая уже оплела ноги и туловище жертвы, еще больше ее опутывают. Опасного врага – например осу – паук обычно душит, буквально пеленая его в белый шелковый саван, после чего наносит последний удар – пронзает шелковую оболочку хелицерами.

Бабочки и мотыльки с огромными чешуйчатыми крылышками создают пауку лишние трудности. Чешуйки легко сбросить. Если взять мотылька в руки, на пальцах останется пыльца, состоящая из чешуек. По-видимому, пыльца уменьшает липкость нитей, поэтому осыпающиеся чешуйки помогают мотыльку выбраться из сети. Когда мотыльку грозит опасность, он складывает крылышки и падает на землю. По этой ли причине или просто потому, что на его крылышках еще остаются обрывки паутины и он не может летать, вырвавшийся из ловчей сети мотылек часто так и делает – падает на землю. Это открывает перед пауком новые перспективы, чем он не преминет воспользоваться.

Майкл Робинсон, ныне директор вашингтонского Национального зоопарка, и его жена Барбара нашли в джунглях Новой Гвинеи необычную паутину (рис. 2.7а). Паутина как паутина, но вниз от основного круга тянулась вертикальная полоса паутины же длиной почти в метр. Паук сидел наверху, в гуще переплетения. Влетев в сеть, мотылек мог бы свободно свалиться вниз. Однако веревочная лестница существенно удлиняет паутину, и мотылек может угодить в эту дополнительную ловушку. Пока он будет там трепыхаться, пыльца израсходуется, к тому же он дольше пробудет в плену, поэтому более вероятно, что паук успеет сбежать по лесенке и нанести последний решающий удар. Вскоре после открытия Робинсона его коллега Уильям Эберхард обнаружил такую же ловчую сеть в Новом Свете, в Колумбии (рис. 2.7b). О том, что оба изобретения, в Новой Гвинее и Колумбии, были сделаны независимо друг от друга, свидетельствует тот факт, что второй паук сплел основную (круговую) часть паутины не на верхушке лестницы, а внизу. Однако эффект тот же, и причина появления такой конструкции, очевидно, тоже общая – оба паука питаются преимущественно мотыльками.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.7. Два случая независимой эволюции паутины-лесенки – в Новой Гвинее (а) и в Колумбии (b).


Впрочем, веревочная лестница – лишь один из возможных способов удержать добычу, который хорошо работает против мотыльков. Некоторые виды пауков применяют другой метод – пружинные ловушки. Паук из рода Hyptiotes вместо полного круга плетет только треугольник с четырьмя осевыми линиями. От вершины треугольника отходит дополнительная нить, которая обеспечивает натяжение всей сети. Но этот канат не крепится к твердой поверхности – его конец держит сам паук. Таким образом, паук – или паучиха – играет роль связующего звена между паутиной и жесткой опорой. Он натягивает канат передними ногами, а третьей парой ног держит свободную петлю ловушки. Притаившись в засаде, самка паука поджидает жертву. Когда в паутину врезается насекомое, она реагирует мгновенно. Отпускает петлю, в результате чего сеть оплетает и обездвиживает насекомое, и одновременно спрыгивает на канате к своей жертве. Далее она может два-три раза подпрыгнуть, качаясь на канате, чтобы подтянуть его и выпустить позади себя еще немного шелка. Итог: насекомое безнадежно увязло в тугой сети. Паучиха опутывает его дополнительными витками шелка и уносит хорошо упакованную добычу. Лишь теперь она укусит беднягу, выпустит ядовитый секрет и через шелковую оболочку высосет разжиженную массу. Треугольная сеть не подлежит восстановлению, придется опять начинать строительство с нулевого цикла.

По-видимому, пауки Hyptiotes таким образом решают следующую проблему: сильно натянутая паутина хороша для поимки насекомых, но при энергичной борьбе сильное натяжение – это скорее минус. Если вы насекомое и вас угораздило влететь в липкую ловушку, вам будет легче выскочить из тугой сетки, чем из провисающей. От слабо натянутых нитей не оттолкнешься, и вы еще больше завязнете в липком шелке. Для захвата насекомого на лету и для того, чтобы потом не позволить ему выпутаться, требуется разное натяжение нитей, подобно тому, как у сверхзвукового самолета оптимальная форма крыла различна в зависимости от приоритетной цели – оторваться от земли или набрать нужную скорость в полете. Форма крыла одних самолетов годится с небольшими компромиссами для обоих режимов, в то время как изменяемая геометрия крыла истребителя позволяет всегда достигать максимальной выгоды, пусть и ценой увеличения затрат на сложную механику. Паук рода Hyptiotes плетет паутину с изменяемым натяжением нитей.

Пауки-крестовики, как правило, натягивают сеть с прицелом на первичный захват насекомого и уповают на то, что успеют добежать по паутине до жертвы и взять ее в плен раньше, чем она улетит. Другие пауки выбирают иной путь и плетут изначально рыхлую паутину (рис. 2.8). Пауки рода Pasilobus делают треугольник с одиночной нитью, рассекающей его надвое. Липкие нити – их всего несколько – не натянуты. Хитрость заключается в том – и это еще одно интересное открытие, которое сделали Майкл и Барбара Робинсон в Новой Гвинее, – что эти нити легко оборвать на одном из концов. Насекомое – скажем, муха, – влетев в паутину и прилипнув к ней, тут же обрывает нить у специально устроенного неустойчивого к обрыву узла, но все равно прилипает к другому концу нити. Дальше она крутится, словно игрушечный самолетик на веревочке. Теперь для паука вытянуть нить и прикончить жертву – дело техники. Такая схема имеет, в частности, все то же преимущество – поскольку конструкция болтается и нет точки опоры, насекомое не в состоянии бороться. А может быть, схема с рвущимися нитями хороша прежде всего тем, что позволяет решить уже известную нам задачу – погасить удар насекомого о сетку, когда оно влетает в нее на высокой скорости, так чтобы сетка не отбросила его, словно батут. Возможно, треугольная ловушка пауков Pasilobus – это сокращенная версия полной круговой паутины. Во всяком случае, пауки другого рода, Poecilohachys, плетут круговую паутину с тем же принципом действия. Их сети, в отличие от типичной круговой паутины, расположены не вертикально, а горизонтально.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.8. Треугольная паутина паука Pasilobus с нитью, легко обрывающейся с одного конца.


Если рассматривать треугольник пауков Pasilobus как уменьшенный вариант этой полноценной круговой ловчей сети, то можно и дальше экстраполировать ряд вплоть до предельного случая – единичной нити с шариком на конце, которую используют пауки-арканщики (боладоры, род Mastophora, рис. 2.9). Болас, или бола, изобретение южноамериканских индейцев, напоминает пращу; нынешние скотоводы испано-индейского происхождения и сейчас его используют – например, чтобы ловить в прерии не умеющих летать нанду. Болас представляет собой веревку с грузом на конце, круглым камнем или каменным шаром. Груз кидают так, чтобы веревка обмотала ноги птицы и она упала. Чарльз Дарвин в молодости упражнялся с боласом, сидя верхом на лошади, и ухитрился ее же и изловить, чем здорово развеселил ковбоев… хотя лошадь вряд ли разделила их радость. На эту паучью удочку неизменно клюют самцы мотыльков-совок, или ночниц, и на то есть причина. Ночницы-самки приманивают партнеров издалека, испуская своеобразный аромат. Пауки выделяют вещество с похожим запахом, который увлекает мотыльков на верную гибель. Паучий “болас” – это увесистый шарик, закрепленный на конце шелковой нити, другой конец которой паук держит одной ногой. Он раскачивает болас, пока не обмотает мотылька, а затем подтягивает добычу к себе. Это гораздо более высокотехнологичное орудие, нежели примитивная ковбойская сумка с камнями. На самом деле это плотно скрученный шелковый канат, помещенный в каплю воды, наподобие клейких капель в круговой паутине. Когда паук забрасывает свой болас, канат разворачивается, словно леска спиннинга. Если он коснется мотылька, тот прилипнет, и шарик будет описывать круги. Далее события развиваются так же, как в сценарии с провисающими нитями. Туго спеленутый мотылек получает инъекцию яда. Пауки с боласами обитают в Южной Америке – кто знает, может индейцы, увидев, как охотятся пауки, взяли их идею на вооружение.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.9. Паук-арканщик (боладор).


Мы рассмотрели различные варианты полных и усеченных круговых паутин. Пора вернуться к собственно круговой паутине. В конце предыдущей главы мы задались вопросом о том, как с помощью программы биоморфов – компьютерной модели искусственного отбора – создать модель естественного отбора, где в роли селекционера выступал бы не человек, а равнодушная природа. Выяснилось, что биоморфы имеют существенный недостаток – у них нет ничего общего с реальным физическим миром, в котором надо выжить и либо победить, либо проиграть. Мы можем условиться, что какие‐то биоморфы будут хищниками, охотящимися на другие биоморфы – жертвы. Но непонятно, как естественным путем, без дополнительных условий догадаться, какие свойства биоморфов помогают или мешают им охотиться и уходить от преследования. У одного из биоморфов с рис. 1.16 (стр. 48) можно при желании различить страшные клыки, с которых капает хищническая слюна. Но его разверстая пасть неподвижна и не функционирует в живой природе, где клыки могли бы прокусить панцирь или шкуру, поэтому, как ни фантазируй, наяву этот кошмар не увидишь. Клыки и шкура – всего лишь комбинация пикселей на плоском светящемся экране. Острота зубов, сила, хрупкость и ядовитость – на экране монитора все эти параметры без придуманных описаний, которые программист произвольно облек бы в цифры, не имеют смысла. Можно протестировать ходилку-стрелялку типа “цифры против цифр”, но рисованное воплощение цифровых значений будет носить чисто косметический, не нужный для действия характер. Понятно, что придуманные описания и произвольные цифры в реальности ничего не означают. Вот на этом самом месте в конце предыдущей главы мы, вздохнув с облегчением, вернулись к теме паутины. Паутина – это природный объект, который можно воспроизвести без произвольных допущений.

В живой природе работающая круговая паутина плоская. Сквозь крупноячеистую сеть муха пролетит беспрепятственно. Если ячейки слишком мелкие, пауки-конкуренты добьются примерно тех же результатов при меньших затратах на шелк, а следовательно, оставят после себя больше потомства и передадут ему свои рационализаторские варианты генов. Естественный отбор приводит к разумному компромиссу. Нарисованная в компьютере паутина взаимодействует с такими же нарисованными мухами, причем ее свойства таковы, что взаимодействия отнюдь не произвольны. Размер ячеек – величина, вовсе не бессмысленная по сравнению с размерами компьютерной “мухи”. Столь же значимый параметр – суммарная длина линий (“затраты на шелк”). Сделав небольшую скидку на искусственность модели, можно рассчитать эффективность ловчей сети как соотношение этих величин. Можно даже учесть в компьютерной модели чуть более сложную физику – впервые это сделали Фриц Фольрат, у которого я и почерпнул многое из того, что здесь написал, и его коллеги, физики Лоррен Лин и Дональд Эдмондс. Гораздо проще описать “упругость” и “остаточную деформацию” компьютерной “паутины”, чем, скажем, “проворство” “убегающей” от цифрового “хищника” “жертвы” или ее “бдительность” при “определении его местонахождения”. Однако в этой главе нас больше интересует имитация процесса создания паутины.

Программист может записать правила для компьютерной модели паука, используя результаты полевых наблюдений – знания о повадках живых пауков и о критических моментах, которые определяют их линию поведения. Профессор Фольрат и его интернациональная исследовательская группа – бесспорные лидеры в этой области, и у них была прекрасная возможность подытожить свой опыт в компьютерной программе. Компьютерная программа действительно дает шанс систематизировать накопленные сведения о любом наборе правил. Собрать в компьютере имеющийся пул информации о зафиксированных наблюдателями движениях паука, который плетет паутину, вызывался Сэм Чокке, один из членов команды. Он назвал свою программу MoveWatch. Питер Фукс и Тимо Кринк, опираясь на работы Ника Готта и Алуна ап Ришарта, сосредоточились на обратной задаче – создании виртуальных “пауков”, которые ловят виртуальных “мух”. Эта программа получила название NetSpinner.

На рис. 2.10 показано, как в программе MoveWatch выглядят передвижения самки Araneus diadematus в процессе плетения паутины. Заметьте, что, несмотря на бросающееся в глаза сходство с сетью, это не изображение паутины. Мы видим хронологическую картину передвижений самки паука. Паучиху, занятую строительством ловчей сети, снимали на видеокамеру. Информацию о ее положении в различные последовательные моменты времени вводили в компьютер как пару прямоугольных координат. Затем компьютер последовательно соединил точки линиями. Так, линии “липких спиралей” (рис. 2.10е) отражают траекторию самки на этапе создания липких спиралей. Положение самих липких спиралей эти линии не отражают. В противном случае они выглядели бы ровнее. Те волнистые сгущения, которые мы видим, говорят о том, что паучиха в процессе укладывания липких витков опиралась на временные вспомогательные спиральные нити (рис. 2.10d).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.10. Хроника перемещения паука Araneus diadematus в процессе плетения паутины, отраженная на компьютере в программе Сэма Чокке MoveWatch: (a) и (b) подготовка; (с) радиальные линии; (d) вспомогательные нити; (е) липкие нити; (f) наложение всех стадий.


Эти картинки – не модели поведения компьютерных пауков. Наоборот – это компьютерное описание поведения живого паука. Теперь обратимся к дополняющей программе NetSpinner – к поведению некоей идеальной вымышленной особи. Можно было создать модель поведения любого гипотетического паука. NetSpinner воспроизводит действия ненастоящего паука точно так же, как программа с биоморфами моделирует анатомию насекомоподобных форм. Паутина на экране рисуется по правилам поведения, которые меняются под влиянием “генов”. Гены – как и у биоморфов, просто цифры, записанные в памяти компьютера, – передаются из поколения в поколение. В каждом поколении “поведение” вымышленного паука и, следовательно, геометрия “паутины” зависят от генов. Так, один из генов может влиять на угол между радиальными нитями: мутация, то есть изменение для компьютерного паука цифрового значения соответственно какому‐то правилу поведения, приведет к изменению количества радиальных нитей. Как и в программе с биоморфами, при переходе от одного поколения к другому цифровые значения генов могут незначительно меняться. Эти мутации становятся заметны по изменению формы паутины, а значит, являются объектом для селекции.

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.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.11. Сгенерированные в компьютере паутины под градом компьютерных мух. Программу NetSpinner создали Питер Фукс и Тимо Кринк.


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.


Восхождение на гору Невероятности

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 мы можем лишь отметить, что все три группы эволюционируют с повышением качества паутины – в сторону более эффективной ловли мух. Иногда популяция встает на тупиковый путь развития. Варианты генов пауков-мигрантов сродни притоку свежей крови в жилах другой популяции. Можно сказать, сильная подгруппа отдает свои варианты той, что послабее, тем самым подсказывая ей более выгодный способ создания ловчей сети.

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.


Восхождение на гору Невероятности

Восхождение на гору Невероятности

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.

Естественный отбор – предельно простой процесс в том смысле, что он идет при минимальном использовании технических средств. Безусловно, эффекты, которые он производит, и его конечные результаты чрезвычайно непросты. Однако чтобы на живой планете пошел процесс естественного отбора, не нужно ничего, кроме информации о наследственности. Чтобы заработала компьютерная модель естественного отбора, надо иметь эквивалент такой информации и еще много всего. Потребуется умная техника для расчета всевозможных затрат и бонусов, а также надо будет выработать систему их конвертации.

Кроме того, придется создать целый искусственный физический мир. Мы выбрали в качестве примера паутину, потому что из всех природных “устройств” она лучше всего поддается описанию в терминах программирования. В принципе можно оцифровать что угодно – крылья, позвоночники, зубы, челюсти, плавники и перья – и написать программу для оценки эффективности их разновидностей. Но программисту придется изрядно поломать голову. Оценить крылья, плавники или перья можно только в реальной физической среде (в воде или воздухе) с присущими ей свойствами, такими как сила сопротивления, упругость и турбулентность. Воссоздать все эти условия очень трудно. Вне реальной ситуации, где действуют напряжение, рычаги и сила трения, нельзя понять, насколько хорошо функционируют позвоночник и кости конечностей. Жесткость, хрупкость, упругость при изгибе и сжатии – все это надо будет отобразить в программе. Моделирование динамических взаимодействий множества костей, соединенных связками и сухожилиями под разными углами, – сложнейшая математическая задача, и человек постоянно должен решать, какой ход сделать дальше. Воспроизвести турбулентный воздушный поток, омывающий крыло, до такой степени нелегко, что авиаконструкторы часто даже не пытаются сделать это с помощью компьютера – проще поставить эксперимент в аэродинамической трубе.

Впрочем, не стоит недооценивать работу специалистов по компьютерному моделированию. В 1987 году в Лос-Аламосе, где когда‐то ученые разрабатывали атомную бомбу, а ныне занимаются более созидательным трудом, прошла презентация нового направления в науке, получившего название “искусственная жизнь”, и я имел честь присутствовать на церемонии. Кристофер Лэнгтон, инициатор и руководитель той, первой, конференции 1987 года и тех, что состоялись потом, основал одноименный журнал. Опубликованные там статьи развеяли пессимизм предыдущего абзаца. Так, трио ученых из Северной Америки – Деметрий Терцопулос, Сяоюань Ту и Радек Гжещук – описали великолепную модель виртуальных рыб, которые ведут себя совсем как настоящие и взаимодействуют друг с другом в виртуальном водоеме. В компьютерном мире, где обитают эти рыбы, действуют свои физические законы, основанные на физике настоящей воды. Как правило, программисты стараются адекватно воспроизвести поведение одной, отдельно взятой, рыбы. Затем эту правильную рыбу многократно воспроизводят с некоторыми изменениями и всю стаю выпускают в “водоем”, где рыбы “встречаются” и вступают в контакт друг с другом. Например, уходят от столкновений и объединяются в “школе”.

Каждая компьютерная рыба состоит из 23 узлов, соединенных с соседними узлами 29 пружинами в виртуальном трехмерном пространстве (рис. 2.14). Двенадцать пружин могут сжиматься и растягиваться – это “мышцы” искусственной рыбы. По “мышцам” волной прокатываются контролируемые сокращения, которые имитируют игру и виляние живой плывущей рыбы. Исходя из личного опыта, рыба может научиться лучше управлять работой мышц, чтобы плавать, поворачивать и преследовать добычу. Три “переменные ментального статуса” рыбы – “голод”, “либидо” и “страх” – в совокупности формируют “инстинкты” (состояние “побуждения”). Имеется в виду побуждение к “еде”, “спариванию”, “рысканью”, “убеганию” и “уходу от столкновения”. У рыбы есть два органа чувств, один из которых нужен для “восприятия” температуры воды, а другой служит как бы глазом и помогает ей различать положение, цвета и размеры окружающих ее объектов. Для красоты состоящий из узлов и связок скелет помещен в цветное поле, раскрашенное в цвета настоящих рыб. Разные виды рыб – скажем, хищники и жертвы – отличаются не только внешне, но и по повадкам (рис. 2.15). Помимо размеров, хищники и жертвы отличаются “поведенческой предрасположенностью” и разными “инстинктами”, а из‐за влияния переменных ментального статуса они вырастают в разной степени. Надо сказать, что даже на современных быстродействующих машинах такого рода модели требуют столько компьютерного времени, что искусственный мир, населенный множеством взаимодействующих рыб, не дает правдоподобной картины в реальном времени. Рыбы плавают, преследуют одна другую, удирают друг от друга и отправляют брачные ритуалы в замедленном масштабе времени по отношению к реальному, поэтому если мы хотим сохранить жизненный темп игры, нам придется прибегнуть к аналогу покадровой фотосъемки (съемки с интервалами). Но это мелочи, не имеющие существенного теоретического значения; в будущем, когда появятся компьютеры следующих поколений, эта проблема исчезнет.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.14. Искусственная рыба с пружинным скелетом.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 2.15. Искусственная акула в погоне за стайкой рыб.


Искусственный подводный мир Терцопулоса, Ту и Гжещука достаточно богат, чтобы на его примере можно было изучать эволюцию. В настоящее время “спаривание”, хотя и имеет место быть, сводится к ритуалу “ухаживания”, так как на самом деле “рыбы” не размножаются. Далее – и авторы работают над этой задачей – необходимо будет добавить “гены” для развития различных поведенческих функций, управляющих мышечными связками, так чтобы эффект удалось оценить количественно, а в идеале – еще и для развития функции ментального состояния и инстинктов. В процессе спаривания гены самцов и самок могли рекомбинировать с генами, несущими случайные мутации, так что потомство имело бы новую генетическую конституцию. Тогда эволюция пошла бы по пути естественного отбора, пусть даже в полностью искусственном виртуальном мире. Вероятно, нет необходимости выделять две отдельные категории рыб – хищников и жертв. Можно начать с двух видов, различающихся не по поведению, а только по размерам и совместимости при спаривании, и в результате естественного отбора через много поколений у более крупных особей сформируется потребность пожирать мелких. Кто знает, свидетелями каких неожиданных поворотов искусственной естественной истории суждено нам стать?

Предвижу, даже предвкушаю появление нового, весьма перспективного направления в науке с парадоксальным названием “искусственный естественный отбор”. Тем не менее, в известном смысле лучшая модель подлинного естественного отбора – как раз подлинная живая природа. И впрямь кости по‐разному деформируются под воздействием напряжения, различаются по упругости при сжатии, по твердости, силовым линиям и содержанию кальция. При желании все это можно рассчитать, но независимо ни от чего факт остается фактом – одна кость ломается, а другая нет; одни кости усваивают ценный кальций, а другие отдают излишки в молоко. В этом смысле в жизни все предельно просто. Некоторые животные подвержены вымиранию больше других. Самый быстродействующий американский компьютер будет возиться с расчетами целый год. А в природе имеет место тот факт, что одни погибают, а другие выживают. Вот и все.

Конечно, можно представить себе весь мировой запас генов как компоненты гигантского компьютера, который считает затраты, бонусы и частоту конверсий, с изменчивыми частотами генов вместо переходов нулей и единичек в процессоре для обработки данных. К такому довольно информативному подходу мы вернемся в конце нашей книги. Сейчас настало время поразмыслить над ее названием. Что такое гора Невероятности и чему она нас научит?

Глава 3

Сигнал с горы

Высоко над равниной вздымается гора Невероятности, вознося свои пики в головокружительную заоблачную бездну неба. Кажется, никто никогда не доберется до макушек горных башен. Точно крохотные букашки, ползут и карабкаются упрямые альпинисты, безнадежно глядя на далекие, недостижимые вершины. Огорченно качают маленькими головками и объявляют нависающую над ними махину неприступной.

Наши скалолазы чересчур амбициозны. Умопомрачительная картина вертикальных склонов захватила их, им даже не приходит в голову обогнуть гору и посмотреть, что там, с другой стороны. Они увидели бы не отвесные скалы с гулкими расселинами, а живописные луга, отлого восходящие к удаленным плато. Местами попадаются небольшие каменистые утесы, но их всегда можно обойти, так что хорошо экипированный альпинист в прочных ботинках, которому некуда спешить, легко преодолеет не бог весть какой сложный подъем. Если не пытаться покорить вершину одним марш-броском, сама по себе ее высота уже не имеет такого значения. Наметьте доступный маршрут, и если вы располагаете достаточным запасом времени, взойти на гору вам будет не труднее, чем сделать очередной шаг. Конечно, гора Невероятности – это аллегория. В этой и последующих главах мы узнаем, что она означает.

То, что вы прочтете ниже, взято из одного письма, опубликованного в лондонской “Таймс” несколько лет назад. Автор – имени я не назову, дабы не ставить его в неловкое положение, – весьма уважаемый коллегами физик, заслуженно избранный членом Королевского общества, самого авторитетного в Англии содружества ученых.

Сэр, я один из тех физиков… кого смущает дарвиновская теория эволюции. Мои сомнения вызваны не религиозными мотивами и не желанием лить воду на мельницу любой из сторон в споре – на мой взгляд, дарвинизм просто несостоятелен с научной точки зрения.

…Нам ничего не остается, кроме как принять факт эволюции – его подтверждают все находки палеонтологов. Вопрос только в том, почему она происходит. Как утверждает Дарвин, все дело в случайности: в процессе смены одного поколения другим происходят случайные малозначительные, сохраняющиеся впоследствии изменения, в результате чего некоторые преимущества вида становятся более выраженными. Таким образом, живые существа постепенно вырабатывают более выгодные качества – например, силу, чтобы добывать себе пищу и бороться с врагами. Этот процесс Дарвин назвал естественным отбором.

Как физик, я не могу с этим согласиться. Не думаю, что такая потрясающая машина, как организм человека, могла образоваться благодаря лишь случайным ошибкам. Взять хотя бы глаз. Дарвин признает свою слабость в этом вопросе – он не мог понять, как примитивный орган, реагирующий на свет, мог эволюционировать до глаза… Лично я не вижу альтернативы гипотезе о преднамеренном конструировании живой материи. Ни происхождение жизни, ни то, что за тысячи миллионов лет существования нашей планеты живые создания удивительным образом видоизменялись от поколения к поколению, нельзя объяснить в терминах традиционной науки.

Но кто Конструктор?

Искренне ваш…

Автор дважды сделал акцент на том, что он физик, и это придает его мнению особый вес. Другой ученый, профессор химии Университета штата из калифорнийского города Сан-Хосе, вдруг обратился к биологии, опубликовав статью под заголовком “Без Бога не было бы инжира”. Описывая достаточно сложные взаимодействия фигового дерева со своими опылителями – осами (см. главу 10), он делает следующее заключение: “Молодая оса всю зиму спит в плоде фиги, но в точно назначенный час вылетает, чтобы отложить яйца в плод летнего урожая, без чего опыление не произойдет. Для этого необходимо строго соблюдать режим – стало быть, Господь за этим следит!” Восклицательный знак мой. “Глупо думать, будто случайности эволюции могли привести к столь точному таймингу. Такие виды, как смоковница, без божественного вмешательства не смогли бы существовать… Сторонники теории эволюции утверждают, будто подобные вещи происходят спонтанно, без определенной цели и вовсе не по плану”.

Похожие соображения, но только касательно макромолекул, таких как ферменты, для которых проще, чем для глаза или инжира, просчитать их собственную “невероятность” – то есть вероятность того, что они появились по воле случая, – не раз высказывал сэр Фред Хойл, один из самых именитых британских физиков и, между прочим, автор научно-фантастического романа “Черное облако”, который входит в число лучших литературных произведений своего жанра. Скорее, ферменты служат чем‐то вроде огромного множества станков для массового производства молекул. Производительность ферментов определяется их трехмерной формой, форма – спиральной структурой, а спиральная структура – последовательностью аминокислот, соединенных в цепочку. Соблюдение этой последовательности непосредственно контролируется генами, что очень важно. Неужели все это случайно?

Нет, говорит Хойл, и он прав. Число аминокислот фиксировано – а именно, их двадцать. В типичной молекуле фермента несколько сотен цепочек, составленных из этих двадцати аминокислот. Как видно из простого расчета, вероятность случайного образования одной последовательности, скажем, ста аминокислот равна одному к (20 х 20 х 20… х 20), где 100 сомножителей, то есть 1 к 20100. Такое число трудно себе даже представить, оно намного превышает количество элементарных частиц во всей вселенной. Сэр Фред, желая быть честным по отношению к своим оппонентам-дарвинистам, делает реверанс в их сторону и широким жестом сокращает эту величину до 1:1020. Выглядит более приемлемо, но все равно вероятность удручающе мала. Профессор Чандра Уикрамасингхе, астрофизик, соавтор и коллега Хойла, цитируя его, сравнивает произвольное, “по воле случая”, образование способного работать фермента с ураганом, который пронесся над кладбищем старых автомобилей и случайно собрал из обломков “Боинг-747”. Однако Хойл и Уикрамасингхе упустили из виду, что дарвинизм – это не теория случайностей. Это теория случайных мутаций в сочетании с неслучайным кумулятивным эффектом естественного отбора. Почему, недоумеваю я, даже умудренным опытом ученым тяжело усвоить такую простую мысль?

Самому Дарвину приходилось воевать с физиками из предыдущего поколения, которые заявляли, что его теорию якобы разрушает одно слабое место – “случайность”. Одним из самых ярых научных противников Дарвина был Уильям Томсон, лорд Кельвин, пожалуй, величайший физик той эпохи. Ему принадлежит масса открытий – например, он рассчитал возраст Земли по скорости ее остывания, исходя из того, что когда‐то она была частью солнца и сформировалась из “выброса” его вещества[4]. Согласно его выводу, возраст Земли составлял какие‐то десятки миллионов лет. По современным оценкам, наша планета живет уже тысячи миллионов лет. То, что лорд Кельвин ошибся в сто раз, нисколько не умаляет его заслуг. В те времена не был известен метод расчета по радиоактивному распаду, никто ничего не знал и о термоядерном синтезе, настоящем солнечном “огне”, – метод расчета по скорости остывания с самого начала был обречен на неудачу. Куда менее простительно то, что он высокомерно – “как физик” – не принимал во внимание биологически обоснованные аргументы Дарвина; якобы Земля молода, и дарвиновская эволюция не могла привести к тем результатам, которые мы наблюдаем, так как прошло слишком мало времени; очевидно, биологические факторы нельзя принимать в расчет, они меркнут на фоне более убедительных физических факторов. Но и Дарвин мог бы в свою очередь возразить – чего он не сделал, – что биологические признаки явно указывают на эволюционный процесс, следовательно, было достаточно времени для эволюции, и стало быть, физика ошибается!

Возвращаясь к вопросу о “случайности”, лорд Кельвин воспользовался своим привилегированным положением и не преминул процитировать в президентском послании Британской научной ассоциации другого известного физика, сэра Джона Гершеля, который назвал дарвинизм “законом чепухи”:

По сути, принцип произвольной, случайной изменчивости и естественного отбора, per se, не более подходит нам для удовлетворительного описания живой природы в прошлом и настоящем, нежели лапутянский метод сочинительства книг (доведенный до крайности) – для Шекспира и “Начал”.

Гершель подразумевал “Путешествия Гулливера”, где Свифт с издевкой описывал методику хаотического комбинирования слов, по которой сочиняли книги жители острова Лапута. Гершель и Кельвин, Хойл и Уикрамасингхе, анонимный физик, чье письмо я здесь привел, и всякие свидетели Иеговы ошибочно толкуют принцип естественного отбора, будто учение Дарвина и лапутянская писанина – одно и то же. Дарвинизм по сей день принято трактовать как теорию “случайностей”, причем даже в тех кругах, где могли бы и разобраться в сути предмета.

Со всей очевидностью, без тени сомнения можно утверждать, что если бы теория Дарвина и впрямь сводилась к простым случайностям, она не работала бы. Не надо быть физиком или математиком, чтобы понять: можно до второго пришествия ждать, пока нам повезет и сами собой как‐то образуются глаз или молекула гемоглобина. Астрономическая невероятность таких чудес живой природы, как глаза, ферменты, коленные и локтевые суставы, – узкое место не только дарвиновской концепции, а вообще любой теории о жизни, и именно дарвинизм предлагает ответ на этот вопрос. В теории Дарвина невероятные процессы разбиваются на небольшие, доступные восприятию отрезки, необходимое везение распределяется равномерно, предлагается обойти гору Невероятности и шаг за шагом подняться по пологому склону длиною в миллион лет. Одному Богу под силу совершить гигантский прыжок через пропасть. Соглашаясь с его ролью Всевышнего Конструктора, мы остаемся ровно там, откуда начали. Тот, кто способен создать поражающую воображение стройную, живую конструкцию, должен быть неправдоподобно мудрым и тонким дизайнером. Неправдоподобие – синоним ничтожно малой вероятности, что тоже нуждается в объяснении. Господь прост, как все гениальное, возражает богослов и аккуратно – впрочем, не вполне – увиливает от ответа, так как немудрящий бог при всех своих прочих достоинствах был бы чересчур примитивен для того, чтобы создать вселенную, не говоря уж о том, чтобы простить грехи, внять молитве, благословить брак, превратить воду в вино и вообще исполнить все, чего от него ждут. Это вещи несовместимые. Или ваш бог может сотворить мир и совершать прочие божественные чудеса – и в таком случае его самого не так просто понять, – или он на это не способен, и тогда не может дать нам разъяснения. Фред Хойл сказал бы, что Господь – это предельный случай “Боинга-747”.

Высота горы Невероятности символизирует сочетание идеала с бесконечно малой вероятностью, которое реализуется в строении глаза и в молекулах ферментов – а также и в способности Бога их сотворить. Если создать такие объекты, как глаз и молекула белка, почти невозможно, значит, для этого требуется точный расчет. Объект состоит из множества упорядоченных особым образом элементов. Число возможных комбинаций этих элементов чрезвычайно велико. Для белковой молекулы – прямо огромно. Айзек Азимов рассчитал количество вариантов для молекулы гемоглобина – гемоглобиновое число, как он его назвал. Оно оканчивается на 190 нулей. Столько раз можно поменять местами фрагменты гемоглобина так, чтобы собственно молекулы гемоглобина не получилось. Для глаза нельзя провести подобный расчет, не сделав ряд допущений, однако интуитивно мы понимаем, что получили бы еще одно колоссальное число. На самом деле та комбинация, которую мы наблюдаем, – лишь одна из триллионов допустимых, и в этом смысле она невероятна.

Далее, если вернуться назад, можно заметить еще один небезынтересный факт – вероятность любой перестановки элементов в равной степени близка к нулю. Даже сама свалка металлолома не более вероятна, чем самолет, поскольку существует бесчисленное множество вариантов комбинации ее элементов. Загвоздка в том, что все эти комбинации тоже дадут свалку. Тут надо вспомнить о качественных характеристиках. Как ни перекладывай куски металла на кладбище самолетов, летать они не смогут. Подходящих вариантов крайне мало. Среди всех возможных перестановок элементов глаза ничтожно мало таких, при которых глаз будет видеть. Глаз человека формирует изображение на сетчатке с поправкой на сферические и цветовые аберрации; сам сужает и расширяет зрачок, чтобы интенсивность светового потока внутри глаза оставалась более или менее постоянной, хотя извне может поступать свет разной интенсивности; сам меняет фокусное расстояние хрусталика в зависимости от удаленности предмета; различает цвета, сравнивая возбуждение светочувствительных клеток (колбочек) трех типов. Практически ни одна из вероятных перестановок элементов глаза не позволяет выполнять столь сложную и тонкую работу. У этой единственной существующей комбинации есть одна особенность. Вероятность реализации любого из вариантов одинаково низка. Но неработающих комбинаций неизмеримо больше, чем тех, от которых есть толк. Действующее устройство невероятно и нуждается в дополнительных пояснениях.

Великий математик и генетик, основатель современной статистики Р. Э. Фишер с присущей ему педантичностью указал в 1930 году (я лично с ним не был знаком, но так и слышишь, как он четко и размеренно диктует своей многострадальной жене):

Можно считать, что организм адаптировался к данным условиям и вообще к окружающей его среде лишь постольку, поскольку мы можем представить себе совокупность других, в чем‐то иных условий, к которым животное в целом адаптировалось хуже, и в той же мере поскольку мы можем представить себе незначительно отличающиеся от него живые природные объекты, которые хуже адаптировались к данной окружающей среде.

Глаза, уши, сердце, крылья летающих тварей, паутина – техническое совершенство этих органов и структур поражает нас независимо от того, где мы их видим, нам не надо наблюдать за ними в естественной для них среде, чтобы понять: они позволяют решать конкретные задачи, но если поменять местами какие‐либо их части, будет только хуже. На них впору повесить ярлык “невероятный идеал”. Инженер подумал бы, что если бы ему пришлось решать одну из этих задач, точно такое устройство он и сконструировал бы.

Есть и другое объяснение тому, что объекты такого рода не могли образоваться спонтанно. Как мы уже поняли, списать все на случайное стечение обстоятельств – то же самое, что одним махом запрыгнуть на вершину горы Невероятности с ее скалистой, неприступной стороны. Тогда что было бы равносильно постепенному подъему по другому склону – удобному, пологому, покрытому мягкой травкой и цветами? Медленное, кумулятивное, постепенное и неслучайное выживание случайных экземпляров – то, что Дарвин называл естественным отбором. Метафора горы Невероятности подчеркивает заблуждения скептиков, чьи высказывания приведены в начале этой главы. Их ошибка заключалась в том, что они смотрели вверх, задрав головы к устремленной ввысь вершине. Они полагали, что к ней – к глазу, белковым молекулам и прочим абсолютно невероятным сочетаниям элементов – можно добраться только по отвесному утесу. Дарвин показал плавный подъем с другой стороны горы – вот в чем суть его величайшего достижения.

Однако, может, и впрямь нет дыма без огня? Ложное толкование учения Дарвина как теории случайностей широко распространено. Ведь не просто так пошла молва? Ну что ж, ошибочные дискуссии и искаженные представления на чем‐то основаны, их поддерживает некий шаткий фундамент. Один из этапов дарвиновского процесса, а именно этап мутаций, действительно носит чисто случайный характер. Благодаря мутациям – как правило, спонтанным – появляются новые генетические варианты, доступные для отбора. Однако дарвинисты так настаивают на “спонтанности” мутаций только потому, что хотят противопоставить их другой части эволюционного процесса – отнюдь не случайному отбору. Для того чтобы происходил естественный отбор, мутации вовсе не должны быть случайными. Произвольно что‐то меняется или нет – отбор все равно происходит. Настаивая на непредсказуемости мутаций, мы делаем акцент на том, что естественный отбор, напротив, ни в коей мере не случаен. Забавно, что все дарвиновское учение воспринимается как теория случайностей как раз из‐за противопоставления мутаций и закономерности естественного отбора.

В сущности, и сами мутации во многих отношениях неслучайны, хотя эти их особенности не вносят вклада в невероятное совершенство организмов и поэтому мы не будем подробно о них говорить. Например, мутации, вызванные хорошо изученными физическими факторами, до известной степени закономерны. Операторы рентгеновских установок отходят в сторону, прежде чем нажать кнопку, или надевают просвинцованные фартуки именно потому, что рентгеновское излучение может спровоцировать мутацию. Некоторые гены подвержены изменчивости более других. В хромосомах есть “горячие точки”, где мутации в среднем происходят заметно чаще, чем в других звеньях цепи. Это пример закономерности иного рода. Бывают обратные (реверсивные) мутации. Как правило, прямая и обратная мутации гена равновероятны. Иногда ген в одном направлении мутирует быстрее, чем в противоположном. Возникает так называемое “мутационное давление” – тенденция к эволюции в определенном направлении независимо от направления естественного отбора. Впрочем, это скорее очередной пример неслучайных мутаций. Отметим, что мутационное давление далеко не всегда работает на улучшение признака. Как и рентгеновские лучи. Вовсе даже наоборот: в том, что касается качественных изменений, в большинстве своем мутации, какова бы ни была их причина, случайны, а это означает, что они неблагоприятны для организма, так как испортить что‐то можно разными способами, а путей улучшения немного.

Можно выдумать абстрактный мир, в котором мутации чаще ведут к улучшению. В такой гипотетической природе неслучайные мутации отличались бы по характеру от мутаций, спровоцированных рентгеновскими лучами – была бы заметна тенденция к опережению отбора и предвосхищению потребностей организма. Но вопреки разнообразным теоретическим мечтаниям, как раз для такого типа мутаций практически нет оснований, ибо маловероятно, что мутации систематически будут угадывать потребности организма, да и неясно, как вообще можно что‐то предвидеть. Что значит предвидеть потребности организма? Допустим, в регионе с умеренным климатом вот-вот начнется оледенение и тамошним оленям с их легкими шубками грозит вымирание. Большинство животных так или иначе погибнет, но если бы ровно в это время олени, как нельзя кстати, начали бы обрастать густым мехом, точно овцебыки, вид мог бы сохраниться. Теоретически можно придумать механизм запуска полезных мутаций в нужный момент. Как мы знаем, рентгеновское излучение повышает общий мутационный уровень, то есть повышается вероятность любых мутаций, приводящих к формированию как более теплого, так и более тонкого меха. Что если бы морозы могли как‐нибудь избирательно повлиять на направление мутаций – в сторону роста густой шерсти? И наоборот – что если бы жара могла вызвать обратную мутацию и шерстяной покров стал бы легче?

Приверженцы учения Дарвина вовсе не возражали бы против таких провидческих мутаций, если бы таковые происходили. Конечно, пришлось бы отказаться от претензий на исключительность, но устои дарвинизма не были бы подорваны: при попутном ветре вы быстрее долетите трансатлантическим рейсом до пункта назначения, но это не переубедит вас в том, что домой вас доставила все‐таки мощная машина. Однако если бы был открыт механизм подобных благоприятных мутаций, дарвинисты очень удивились бы – и были бы заинтригованы – по трем причинам.

Во-первых, несмотря на активные научные изыскания, такой механизм пока не открыт – по крайней мере для животных и растений (есть кое‐какие весьма спорные результаты для частных случаев бактерий). Во-вторых, на сегодня нет адекватного теоретического объяснения способности организма выбирать и запускать нужную мутацию. Наверное, можно представить себе, что если бы миллионы лет назад прокатилась волна десятков ледниковых периодов, то мог бы сформироваться некий “архетип”, до сих пор не известная разновидность естественного отбора на более высоком уровне, со склонностью к мутации в нужном направлении при первых признаках нового ледникового периода. Но, повторяю, нет ни доказательств, ни, более того, адекватных теоретических объяснений такого эффекта. В-третьих – вернемся к первому пункту, – по мнению некоторых дарвинистов (и я нахожусь в их числе), гипотетический механизм направленной мутации выглядит некрасиво и противоестественно. Конечно, нельзя отдавать приоритет эстетическим предпочтениям. Однако идея направленной мутации потому не вызывает у нас энтузиазма, что обычно ее предлагают те, кто уверен, что такая теория непременно должна быть – и эти люди ошибаются, так как не понимают, что даже при хаотических мутациях собственного потенциала естественного отбора более чем достаточно. Чтобы еще раз подчеркнуть состоятельность принципа естественного отбора, напомню, что теория допускает хаотичность мутаций. Но, как я уже говорил, теория не требует, чтобы мутации были случайными, и нет ни малейших оснований вешать на теорию ярлык бессистемности. Случайными могут быть мутации, но отбор – никогда.

Прежде чем расстаться с замерзающим оленем, давайте рассмотрим еще один вариант теории счастливых мутаций – вероятно, читая три последних абзаца, вы уже о нем подумали. В самом деле, неясно, откуда организму “знать”, что грядут холода и надо как‐то меняться, чтобы обрасти теплой шерстью, – или что скоро наступит жара и требуется обратная мутация. Проще представить себе, что если условия станут более суровыми, может произойти предопределенный рост частоты мутаций во всех направлениях. На интуитивном уровне это примерно понятно. Для организма каждый новый кризис, например ледниковый период или резкое потепление – сильный стресс. Лично для меня сильный стресс, вызванный какими‐либо непредвиденными обстоятельствами, морозом, жарой, засухой, указывает на то, что на текущий момент мой организм защищен не лучшим образом. Мне‐то, может, поздновато меняться, но если быстренько мутируют гены в моих половых органах – неважно, в какую сторону, – вероятно, кому‐нибудь из моих потомков это облегчит жизнь. Те из моих отпрысков-мутантов, кому достанутся гены с неблагоприятными, как выяснится, изменениями, погибнут при любых проявлениях экологического кризиса, будь то холод, жара, засуха или наводнение, и таковых, возможно, окажется большинство. Но в условиях достаточно серьезного кризиса их все равно ждала бы смерть. Может статься, что появление ветви уродцев и особей с небольшими отклонениями даст животным шанс на производство потомства, которое успешнее справится с очередным испытанием.

Гены, продукты которых контролируют мутации других генов, действительно существуют. Теоретически можно было бы утверждать, что ген-мутатор начинает работать под воздействием стресса, и для особой разновидности естественного отбора на более высоком уровне это было бы полезной тенденцией. Но увы, на поверку выходит, что эта теория не более обоснована, чем наша предыдущая идея направленной мутации. Начать с того, что нет фактов, доказывающих ее справедливость. Мало того – любые предположения о том, что повышение частоты мутаций благоприятно для естественного отбора, спорны в теоретическом отношении. Этот довод дает нам право утверждать, что гены-мутаторы всегда в конце концов исчезают в популяции, и это согласуется с нашей гипотезой о животных, которые оказались в стрессовой ситуации.

В двух словах, главный аргумент заключается в следующем. Если животному повезло дожить до возраста родителя, оно уже должно было обладать крепким здоровьем. Если бессистемно менять что‐то и так очень хорошее, можно и испортить объект своего внимания. В реальности большинство мутаций ведет к плачевному концу. На самом деле лишь немногие мутации могут хоть что‐то улучшить – и именно они делают возможным естественный отбор. Верно и то, что ген-мутатор, увеличивая частоту мутаций вообще, помогает своему носителю поймать редкую удачу – мутировать так, чтобы стать лучше. Если это происходит, надо учитывать, что тот самый вариант гена-мутатора, который находится в организме, улучшившемся благодаря вызванной им мутации, разделит успех этого организма и закрепится в популяции. Казалось бы, это дает толчок положительному отбору, выгодному для гена-мутатора, а стало быть, частота мутаций должна была бы вырасти. Увы, идем дальше.

У следующих поколений в процессе полового размножения гены индивидов будут перетасовываться, перестраиваться и рекомбинироваться. Рано или поздно наступит момент, когда ничто не будет препятствовать разделению “хорошего” варианта гена-мутатора и того “хорошего” варианта гена, который он породил, то есть одни индивиды родятся только с “хорошим” геном, другие – только с “хорошим” мутатором[5]. “Хороший” ген с одобрения естественного отбора будет закрепляться в будущих популяциях. Но тот, кто его сотворил – невезучий ген-мутатор, – из‐за плясок полового размножения останется за бортом. Долгосрочный прогноз для гена-мутатора, как и для любого другого гена, зависит от его усредненных эффектов – среднего эффекта, который он произвел в течение длительного периода во всех организмах, где он оказался. “Хороший” вариант гена, появившийся благодаря гену-мутатору, в среднем проявляет себя хорошо, и несущие его организмы все чаще будет появляться в популяции. А ген-мутатор в среднем дает плохой эффект и, несмотря на эпизодические выигрыши, по усредненным результатам в естественном отборе неизбежно попадет в брак. Те организмы, где он сохранится, большей частью будут иметь отклонения в развитии или погибнут.

Наши доводы против возможности положительного отбора для гена-мутатора справедливы, если размножение происходит половым путем. Иначе выпадает стадия “перемешивания”. Гены-мутаторы в течение долгого времени благополучно переходят с одной ступени естественного отбора на следующую, так как в отсутствие половых контактов они не отделяются от случайно порожденных ими “хороших” вариантов генов и путешествуют из поколения в поколение вместе с последними. При размножении неполовым путем новая “полезная” мутация приведет к рождению нового клона сильной особи. Очередная “вредная” мутация быстро исчезнет и утащит за собой субклона-уродца. Если “полезная” мутация действительно принесет пользу, клон будет совершенствоваться и дальше, и все его гены сохранятся – как “хорошие”, так и “плохие”. “Плохие” гены выживут, потому что, несмотря на губительный эффект, в среднем гены клона будут качественными. А среди этих сохранившихся генов-“попутчиков” окажется и мутатор, в первую очередь ответственный за новые “полезные” мутации. Пока речь идет о “полезной” мутации, хотелось бы иметь возможность избавиться от мертвого груза испорченных генов, и для мутатора – источника их появления – исключения сделано не будет. “Полезная” мутация, будь на то ее воля, стремилась бы к здоровому, очищающему половому процессу воспроизводства. Если бы только мои организмы решили спариться, сказала бы она, я бы послала к чертовой бабушке всю эту ораву немощных захребетников. Меня ценили бы только за мои добродетели. Может, я и сама заметила бы, что какие‐то организмы хороши, а какие‐то не очень, но в среднем могла бы выиграть от собственного положительного воздействия. С другой стороны, поврежденные гены не имеют желания воспроизводиться половым путем – они и так неплохо устроились. В одиночку на открытых массовых соревнованиях, каковыми является половое размножение, они долго не продержатся.

Все это само по себе не объясняет приоритета полового способа размножения, хотя может послужить основой для следующих рассуждений. Тот аргумент, который я привел, что “хорошим” генам половое размножение идет на пользу, а “плохим” – во вред, никак не объясняет наличие полового размножения. Существует масса теорий, объясняющих появление в эволюции полов – и ни одной достаточно убедительной. К примеру, есть так называемый “храповик Мёллера” – более строгое описание той же гипотезы о “желаниях” генов, которую я упрощенно вам изложил. Гены-мутаторы из моей истории могут послужить развитию теории Мёллера. Бесполое размножение не только приводит к накоплению в популяции поврежденных генов. Оно стимулирует появление генов-мутаторов. Вероятно, бесполые клоны начнут вымирать быстрее – иными словами, чаще защелкает храповик Мёллера. Впрочем, секс, причины его появления, теория Мёллера – все это совсем другая и сильно запутанная история. Может статься, в один прекрасный день я наберусь духу и начну ее распутывать – и тогда напишу еще одну книжку: об эволюции секса.

Но мы отвлеклись. Главное, необходимо понять – при размножении половым путем мутации наказуемы, хотя в отдельных, очень редких, случаях естественный отбор может предпочесть мутантов. Это справедливо даже для стрессовых ситуаций, когда, казалось бы, рост частоты мутаций наиболее обоснован и оправдан. Склонность к мутациям – это всегда плохо, несмотря на то, что бывают и полезные изменения. Как ни странно, правильнее всего было бы считать, что естественный отбор – за нулевую частоту мутаций. К счастью для нас и для эволюции, которая должна продолжаться, генетическая нирвана недостижима. Естественный отбор – вторая ступень дарвиновского процесса – это сила, закономерно направленная в сторону усовершенствования признаков. Следовательно, любым улучшением мы прежде всего обязаны везению – вот почему дарвинизм имеет репутацию теории случайностей. Что есть глубокое заблуждение.

Уверенность в том, что мутации произвольны и для естественного отбора предпочтительна их нулевая частота, вовсе не мешает нам рассмотреть весьма любопытную возможность, так сказать, “эволюции эволюционной способности” – я писал об этом в одноименной статье. В 7 главе, посвященной калейдоскопической эмбриологии, я изложу вам свежую версию этой идеи. А пока давайте вернемся к естественному отбору, этой второй половине дарвиновской пары. Несмотря на то, что мутации могут быть спорадическими и, в одном очень важном смысле, они происходят спорадически почти всегда, сам естественный отбор по сути отнюдь не спорадичен. Из всех волков, которые могли бы выжить, выживут и передадут следующим поколениям свои гены не любые, произвольно взятые, а самые быстроногие, самые хитрые и коварные, самые чуткие и клыкастые. Следовательно, у нынешних волков мы наблюдаем гены, скопированные с генов неслучайно отобранных особей, живших много лет назад. Каждое поколение являет собой генный фильтр. Отфильтрованные за миллионы поколений варианты генов обладают качествами, необходимыми для того, чтобы пройти отбор. Они участвовали в производстве эмбрионов миллионов особей и ни разу не подвели. Каждая из этих миллионов особей благополучно дожила до зрелого возраста. Ни одна не оказалась настолько непривлекательной, чтобы не найти себе пару – под непривлекательностью мы понимаем любые качества, которые могут оттолкнуть потенциального партнера по спариванию. Все эти особи смогли дать жизнь хотя бы одному детенышу. Фильтр очень тонкий. Попавшие в будущее варианты генов – не случайные образцы, а самая что ни на есть элита. Они пережили периоды оледенения и зноя, “бэби-бумы” и спады рождаемости, справились с болезнями и хищниками. Вынесли не только капризы погоды – ливни, морозы и засухи. Они вынесли все капризы генов-компаньонов, ибо такова уж доля гена в половом размножении – менять партнеров в каждом поколении; выживают те гены, которые укрепили здоровье, “общаясь” с удачливыми партнерами из совокупного фонда, то есть с другими генами, в свою очередь выигравшими от взаимодействия еще с какими‐то генами в популяции. В формировании условий, к которым должен приспособиться ген, главную роль играют другие гены популяции – его товарищи по команде в реке, текущей из Эдема и несущей свои воды вниз по поколениям удачливых особей. Каждая отдельная популяция в том или ином рукаве реки создает микроклимат, в котором предстоит выживать отдельному набору генов.

Для упрощения мы считаем мутацию первой стадией эволюционного процесса, а естественный отбор – второй. Но это неверный подход, коль скоро предполагается, что естественный отбор зависает в ожидании мутации, а потом либо выбраковывает измененные гены, либо хватается за них – и снова приостанавливается. Вероятно, естественный отбор такого рода мог бы работать – а может, где‐то во вселенной и работает. Но на нашей планете ничего подобного не происходит. В реальности есть обширный пул изменений, который накопился благодаря медленному притоку мутаций и в котором благодаря половому размножению произошло интенсивное перемешивание и приумножение изменений. Причина изменчивости – мутация, но к тому моменту, как ею “заинтересуется” естественный отбор, ей может быть уже много лет.

Приведу пример: мой оксфордский коллега, покойный Бернард Кеттлуэлл, прославился своим исследованием эволюции темных, почти черных, а некогда светлых бабочек одного вида. Темноокрашенные особи данного вида – березовой пяденицы Biston betularia – как правило, чуть устойчивее к воздействию неблагоприятных факторов, чем светлые, но в сельских районах, где нет промышленного загрязнения, встречаются реже, так как они лучше видны птицам, то есть их съедают первыми. В промышленных зонах, где стволы деревьев черны от копоти, они не так заметны, как их светлые сородичи, поэтому реже попадаются птицам на обед. Это позволяет им более эффективно использовать свое природное преимущество – устойчивость. Дальнейшее стало одним из лучших доказательств эффективности естественного отбора: начиная где‐то с середины XIX века численность темноокрашенных особей в промышленных районах стала стремительно увеличиваться, и в конце концов эта разновидность возобладала. Сейчас вы поймете, почему этот пример показателен. Многие ошибочно полагают, что после промышленной революции естественный отбор “культивировал” одну-единственную новую мутацию. Мы же, напротив, уверены, что бабочки с темной окраской появлялись всегда, но не выживали. Эта мутация, как и большинство других, периодически воспроизводилась, но птицы успевали склевать всех темных бабочек. После промышленной революции условия изменились, и естественный отбор нашел себе в генофонде немножко уже готовых “темных” генов.

Итак, прежде чем запустить эволюционный процесс, надо иметь две составляющие – мутацию и естественный отбор. Обе они начнут действовать автоматически на любой планете благодаря наличию предшествующих компонентов, один из которых добыть нелегко, но, очевидно, возможно. Этот базовый компонент – наследственность. Для того чтобы где бы то ни было во вселенной заработал естественный отбор, особи должны выстроиться в генеалогические ряды – походить на непосредственных предков больше, чем на других особей во всей популяции. Наследственность – это не то же самое, что размножение. Бывает размножение без воспроизводства наследственных признаков. Лесные пожары размножаются, но их особенности не передаются от одного пожара другому.

Вообразите себе выжженную зноем степь, куда ни кинь взгляд – кругом сухой ковыль. И вот где‐то в этой степи легкомысленный курильщик бросает спичку – в один миг трава вспыхивает и занимается пожар. Наш недотепа бежит прочь, пыхтя и отдуваясь во всю мощь своих отравленных легких, но нас больше интересует то, как распространяется пламя. Огонь быстро расползается во всех направлениях. В небо летят искры. Ветер относит искры и горящие травинки далеко от эпицентра начавшегося пожара. Там, где на пересохшую землю упала искра, возникает новый очаг. Снова летят искры, которые поджигают траву уже в других местах. Можно сказать, для пожара это своего рода процесс воспроизводства, или размножения. У каждого пожара есть свой родитель – пожар, от которого полетела искра-зародыш. Есть и дедушка с прадедушкой – и так далее вплоть до родоначальника, загоревшегося от спички. Каждый новый пожар раскидывает снопы искр в разные стороны, поэтому у него один отец, но сыновей может быть более одного. Если бы вы смогли понаблюдать за процессом сверху и записать “биографию” каждого пожара, у вас получилось бы полное генеалогическое древо степных пожаров.

Однако суть в том, что хотя пожары и размножаются, как таковой наследственности тут нет. Иначе каждый пожар должен был бы иметь больше общих черт со своим непосредственным “родителем”, чем с другими пожарами. В самой идее о сходстве пожара и его предшественника нет ничего ложного. Так вполне может случиться. Пожары меняются и обретают индивидуальные отличия – как и люди. Каждому пожару присущи свои цвет и высота пламени, оттенок дыма, уровень шума и так далее. Любой из этих признаков может быть таким же, как у предыдущего пожара. Если бы все пожары имели такое сходство со своими “отцами”, можно было бы говорить о настоящей наследственности. Но на самом деле пожар похож на своего предка не больше, чем в среднем на любой другой очаг огня в степи. Свойства отдельно взятого очага пламени – масштабы возгорания, цвет дыма, треск – зависят от внешних условий, от того, насколько высокая и сухая трава там, куда попала искра, от скорости и направления ветра. Это все характеристики того места, куда попадает искра, а не пожара, в котором она образовалась.

Чтобы претендовать на наследственное сходство, каждая искра должна переносить какие‐то качества – характерные признаки – родительского пожара. Допустим, в очаге может вспыхнуть пламя какого‐то цвета – желтое, красное или голубое. Если от желтого огня будут лететь желтые искры, от которых разгораются новые желтые пожары, а от красного – красные искры, вновь дающие красное пламя, можно говорить о подлинной наследственности. Но так не бывает. Заметив синий огонь, мы скажем: “Видимо, в этих местах есть соли меди”. Нельзя утверждать, что огонь разгорелся от искры, зародившейся неизвестно где в синем пламени.

Именно этим кролики, люди и одуванчики принципиально отличаются от огня. Но пусть вас не сбивает с толку тот факт, что у кролика два родителя, два деда и две бабки, а у пожара только один непосредственный родитель и один дед. Это существенное отличие, но в данном случае речь не о том. Возможно, с палочниками и тлёй вам будет понятнее, чем с кроликами – самки этих насекомых могут произвести на свет дочерей, внучек и правнучек без участия самца. Форма, окраска, величина и повадки палочника, безусловно, зависят от того, в каком районе он вылупился и какой там климат. Но важную роль играет также искра, которая летит только от родителя к потомку.

Так что же за таинственные искры передаются от родителя потомку, но не наследуются пожаром от предыдущего пожара? На нашей планете это ДНК. Самые удивительные молекулы в мире. ДНК удобно представить себе как информацию, необходимую для создания организмом другого, подобного себе организма. Правильнее было бы рассматривать организм как транспорт, который ДНК использует для производства таких же, как она сама, ДНК. В каждый отрезок времени, например, на нынешнем этапе, все имеющиеся в наличии ДНК ведут род от цельных цепочек успешно развивавшихся предков. Никакие два индивида, за исключением однояйцевых близнецов, не имеют одинаковых ДНК. Индивиды выживают и способны производить такие же ДНК именно благодаря различиям в своих ДНК. Повторю, потому что это важно: вниз по реке спустились те ДНК, которые в течение сотен миллионов лет сохранялись в организмах выживших предков. Многие особи, которые могли бы стать чьими‐нибудь предками, погибли в молодости или не нашли партнера для размножения. Но ни одна из их ДНК не дошла до нас, ныне живущих.

Здесь легко ошибиться – подумать, будто здоровые и благополучные предки передают “переходящей” ДНК некий эликсир удачи, ореол святости. Ничего подобного. От нас в будущее течет чистый (если не принимать во внимание мутации) поток ДНК, который уходит от нас точно так же, как приходит. Точнее, он постоянно перемешивается в процессе полового размножения. Половину ДНК вы получаете от отца, половину – от матери. Различные комбинации ДНК в каждом вашем сперматозоиде и каждой яйцеклетке составлены из генетических ручейков, берущих начало в организмах ваших родителей. Но мои слова остаются в силе. Здоровые предки, “провожая” свои гены в далекое будущее, ничего в них не вкладывают.

Успех живых организмов дарвиновская теория объясняет очень просто. Они процветают благодаря накопленной мудрости своих предков. Но это не та мудрость, которой можно научиться или обрести на жизненном пути. Такая мудрость достается чисто случайно, в результате полезных спорадических мутаций, и избирательно, неслучайно записывается в генетической базе вида. Одному поколению перепадает не слишком много, даже скептически настроенные физики, которых я цитировал, поверили бы в возможность столь малого везения. Но поколение за поколением приумножали успех, и теперь мы имеем результат настолько поразительный, что это кажется невероятным. Все действо по Дарвину зависит от – и вытекает из – факта наследственности. Говоря о наследственности как основной составляющей, я имею в виду, что на любой планете во вселенной, где наблюдается наследственность в каком‐либо виде, почти непременно должен пойти процесс эволюции, то есть должна быть жизнь.

Вот мы и вернулись к горе Невероятности, к “равномерному распределению” удачи, то есть к объяснению того, каким образом некое колоссальное везение – без него, скажем, не сформировался бы глаз там, где его не было, – делится на множество удачных этапов, на каждом из которых предыдущие успехи последовательно закрепляются текущими. Мы уже это видели на примере накопления в ДНК множества небольших “кусочков удачи” выживших предков. Выжило удачливое, с точки зрения генетики, меньшинство, а масса менее везучих индивидов погибла. В каждом поколении кто‐то проигрывает дарвиновский процесс, но любая отдельная особь является потомком только счастливчиков, составлявших меньшинство в предыдущих поколениях.

Послание, которое поступило с горы, содержит три пункта. Первый нам уже известен: нельзя вот так вдруг запрыгнуть наверх, скачкообразное упорядоченное усложнение невозможно. Второе – пути назад, то есть вниз, нет; популяция не может стать менее здоровой в расчете на то, что поправит дела позже. Третье – пик может быть не один, то есть одну и ту же проблему одинаково успешно можно решить разными способами.

Какой орган любого животного или растения ни возьми, возникает резонный вопрос – как постепенные изменения того или иного органа предков привели к его формированию. Иногда удается проследить этот процесс в череде относительно молодых ископаемых животных и растений. Самый популярный пример – эволюция трех слуховых косточек у млекопитающих, благодаря которым звук передается от барабанной перепонки к внутреннему уху с безупречным согласованием импедансов, если этот термин вам что‐нибудь говорит. Судя по ископаемым остаткам, эти косточки – молоточек, наковальня и стремечко – образовались непосредственно из трех соответствующих челюстных костей наших предков-рептилий.

Далеко не все находки палеонтологов так легко трактуются. Иногда о вероятных промежуточных вариантах можно только догадываться и приходится включать воображение, глядя на современных животных, то ли имеющих отношение к интересующей нас проблеме, то ли нет. В слоновьем хоботе нет костей, поэтому не сохранилось и окаменелостей, однако и без таковых нетрудно догадаться, что когда‐то он был обычным носом. Теперь же… впрочем, позвольте привести выдержку из книги Иэна и Ории Дуглас-Хэмилтонов “Битва за слонов” (Iain and Oria Douglas-Hamilton, Battle for the Elephants), перечитывая которую, я каждый раз тайком утираю слезы. В книге чередуются главы, написанные Иэном и Орией, и вот какую горестную картину “выбраковки” слонов, увиденную в Зимбабве, рисует Ория:

Я глядела на отсеченный хобот и думала, сколько же миллионов лет понадобилось эволюции, чтобы сотворить это чудо. Сила захвата и удара оснащенного пятьюдесятью тысячами мышц хобота – сложнейшего органа, работа которого координируется мозгом, – измеряется тоннами. Но вместе с тем он способен выполнять самые отточенные движения, например, аккуратно заправить в рот маленький бобовый стручок. Этот универсальный инструмент служит сифоном на целых четыре литра воды, чтобы слон мог напиться или принять душ, а заодно указательным пальцем и рупором.

Хобот – это еще и социально важный орган, с его помощью можно проявить заботу, подбодрить и поприветствовать сородича, пообниматься и выразить готовность к спариванию, а для самца это оружие в схватке, когда соперники сцепляются бивнями и в шутку, а то и всерьез стараются доказать свое превосходство. И вот он валяется, отрубленный, – сколько я видела их по всей Африке!

Вот опять – все тот же эффект, стоило мне прочесть этот абзац…

Таким образом, в послании с горы говорится, что в ряду слоновьих предков должна быть длинная непрерывная цепочка промежуточных вариантов – животных с более или менее вытянутыми носами, таких как тапиры, длинноухие прыгунчики, носачи (кахау), морские слоны. Все они – не родня ни слону, ни друг другу. Все отрастили свои носы независимо друг от друга и, может статься, совершенно по разным причинам (рис. 3.1)

За время эволюции слона из его коротконосых предков носы должны были удлиняться постепенно, без резких изменений, и так же плавно и непрерывно должны были нарастать мышцы и развиваться более сложная и разветвленная нервная регуляция. На каждой следующей ступени, прибавляя дюйм за дюймом, хобот средней длины должен был быть лучше приспособлен для каких‐то новых функций. Если промежуточный хобот ни на что не годится – ни то ни се, ни два ни полтора, нельзя успокаивать себя, что не стоит волноваться, дескать, еще несколько миллионов лет – и все будет прекрасно. Жизнеобеспечение зверей основано не на их неуклонном движении к совершенству в процессе эволюции. Чтобы жить, звери должны есть, не попадаться на обед другим зверям и размножаться. Если бы хобот средней длины всегда отвечал этим требованиям хуже, чем короткий или длинный, последний так никогда и не развился бы.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 3.1. Африканский слон и другие млекопитающие, которые не имеют к нему никакого отношения, а свои длинные носы приобрели, по-видимому, независимо друг от друга и по разным причинам; против часовой стрелки, начиная сверху слева: носач, Nasalis larvatus; длинноухий прыгунчик, Rhynchocyon petersi; чепрачный тапир, Tapirus indicus; южный морской слон, Mirounga leonina.


Из того, что хобот должен был эффективно функционировать на каждой промежуточной стадии, вовсе не следует, что его функции должны были быть одинаковы. Вероятно, поначалу возможность поднять что‐то с земли не была его главным преимуществом. Может быть, длинный нос прежде всего гарантировал более тонкое обоняние – как у длинноухих прыгунчиков – или играл роль акустического резонатора, как у морских слонов, или, как у обезьян носачей, был призван понравиться самцу – хотя, на наш вкус, это сомнительное украшение. С другой стороны, уже на ранних стадиях эволюции слонов довольно короткий еще хобот мог использоваться в качестве своего рода руки. Предположение не такое уж неправдоподобное, если взглянуть на тапира, который носом срывает листья и отправляет их в рот. Независимая эволюция одного и того же органа у разных животных может многое нам объяснить.

В данном случае, со слоновьим хоботом, кое‐какие выводы можно сделать, если изучить окаменелости твердых частей черепа, особенно бивней и прилегающих к ним костей. До наших дней дошли лишь два вида потомков всех тех разнообразных обладателей бивней, которые некогда бродили по всем континентам. Бивни современного слона – это несоразмерно увеличенные верхние резцы, но у многих ископаемых животных, например у мастодонтов, торчали вперед еще и более выдающиеся нижние резцы. Они могли быть такими же огромными и острыми, как и те бивни, что сейчас мы видим только на нижней челюсти. У других видов бивни были плоские, так что два больших зуба, продолжая линию нижней челюсти, вместе образовывали широкий совок или лопату из кости, с помощью которой можно было выкопать корешки и клубни корнеплодов. Этот совок так далеко выступал за пределы нижней челюсти, что верхняя губа не доставала до пищи, которую удавалось выкопать. Не исключено, что изначально хобот вырос как раз для компенсации функции совка и захвата подкопанной еды. Можно предположить, что позднее зарождающийся хобот оказался весьма удобным инструментом для добывания пищи, и совок с лопатой стали лишними. Еще позже – по крайней мере в сохранившихся генеалогических ветвях – лопата сама собой уменьшилась, в то время как хобот сохранился, словно предмет, оставшийся на суше после отлива. Нижняя челюсть сократилась до примерно исходных пропорций, а новый хобот стал полностью самостоятельным органом. Более подробно об эволюции хобота можно прочесть в блестящей книге Джона Мейнарда Смита “Теория эволюции” (John Maynard Smiths, The Theory of Evolution).

Термин “преадаптация” употребляется в тех случаях, когда орган исходно выполнял какую‐то одну функцию, а потом в процессе эволюции стал использоваться для выполнения совершенно другой функции. Этот термин вносит ясность в ход наших мыслей, поскольку нередко избавляет нас от мучительных раздумий об истоках эволюции. В наши дни дикобраз имеет на вооружении страшные иглы. Они выросли не на пустом месте – это модифицированная шерсть, “преадаптированная” для совершенно другой функции – поддержания температуры тела. У многих млекопитающих есть специфические, хорошо развитые запаховые железы. И не поймешь, откуда они взялись, пока не изучишь их под микроскопом и не увидишь, что они образовались из желез меньшего размера, необходимых для выделения пота и снижения температуры тела. У тех же животных есть и неизменившиеся потовые железы, только иначе расположенные, поэтому нетрудно сравнить железы разного назначения. Другие запаховые железы, по‐видимому, развились из сальных желез, изначально выделявших воскоподобный секрет для защиты шерсти. Прежняя преадаптация и ее современное следствие зачастую не так уж отличаются друг от друга. Пот обычно пахнет и, возможно, выделяется, когда животное нервничает (да и людей часто бросает в пот от страха – по крайней мере, я всегда взмокаю, если во время важного выступления что‐то начинает идти не по плану). Поэтому преадаптация, то есть постепенное формирование тех свойств, которые помогли сместиться в сторону выполнения той функции, что мы наблюдаем сейчас, – процесс вполне естественный.

Порой трудно понять, что было вначале – где преадаптация, а где ее следствие. Изучая эволюционные корни легкого, Дарвин искал ответ в строении и роли плавательного пузыря рыб. С помощью этого наполненного воздухом пузыря, действующего по принципу картезианского водолаза (человечка в бутылке, который то ныряет, то всплывает, если слегка надавить на крышку), костистые рыбы управляют своей плавучестью. Работая мышцами, рыба меняет объем воды в плавательном пузыре, что позволяет ей зависать на определенной глубине. Это относится только к обычной костистой рыбе. У акул, которые, несмотря на вполне рыбью внешность, еще меньше костистые рыбы, чем мы с вами, нет плавательного пузыря, поэтому им, для того чтобы оставаться на нужной глубине, приходится активнее работать плавниками. Плавательный пузырь похож на легкое, и Дарвин подумал, что он мог быть преадаптационным органом, позже развившимся в легкое. Современные зоологи склонны ставить телегу впереди лошади и полагают, что как раз плавательный пузырь относительно недавно развился из примитивного легкого: рыбы, которые дышат воздухом, и сейчас не редкость. Как бы то ни было, мы должны задаться вопросом, какой орган предшествовал более раннему из этих двух. Возможно, легкое или плавательный пузырь образовались из дивертикула кишечника и поначалу участвовали в пищеварении. На каждом этапе эволюции, с каждым шагом на пути к вершине горы Невероятности дивертикул, полость или легкое должны были приносить своему обладателю какую‐то пользу.

Не мог ли слоновий хобот вырасти одним махом, не мог ли это быть один мощный рывок? Почему детенышу родителей с носами, как у тапира, не видать хобота, как у слона? На самом деле здесь кроется три вопроса. Первый – возможны ли мутации с сильным эффектом, или макромутации? Второй – если да, то может ли естественный отбор благоприятствовать таким мутациям? Третий вопрос требует не такого однозначного ответа – что подразумевать под мутацией с сильным эффектом? Вернусь к различиям между макромутациями типа “Боинг-747”и типа “удлиненный Дуглас ДС-8”, которые я описал в моей прежней книге.

На первый из трех вопросов можно ответить положительно. Макромутации действительно происходят. Иногда потомство решительно, до боли в сердце не похоже ни на одного из родителей, ни на других представителей вида. По словам Скотта Гарднера, фотографа из газеты Hamilton Spectator, жабу, изображенную на рис. 3.2, нашли у себя в саду две девочки из города Гамильтона, который находится в канадской провинции Онтарио. У нее отсутствуют глаза на поверхности головы. Когда животное разинуло рот, рассказывал Гарднер, стало ясно, что оно все‐таки реагирует на окружающее. Жабу отправили на ветеринарный факультет Гуэлфского университета для исследования, но сколько‐нибудь подробного отчета я до сих пор не видел. Такие бедолаги интересны тем, что часто дают информацию о нормальном развитии эмбриона. Не все врожденные аномалии развития обусловлены генетикой – взять хотя бы побочные эффекты приема талидомида, – но многие таковы. Ахондороплазия, тяжелое заболевание, связанное с укорочением костей конечностей и приводящее к карликовости и искажению пропорций тела, связана с вариантом одного-единственного гена. Подобные значительные мутации – “макромутации” – иногда называют еще сальтациями. Как правило, вариант гена, являющийся причиной заболевания ахондроплазией, передает потомку один из родителей, но бывает, что болезнь развивается случайно в результате резкого изменения – должно быть, так этот вариант гена и возник когда‐то впервые. Теоретически, хотя я очень сомневаюсь, что это могло произойти на самом деле, в каком‐то одном поколении в результате такой же грандиозной мутации вытянутый нос тапира мог спонтанно вырасти до размеров слоновьего хобота.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 3.2. Макромутации возможны. В саду одного дома в Канаде нашли вот такого маленького уродца с глазками на нёбе, и он был жив. Впервые фото было опубликовано в городской газете The Hamilton Spectator.


Что касается второго вопроса – может ли глубокая, приведшая к появлению фрика мутация, коль скоро она произошла, оказаться полезной с точки зрения естественного отбора, – то, пожалуй, универсального ответа не найти. Бывает ведь по‐разному – скажем, в случае с ахондроплазией может, а с двухголовым теленком – нет. Собачий аналог мутантного варианта гена ахондроплазии принес огромную пользу селекционерам, которые выводили новую породу не только интереса ради, но и чтобы получить отличного четвероногого помощника. Таксу “укоротили” до формата барсука, и существенную роль в генетических экспериментах, в ходе которых родилась эта порода, сыграло появление мутантного варианта гена ахондроплазии. Вероятно, иногда, как в случае с ахондроплазией, в природе происходят мутации с сильным эффектом, и нежданно-негаданно открывается возможность использования новой жизненной стратегии или пищевого ресурса: вдруг выясняется, что маленький зверек, вечный аутсайдер в гонках на открытой местности, в отличие от своих сородичей способен настичь животное в норе.

Время от времени теоретики-эволюционисты высказывали предположения, что в природе основные сальтации являются неотъемлемой частью эволюционных изменений. Знаменитый американский генетик немецкого происхождения Рихард Гольдшмидт выдвинул не менее знаменитую теорию “удачных монстров”. Об одном из примеров я расскажу в 7 главе. Однако гипотеза Гольдшмидта так и не получила широкого признания, и есть веские причины задуматься, так ли уж важны для эволюционного процесса макромутации. Живой организм – это невероятно сложная и очень хорошо отлаженная машина. Крайне маловероятно, что непродуманные кардинальные изменения в устройстве одного из ее узлов, даже если он работает хуже, чем хотелось бы, дадут положительный эффект. Но за счет случайного незначительного изменения устройства можно заставить механизм работать лучше. Если телевизионная антенна ловит плохо, ваши шансы исправить положение, слегка повернув ее в любую сторону, равны пятьдесят на пятьдесят. Просто вероятность того, что ваше случайное движение приблизит антенну к идеальному положению, каково бы оно ни было, составляет 50 %. Но если вы будете вертеть ее во все стороны и сильно наклонять туда-сюда, то, скорее всего, будет только хуже. Даже угадав направление, вы с большой вероятностью проскочите мимо. В общем и целом, испортить настройку легко, а найти единственно верный угол – трудно. Если мудреный механизм хоть как‐то работает, вряд ли его настройки далеки от идеальных. Можно чуть‐чуть изменить их – неважно, как, – и он станет функционировать более правильно, а если и нет, то разладится не слишком сильно. Но резкие и сумбурные перемены производят тот же эффект, что проверка сразу всех возможных вариантов. И может статься, что почти все эти варианты окажутся неудачными.

Даже распространенное убеждение, что заглохшую машину можно привести в чувство хорошим пинком, не противоречит моим рассуждениям. Удар может быть очень сильным, однако телевизор – достаточно прочная конструкция, и ее элементы необязательно сместятся из‐за толчка. А вот не очень хорошо закрепленная деталь может сдвинуться со своего места, и вполне вероятно, что именно она и является причиной неисправности[6].

Вернемся к живым созданиям; как я писал в “Слепом часовщике”, выжить можно самыми разными способами, но способов погибнуть, безусловно, гораздо больше (ничто человеческое мне не чуждо, и не скрою, приятно было увидеть эту фразу в “Оксфордском словаре цитат” (Oxford Dictionary of Quotations)). Почти все воображаемые животные, которые могли бы получиться путем перестановки фрагментов целого существа, обречены на смерть. Точнее – почти ни одно из них и не могло родиться. Любой вид животных или растений – это островок жизни в океане вероятных конфигураций, которые, даже появись они паче чаяния на свет, умерли бы. Среди них могли бы быть звери с глазами на пятках, хрусталиками в ушах, а не в глазах, с одним только левым крылом и правым плавником, с черепом, внутри которого находится не мозг, а желудок. Дальше изощряться в выдумках нет смысла. Из всего сказанного и так ясно, что самые крупные острова выживаемости, сколько бы их ни нашлось, ничтожно малы, как ничтожно мало и их количество по сравнению с бесконечным множеством мертвых, нежизнеспособных тварей.

Выживший родитель ребенка-мутанта должен был найти прибежище на одном из таких островков. Дитя с незначительными изменениями – вроде небольшого удлинения костей ног или легкого изменения челюстного угла – просто окажется в другой части того же островка. Возможно, малыш освоит кусочек суши в море недалеко от береговой линии и присоединит его к “большой земле”. Но серьезная и резкая, уродующая мутация, которая может привести к кардинальным переменам, равнозначна гигантскому прыжку в неведомые дали. Макромутанта может занести куда угодно, за многие сотни и тысячи километров от родного дома. Не исключено, что он попадет на другой остров. Но острова столь малы и столь редко встречаются в огромном океане, что вероятность такого события крайне невелика. Подобные редчайшие катаклизмы теоретически могут случиться один раз за несколько миллионов лет, и если это все‐таки случится, эволюция может пойти по новому направлению.

Однако не стоит чересчур увлекаться островными пейзажами. Эта схема во многом ошибочна. Все особи родственны друг другу, то есть между разными дорогами жизни в океане вероятностей должны быть связующие пути. Тут нам скорее поможет аналогия с горой Невероятности, а не с островами. Острова лучше всего помогают проиллюстрировать важный факт – чем заметнее и уродливее отклонение в развитии, тем менее вероятно, что оно приживется.

Кроме того, надо различать типы макромутаций. Я придумал зверей с глазами на пятках и хрусталиками в ушах, чтобы показать возможные перестановки частей организма. Вероятность того, что подобные мутации окажутся удачными и особи с ними выживут, близка к нулю. Но изменение в какой‐либо части может быть довольно сильным и без перестановок. В качестве примера можно было бы взять стремительное удлинение носа тапира до слоновьего хобота, если бы при этом изменился только его размер. Менее очевидно то, что крутые повороты в развитии всегда сопряжены со скачком в океан нерациональности и смерти.

Я обещал вернуться к макромутациям “Боинга-747” и “удлиненного Дугласа ДC-8”. Помните дискуссионный тезис о кладбище самолетов и авиалайнерах, выдвинутый сэром Фредом Хойлом? Говорят, он сравнил эволюцию сложной структуры – скажем, белковой молекулы и, как следствие, глаза или сердца, – которая происходит под влиянием естественного отбора, с ураганом, так продуктивно покружившим над кладбищем старых самолетов, что из поднятых им обломков сложился “Боинг-747”. Он был бы прав, если бы вместо слов “естественный отбор” употребил слово “случай”. К сожалению, я вынужден поставить его на одну доску с теми упрямцами, которые упорно считают естественный отбор делом случая. Теория отводит слишком большую роль случайности, если эволюция должна за один прием, из ничего, собрать новый, сложный механизм вроде глаза или молекулы гемоглобина. Согласно такой концепции, естественному отбору вообще ничего не надо делать. Всю “инженерную” работу берет на себя мутация – одна сильная мутация. В аналогии с “Боингом” подразумевается мутация именно такого типа, и я называю это макромутацией “Боинг-747”. Макромутации “Боинг-747” в природе не происходят и никакого отношения к учению Дарвина не имеют.

В другом моем примере с авиалайнерами удлиненная модель “Дугласа ДС-8” отличается от обычной только относительно вытянутым корпусом. В целом конструкция сохранена, но увеличена средняя часть фюзеляжа. В длинном самолете больше кресел, багажных камер и всего прочего, что может уместиться вдоль салона. Очевидно, по всей длине фюзеляжа протянуто больше проводов, трубок и уложено больше ковровых покрытий. Не так очевидно, но все же понятно, что в связи с новой задачей – поднять в воздух более длинную машину – должны быть изменены и другие детали конструкции. Но в основном различия между прежней версией авиалайнера “Дуглас ДС-8” и удлиненной сводятся к одной макромутации – фюзеляж нового самолета значительно и за один прием стал больше, чем был у его предшественника. Не было постепенного перехода через промежуточные стадии.

Предки жирафов больше напоминали современных окапи (рис. 3.3). Самое заметное, бросающееся в глаза отличие – это вытянутая шея. Могло ли это стать результатом одной мощной мутации? Спешу вас уверить – нет, не могло. Но из этого “нет” вытекает другой вопрос. Сложнейшая “новинка” – глаз со зрачком-диафрагмой и хрусталиком, способным менять фокусное расстояние, – не могла родиться в одночасье, словно богиня Афина из головы Зевса, точно так же, как никогда, жди хоть миллиард миллиардов лет, не произойдет мутация “Боинг-747”. Но шея жирафа могла (держу пари, что все было иначе) вырасти в результате одной-единственной мутации, как можно было взять и построить “Дуглас ДС-8” с удлиненным фюзеляжем. В чем разница? Дело не в том, что шея – куда более простой орган, чем глаз. (Как бы не посложнее глаза!) Вовсе нет – суть в степени сложности различий между двумя последовательными стадиями ее развития. А эти различия невелики – по крайней мере, по сравнению с различиями между нашим глазом и его отсутствием. Строение шеи жирафа и окапи одинаково – и, вероятно, у собственно короткошеего предка жирафа эта часть тела была устроена так же. У них одна и та же последовательность семи позвонков с присущими им кровеносными сосудами, нервами, связками и мышцами. Разница лишь в том, что все позвонки гораздо длиннее – и в той же пропорции увеличивается расстояние между сопряженными тканями и сосудами.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 3.3. Развитие длинной шеи. Окапи, Okapia johnstoni, возможно, предок современного жирафа, и жираф, Giraffa camelopardalis reticulate.


Вот что главное – для того чтобы шея стала длиннее в четыре раза, достаточно внести какое‐то одно изменение в ход развития эмбриона. Скажем, просто изменить скорость роста зачатков позвонков, а дальше все пойдет по плану. Но для того чтобы на нетронутой коже появился глаз, надо поменять не один параметр, а сотни (см. 5 главу). Если бы у окапи в результате мутации выросла шея, как у жирафа, он изменился бы по типу “удлиненного ДС-8”, а не “Боинга-747”. Следовательно, такой вариант в принципе допустим. Ничего нового не добавляется, меняется только путь формирования органа. Фюзеляж со всем, что к нему прилагается, становится длиннее, а новые компоненты сложной структуры не добавляются, просто растягивается уже существующая структура. Этот принцип работал бы и в том случае, если бы у жирафа было больше семи шейных позвонков. У разных видов змей число позвонков варьируется от 200 до 350. Поскольку все змеи – родственники, а позвонки не могут прирастать четвертинками или половинками, это значит, что время от времени рождаются змеи, у которых на один позвонок больше или меньше, чем у их родителей. Подобные изменения можно отнести к макромутациям, а раз все эти змеи существуют, стало быть, такие макромутации участвуют в эволюционном процессе. Это мутации типа “Дуглас ДС-8”, потому что в данном случае не происходит внедрения новой структуры, как при мутации типа “Боинг-747”, а дублируется та, что уже есть.

Решать задачи эволюции фрику-макромутанту помогает еще и тот факт, что влияние отдельного гена зависит от других генов в организме. Глядя на ген, так просто не поймешь, какова роль его продукта в организме – каков его так называемый фенотипический эффект. Ничто в ДНК-коде гена ахондроплазии не может быть расшифровано молекулярным биологом как “укорочение” или “карликовость”. Эффект этого гена связан с укорочением конечностей только при наличии специфических вариантов множества других генов, не говоря уже об особенностях окружающей среды. Роль гена зависит от контекста, то есть от конкретных условий. Эмбрион развивается в среде, сформированной всеми генами в совокупности. Эффект, который оказывает на развитие эмбриона один ген, определяется состоянием среды. Еще Р. Э. Фишер (я уже его цитировал) много лет назад сформулировал это правило: некоторые гены работают как “модификаторы” влияния других генов. Отсюда, заметьте, вовсе не следует, что гены меняют ДНК-коды других генов. Ни в коем случае. Гены-модификаторы влияют на среду и таким образом – на эффекты, вызванные другими генами, но не на последовательность ДНК других генов.

Как видите, можно (более-менее) допустить, что в результате изменения одного гена – макромутации в одном поколении – родитель с пятнадцатисантиметровым носом тапира способен произвести на свет потомка, нос которого будет похож на почти двухметровый слоновий хобот. Крайне маловероятно, что новый нос сразу будет так же удобен и полезен, как настоящий хобот. Ситуацию теоретически может спасти работа генов-“модификаторов” и “климат”, обеспеченный работой других генов. Если макромутация хоть в какой‐то степени “полезна” и особи из‐за нее не погибают, в ходе дальнейшего отбора вариантов генов-модификаторов произойдет коррекция деталей, и недостатки будут исправлены. Главная мутация – это примерно такое же испытание для популяции, как резкая смена условий существования, например, глобальное похолодание климата. Приход ледникового периода провоцирует отбор целого комплекса генов, и резкая мутация, при которой у организма внезапно вырастает длинный нос, оказывает точно такое же воздействие на ход эволюции.

“Примкнувшие” к основной мутации гены “подчищают” не только самые очевидные последствия макромутации. Их эффекты могут проявиться в любых отделах организма, вдали от центра событий – компенсируется эффект главной мутации, сгладятся ее возможные негативные или усилятся положительные результаты. Голова с хоботом весит больше, поэтому увеличившийся в размерах нос требует более прочных костей шеи. Может сместиться центр тяжести всего тела – а далее, возможно, эстафету подхватят позвоночник и тазовые кости. В итоге отбору подвергаются десятки генов, что отражается на различных органах.

Я обрисовал картину “последующей доработки” для основных макромутаций, но отбор такого рода играет важную роль в эволюции независимо от того, случилась ли на первом шаге макромутация. Даже микромутации могут иметь такие неприятные последствия, что очень желательно было бы “доработать” перестройку организма. Любой ген может стать модификатором для другого гена. Многие гены модифицируют эффекты друг друга. Развивая этот тезис, некоторые эксперты полагают, что большинство генов, в принципе оказывающих хоть какое‐то влияние на организм (а это делают не все гены), модифицируют эффекты большинства других генов. Это еще один аспект идеи о том, что гену приходится выживать в тех условиях, которые в основном формируются под влиянием остальных генов вида.

Надо уточнить еще один момент, по которому может возникнуть недопонимание, пусть даже мы потратим на макромутации чуть больше времени, чем они того заслуживают. В научном мире существует довольно любопытная теория “прерывистого равновесия”. Подробное ее изложение вывело бы меня далеко за рамки основной темы этой книги. Но поскольку эта теория очень популярна и часто трактуется ошибочно, я хочу только подчеркнуть, что концепция прерывистого равновесия не имеет ни малейшей законной связи с макромутацией – и нельзя приписывать ей такое родство. Согласно этой теории, в течение длительного периода эволюционных изменений в филогенетических группах не происходит, они находятся в состоянии стазиса (равновесия), который периодически прерывается всплеском эволюционных изменений, что совпадает с “рождением” нового вида. Однако даже при очень быстрых переменах в эволюционный процесс оказываются вовлечены многие поколения – это все равно процесс постепенных изменений. Просто промежуточные состояния исчезают так быстро, что в ископаемых остатках они не могут быть обнаружены. “Прерывистость в виде последовательности частых перемен” и макромутация, то есть мгновенное изменение в одном поколении, – это совершенно разные понятия. В путанице отчасти виноват Стивен Гулд, один из двух апологетов этой теории (второй – Найлз Элдредж), который вообще‐то неплохо относится к отдельным типам макромутаций, но иногда отрицает значительную разницу между быстрой сменяемостью и истинной макромутацией – не подумайте только, что это относится к мутации типа “Боинг-747”. Элдредж и Гулд имели все основания сердиться на креационистов, искажавших их идею и полагавших, будто прерывистое равновесие, если пользоваться моей терминологией, аналогично гигантской мутации “Боинг-747”, где, как справедливо считают ученые, без волшебной палочки не обойтись. Гулд говорит:

Поскольку мы предлагаем модель прерывистого равновесия именно для того, чтобы объяснить существующие эволюционные тенденции, нас бесит, когда нам снова и снова – уж не знаю, сознательно или по недоумию, – приписывают утверждение, что в палеонтологической летописи нет промежуточных форм. Как правило, на уровне вида переходные формы не наблюдаются, но между большими группами они присутствуют в изобилии.

Если бы доктор Гулд более четко показал различия между быстрой сменой промежуточных состояний и сальтацией (то есть макромутацией), риск того, что его поймут неправильно, был бы меньше. Теорию прерывистого равновесия можно считать умеренной (и, возможно, верной) или революционной (и, вероятно, ложной) – это зависит от определений. Если грань между быстрым градуализмом и сальтацией размыта, теория прерывистости выглядит более радикальной. Но в то же время это постоянно действующее приглашение к ошибочной трактовке, и креационисты с удовольствием его принимают.

Причина, по которой на уровне вида переходные формы обычно отсутствуют, проста до банальности. Дети растут долго и превращаются во взрослых постепенно, но с юридической точки зрения один день рождения – как правило, восемнадцатый – особенный. То есть можно утверждать, что каждый из 55 миллионов человек, составляющих население Великобритании, либо имеет право голосовать, либо нет – промежуточного статуса не бывает. Согласно закону, как только часы пробьют полночь и наступит восемнадцатый день рождения, молодой человек превращается в избирателя – вот и зоолог должен обязательно зачислить особь в тот или иной вид. Если фактически особь занимает промежуточное положение – а таких особей немало, – зоологи, присваивая ей имя и действуя в рамках научного кодекса, все равно вынуждены что‐то выбрать. Следовательно, в отношении видов креационисты по определению должны быть правы, заявляя, что не может быть переходного состояния, но к живой природе это неприменимо – разве что к правилам классификации в зоологии.

Взять хотя бы наших собственных предков: австралопитеки, человек умелый, человек прямоходящий, древний человек разумный и современный человек разумный сменяли друг друга так плавно и постепенно, что между учеными не стихают ожесточенные споры по поводу того, к какому виду принадлежит данная окаменелость. А вот пример антиэволюционной пропаганды, взятый из одной книги: “Находку отнесли то ли к австралопитекам – к приматам, – то ли к роду Homo, а стало быть, к людскому роду. Более ста лет ведутся активные полевые изыскания и горячие дискуссии, однако витрина, зарезервированная для гипотетического предка человека, пока пустует. Недостающего звена по‐прежнему недостает”. Остается только гадать, какими должны быть окаменелые остатки, чтобы их можно было считать промежуточным видом. На самом деле в приведенной выше цитате ничего не сказано о реальном мире. Что‐то такое, довольно мутное, говорится о том, какие вещи какими именами называть. Надо всеми недостающими звеньями – казалось бы, теми самыми промежуточными видами – довлеет авторитет терминологии, которая отбрасывает его за черту или оставляет перед ней. Чтобы найти промежуточные варианты, лучше всего отвлечься от вопросов номенклатуры и посмотреть на их форму и размеры. Тогда вы поймете стройную логику палеонтологической летописи, хотя в ней есть пробелы, и порой крупные – как полагают, они остались просто потому, что когда‐то нарушился процесс окаменения. В какой‐то степени наша система присвоения имен разработана для той эпохи, когда об эволюции речи еще не шло, все со всем было четко разделено, и мы даже не надеялись найти промежуточные виды.

Мы бегло осмотрели гору Невероятности и обнаружили два различных пейзажа: неприступные скалы с одной стороны и пологие подъемы – с другой. Две следующие главы посвящены утесам чуть ли не с самыми обрывистыми склонами, мимо которых креационисты не могут пройти спокойно – а именно, крыльям (“что толку в половине крыла?”) и глазам (“пока все многочисленные элементы глаза не займут нужное положение, он не будет функционировать, поэтому глаз не мог эволюционировать постепенно”).

Глава 4

Взлет разрешен

Люди веками лелеяли несбыточную мечту подняться в небеса, а добившись все же своего, взлетают с такой натугой, что легко переоценить связанные с полетом трудности. Для большинства представителей животного мира полет – естественное состояние. Перефразирую изречение моего коллеги Роберта Мэя: в первом приближении летают все виды животных. Главным образом потому, как он сказал на самом деле, что в первом приближении все существующие виды относятся к насекомым. Но даже только про теплокровных позвоночных можно сказать, что летает больше половины всех видов: видов птиц вдвое больше, чем видов млекопитающих, а четверть всех видов млекопитающих составляют виды летучих мышей. Мы слишком крупные звери, потому‐то нам так тяжело летать. Бывают животные и покрупнее – слоны и носороги, например, – и естественно, мы их опасаемся, но в общем и целом все животные меньше нас (рис. 4.1).

Если ты очень маленький, сопротивление воздуха тебе не мешает. Для крошечного существа куда более непростая задача – устоять на земле. Такая принципиальная разница между большими и маленькими животными вытекает из некоторых непреложных физических законов.

При заданной форме тела его вес увеличивается не пропорционально приросту длины, а в третьей степени. Если страусиное яйцо втрое длиннее куриного при той же форме, оно весит не втрое больше, а в (3 х 3 х 3), то есть в 27 раз. Эта мысль давит на психику, пока ее не переваришь. Один человек съедает на завтрак одно куриное яйцо, а взвод полицейских – двадцать семь человек – поделит на всех яйцо страуса. Объем, а следовательно, и вес тела, увеличивается пропорционально кубу линейного размера. А вот площадь поверхности пропорциональна квадрату длины. Это легко показать на примере кубических коробок, но общее правило верно для любых форм.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 4.1. Живые существа и растения могут отличаться по величине на восемь порядков. Для наглядности они показаны в координатах возраст поколения – размер (эти параметры взаимосвязаны, но сейчас мы не будем отвлекаться на причины корреляции). Шкала по обеим осям – логарифмическая, иначе для того, чтобы уместить на одном графике бактерию и секвойю, нам понадобился бы лист бумаги шириной более полутора километров.


Представьте себе коробку-кубик. Сколько в нее поместится таких же коробочек с ребром вдвое короче? Нарисовав кубики, вы легко получите ответ – восемь. В большую коробку можно уложить не в два, а в восемь раз больше яблок, чем в маленькую; упаковать не в два, а в восемь раз больше банок с краской. Но если вы захотите покрасить большую коробку, насколько больше вам понадобится краски по сравнению с маленькой коробкой? Опять же по рисунку вы увидите, что краски надо взять не вдвое и не в восемь раз, а в четыре раза больше.

Если сравнивать сильно отличающиеся по размеру предметы, площадь поверхности и объем разойдутся еще больше. Предположим, производитель спичек хочет изготовить для рекламы спичечный коробок величиной с человека – ящик, высота которого, если положить его на землю, составляет 2 м. Высота стандартного коробка – 2 см, поэтому по высоте ящика помещается 100 коробков. Вдоль одного края большого ящика укладывается подряд 100 спичечных коробков. По ширине тоже помещается 100 коробков. Итак, сколько коробков будет в заполненном большом ящике? 100 х 100 х 100, то есть миллион. Вроде бы ящик всего в сто раз больше обычного коробка, и по простоте душевной человек может так примерно и оценить его размеры: больше всего в сто раз. Но если смотреть иначе, ящик больше коробка в миллион раз, и в него можно уложить в миллион раз больше спичек – а на самом деле, еще больше, потому что картонные стенки съедают относительно немного объема.

Если договориться, что гигантский и обычный коробки сделаны из одного и того же материала, каковы будут относительные затраты на картон? Это зависит не от объема и не от длины сторон, а от площади поверхности. Для коробка-гиганта потребуется не в миллион раз больше материала, чем для обычного коробка, а только в 10000 раз. Относительно веса площадь поверхности обычного маленького коробка кажется намного больше, чем площадь поверхности огромного коробка относительно его веса. Если вы разрежете маленький коробок, сложенная картонка еле‐еле влезет в другой такой же коробок. Но если вы разрежете большую коробку, она едва прикроет дно другой большой коробки. Соотношение площади поверхности и объема – очень важный параметр. В то время как объем растет в третьей степени, поверхность увеличивается только во второй. Это можно выразить математически: если размеры тела увеличиваются пропорционально, то отношение площади поверхности к объему увеличивается в степени 2/3. Для мелких объектов отношение площади поверхности к их объему больше, чем для крупных. У маленького тела как бы “больше поверхности”, чем у большого такой же формы.

Далее, в жизни иногда важнее всего площадь поверхности, иногда объем, иногда габариты, а бывает, что и эти параметры вместе в различных комбинациях. Представьте себе гиппопотама, уменьшенного до размеров блохи с точным соблюдением всех пропорций. Рост (длина или толщина) настоящего гиппопотама могут быть в тысячу раз больше, чем у “блохопотама”. Следовательно, он в миллиард раз тяжелее. Площадь его поверхности больше всего лишь в миллион раз. Отсюда – для своего веса уменьшенный гиппопотам располагает поверхностью в 1000 раз большей, чем крупное животное. Простой здравый смысл подсказывает нам, что малютке было бы гораздо легче парить в воздухе, чем гиппопотаму нормального размера, но порой бывает полезно взглянуть, на что опирается здравый смысл.

Конечно же, ни одно крупное животное не может быть увеличенной копией маленького зверька, и сейчас мы поймем, почему. Механическое пропорциональное увеличение не прошло бы естественный отбор, потому что пришлось бы компенсировать возникший дисбаланс между площадью поверхности и объемом. У гиппопотама примерно в миллиард раз больше клеток, чем было бы у его крошечного двойника, а поверхностных клеток в его коже всего в миллион раз больше. Каждой клетке требуются кислород и питательные вещества, каждая клетка выделяет ненужные вещества, так что гиппопотам пропускал бы через себя в миллиард раз больше всех веществ в обе стороны. У блохопотама кожный покров занимал бы существенную долю поверхности, через которую происходил бы обмен кислорода и продуктов жизнедеятельности. У нормального гиппопотама, напротив, кожи мало относительно его веса, и для того чтобы обслужить весь свой миллиарднократный запас клеток, он вынужден сильно увеличить площадь поверхности. Задача решается за счет длинного, уложенного петлями кишечника, альвеолярной структуры легких и снабженных микроканальцами почек – причем все эти органы пронизаны густой сетью разветвляющихся кровеносных сосудов. Благодаря этому в организме крупного животного площадь внутренней поверхности значительно превышает наружную площадь его шкуры. Чем меньше животное, тем менее важны для него легкие, жабры, кишечник и кровеносные сосуды: его тело имеет достаточно большую площадь поверхности, чтобы самостоятельно справиться с обменными процессами, которые происходят в относительно небольшом количестве внутренних клеток. Можно сформулировать это короче: у маленького животного доля клеток, контактирующих с внешней средой, выше. У крупного животного, например гиппопотама, доля контактирующих с внешней средой клеток настолько невелика, что ему приходится наращивать ее за счет органов с развитой поверхностью – таких как легкие, почки и капилляры кровеносной системы.

От площади поверхности зависит скорость обмена веществ, а также другие важные свойства. К таковым относится способность подниматься в воздух и летать. Нашего блохопотама мог бы унести легчайший ветерок. Зверек взмыл бы к облакам вместе с восходящим потоком теплого воздуха, а потом, целый и невредимый, плавно опустился бы на землю. Если с такой же высоты упадет настоящий гиппопотам, он костей не соберет, а рухнув вниз с пропорционально увеличенной высоты, прокопает себе могилу. Живой гиппопотам может летать только во сне. Блохопотам при всем желании не смог бы не взлететь. Для того чтобы оторвать от земли обычного гиппопотама, надо привязать к нему такие большие крылья, что… впрочем, проект с самого начала обречен на провал, потому что даже гигантским крыльям не поднять колоссальную мышечную массу, которая должна будет приводить их в движение. Если уж вам придет в голову вывести летающее животное, не стоит начинать с гиппопотама.

Дело в том, что если крупный зверь захочет оторваться от земли, ему придется отрастить большие, широкие крылья, точно так же, как ему необходимо иметь почки и легкие с хорошо развитой поверхностью. А маленькому зверю, чтобы оторваться от земли, ничего отращивать не надо. Его тело и так имеет достаточно большую площадь поверхности. Высоко над землей по всему миру роятся тучи мелких насекомых и прочих созданий – так называемый воздушный планктон. Безусловно, у многих из них есть крылышки. Но к воздушному планктону относятся и различные бескрылые существа – они парят в воздухе, хотя и не имеют специальных органов, которые обеспечили бы им несущую поверхность. Просто они маленькие, вот и летают; как мы не тонем в воде, так и они не падают на землю. Можно пойти и дальше в этом сравнении: даже имея крылышки, крошечное насекомое энергично машет ими не столько для того, чтобы удержаться в воздухе, сколько чтобы “плыть” в нем. В данном случае слово “плыть” уместно, ведь с очень маленькими созданиями происходят и другие странные вещи. В таком масштабе огромную роль играет поверхностное натяжение, и маленькое насекомое воспринимает воздух как густую, вязкую среду. Взмахивая крылышками, насекомое, должно быть, ощущает примерно то же, что ощущали бы мы, плавая в сиропе.

Что толку болтаться в воздухе, не имея возможности менять высоту и поворачивать в нужную сторону, спросите вы. Не буду вдаваться в пространные объяснения, но с позиций генетики даже такой полет – уже большое достоинство, тем более для организмов, которые ведут прикрепленный (седентарный) образ жизни. Это особенно актуально для растений – любой участок земли время от времени, скажем, после пожара или наводнения, становится не пригодным для жизни. Растениям нужно много солнца, поэтому для них весь лес, кроме просветов, образовавшихся из‐за падения деревьев, не пригоден. Предки почти всех животных и растений обитали где‐то еще, и, скорее всего, у них есть гены, необходимые для того, чтобы попадать в новые места – неважно, куда. Поэтому семена одуванчика крепятся к невесомым пушинкам, а репейнику нужны крючки – чтобы цепляться за шерсть и мех животных. По той же причине множество насекомых дрейфует вместе с воздушным планктоном и опускается на неосвоенную территорию с каплями дождя.

Легкость, с которой мелкие твари дрейфуют по ветру, наводит нас на единственно возможную мысль: способность летать изначально эволюционировала у маленьких организмов – и пик Полетов на горе Невероятности кажется не таким уж недосягаемым. Очень маленькие существа могут летать вовсе без крыльев. Тех, что чуть покрупнее, поднимают в воздух крошечные крылышки – и вот мы уже направляемся к настоящим крыльям по ровному, отлогому склону горы Невероятности. На самом деле, как показало весьма оригинальное исследование Джоэла Кингсолвера и Мими Коэль из Калифорнийского университета Беркли, все не так примитивно. Кингсолвер и Коэль проверяли гипотезу об иной первоначальной функции крылышек у насекомых – они служили своеобразными солнечными элементами, необходимыми для обогрева. В те незапамятные времена крыльями не махали. Это были просто небольшие выросты на грудной клетке.

Авторы разработали хитроумную методику исследования. Сверяясь с палеонтологическими находками остатков первых насекомых, они изготовили простые деревянные модели. Одни без крыльев, другие с крылышками разной длины, причем у многих моделей крылышки были такие короткие, что их и крыльями‐то не назовешь, да и летать с такими трудновато. Модели насекомых разной величины испытывали в аэродинамической трубе, чтобы определить, насколько они эффективны с точки зрения аэродинамики. Кроме того, встроенные миниатюрные термометры показывали способность моделей улавливать свет яркого прожектора, имитирующий солнечные лучи.

Исследователи выяснили, что самые крохотные насекомые прекрасно летают и без крыльев – о чем мы и говорили. Моя приятная прогулка по склону горы Невероятности несколько осложняется тем выводом, что при очень маленьких размерах крылышки, похоже, не улучшают аэродинамических характеристик насекомого. Пока их длина не достигала сколько‐нибудь существенного значения, они не обеспечивали полезную подъемную силу. При двухсантиметровом туловище заметная подъемная сила возникала при длине крыльев, равной длине тельца. Крылышки, длина которых составляла всего 20 % длины тельца, не приносили модели ни малейшей пользы. На первый взгляд, у нас на пути к вершине возникает неожиданное препятствие: чтобы крылья одним махом выросли до необходимого размера, нужна мутация с очень сильным эффектом. Впрочем, его не так уж трудно обойти, если принять во внимание два дополнительных обстоятельства.

Во-первых, относительно большие крылья дают преимущества в полете только совсем крошечным насекомым. Насекомым покрупнее достаточную подъемную силу обеспечивают даже коротенькие крылья. Если постепенно наращивать длину крыльев при длине туловища 10 см, в какой‐то момент произойдет скачкообразное усиление аэродинамических свойств.

Что во‐вторых, мы поймем, вернувшись к самым мелким моделям насекомых. Для них доказано, что маленькие крылышки уже дают термический эффект. Крылышки чуть‐чуть большего размера лучше работают как солнечные батареи, но не создают подъемную силу. Судя по всему, для самых маленьких насекомых КПД “солнечных батарей” нарастает постепенно. Крылышки длиной 1 мм лучше, чем полное их отсутствие, 2 мм лучше, чем 1 мм – и так далее. Но так далее не до бесконечности. По достижении определенной длины эффективность “солнечных батарей” увеличивается уже гораздо медленнее. Следовательно, можно утверждать, что если преобладает аэродинамическая функция, само по себе постепенное повышение эффективности обогрева не стимулирует рост крыльев. Однако Кингсолвер и Коэль обнаружили хорошее решение этой проблемы. Как только у мелких насекомых развились крылышки ради аккумуляции солнечной энергии, некоторые виды по разным причинам стали увеличиваться в размерах. Тому есть несколько причин, развитие более крупных форм с течением времени – не редкость в животном мире. Может быть, насекомым выгоднее быть большими, потому что их с меньшей вероятностью съедят. Если в процессе эволюции они почему‐либо выросли, то вместе с ними должны были бы вырасти и их “солнечные батареи”, они же крылышки. В таком случае, увеличившись в размерах, насекомое со всеми своими крылышками и прочими органами автоматически перешло бы в ту категорию, для которой важнее аэродинамические преимущества, – и продолжило восхождение на гору Невероятности, пусть и к другому ее пику по другому склону.

Нельзя надеяться на точное воспроизведение в аэродинамической трубе тех процессов, которые происходили 400 миллионов лет назад в девонском периоде. Неизвестно, правда ли крылышки когда‐то служили насекомым лишь обогревательными элементами и до тех пор, пока все туловище по той или иной причине не увеличилось в размерах, были совершенно бесполезны в воздухе. Возможно, в естественных условиях шли иные физические процессы, отличные от смоделированных, и зачатки крыльев с самого начала развивались так, что становились более пригодными для летания. Однако эксперимент Кингсолвера и Коэль преподносит нам интереснейший урок. Он показывает нам новый тонкий маневр, учит лавировать и искать удобные подходы к вершине горы Невероятности.

У позвоночных, в большинстве своем относительно крупных животных, способность к полету, вероятно, вырабатывалась по другому сценарию. Функция управляемого полета эволюционировала независимо у птиц, летучих мышей (видимо, по меньшей мере в двух различных группах) и птерозавров. Многие животные, пусть они и не летали по‐настоящему, планировали с ветки на ветку, и это мог быть один из путей эволюции. В кронах деревьев кипит жизнь. Мы видим лес, который растет на земле. Пробираясь меж стволов, мы смотрим на лес с позиции больших, тяжеловесных и неуклюжих животных, устраивающих себе жилища на земле. Для нас дремучий лес подобен колоссальному сумрачному собору с арками и гулкими сводами и высоченным зеленым потолком. Но большинство его обитателей предпочитает верхние ярусы и видит его с другой стороны. Их лес – просторный, мягко колышущийся, залитый солнцем лиственный луг, который вообще‐то растет “на сваях”, хотя вряд ли их это интересует. На этом высотном лугу, никогда не спускаясь, проводит всю жизнь бесчисленное множество представителей животного мира. Луг – это место, где много зелени, а зелени много, потому что там много солнца, а солнечный свет – источник всей энергии на земле.

Рельеф поверхности не сплошной. Ажурный луг пестрит провалами, чуть зазеваешься – и долетишь до самой земли; тут не помешал бы мост. Многие виды животных хорошо экипированы, каждый по‐своему, и легко преодолевают довольно широкие пропасти. Попасть на противоположный край – зачастую вопрос жизни и смерти. Преимущества дают любые видоизменения в строении тела, которые помогают хоть немного, даже самую малость, увеличить дальность прыжка. Главное отличие белки от крысы – ее хвост. Хвост – не крыло, на нем далеко не улетишь. Но его “оперение” – пушистый мех – обеспечивает поверхность для создания подъемной силы. Крыса с беличьим хвостом, безусловно, могла бы перепрыгнуть через более широкую пропасть, чем крыса с обычным хвостом. И если у предков белки хвост напоминал крысиный, он должен был меняться долго и постепенно, становясь все более пушистым, пока не превратился бы в нормальный беличий хвост.

Говоря о беличьем хвосте, я употребил слово “оперение”, но это в гораздо большей мере относится к совершенно другому млекопитающему – карликовому летающему поссуму[7] (рис. 4.2). У этого сумчатого животного больше общего с поссумом и кенгуру, чем с белками или крысами. Оно живет высоко на ветвях австралийских эвкалиптовых рощ. Его хвост, конечно, не настоящее перо с хитрой системой крошечных крючков и бородок – это определенно изобретение птиц. Но хвост карликового поссума очень похож на перо, и работает он точно так же.

Кроме того, карликовый летающий поссум имеет перепонки – складки кожи, натянутые между локтем и коленом, благодаря которым он способен “перелететь” почти на 20 м. Другое семейство австралийских поссумов (семейство Petiuridae) еще больше преуспело в развитии кожистой перепонки. Гигантский летающий поссум (Petauroides volans) преодолевает расстояния до 100 м и может поворачивать на 90 градусов, хотя и у него перепонка достает только до локтевого сгиба. Еще увереннее чувствует себя в воздухе большая сумчатая летяга (Petauroides australis). Ее перепонка расположена между лучезапястным и голеностопным суставами, как и у сахарного летающего поссума (карликовой сумчатой летяги Petaurus breviceps) и более крупного беличьего поссума (сумчатой летяги Petaurus norfolcensis).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 4.2. Карликовый летающий поссум, Acrobates pygmaeus, австралийское млекопитающее.


Гигантская летяга, обитающая в дальневосточных лесах, и североамериканская летяга с виду почти такие же, хотя принадлежат к абсолютно другой группе млекопитающих. Это самые настоящие белки, грызуны, но у них, как у более ярких представителей сумчатых летяг, кожистые перепонки натянуты между лучезапястными и голеностопными суставами. Летают они ничуть не хуже сумчатых “планеристов”. В Африке встречаются и другие грызуны, у которых тоже прекрасно развита техника планирования в воздухе. Это шипохвостая летяга (шипохвост) и карликовая летяга (летяга-пигмей) – они и не белки даже и прыгать на большие расстояния научились явно самостоятельно, американские белки-летяги тут ни при чем. На Филиппинах обитают экзотические зверьки шерстокрылы, они же кагуаны, или так называемые лемуры-летяги, с еще более мощной кожистой мембраной – от шеи до хвоста и от кончиков передних лап до кончиков задних. Кто они такие на самом деле, неясно, но точно не лемуры – настоящие лемуры живут на Мадагаскаре и, хотя некоторые их виды могут прыгать достаточно далеко, ни летать, ни просто планировать в прыжке они не способны. Как бы то ни было, шерстокрылы – не грызуны и не сумчатые, и свою кожистую перепонку, как и связанные с ее наличием повадки, они обрели независимо ни от кого.

Шерстокрылы, все виды белок-летяг и сумчатых летяг планируют, перелетая довольно далеко, примерно с равным успехом. Но если бы эволюция на этом не остановилась, у них могли бы развиться крылья нового типа, поскольку кожистая перепонка соединяет пальцы – хотя у других животных она достигает только кистей передних лап и голеностопа. То же самое, даже с еще большей очевидностью, справедливо для ящериц с красивым названием “летучие драконы” (рис. 4.3). Это древесные ящерицы, которые также обитают в кронах деревьев на Филиппинах и в Индонезии. В отличие от млекопитающих летяг, их кожистые перепонки никак не связаны с конечностями, а натянуты на длинных ребрах, и, когда надо, летучие драконы их расправляют. Из всех “летучих” животных мне больше всего нравится веслоногая лягушка – древесная лягушка родом из джунглей Юго-Восточной Азии. Вытянутые пальцы ее конечностей соединены перепонками, с помощью которых она, как и все остальные уже знакомые нам планирующие животные, “порхает” с ветки на ветку.

Ни в одном из приведенных примеров восхождение на гору Невероятности не сопряжено с серьезными трудностями. Более того, по пути к вершине летательные свойства не раз претерпевали изменения, поэтому удобных тропинок должно было быть много. Это подтверждает еще один представитель фауны тропических лесов Юго-Восточной Азии: украшенная древесная змея (золотистый древесный уж). Отталкиваясь от дерева, она запросто планирует в прыжке к другому дереву на расстояние около 20 м, хотя у нее нет ничего, подобного парусу, мембране или крылу с оперением. Все дело в том, что одна только геометрия тела обеспечивает относительно большую для ее веса площадь поверхности, а когда змея втягивает живот, так что внизу образуется вогнутая поверхность, эффект усиливается. По-видимому, первый решительный шаг к следующей ступени эволюции, к кому‐нибудь вроде летучего дракона уже с настоящей кожистой перепонкой, эта змея совершила. Второго шага так и не последовало – вероятно, потому, что при других условиях удлиненные ребра стали бы ей помехой.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 4.3. Эти позвоночные не умеют летать по-настоящему, они только планируют сверху вниз, с ветки на ветку; по часовой стрелке, начиная сверху справа: новозеландская летучая мышь колуго, Cynocephalus volans; летучий дракон, Draco volans; веслоногая лягушка, Rhacophorus nigropalmatus; карликовая сумчатая летяга, Petaurus breviceps; украшенная древесная змея, Chrysopelea paradisi.


Постепенную эволюцию таких существ, как белка-летяга, можно представить себе следующим образом. Некий предок, похожий на обычную белку, жил себе на дереве и прыгал с одной ветки на другую, ближайшую, без всяких специальных перепонок. Он отлично без них обходился, но если бы они были – хотя бы небольшие – или если бы его хвост был хоть немного пушистее, ему удалось бы перескочить на чуть более удаленную ветку, а следовательно, в критической ситуации спасти свою шкурку. Поэтому естественный отбор на стороне тех особей, у кого на лапках или суставах имеется лишняя кожа – и это становится нормой. В результате дальность прыжка среднего представителя популяции увеличивается на 10–15 см. Особи с более широким лоскутом лишней кожи прыгают еще дальше. Эта особенность закрепляется в следующем поколении – и процесс пошел. Для перепонки определенного размера существует предельное расстояние, и малейшее увеличение кожистой перепонки имеет жизненно важное значение. Средняя площадь складки кожи в популяции неуклонно растет, как растет и расстояние, на которое прыгает средняя особь. За много поколений развились животные вроде сумчатых летяг и белок-летяг, способные планировать на десятки метров и рулить в воздухе, приземляясь там, где хотят.

Однако планирование – это все еще не полет. Ни одно из этих животных не машет крыльями и не может оставаться в воздухе сколь угодно долго. Иногда они слегка меняют направление движения и немного поднимаются, прежде чем сесть на нижнюю ветку, но все равно планируют сверху вниз. Собственно управляемый полет, свойственный летучим мышам, птицам и птерозаврам, возможно, развился из планирующего спуска их предшественников. Большинство таких животных способно контролировать направление и скорость планирующего полета, а также выбирать конечную точку. Очень вероятно, что однообразная работа мышц, с помощью которых животное управляло своим движением в воздухе, постепенно перешла в полет с машущим крылом, и в течение эволюционного процесса средняя протяженность временного интервала между взлетом и приземлением все больше увеличивалась.

Впрочем, некоторые биологи склоняются к идее, что планирующие полеты на большие расстояния ведут эволюцию прыжков по деревьям в тупик. По их мнению, подлинный полет начинается не на дереве, а на земле. Безмоторный самолет, чтобы взлететь, должен стартовать с обрыва либо разогнаться по земле на буксире. Летучая рыба (рис. 4.4) использует второй способ – правда, разгоняется не по суше, а по морю, – и по дальности полета не уступает сумчатым воздухоплавателям, планирующим с ветвей деревьев. Летучая рыба набирает высокую скорость в воде, а затем взмывает вверх над волнами – надо думать, к вящему ужасу преследующего ее хищника, которому кажется, что она буквально исчезает в прозрачном воздухе. Она пролетает почти 100 м без контакта с водой. Иногда, нырнув, летучие рыбы вспенивают хвостом воду и несколько раз энергично работают плавниками, чтобы вновь набрать скорость и взлететь. Большие грудные – а у атлантических летучих рыб еще и брюшные – плавники служат им крыльями.

Не путайте истинных летучих рыб (Exocoetidae) с крылоперовыми, или долгоперовыми (Dactylopteridae), хотя по меньшей мере в двух книгах, что лежат на моем журнальном столе, их перепутали. Долгоперовые вовсе не летают – они ползают по морскому дну. Как полагают авторы многих научных работ, эти рыбы используют свои “крылья” в качестве стабилизаторов, отпугивают хищников их блеском и перепахивают ими песок в поисках жертв, а если кто‐то или что‐то нарушает их покой, то они всплывают на метр-два, расправляют “крылья” и снова плавно опускаются на дно. Единственное, чего долгоперовые не делают с помощью своих “крыльев” – так это не летают. Трудно сказать, откуда пошло заблуждение, будто они летают – может быть, из‐за явного сходства их грудных плавников с плавниками летучих рыб. Что касается самих летучих рыб, их предшественниками, очевидно, были не придонные рыбы, а быстроходные обитатели верхних слоев океана. Многие виды выпрыгивают из воды без помощи широких плавников. Очевидно, такие резвые прыгуны могли выиграть, отрастив плавники побольше и в следующих поколениях увеличив их площадь до размеров “крыльев”. Даже жаль, что до стадии развития летающих рыб не дошли одни из самых эффектных морских прыгунов – дельфины. Возможно, для того чтобы летать, они должны были бы быть меньше нынешних дельфинов, а кроме того, мелким дельфинам пришлось бы туго по другим причинам, связанным с термоизоляцией и свойствами подкожного жира. Существуют так называемые летучие кальмары – у них общие враги с летучими рыбами, например, тунец, и они спасаются тем же способом. Кальмары рода Onychoteuthis набирают в воде скорость более 70 км/ч и, пулей вылетая из воды почти на два метра, проносятся по воздуху метров на пятнадцать, а то и дальше. Столь высоких скоростей они достигают благодаря реактивной силе, а летят задом наперед, потому что все головоногие моллюски выбрасывают струи воды позади головы. Как только выталкивается очередная порция воды, запас движущей силы иссякает и остается на нуле, пока кальмар вновь не попадет в море. Тут летучие рыбы имеют преимущество: как мы уже знаем, они способны восстановить скорость, интенсивно работая хвостом в воде, пока их корпус большей частью еще в воздухе.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 4.4. Эти животные взлетают после разгона по поверхности. Атлантическая летучая рыба, Cypselurus heterurus (вверху) и летучий кальмар, Onychoteyhis.


В южноамериканских реках водятся рыбы еще одного интересного семейства – клинобрюхие (карнагиеллы, рыбы-топорики); судя по описаниям, они очень быстро, с шумом машут вверх-вниз грудными плавниками, так что им удается по‐настоящему, хоть и недолго, лететь в воздухе. Клинобрюхие не связаны близким родством ни с летучими рыбами, ни с долгоперовыми. Хотел бы я посмотреть, как мимо меня, бешено трепыхаясь, пролетает такой топорик. Не то чтобы я сомневаюсь в том, что повторяется во всех книгах, но любому рыбаку известно, да и мы уже это знаем на примере долгоперовых, что иногда рыбацким байкам надо доверять, проверяя.

В любом случае, разговор о планирующих летучих рыбах я завел ради прелюдии к теории о том, что за развитие подлинного полета – с машущим крылом – ответственны не обитатели верхнего лесного яруса, плавно спускавшиеся с ветки на ветку, а те животные, которые быстро бегали по земле и чьи передние конечности оставались при этом свободными. Летучие рыбы и кальмары живут в воде, но подтверждают тот факт, что животные, способные парить в воздухе, могли бы взлететь не только с края обрыва или с верхушки дерева, если бы хорошенько разогнались. И птицы могли бы, потому что они произошли от двуногих динозавров (по своей конституции птицы, можно сказать, и есть динозавры), среди которых, вероятно, были и отменные бегуны не хуже современных страусов. Можно подметить аналогию с летучей рыбой: ноги, подобно рыбьему хвосту, посылают животное вперед и сообщают ему высокую скорость, а передние конечности, видимо, первоначально помогавшие удержать равновесие и контролировать направление движения – как и плавники, – позже развились в крылья с аэродинамическим профилем. Некоторые млекопитающие – например кенгуру – набирают очень высокую скорость, отталкиваясь двумя ногами, а эволюция их передних конечностей могла повернуть в любую сторону. Кажется, из всех млекопитающих только наш вид ходит, поочередно переставляя ноги, на птичий манер, но мы довольно медлительны, и руки нам нужны не для того, чтобы летать, а чтобы носить в них и мастерить ими разные вещи. Все двуногие млекопитающие, способные бегать быстро, передвигаются, как кенгуру, отталкиваясь обеими ногами сразу. У четвероногих – собак, например, – такая манера вырабатывается естественным образом при горизонтальных прогибах позвоночника во время бега. Если проводить аналогии, киты и дельфины плавают, изгибая хребет вверх-вниз, как млекопитающие, а туловище рыбы и крокодила виляет из стороны в сторону, как у древних рыб. Кстати, нам следовало бы отдать должное невоспетым героям из числа звероподобных рептилий, первыми отработавшим тот самый стиль бега прыжками, которым теперь так восхищают нас признанные скороходы – гепарды и борзые. Наверное, и сейчас в вилянии собачьего хвоста, особенно когда пес подобострастно извивается всем телом, можно углядеть рудимент змеиных движений древней рыбы.

Среди бегающих по земле млекопитающих не только кенгуру и им подобные сумчатые передвигаются скачками. Мой коллега, доктор Стивен Кобб, в одной из своих лекций сказал студентам-зоологам из Университета Найроби, что валлаби водятся исключительно в Австралии и Новой Гвинее. “Сэр, я видел его в Кении”, – возразил кто‐то из студентов. Нет сомнений – ему повстречалось одно из существ с рисунка 4.5.

Этот зверек – долгоног; он не заяц и не кенгуру, а грызун. Как и кенгуру, удирая от хищников, долгоног скачет, чтобы набрать скорость. Точно так же ведут себя некоторые другие грызуны, например, тушканчики. Однако от следующего шага в эволюции по пути к способности летать двуногие млекопитающие явно воздержались. Среди млекопитающих по‐настоящему умеют летать только летучие мыши, причем у них кожистые перепонки охватывают как передние, так и задние конечности. Непонятно, как можно было перейти в развитии от быстрого бега к такому крылу, которое связывает летучую мышь “по рукам и ногам”. К птерозаврам это тоже относится. Мне кажется, что и у летучих мышей, и у птерозавров способность летать выработалась как следствие планирующего спуска с ветвей деревьев или с края обрыва. На каком‐то этапе кто‐нибудь из их предков должен был иметь что‐то общее с шерстокрылом.

Совсем другое дело – птицы. У них свое прошлое, главная роль в котором отводится удивительному приспособлению, а именно перу. Перья – это модифицированные чешуйки рептилий. Не исключено, что поначалу они несли иную функцию, актуальную и в наши дни, – сохраняли тепло тела. Так или иначе, они состоят из рогового вещества, пригодного для формирования легкой, ровной, гибкой и вместе с тем жесткой поверхности с аэродинамическим профилем. Птичье крыло разительно отличается от провисшей кожистой перепонки летучей мыши или птерозавра. Следовательно, у предков птицы должна была быть возможность вырастить подходящее для полета крыло, так чтобы не натягивать его между костей. Достаточно иметь передние конечности с костями. Все остальное обеспечивают перья, жесткие сами по себе. Ноги можно было оставить для бега. На земле птицы вовсе не такие неуклюжие и неповоротливые, как летучие мыши и птерозавры, – ноги позволяют им бегать, прыгать, сидеть на ветке, лазить по стволам и стенкам, охотиться и драться. Попугаи вообще работают ногами, как люди руками. Однако передние конечности предназначены для полета.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 4.5. Долгоног, Pedetes capensis.


Вот каким могло бы быть начало летной биографии у птиц. Их гипотетический предок – скажем, маленький шустрый динозавр – гонялся за насекомыми и ловил их в прыжке, отталкиваясь сильными задними лапами. Сами насекомые освоили воздушное пространство задолго до него. Они уворачивались от преследователя с удивительным проворством, и если бы динозавр мог на ходу корректировать направление прыжка, это увеличило бы его шансы на успех. В наши дни нечто в этом роде вы можете наблюдать в поведении кошек. Это нелегко, ибо в воздухе нет твердой поверхности, чтобы от нее оттолкнуться. Хорошо было бы изменить положение центра тяжести. Для этого можно переместить какие‐то одни части своего тела относительно других. Например, подвинуть голову или хвост, но самое очевидное – это подвинуть передние конечности. Теперь, когда они заняли удобное положение, их можно было бы использовать более эффективно, если бы их поверхность обеспечивала создание подъемной силы. Есть и другая гипотеза – перья, развивающиеся на первых крыльях, служили еще и ловчей сетью. Идея не такая уж далекая от реальности, как кажется – у некоторых видов летучих мышей крылья так и работают. Но согласно нашей теории, передние конечности должны служить прежде всего для управления полетом. Расчеты показывают, что наиболее эффективные для изменения крена и боковых наклонов в прыжке движения передних конечностей должны напоминать зачаточные движения машущих крыльев.

По сравнению с теорией планирующего спуска теория разбега, прыжка и промежуточной коррекции траектории переворачивает все с ног на голову. В первом случае прототип крыла поначалу должен был обеспечить плавный спуск с верхушки дерева. Лишь потом животные стали рулить с помощью крыльев и в конце концов научились ими махать. По теории прыжков за насекомыми, сначала встал вопрос управления полетом, и лишь потом сформировались передние конечности с пригодной для создания подъемной силы поверхностью. Это очень изящная теория, так как аэродинамическая поверхность должна была бы регулироваться на более поздних стадиях эволюции той же нервной цепочкой, которая отвечала за контроль над центром тяжести прыгающего древнего животного. Может быть, птицы начинали летать, подскакивая и отталкиваясь от земли, а летучие мыши – планируя вниз с ветки на ветку. А может, птицы тоже сначала только планировали, слетая с верхушек деревьев. Дискуссия пока не закрыта.

В любом случае с той давней поры современные птицы далеко улетели. Я бы сказал, разлетелись далеко в разные стороны, ибо они покорили великое множество пиков горы Невероятности. Сапсан, завидев добычу, несется вниз со скоростью выше 160 км/ч. Ястребы и колибри зависают на одном месте, сохраняя позицию с такой точностью, о какой вертолетчики могут только мечтать. Полярная крачка на ежегодные миграции из Арктики в Антарктику и обратно тратит по полгода, преодолевая расстояние почти в 20000 км. Там, где холодные волны будоражат ревущие сороковые, странствующий альбатрос, несомый огромными крыльями, размах которых превышает три метра, огибает полюс против часовой стрелки, неотрывно следуя за буйными ветрами и используя энергию этого естественного двигателя, а не машущего крыла. Фазан и павлин отрываются от земли – внезапно и резко – лишь иногда, если почуют близкую опасность. Другие – например, страусы, нанду и покинувшие этот мир новозеландские большие моа – слишком сильно выросли, чтобы летать, и по сравнению с мощными ногами, способными и быстро бегать, и лягнуть как следует, их крылышки оказались не развиты совсем. Полная противоположность – стрижи, которые почти всегда находятся в воздухе, с их хилыми, неуклюжими лапками и элегантными, вытянутыми кзади крыльями. Они даже спариваются и спят на лету, а садятся только на гнезда. Чтобы сесть на землю, стрижи должны выбрать высокое место, так как с ровной поверхности они не смогут взлететь. Стрижи вьют гнезда из того, что попадается им в воздухе и что они успевают сорвать с дерева, с пронзительным криком пролетая мимо. Cтрижу так же трудно и непривычно ходить по земле, как человеку – прыгать с парашютом или плавать под водой. Наш мир – это стабильный, недвижный фон для нашей деятельности. Но если смотреть черными глазами стрижа, то нормальная, естественная картина мира – это вечное мелькание бескрайних далей на крутых виражах. Для стрижа наша земная твердь сошла бы за головокружительный аттракцион.

Не все птицы машут крыльями, но, вероятно, птичьему парению и планированию предшествовал полет с машущим крылом. Последний довольно сложен и до конца не изучен. Напрашивается мысль, что подъемная сила создается непосредственно при сильных и ритмичных, направленных вниз ударах крыльев о воздух. Отчасти это верно, особенно в момент взлета, но главным образом подъемная сила, как и у самолета, обеспечивается формой крыльев – при достаточной скорости относительно воздуха. Подъемная сила возникает, когда ветер обдувает крылья, которые имеют специфический изгиб или наклонены под нужным углом, – либо, что то же самое, когда птица, неважно, по какой причине, движется вперед относительно воздуха. Взмахи крыльев в основном связаны с созданием необходимой положительной тяги (тяги для движения вперед). Суть в том, что крылья не просто так машут вверх-вниз – это залог их эффективности. Птица искусно производит вращательные движения от плеча при одновременной слаженной работе всех суставов и вдобавок получает дополнительный выигрыш просто за счет изгиба перьев. В результате всех этих вращений, сгибаний и согласованных действий энергия машущих крыльев трансформируется в положительную тягу примерно так же, как это происходит, когда кит бьет хвостом. Крылья создают подъемную силу благодаря поступательному движению в воздухе подобно крыльям самолета, хотя у самолета они неподвижны и потому устроены проще. Чем выше скорость, тем больше подъемная сила – вот почему “Боинг-747” держит высоту, несмотря на свой исполинский вес.

Крупным птицам махать крыльями намного тяжелее: против них работают законы физики. Если птица пропорционально увеличится в размерах, сохранив форму, ее вес вырастет в кубе относительно прироста длины тела, а площадь крыльев по отношению к увеличению их длины – лишь в квадрате. Чтобы не рухнуть вниз, крупная птица должна сама увеличиться непропорционально увеличению крыла и/или непропорционально увеличить скорость полета. Если допустить, что птица будет все расти и расти, рано или поздно наступит момент, когда, не имея в своем распоряжении реактивного или поршневого двигателя, она не сможет удержаться в воздухе, потому что ей попросту не хватит сил. В диапазоне птичьих размеров эта критическая точка находится где‐то чуть ниже крупных грифов и альбатросов. Как мы уже видели, некоторые крупные птицы опускают крылья, прекращая борьбу, и прекрасно живут себе на земле – и даже достигают еще больших размеров, как, например, страусы и эму. Но грифы, кондоры, орлы и альбатросы не отстранены от полетов. Почему?

Они умеют использовать внешние источники энергии. Если бы не жар солнечных лучей и не притяжение Луны, вызывающее приливы и отливы, в воздухе и на море царило бы вечное спокойствие. Внешняя энергия порождает океанские течения, гонит ветра, вздымает пылевые вихри, сотрясает атмосферу мощными толчками, способными сровнять здания с землей и изменить наезженные торговые пути; а кроме того, формирует восходящие тепловые потоки, и если воспользоваться ими с умом, можно подняться вместе с ними к облакам. Грифы, орлы и альбатросы владеют этой техникой в совершенстве. Наверное, только эти представители животного мира могут потягаться с нами в умении управлять энергией атмосферных явлений. Знания о парящих птицах я большей частью черпаю из публикаций доктора Колина Пенникука из Бристольского университета. Сам пилот-планерист, он хорошо понимает, как это делают птицы, а иногда и летает рядом с ними, чтобы изучить их повадки в естественных условиях.

Орлы и грифы извлекают пользу из восходящих воздушных потоков точно так же, как это делают пилоты на планерах. Восходящий воздушный поток представляет собой столб теплого воздуха, поднимающегося, по‐видимому, там, где почва получила влаги больше, чем солнечного тепла. Пилоты безмоторных самолетов, для которых это насущная необходимость, так навострились распознавать восходящие тепловые потоки, что замечают их издалека. На них указывают вроде бы незначительные приметы – характерная форма кучевых облаков над теплым столбом воздуха, особенности ландшафта у его основания. Чтобы совершить длительный авиаперелет на планере, можно прибегнуть к проверенному методу – подняться винтом к верхушке восходящего потока (километра на полтора), а затем парить по прямой вниз в нужном направлении. Спуск будет достаточно плавным и постепенным – гриф обычно теряет около метра высоты на каждые десять метров продвижения вперед. Прежде чем ему понадобится вновь набрать высоту на следующем тепловом потоке, он успеет пролететь больше 15 км.

Теплые восходящие потоки часто образуют своего рода “улицы”, и пилот, внимательно глядя на облака, отыскивает их загодя. Грифы тоже отлично умеют выбирать такие воздушные пути. Иногда, попав в “колею”, которая ведет в нужную сторону, гриф парит вдоль нее и поднимается вместе с очередным потоком, не утруждаясь даже покружить, чтобы встроиться в столб теплого воздуха. Это позволяет птице перемещаться на большие дистанции, не задерживаясь на кругах. Обычно грифы так ведут себя, только когда перебираются с места охоты на гнездовье. Большую часть времени грифы летят не по прямой куда‐то далеко, а нарезают круги в воздухе, высматривая падаль. При этом они не забывают поглядывать на своих сородичей. Если один увидит добычу и устремится вниз, остальные незамедлительно последуют за ним. По всему небу передается волна тревожного ожидания и готовности к действию, подобно тому, как по всей Англии вспыхивали костры на вершинах гор, распространяя сигнал о приближении Непобедимой армады.

Белые аисты во время своих долгих ежегодных миграций с севера Европы на юг Африки тоже не выпускают из поля зрения товарищей по стае, правда, с иной целью. Стая аистов насчитывает несколько сотен птиц. Как и грифы, они кружат, поднимаясь к верхним слоям восходящих воздушных потоков, а затем летят прямо к пункту назначения, пока не встретят еще один столб теплого воздуха. Поднимаются аисты толпой, но когда они выходят из потока, тесная стая перераспределяется в шеренгу. Передвигаться широким фронтом выгодно – пока птицы будут просто парить, направляясь вперед, с большей вероятностью кто‐нибудь найдет очередной восходящий поток. Заметив, что кто‐то рядом начинает подъем, все летят туда же. Таким образом, удача отдельных членов обширного коллектива, обнаруживших воздушный лифт, становится общим достоянием.

Что бы ни послужило началом эволюции птичьего полета – планирующий спуск с ветвей деревьев или разбег и прыжок, – почти не вызывает сомнений, что пальма первенства в парящем полете не принадлежит ни грифам, ни орлам, ни аистам или альбатросам. Все они унаследовали эту способность от своих менее крупных предков, которые махали крыльями. Специально для приверженцев теории о том, что полет стал следствием планирующего спуска с дерева, современные грифы, пусть даже они поднимаются на теплом восходящем потоке воздуха, а не слетают с верхушек деревьев, подтверждают идею возвращения к парению через промежуточную стадию – полет с машущим крылом. Согласно этой теории, на промежуточном этапе в нервной системе сформировалась новая цепь и выработались новые инстинкты управления полетом и маневрирования. Когда грифы вновь стали парить, сохранившиеся инстинкты работали уже лучше. Такое нередко бывает в природе – животные возвращаются к давно забытому поведению, успев пройти другую школу, и есть все основания утверждать, что школа жизни научила их лучше справляться с прежними задачами. Возможно, парящие птицы – не самый подходящий пример, поскольку неясно, как все‐таки птицы научились летать. Более показательно возвращение к прежнему стилю жизни тех животных, которые миллионы лет ходили по суше, а потом снова оказались в воде. Вот этим я и хочу завершить главу (рис. 4.6).

Пятьдесят миллионов лет назад предки китов и морских коров (дюгоней и ламантинов) были сухопутными млекопитающими; наверное, у китов предки были хищниками, а у морских коров – травоядными. В еще более давние времена их собственные предки, как и предки других сухопутных млекопитающих, обитали в море – были рыбами. Вернувшись в океан, киты и морские коровы попали в родную стихию. Мы точно знаем, что переход происходил постепенно. Вероятно, сначала они, как знакомые нам выдры, просто искали в воде пищу. Должно быть, они проводили на суше все меньше и меньше времени, и не исключено, что на определенном этапе киты и морские коровы напоминали знакомых нам морских котиков. Теперь они уже не вылезали из воды и на берегу были абсолютно беспомощны. Тем не менее они сохранили многие признаки своих сухопутных предшественников, а кроме того, как и все млекопитающие, – рудименты прежнего, совсем уж далекого морского прошлого. Киты вдыхают воздух, так как их вышедшие на сушу предки перестали использовать для дыхания жабры. Однако эмбрионы всех млекопитающих, включая китов и морских коров, имеют зачатки жабр – бесспорно, память о далеких водных предках. Пресноводные улитки, пожив на берегу, тоже вернулись в воду и теперь дышат воздухом. Еще раньше их предки жили в море, как большинство современных брюхоногих. Судя по всему, улитки перебрались из соленых вод в пресные по “земляному мостику” – наверное, что‐то, что они приобрели во время их сухопутной жизни, облегчило этот переход. Можно вспомнить и других обитателей суши, удалившихся обратно в воду, среди них черепахи, жуки-плавунцы, паук-серебрянка, а также вымершие ихтиозавры и плезиозавры. Черепахи могут извлекать из воды кислород, но не жабрами, а через слизистый эпителий в ротовой полости (у некоторых видов – в задней кишке); мягкотелые черепахи дышат через кожу, покрывающую панцирь. Жуки-плавунцы и пауки захватывают под воду воздушный пузырь. Все эти животные возвращаются в привычную для их древних предков водную среду, но под влиянием эволюционной истории, накопленной во время наземной жизни, приспосабливаются к этой среде совсем иначе.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 4.6. Киты и морские коровы вернулись в море после сотен миллионов лет сухопутной жизни; сверху вниз: дюгонь, Dugong dugon; ламантин, Trichechus senegalensis; горбатый кит, Megaptera novaeangliae; косатка, Orcinus orca.


Почему сухопутные животные, вернувшись в водную среду, не открывают заново прежний набор приспособлений к водной жизни? Почему киты и морские коровы не сменили легкие на жабры? Сейчас гора Невероятности преподнесет нам еще один ценный урок. В частности, важно понимать, откуда мы стартуем, как в анекдоте о том, как один человек на вопрос, как пройти в Дублин, ответил: “Э-э, я пошел бы не отсюда”. На горе Невероятности много пиков. Свою жизнь в воде можно устраивать по‐разному. Можно извлекать кислород из воды с помощью жабр, а можно высунуть голову наружу и глотнуть воздуха. Казалось бы, утомительно постоянно выныривать. Может, и так, но вспомните: предки китов и морских коров начинали недалеко от пика Вдыхания воздуха. Все их внутренние органы были адаптированы к вдыханию атмосферного воздуха. Наверное, они могли как‐то преобразовать их, оживить зародышевые рудименты древних жабр и стать ближе к рыбам. Но это должно было повлечь за собой тотальную перестройку всех систем организма. Представьте себе, что вы спускаетесь в глубокое ущелье, чтобы подняться оттуда на более высокий пик. Нелишне будет еще раз вспомнить, что дарвинизм не допускает временного ухудшения ради отсроченного выигрыша.

Даже если бы киты и морские коровы спустились в долину, пик Жабр, куда они в конце концов взобрались бы, вовсе не обязательно был бы выше. В морских глубинах жабры не всегда лучше легких. Безусловно, всегда удобнее иметь возможность дышать непрерывно, а не быть обреченным то и дело всплывать на поверхность. Однако мы смотрим со своей колокольни – мы сами вынуждены делать вдох каждые несколько секунд, и даже кратковременная нехватка воздуха ввергает нас в панику. Кашалоты, которые за миллионы поколений, проживших в море, прошли естественный отбор, могут оставаться под водой пятьдесят минут, прежде чем им понадобится новый глоток воздуха. Наверное, для кита всплыть, чтобы вдохнуть, – все равно что человеку выйти на минутку в туалет. Или поесть. Если рассматривать дыхание не как жизненно необходимый непрерывный процесс, а как что‐то вроде приема пищи, то станет ясно, что обитателю подводного мира гораздо лучше без жабр. Скажем, колибри едят более или менее постоянно. Для колибри, которые должны всасывать порцию нектара каждые несколько секунд, если только они не спят, перелетать с цветка на цветок так же важно, как дышать. Асцидии, похожие на мешочек морские хордовые, весьма дальние родственники позвоночных, неустанно прокачивают сквозь себя воду, отфильтровывая микроскопические частицы пищи. Эти фильтраторы едят явно без всякого удовольствия. Пожалуй, одна мысль о том, что им придется где‐то искать новую порцию, привела бы асцидий в ужас. Им было бы невдомек, зачем самые разные животные добывают себе пропитание с риском для жизни и далеко не всегда успешно, вместо того чтобы сидеть спокойно и буквально дышать пищей весь день напролет.

Даже если это было бы так, по одному только внешнему виду китов и морских коров можно судить об их сухопутной истории. Будь они изначально созданы для жизни в море, это были бы другие существа, и у них было бы гораздо больше общего с рыбами. Животные, чья история читается по их виду и повадкам, служат для нас самыми наглядными доказательствами того, что живые существа не были созданы для их нынешнего образа жизни, а эволюционировали от весьма не похожих на них предков.

История камбаловых рыб, прямо‐таки абсурдная, тоже написана у них на лбу. Только безумный дизайнер, решив создать плоскотелую рыбу и приступив к эскизу, изобразил бы на листе ватмана нелепую фигуру с такой головой, что оба глаза неизбежно должны были разместиться на одной ее стороне. Конечно, если бы он задумал “сконструировать” ската – рыбу, которая лежит на животе и глаза которой расположены симметрично на верхней части головы (рис. 4.7), – это была бы хорошая идея. Камбаловых перекосило из‐за собственного прошлого: их предки лежали на одном боку. Скатам досталась совсем другая история – когда их предки перешли к жизни на морском дне, они лежали не на боку, а на животе, поэтому скаты получились такие изящные и симметричные. Я вовсе не имею в виду, что у них не было никаких реальных причин для того, чтобы стать другими. Скаты ведут свой род от акул, а по сравнению с высокотелыми рыбами, по форме напоминающими лопасть весла, туловище акулы уже несколько сплющенное. Высокотелая рыба-“весло” на брюхе лежать не сможет – обязательно завалится набок. Угнездившись на дне, предки камбаловых взобрались на ближайшую горку в массиве Невероятности, хотя если бы им посчастливилось найти путь в маленькую долину, к подножию более высокой горы, до пика Симметричных скатов оставалось бы всего пару раз хвостом вильнуть. Повторяю: естественный отбор запрещает спускаться с горы Невероятности, и у этих рыб просто не было выбора – им пришлось за неимением лучшего перестроить органы зрения и сместить один глаз на противоположную сторону тела. Предки скатов тоже не замедлили занять ближайшую к ним высоту Плоских рыб – и обрели красивую симметричность. Когда я говорю “не было выбора” или “не замедлили занять высоту”, вы, конечно, понимаете, что речь, как обычно, не идет об отдельно взятых особях. Имеются в виду эволюционные линии, “выбор” означает возможность развиваться по альтернативным эволюционным траекториям.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 4.7. Две плоскости для рыб: скат, Raia batis (вверху), лежит на животе, а камбала, Bothus lunatus, на боку.


Я говорил, что нельзя спускаться с горы – но кто наложил этот запрет? Возможно ли такое, что его ни разу не нарушили? А кто “запрещает” реке течь не в ту сторону, куда направляет ее уже имеющееся русло? На все эти вопросы ответ примерно один и тот же. В реальности никто не давал реке команды оставаться в своих берегах, но, по вполне понятным причинам, река течет по своему руслу. Однако она может выйти из берегов и даже размыть их, и тогда все увидят, что курс реки изменился.

Что могло бы ненадолго повернуть вспять эволюционную линию и привести ее к точке, откуда открывается путь на ранее неприступную вершину горы Невероятности? Великий генетик Сьюалл Райт задался этим вопросом и, кстати, стал первым, кто применил к эволюции язык географии – можно сказать, заложил фундамент моей горы Невероятности. Райт представлял Америку в воинственно настроенной тройке запальчивых ученых, которые в 1920‐х и 1930‐х годах создали направление в науке, известное нам сейчас как неодарвинизм. Еще двое ее членов – англичане, не имеющие себе равных, но крайне несговорчивые гении – Р. Э. Фишер и Дж. Б. С. Холдейн, и справедливости ради надо добавить, что вся агрессия исходила в основном от них, а вовсе не от Райта. Райт понял, что естественный отбор, как ни странно, иногда противодействует стремлению к совершенству. Ровно по той самой причине, о которой мы только что говорили. Естественный отбор не пускает вниз. Если он с небольшого холма заарканил какой‐то вид у подножия более высокого пика, этому виду не вырваться и на высокий пик уже не попасть. Разве что естественный отбор ненадолго ослабит хватку и вид сумеет как‐нибудь незаметно слезть пониже, чтобы пересечь долину и подобраться к пологому склону более высокой горы. И если естественный отбор снова попытается его цапнуть, он будет уже в такой точке, откуда сможет быстренько эволюционировать по уходящим вверх тропам. Таким образом, с глобальной точки зрения, чередование периодов жесткого отбора с краткими передышками могло бы пойти на пользу эволюции. Возможно, релаксация такого рода действительно играет важную роль в реальном эволюционном процессе. Когда можно было бы рассчитывать на послабление? Например, если надо “заполнить вакуум”. В частности, когда популяция не использует все возможности своего ареала и поэтому начинает расти. Когда животные заселяют девственно чистый после природной катастрофы континент, перед ними открываются безграничные возможности, и естественный отбор берет паузу. Может быть, после того как вымерли динозавры, выжившие млекопитающие получили такую свободу действий, что некоторые эволюционные линии “потеряли контроль над собой” и на короткий промежуток времени спустились вниз, обнаружив затем более высокие пики горы Невероятности, куда в обычной жизни они не попали бы.

Еще один вариант – приток свежих вариантов генов из других источников. Во второй главе, в разговоре о пауках, я обещал к этому вернуться. В компьютерной модели паутин (NetSpinner) параллельно эволюционировали сразу три “дема”, а не одна размножающаяся половым путем популяция пауков-“ткачей”. Они как бы развивались независимо в трех различных географических зонах. Но – и это важно – не совсем независимо. Из одной локальной популяции в другую идет слабая миграция генов – случайное перемещение отдельных особей. Эта миграция генов сродни вливанию свежей “крови” в другую популяцию – как я говорил, “успешная подгруппа отдает свои гены той, что послабее, тем самым ‘подсказывая’ ей более выгодный способ создания ловчей сети”. Словно открывается незаконный путь на более высокий пик метафорической горы.

Мы приближаемся к излюбленному объекту внимания креационистов и главному камню преткновения для потенциальных сторонников эволюции, который непрочно держится на самой макушке наиболее труднодоступного утеса горы Невероятности, – к глазу.

Примечание: Когда эта книга уже ушла в печать, Дж. Марден и М. Дж. Крамер опубликовали интереснейшую работу о веснянках, где указывается еще одна дорожка на вершину Полетов с машущим крылом (Marden, J. H., & Kramer, M. G. (1995) Locomotor performance of insects with rudimentary wings [“Локомоторная активность насекомых со слаборазвитыми крыльями”]. Nature, 377, 332–4). Веснянок можно отнести к первичным насекомым в том смысле, что этот вид, хотя и ныне существующий, как полагают, имеет больше сходства с предками, чем другие современные насекомые. Вид, который изучали Марден и Крамер, Allocapnia vivipara, расправляет крылышки по ветру, точно паруса, и скользит по водной глади ручья. Скорость живого “парусника” примерно пропорциональна длине крыла. Даже с самыми крохотными крылышками насекомое движется быстрее, чем совсем без них. По величине они примерно такие же, как жаберные пластины древних ископаемых насекомых. Возможно, бескрылые предки обитали на водоемах и наращивали жаберные пластины, чтобы использовать их в качестве парусов. В таком случае развившиеся жаберные пластины стали работать более эффективно и, вероятно, открыли достаточно удобный путь на гору Невероятности. Что же до следующего шага к полетам с машущим крылом, с ним связано еще одно наблюдение, которое сделали Марден и Крамер. Насекомые другого вида, Taeniopteryx burksi, тоже скользят по воде, но машут при этом крыльями. Возможно, на пути к пику Полетов насекомые, как и Allocapnia, сначала прошли стадию движения под парусом, а потом – с машущими крыльями, как Taeniopteryx. Вполне вероятно, что в один прекрасный день порыв ветра подхватил невесомых мушек, машущих крылышками и роящихся над водой. Трепещущие крылышки позволяли им все дольше и дольше держаться в воздухе, и это могло бы стать следующим пролетом пандуса, который ведет к вершине.

Глава 5

Сорокаполосный путь к просветлению

Животным приходится иметь дело с окружающей средой и с другими живыми и неживыми телами. Они ходят по ним, ползают под ними, стараются избежать контакта или спариться с ними, ловят их и едят, убегают от них. На заре геологической истории и эволюции животные вступали в физический контакт с другими телами раньше, чем догадывались о том, что рядом есть кто‐то или что‐то. Перед тем первым счастливчиком, у которого выработалось дистанционное сенсорное восприятие, открывались огромные перспективы – он мог заметить препятствие раньше, чем налетал на него, увидеть хищника раньше, чем тот успевал его схватить, раздобыть где‐то еду, даже если ее не оказывалось в непосредственной близости. Какие же высокие технологии могли дать ему подобный бонус?

Не только химические шестеренки живой природы пришли в движение от энергии солнца. Она запустила и процесс дистанционного поиска. Каждый квадратный миллиметр нашей планеты подвергся бомбардировке лавиной фотонов – элементарных частиц, которые с максимально возможной в нашем мире скоростью разлетаются по прямым траекториям во все стороны, проникая во все щели и дырочки, не пропуская ни одного уголка и закоулка во вселенной. Стремительные и прямолинейные потоки фотонов, различия в поглощении и отражении фотонов разными веществами, а также высокая проникающая способность света – все это делает возможным развитие мощных и высокоточных технологий дистанционного слежения. Надо только зарегистрировать фотоны и, что труднее, выяснить, откуда они прилетели. Был ли использован этот шанс? Раз вы читаете мой текст, значит, спустя три миллиарда лет можете ответить на этот вопрос.

Известно, что раздел “Органы крайней степени совершенства и сложности” Чарльз Дарвин начал со слов о глазе:

В высшей степени абсурдным, откровенно говоря, может показаться предположение, что путем естественного отбора мог образоваться глаз со всеми его неподражаемыми изобретениями для регуляции фокусного расстояния, для регулирования количества проникающего света, для поправки на сферическую и хроматическую аберрацию[8].

Возможно, на Дарвина повлияло мнение его жены Эммы по этому вопросу. За пятнадцать лет до “Происхождения видов” он написал длинное эссе, где в общих чертах обрисовал свою теорию эволюции путем естественного отбора. Он хотел, чтобы Эмма опубликовала эту работу, если он умрет, и дал ей ее почитать. Сохранились ее заметки на полях, и любопытно, что ее внимание привлекло предположение Дарвина о том, что глаз, “с некоторой вероятностью мог сформироваться в ходе постепенного отбора незначительных, но непременно полезных отклонений в развитии”. “Прекрасное предположение / Э. Д.”, – прокомментировала Эмма. Много позже выхода в свет “Происхождения видов” Дарвин признался в письме американскому коллеге: “Меня по сей день из‐за глаза дрожь пробирает, но когда я вспоминаю о том, сколько удивительных превращений он претерпел на пути развития, мой разум велит мне унять дрожь”. Наверное, временные колебания Дарвина имели нечто общее с сомнениями того физика, которого я цитировал в начале 3 главы. Но для Дарвина сомнения стали поводом не отступиться от своих идей, а размышлять дальше.

Надо сказать, что, говоря о некоем глазе, мы недооцениваем глубину проблемы. По достоверным оценкам ученых, глаза эволюционировали не менее сорока, а возможно и больше шестидесяти раз, независимо в разных филогенетических группах царства животных. В конструкции разных типов глаз часто используются совершенно различные принципы. Если анализировать те самые сорок или шестьдесят независимо эволюционировавших глаз, можно обнаружить девять принципиально разных схем строения. Далее я расскажу о некоторых из девяти типов строения глаза – мы будем рассматривать это как девять отдельных пиков в разных частях горного массива Невероятности.

Кстати, откуда мы вообще знаем, что у двух разных групп животных какая‐либо структура эволюционировала независимо? Скажем, откуда нам знать, что у летучих мышей и птиц крылья развивались независимо? Среди млекопитающих настоящие крылья есть только у летучих мышей. Теоретически древние млекопитающие могли иметь крылья, однако все, кроме летучих мышей, их потеряли. Но для этого должно было реализоваться невообразимое множество не связанных друг с другом сценариев исчезновения крыльев, чего, как подсказывает здравый смысл – и что подкреплено массой доказательств, – не произошло. Древним млекопитающим, как и большинству их потомков, передние конечности служили не для полетов, а для передвижения по земле. Следуя той же логике, мы можем предположить, что и глаза не раз заново возникали в животном мире, и каждый случай был уникальным. Мы владеем и другой информацией – нам известны детали развития глаза у эмбрионов различных животных. Например, и у лягушек, и у головоногих моллюсков имеются полноценные глаза камерного типа, но у их эмбрионов эти органы образуются настолько по‐разному, что мы можем быть абсолютно уверены – эти глаза эволюционировали независимо. Отсюда не следует, что у общего предка лягушки и кальмара вовсе отсутствовали глаза. Не удивлюсь, если выяснится, что еще миллиард лет назад общий предок всех выживших животных был зрячим. Возможно, у него были какие‐то точечные скопления светочувствительного пигмента и он отличал день от ночи. Но глаза как высокотехнологичные приборы, способные формировать изображение, независимо прошли множество стадий эволюции. Иногда глаза разных животных конвергировали к какой‐то одной схеме строения, а иногда приходили к абсолютно уникальному дизайну. Совсем недавно появились новые, впечатляющие факты, касающиеся независимой эволюции глаза в разных группах животных. Мы еще вернемся к ним в конце главы.

Анализируя глаза животных, я во многих случаях буду указывать, на каком склоне горы Невероятности следует искать тот или иной тип глаз. Но не забывайте о том, что речь идет о современных животных, а не об их далеких предках. Разумно предположить, что по ним можно судить о строении глаз древних животных. По крайней мере, это свидетельствует о том, что те глаза, которые мы оставляем на полпути к вершине горы Невероятности, могли выполнять свои функции. Это важно, так как, повторяю, ни одно животное ни в одной ветви эволюции не имело статуса промежуточного звена. То, что мы принимаем за краткий привал во время восхождения к вершине более развитого глаза, для самого животного могло быть жизненно важным органом, и скорее всего, при его образе жизни лучшего и не требовалось. Например, совсем крохотному существу ни к чему глаза, способные формировать изображение высокой четкости. Глаза высшего качества должны быть не меньше определенного размера, чем больше – тем лучше, и не относительно размеров самого животного, а в абсолютном выражении. Крошечному существу, наверное, слишком дорого далось бы развитие таких глаз, да и не под силу было бы носить массивный, объемистый орган зрения. Если бы улитке достались такие же зоркие глаза, как у человека, вид у нее был бы весьма несуразный (рис. 5.1). Может статься, улитки с глазами хоть капельку крупнее средних будут видеть лучше своих конкуренток. Но они и поплатятся за это – придется таскать на себе более тяжелую ношу, и, следовательно, их шансы на выживание станут меньше. Диаметр самого большого глаза, известного науке, равен аж 37 см. Тот могучий великан, которому принадлежит этот рекорд, – гигантский кальмар с десятиметровыми щупальцами.

Давайте спустимся вниз по склону Зрения, не забывая об ограничениях, принятых в концепции горы Невероятности. Мы обнаружим там глаза до того примитивные, что они даже не заслуживают права так называться. Собственно, поверхность всего тела слабо реагирует на свет. Например, некоторые одноклеточные, медузы, морские звезды, пиявки и разные виды червей не способны формировать изображение или хотя бы распознавать, откуда идет свет. Они лишь чувствуют, и то смутно, что где‐то поблизости есть источник света – яркого света. Вы не поверите, но есть неопровержимые доказательства наличия чувствительных к свету клеток на гениталиях бабочек, как самцов, так и самок. Это не глаза, которые формируют изображение, но разницу между светом и темнотой они ощущают – и могут послужить той самой отправной точкой, которую мы имеем в виду, когда говорим о начале эволюции глаза в древности. Никто не знает, как бабочки оперируют этим органом, даже Уильям Эберхард, из чьей очень занимательной книги под названием “Половой отбор и половые аппараты животных” (Sexual Selection and Animal Genitalia) я почерпнул эти сведения.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.1. Фантастическая улитка видела бы так же хорошо, как человек, если бы у нее были такие огромные глаза.


Если допустить, что в долине у подножия горы Невероятности обитают предшественники животных, абсолютно не восприимчивые к свету, то светочувствительные, но не способные определить источник света кожные покровы морских звезд и пиявок, равно как и половой аппарат бабочек, уже ведут нас чуть выше по склону, к началу горной тропы. Найти тропу легко. И впрямь, долина Абсолютной невосприимчивости к свету, возможно, никогда и не была такой уж необъятной. Может быть, все живые клетки в той или иной степени могут реагировать на свет – и тогда светочувствительные половые органы бабочек уже не должны вызывать недоумение. Луч света – это прямолинейный поток фотонов. В результате соударения с молекулой окрашенного вещества фотон может прекратить свой полет, а молекула пигмента может перейти в другое состояние, хотя останется той же молекулой. При этом выделяется энергия. Зеленые растения и бактерии используют эту энергию в серии реакций – фотосинтезе – для производства молекул, которыми они питаются. У животных эта энергия может спровоцировать реакцию в нервной клетке, и это можно считать первой стадией процесса, который мы и называем “зрение”, даже если у животного нет глаз в нашем понимании. На начальном уровне сгодится любой из широчайшей палитры пигментов (окрашенных веществ). Существует огромное множество таких пигментов, которые используются далеко не только для поглощения света. Вероятно, постепенное усовершенствование молекул пигментов позволило сделать первые робкие шаги вверх на гору Невероятности. Это пологий склон непрерывных усовершенствований, по нему легко подниматься маленькими шажками.

Низинный пандус ускорил путь к эволюции живого аналога фоторецептора – клетки, специализирующейся на улавливании фотонов пигментом и преобразующей выделяющуюся энергию в нервные импульсы. Клетки сетчатки (у нас это палочки и колбочки), которые специализированы для улавливания фотонов, я буду впредь называть фоторецепторами. Все они используют один мудрый прием – увеличение числа слоев пигмента, способного улавливать фотоны. Это существенно, ибо очень вероятно, что через один слой фотон пролетит, не претерпев ни малейших изменений. Чем больше пигментных слоев, тем больше шансов изловить хотя бы один фотон. Какая разница, сколько фотонов будет поймано, а сколько проскочит насквозь? Разве нет у нас достаточного их запаса? Нет, и это ключевой момент для понимания того, как устроены глаза. В своего рода “экономике” фотонов действуют те же монетарные отношения, основанные на стремлении хапнуть побольше и отдать поменьше, с такими же неизбежными потерями и компромиссами, как в нашем обществе.

Даже не вдаваясь в нюансы экономических выгод и потерь, мы точно знаем, что иногда фотонов попросту не хватает. Однажды звездной, холодной ночью 1986 года я разбудил свою двухлетнюю дочь Джульет, укутал ее в одеяло, вынес в сад и повернул сонным личиком туда, где, как сообщалось, должна была пролетать комета Галлея. Она не понимала моей речи, но я упорно шептал ей на ушко про комету и про то, что мне уже точно не доведется увидеть ее во второй раз, а вот самой Джульет еще выпадет шанс, когда ей будет семьдесят восемь лет. Я разбудил ее, объяснял я дочке, чтобы в 2062 году она могла сказать внукам, что видала эту комету раньше, а может, и вспомнила бы своего папу с его восторженной блажью, который потащил ее в ночной сад любоваться кометой Галлея. Кажется, я так и сказал – восторженная блажь, – потому что маленьким детям нравятся непонятные слова, если их четко произнести.

Наверное, тогда, в 1986 году, какие‐то фотоны достигли сетчатки Джульет, но, честно говоря, мне и себя‐то нелегко было убедить, что я видел комету. Иногда мне мерещилось какое‐то едва различимое сероватое облачко примерно там, где она должна была пролетать. Потом оно исчезало. Беда в том, что на сетчатки наших глаз попадало близкое к нулю количество фотонов.

Фотоны долетают до нас спорадически, как капли дождя. Если дождь льет вовсю, мы точно это видим и уповаем на то, что никто не прихватил с собой наш зонтик. Но когда он только-только начинается, как определить момент его начала? Мы чувствуем одну каплю и задумчиво глядим на небо – будет вторая и третья или нет. При столь незначительных осадках один человек скажет, что пошел дождь, а другой ему возразит. Капли падают редко, так что один человек ощутит касание за минуту до того, как другая капля упадет на его соседа. Чтобы не сомневаться в том, светло вокруг нас или темно, частота попадания фотонов на сетчатку должна быть достаточно высокой. Надо полагать, фотоны кометы Галлея, когда мы с Джульет устремили взоры предположительно в ее сторону, достигали отдельных фоторецепторов наших сетчаток с низкой до обидного частотой – может, по одному за сорок минут! То есть от одного какого‐нибудь фоторецептора можно было получить сигнал, что свет есть, в то время как колоссальное множество соседних фоторецепторов никаких сигналов не передавали. У меня вообще возникло чувство, что я видел некий объект, похожий на комету, лишь благодаря моему мозгу, который подытожил вердикты, вынесенные сотнями фоторецепторов. Два фоторецептора ловят больше фотонов, чем один. Три больше, чем два – и так далее вверх по склону горы Невероятности. В столь совершенных глазах, как наши, плотно, как ворс ковра, упакованы миллионы фоторецепторов, и каждый настроен ловить как можно больше фотонов.

На рис. 5.2 изображен типичный, в данном случае человеческий, фоторецептор, но другие устроены почти так же. Клубок червячков в центре рисунка – это митохондрии, внутриклеточные органеллы. Они произошли от бактерий-паразитов, но стали незаменимыми элементами клетки, без которых не вырабатывается энергия. За левое поле рисунка уходит нервное окончание. Ровный, красивый ряд мембран в правой части, выстроившихся, словно на параде, и есть та самая часть рецептора, куда попадают фотоны. В эти слои встроены молекулы жизненно важного пигмента, поглощающего фотоны. На этом рисунке я насчитал 91 мембранный слой. Неважно, сколько именно слоев – когда речь идет об улавливании фотонов, лишним ни один не будет, хотя их количество лимитируется общими затратами организма. Идея в том, что 91 мембрана эффективнее ловит фотоны, чем 90, 90 эффективнее 89 и так далее вплоть до одиночной мембраны, чей КПД все‐таки выше нулевого. Вот что я имею в виду, когда говорю о плавном подъеме на гору Невероятности. Резкий перепад высоты встретился бы нам в том случае, если бы существовало некое пороговое значение – скажем, до сорока пяти слоев мембраны работали бы вообще не эффективно, а после сорока пяти очень эффективно. Здравый смысл выступает против таких непредвиденных скачков, да и нет фактов, свидетельствующих о том, что они могли бы быть.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.2. Фоторецептор, единичная клетка сетчатки человека, – биологический “фотоэлемент” для улавливания фотонов.


Как мы уже видели, у головоногих моллюсков независимо от позвоночных развились похожие глаза. Даже фоторецепторы у них почти такие же. Разница лишь в том, что у кальмаров мембрана состоит не из дисков, а из столбика колец на полой трубке. В эволюции полно таких несущественных отличий, в которых не больше логики, чем, скажем, в устройстве выключателя: в Англии при опущенном тумблере свет зажигается, а в Америке – выключается. У всех животных хорошо развитые фоторецепторы пытаются любым способом обзавестись дополнительными мембранами с пигментом – и пусть фотон попробует через них проскочить. В рамках концепции горы Невероятности важно, что каждый новый слой – сколько бы их уже ни было – хоть немножко, да повышает шансы заловить фотоны. В конце концов захватывается уже львиная доля фотонов, и начинает действовать закон убывающей доходности для роста затрат на прибавку слоев.

Конечно, в природе редко у кого возникает нужда отследить комету Галлея с ее ничтожно слабым потоком фотонов, которая к тому же появляется раз в семьдесят шесть лет. Однако зоркие глаза, способные видеть при лунном свете и даже при свете звезд – если вы сова, – весьма полезная вещь. Обычно ночью один наш фоторецептор улавливает примерно по фотону в секунду, то есть существенно быстрее, чем при наблюдении за кометой, но все равно слишком медленно для полного поглощения всех фотонов до единого – если это вообще возможно. Но коли уж мы заговорили о суровых экономических законах в применении к фотонам, было бы большой ошибкой полагать, что они действуют только ночью. В ясный солнечный день тоже не все так просто, хотя на сетчатку может обрушиться настоящий фотонный ливень. Формирование отчетливого, детального изображения сводится к тому, что на разных участках сетчатки фоторецепторы реагируют на свет разной интенсивности, а значит, частота попаданий фотонов, из которых складываются отдельные струи фотонного ливня, тоже должна быть разной. Мелкозернистое изображение предполагает распределение фотонов, а это может приводить к таким же значительным локальным ослаблениям их потока, как и сокращение его вообще в ночное время. Вот этим распределением мы сейчас и займемся.

Сами по себе фоторецепторы сообщают животному лишь о том, светло вокруг него или темно. Животное отличает день от ночи и понимает, с какой стороны падает тень – например, может вовремя заметить приближение хищника. На следующей, более высокой стадии развития, должна была выработаться способность определять направление света и перемещения, скажем, зловещей тени. Для этого проще всего закрасить одну сторону фоторецептора темной краской. Прозрачный фоторецептор без покрытия одной из сторон пропускает свет отовсюду и не несет информации о местонахождении его источника. Животное с единственным фоторецептором в голове, затемненным с одной стороны, может идти на свет или от него. Определить направление немудрено – надо поворачивать голову, как маятник, то в одну сторону, то в другую; если интенсивность света с разных сторон различна, надо изменить направление так, чтобы уравнять яркость света. Некоторые личинки удирают от света, руководствуясь этим правилом.

Впрочем, вертеть головой, пытаясь понять, откуда льется свет, можно в самом начале восхождения на гору Невероятности, на самом примитивном уровне. Хорошо бы иметь побольше затемненных сзади фоторецепторов, направленных в разные стороны. Тогда можно будет сравнить частоты попадания фотонов на два фоторецептора и догадаться, где находится источник излучения. Если же есть целый коврик из фоторецепторов с закрашенным задником, то лучше всего согнуть его полусферой, так чтобы каждый его элемент всегда был ориентирован одинаково. Из выпуклой поверхности в конечном итоге может получиться фасеточный глаз, как у насекомых, и позже мы его рассмотрим. Поверхность, вогнутая в виде чаши, образует другой типичный орган зрения – наш, человеческий, глаз камерного типа. Поступающий с разных направлений свет активизирует разные фоторецепторы, и чем их больше, тем тоньше структура изображения.

На пути световых лучей (параллельные белые линии со стрелками на рис. 5.3) встает толстый черный экран, выстилающий заднюю поверхность камеры-чаши. Мозг определяет, где находится источник света, по тому, какие фоторецепторы включаются в работу. Для нас с нашей теорией о горе Невероятности важно то, что путь наверх пролегает по пологому склону – животных, чьи фоторецепторы расположены в плоскости и на вогнутой/выпуклой поверхности, связывает длинная череда плавных эволюционных переходов. Мало-помалу, постепенно, кривизна чаши может меняться в ту или иную сторону. Чем сильнее кривизна, тем увереннее глаз различает лучи света, которые падают под разными углами. По дороге к вершине вам не придется запрыгивать на высокие уступы.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.3. Примитивный глаз типа чаши способен определить направление света.


Такими глазами обладают животные. На рис. 5.4 показаны глаза морского блюдечка, полихеты (многощетинкового червя), двустворчатого моллюска и плоского червя. Вероятно, форму чаши эти глаза приобрели независимо друг от друга. Так, строение глаза плоского червя, бесспорно, говорит о его независимой эволюции – фоторецепторы находятся во внутреннем слое чаши. На первый взгляд, какая‐то нелепица – прежде чем свет попадет к фоторецепторам, он должен пройти сквозь толщу соединяющих нервов, – но нам ли чваниться, ведь и наши, куда более чувствительные и высокоразвитые, органы зрения страдают тем же пороком. Я еще вернусь к этому вопросу и покажу, что здесь не все так неумно, как кажется.

В любом случае сам по себе глаз-чаша не способен формировать хорошее изображение – хорошее в нашем понимании, то есть удовлетворяющее нашему придирчивому глазу. Тут надо пояснить, как формируется изображение в глазу человека по законам оптики. Чтобы разобраться в этой проблеме, давайте выясним, почему без дополнительных органов слой фоторецепторов в вогнутой чаше (камере) не покажет, скажем, дельфина, даже если этот самый дельфин находится прямо перед ними.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.4. Глаза камерного типа разных животных: (а) плоского червя; (b) двустворчатого моллюска; (с) многощетинкового червя полихеты; (d) моллюска блюдечко.

vm – стекловидная масса; cu – кутикулярная линза; еp – эпителий; rz – сетчатка с фоторецепторными клетками.


Если бы световые лучи шли так, как показано на рис. 5.5, все было бы проще простого и на сетчатке сформировалось бы прекрасное изображение дельфина. Увы, реальная картина иная. Точнее, некоторые лучи проходят именно так, как я нарисовал. Загвоздка в том, что их перекрывают потоки других лучей, которые разлетаются во всех направлениях одновременно с теми, что нас интересуют. На каждую единицу площади сетчатки попадают лучи, отраженные от каждой единицы поверхности дельфина. И не только его, но и всего остального, что находится за дельфином и вокруг него. Тогда, подумаете вы, должно получиться бесчисленное множество изображений дельфина – во всех точках чаши и во всевозможных положениях. Однако в итоге, конечно, не будет никакого изображения – только световое пятно, размазанное по всей поверхности (рис. 5.6).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.5. Так не бывает. Если бы лучи света падали так ровно!


Мы обозначили проблему. Глаз видит слишком много – не одного дельфина, а многотысячную стаю. Напрашивается решение: одного дельфина оставить, всех остальных ликвидировать. Неважно, какого выбрать – главное, как избавиться от остальных? Можно попробовать перелезть на тот же склон горы Невероятности, по которому мы добрались до чаши, планомерно углубляя чашу и сужая вход, пока он не превратится в крохотную дырочку. Тогда львиная доля светового потока пройдет мимо камеры глаза. Останется лишь малая часть – та, что формирует небольшое количество одинаковых картинок перевернутого дельфина (рис. 5.7). При очень маленьком входном отверстии можно будет избежать размытости контуров и сформируется единственное, четкое изображение дельфина (на самом деле чересчур узкое отверстие становится причиной размытости другого рода, но сейчас не будем на это отвлекаться). Крохотная дырочка играет роль фильтра изображений, который позволяет прекратить дикую свистопляску в глазах и видеть только одного дельфина.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.6. Световые лучи из каждой точки расходятся во все стороны, изображение не формируется. Из-за наложения бесчисленного множества изображений дельфина отчетливой картинки не будет.


Эффект крохотного входного отверстия – это предельный случай уже знакомого нам эффекта чаши, благодаря которому можно понять, откуда поступает свет. Оно занимает место на том же склоне горы Невероятности, чуть повыше, и между этими двумя уровнями нет резких перепадов высоты. Эволюционный путь от глаза-чаши к узкому входу в камеру глаза ничем не затруднен, так же как ничто не мешает плоскому слою фоторецепторов эволюционировать в глаз-чашу. Путь от плоского слоя к маленькому входному отверстию не утомителен. Вы как бы отсекаете одну картинку за другой, пока не доберетесь до вершины, где останется единственное изображение.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.7. Принцип действия глаза с маленьким отверстием. Конкурирующих изображений дельфина больше нет. Попавшие в отверстие лучи формируют одно четкое перевернутое изображение.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.8. Путь к формированию неидеального, но достаточно четкого изображения. Глаза беспозвоночных: (а) узкое отверстие моллюска Nautilus; (b) морской улитки; (с) двустворчатого моллюска; (d) морского ушка; (е) нереиды.

vm – стекловидная масса; еp – эпителий


Различные варианты глаз с точечным входным отверстием широко распространены в животном мире. Наиболее выражено это свойство у загадочного моллюска наутилуса (рис. 5.8а), родственника ископаемых аммонитов (и более далекого кузена осьминога, только с витой раковиной). Глаза других животных – например, морского моллюска (рис. 5.8b), пожалуй, ближе к глубокой чаше, чем к узкому отверстию. Все они служат наглядным подтверждением того, что данный склон горы Невероятности достаточно удобен для восхождения.

Первое, что приходит в голову – если входное отверстие достаточно мало, глаз должен функционировать хорошо. При микроскопическом отверстии почти все лишние изображения, накладывающиеся на основное, отсекаются, и вроде бы должно получиться почти безупречное изображение. Но тут возникают два новых препятствия. Одно из них – дифракция. Пока не будем ее учитывать. Проблема в том, что свет имеет волновую природу, и волны интерферируют, т. е. накладываются друг на друга, из‐за чего изображение становится нечетким. При очень малом диаметре отверстия резкость падает сильнее. Вторая трудность связана с “экономикой фотонов” – из‐за малых размеров отверстия приходится делать непростой выбор. Если дырочка достаточно мала для того, чтобы изображение получилось резким, через нее поступает такой слабый поток света, что увидеть предмет можно только при очень ярком – недостижимо ярком – освещении. При обычном уровне освещенности сквозь входное отверстие в глаз попадет слишком мало фотонов, и вы не поймете, что же вы видите. С такой крошечной дырочкой мы оказываемся в той же ситуации, что и с кометой Галлея. Чтобы решить возникшую проблему, можно опять расширить вход. Но так вы вернетесь туда, где уже были – к путанице с многочисленными изображениями дельфина. Экономика фотонов завела нас в тупик и оставила все у того же подножия горы Невероятности. Узкий вход в камеру глаза дает либо четкое, но темное изображение, либо яркое, но расплывчатое. И того и другого одновременно мы не получим. Экономисты обожают подобные игры с компромиссами, поэтому я и предложил экономическую схему для фотонов. Но неужели никак нельзя добиться яркого и вместе с тем отчетливого изображения? По счастью, можно.

Для начала попробуем все рассчитать. Допустим, мы расширим малюсенькую дырочку и увеличим силу входящего светового потока. Но мы не оставим ее открытой, а закроем “волшебным окном” – умным электронным устройством, запаянным в стекло и подключенным к компьютеру (рис. 5.9). Управляемое с помощью компьютера стеклышко имеет одно свойство. Попадающий в него луч света выходит не прямо, а под определенным углом. Компьютер подбирает угол так, чтобы все лучи, исходящие из одной точки (например от кончика дельфиньего носа), после преломления сходились в соответствующей точке на сетчатке. Я нарисовал только те лучи, что идут от носа, но пред волшебным окном все точки, естественно, равнозначны, и для каждой выполняются одинаковые расчеты. Лучи, исходящие от кончика хвоста, преломляются и встречаются на сетчатке в соответствующей точке хвоста – и так для всех точек. Эффект волшебного окна – четкое изображение дельфина на сетчатке. Но благодаря тому, что во всех точках носа, хвоста и вообще всего тела дельфина на сетчатке сошлись целые пучки лучей (то есть, целые потоки фотонов), изображение получилось не такое темное, как если бы лучи непосредственно прошли сквозь узкое отверстие. Волшебное окно обладает плюсами узкого входного отверстия, но лишено его недостатков.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.9. “Компьютерный хрусталик” – сложный и крайне нерациональный гипотетический способ добиться резкого и одновременно яркого изображения.


Хорошо вот так взять и сотворить из ничего “волшебное окно” в своем воображении. Легко сказать – а сделать? Подумайте о том, какие сложные расчеты выполняет подключенная к волшебному окну машина. Компьютер обрабатывает данные о миллионах световых лучей, исходящих из миллионов всевозможных точек. Каждая частица поверхности дельфина посылает миллионы лучей под миллионом разных углов во все точки поверхности волшебного окна. Лучи пересекаются, словно прямые трассы на путаных многоуровневых дорожных развязках. Волшебное окно и соединенный с ним компьютер должны пропустить через себя все лучи по очереди и для каждого точно рассчитать свой угол преломления. Где раздобыть такой прекрасный компьютер – разве что обратиться к волшебнику? Неужели нас ждет горькое разочарование, неужели непреодолимое препятствие преградило нам путь к вершине?

Не все так печально. Компьютер на рисунке – всего лишь гипотетический пример того, сколь неразрешимой может показаться задача, если рассматривать ее только с одной стороны. Но если подойти к проблеме с другого бока, можно найти до смешного простой выход. Есть, оказывается, нехитрая вещь, которая обладает свойствами нашего волшебного окна и работает без компьютера, без высокотехнологичной электронной начинки и вообще без каких‐либо дополнительных условий. Это хрусталик. Компьютер больше не понадобится, потому что ничего не надо будет вычислять. Кусочек прозрачного материала с закругленными поверхностями автоматически, мгновенно выполняет сложнейшие расчеты углов для миллионов лучей. Прежде чем показать вам, что эволюция хрусталика должна была пройти без серьезных помех, я отвлекусь на небольшую прелюдию и объясню принцип действия линз.

По законам физики лучи, попадающие из одной прозрачной среды в другую, меняют направление (рис. 5.10). Угол выхода луча зависит от природы обеих сред, поскольку разные вещества имеют различные показатели преломления – этой величиной измеряется способность вещества менять направление световых лучей. У воды и стекла показатели преломления почти одинаковы, и в этом случае при переходе из одной среды в другую ход луча меняется незначительно. На границе стекла с воздухом луч преломляется гораздо сильнее, потому что воздух имеет относительно низкий показатель преломления. Излом луча на границе воды и воздуха настолько явственный, что нам кажется, будто весло погнулось.

На рис. 5.10 показан стеклянный кубик в воздухе. Жирная линия – это луч, который входит в кубик, преломляется, проходит его насквозь и вновь выходит под тем же углом, под каким вошел. Но, конечно, кусок прозрачного материала вовсе не обязательно имеет ровные, параллельные грани. В зависимости от кривизны поверхности луч может пойти как угодно. А если поверхность кубика состоит из множества лежащих под разными углами граней, пучок лучей может разойтись во все стороны (рис. 5.11). Выпуклый с одной стороны или двояковыпуклый кусок прозрачного материала представляет собой линзу и работает точно так же, как наше волшебное стекло. В природе достаточно прозрачных материалов. Вода и воздух, основные вещества на нашей планете, тоже прозрачные. Прозрачны и многие жидкости. Подойдут и кристаллы, отшлифованные морской волной почти до идеальной гладкости. Вспомните округлые прозрачные камешки различной формы, которые отполировал прибой. В зависимости от углов на поверхности такой камешек разбрасывает световые лучи от одного и того же источника в разные стороны. Форма камешка может быть любой. Чаще всего встречаются двояковыпуклые. Как они могут повлиять на ход световых лучей, падающих от одного источника – например, от лампочки?


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.10. Преломление луча в стеклянном кубике.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.11. Необработанные камешки преломляют лучи как попало.


Пройдя сквозь кристалл с сильно выгнутыми сторонами, лучи сойдутся. Правда, не настолько точно, чтобы сформировалось четкое изображение источника света, как в нашей модели с воображаемым “волшебным стеклом”. На это можно только надеяться. Но тенденция к правильному ходу лучей будет заметна. Любой гладкий, округлый с обеих сторон обломок кварца будет работать не хуже “волшебного стекла” и, как самая настоящая линза, даст пусть нерезкие, но куда более яркие изображения, чем это позволяет сделать крохотная дырочка. На самом деле природные камешки, обработанные водой, почти всегда округлые и двояковыпуклые. Будь они прозрачными, многие из них могли бы послужить если не самыми красивыми, то вполне пригодными линзами.

Галька – лишь один из природных объектов, которые приобрели свойства линзы чисто случайно, без чьего‐либо умысла. Есть и другие. Повисшая на листике капля воды имеет округлую форму. Всегда, без исключения. Она могла бы стать примитивной линзой сама собой, без нашего вмешательства. Если нет противодействия каких‐нибудь сил, в частности силы тяжести, жидкости и гели неизбежно примут форму шарика. Зачастую линзы из них получаются просто потому, что иначе и быть не может. Так же ведут себя и многие другие биологические субстанции. Молодые медузы напоминают линзу как формой, так и изумительной прозрачностью. Они могут заменить собой линзы, хотя им самим это никакой пользы не принесет, и нет никаких оснований полагать, что естественный отбор благоприятствовал развитию у медуз свойств линзы. Прозрачная медуза не так заметна для врагов, что, наверное, дает преимущество, а плюсы округлой формы связаны вовсе не с оптикой, а со строением тела.

С помощью разных подручных средств, не предназначенных для этой цели, я получил кое‐какие картинки. На рис. 5.12а вы видите большую букву А, отображенную на листе бумаги, который я поместил на заднюю стенку камеры-обскура – глухой картонной коробки с маленьким отверстием на одной из сторон. Без подсказки вы, возможно, и не опознали бы букву. Чтобы она получилась достаточно яркой и ее вообще можно было бы разглядеть, я просверлил довольно большую дырку, диаметром примерно в сантиметр. Я мог бы сделать ее поменьше, и тогда картинка получилась бы более резкой, но не хватило бы чувствительности пленки: мы снова вынуждены идти на тот же компромисс.

Теперь посмотрим, как можно добиться совершенно иного результата даже с самыми нехитрыми “линзами”, вовсе не рассчитанными на такое применение. На рис. 5.12b изображена та же буква А на задней стенке той же коробки, снятая сквозь ту же дырочку. Но на этот раз я подвесил перед отверстием полиэтиленовый пакет с водой. Производители пакета не думали, что из него сделают линзу. Но если налить в него воды и подвесить, по естественным причинам он примет округлую форму. Пожалуй, если бы медуза была не такой складчатой, а более гладкой, она дала бы изображение даже более высокого качества. Надпись на рис. 5.12с (CAN YOU READ THIS?) получена с помощью той же продырявленной коробки, но перед отверстием я поместил уже не пакет, а круглый бокал с водой. Бокал для вина – безусловно, творение рук человеческих, но в намерения дизайнера не входило делать линзу, и круглую форму ему придали с иными целями. И вновь вещь, которую создавали вовсе не для этого, оказалась более или менее сносной линзой.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.12. С помощью дырочки и самодельных заменителей линз можно получить вот такие изображения: (а) дырочка без дополнительных приспособлений; (b) с полиэтиленовым пакетом, в который налили воду; (с) с бокалом, в который налили воду.


Конечно, древние животные не пользовались ни полиэтиленовыми пакетами, ни стеклянными бокалами. Я и не предполагаю, что на одном из этапов эволюции глаза использовались как полиэтиленовые мешки или картонные коробки. Смысл всех этих примеров – с пакетом, дождевыми каплями, медузами и кварцевой галькой – сводится к тому, что ни один из перечисленных предметов и природных объектов не должен был заменять собой линзу. Нашлось достаточно иных веских причин, по которым они приняли форму линзы.

Стало быть, природные объекты запросто могут без чьего‐либо вмешательства приобрести свойства примитивной линзы. Если полупрозрачная студенистая масса примет округлую форму (почему – неважно), можно надеяться, что чаша и узкое отверстие будут работать с ней уже лучше. Чтобы хоть немного приблизиться к вершине горы Невероятности, всего‐то и требуется, что слегка повысить эффективность органа. А как могли выглядеть промежуточные варианты? Обратимся еще раз к рис. 5.8 – и еще раз я должен подчеркнуть, что здесь речь идет о современных животных, по ним нельзя выстраивать подлинные генеалогические линии. Обратите внимание на прозрачный слой “стекловидной массы” (vm – vitreous mass, рис. 5.8b), выстилающей полость чаши, – по‐видимому, он защищает чувствительные фоторецепторы от соленой морской воды, которая беспрепятственно попадает в глаз через входное отверстие. Этот слой несет исключительно протекторную функцию и обладает одним из обязательных для линзы свойством – прозрачностью, однако ему не хватает необходимой выпуклости и толщины. Теперь взгляните на рис. 5.8c, d и е – на глаза двустворчатого моллюска, брюхоногого моллюска морское ушко и полихеты нереидиды. Это все тоже примеры чашевидных глаз и промежуточных состояний между чашей и узким отверстием, но кроме того мы видим и значительно более толстый слой стекловидной массы. Очень многие животные имеют в той или иной степени оформленный (или бесформенный) слой стекловидной массы. Известные производители оптики не сочли бы ни один из этих шматков студенистого вещества сколько‐нибудь приличной линзой. Но тем не менее любой хотя бы немного выпуклый желеобразный прозрачный сгусток существенно увеличивает эффективность маленькой дырочки.

Между любой субстанцией вроде стекловидной массы морского ушка и качественной линзой есть одно главное различие – для того чтобы линза работала лучше, ее надо отделить и немного отодвинуть от сетчатки. Это пространство необязательно должно остаться пустым. Оно может быть заполнено студенистым стекловидным веществом. Важно, чтобы показатель преломления линзы был выше, чем у вещества, заполняющего пространство между ней и сетчаткой. Этого можно добиться разными, достаточно простыми способами. Давайте обсудим один из них – когда линза образуется из сгустка в пределах переднего отдела стекловидной массы (рис. 5.8е).

Для начала вспомним, что у любого прозрачного вещества есть характерный показатель преломления. Это мера способности вещества изменять направление светового луча. В производстве оптики показатель преломления стекла обычно принимается за постоянную величину, и от толщины слоя она не зависит. Попав в линзу и один раз изменив направление соответственно ожиданиям, до противоположной стороны линзы луч идет по прямой. Секрет производства хорошей оптики заключается в шлифовке и полировке стекла точно заданной формы и последовательном соединении разных линз.

Склеив стекла с различными характеристиками, можно изготовить составную линзу, каждый слой которой будет иметь свой показатель преломления. Так, в линзе, изображенной на рис. 5.13а, центральная часть сделана из стекла с относительно высоким показателем преломления. Здесь свойства линзы меняются дискретно. Однако нет принципиальных ограничений, которые не позволяли бы получить линзу с непрерывно меняющимся по всему ее объему показателем преломления. Такая линза показана на рис. 5.13b. Трудности при изготовлении подобной “градиентной” линзы связаны со способом обработки оптических стекол[9]. А вот природные линзы могут быть построены таким образом, поскольку не “производятся” за одну стадию, а постепенно формируются из маленьких зачатков по мере развития животного. В сущности, линзы-хрусталики многих рыб, осьминогов и других животных имеют непрерывно изменяющийся показатель преломления. Если вы внимательно приглядитесь к рисунку 5.8е, то заметите область за входом в глаз, где, возможно, показатель преломления меняется непрерывно.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.13. Два типа составных линз.


Но я говорил о развитии хрусталика с нуля, из стекловидной массы, заполнившей всю полость глаза. Шведские биологи Дэн Нильссон и Сюзанна Пелгер придумали прекрасную компьютерную модель, которая наглядно показывает, как это в принципе могло бы происходить и как быстро. Я прокомментирую их элегантную идею, но зайду немного с другой стороны. Прежде чем рассказать об их эксперименте, я вернусь к нашему переходу от биоморфов к программе NetSpinner и задам такой вопрос: как вообще можно было бы подступиться к решению этой задачи – создать компьютерную модель эволюции глаза? Затем я покажу вам, что Нильссон и Пелгер проделали в сущности то же самое, хотя и не точно так же.

Вспомним, что биоморфы эволюционировали в ходе искусственного отбора по воле человека. О том, чтобы воспроизвести подлинный естественный отбор, мы и думать не могли, поэтому перешли к моделированию паутин. Это удобно, так как паутина плоская и компьютер может автоматически рассчитать ее эффективность для ловли мух. Кроме того, автоматическому расчету поддаются затраты на паутинный шелк, поэтому компьютер может автоматически “выбирать” паутину, примерно как при естественном отборе. Мы увидели, что в этом смысле паутина – уникальный объект исследования: едва ли нам удалось бы воспроизвести тот же процесс для позвоночника преследующего добычу гепарда или для хвостового плавника плывущего кита, уж очень сложно учесть все физиологические детали при оценке КПД работы трехмерного органа. Зато глаз в этом отношении подобен паутине. Компьютер сможет дать оценку двухмерной модели глаза, изображенной в плоскости. Я не утверждаю, что глаз – двухмерный объект, ибо это не так. Просто во фронтальной проекции глаз круглый, и его эффективность как объемного тела можно оценить по компьютерному изображению среднего сечения в вертикальной плоскости. Компьютер может проанализировать ход лучей и подогнать резкость изображения, которое мог бы сформировать глаз. Такая качественная оценка эквивалентна расчету эффективности смоделированной на компьютере паутины при ловле цифровых мух в программе NetSpinner.

Точно так же, как NetSpinner плодит паутины-мутанты, мы могли бы заставить модель глаза “рожать деток” – глаза с мутациями. Все глаза-детки копировали бы своего родителя внешне, но в каких‐то незначительных деталях формы могли бы спонтанно возникать отклонения. Конечно, некоторые из компьютерных “глазок” были бы совсем не похожи на нормальные глаза – и даже само слово “глаз” тут вряд ли подошло бы, – но это неважно. Они все равно воспроизведутся, а их оптические свойства получат численную оценку – скорее всего, очень низкую. Таким образом, мы могли бы усовершенствовать глаза в ходе виртуального естественного отбора, как в программе NetSpinner. За исходный образец можно было бы взять очень хороший глаз – или начать с совсем никудышного, а то и вовсе с пустого места.

Такие программы как NetSpinner, достоверно моделирующие ход эволюции, весьма информативны: вы начинаете с самого примитивного состояния и ждете финальной стадии развития. Можно прервать эксперимент на любом ключевом моменте различных направлений эволюции – это были бы альтернативные пики горы Невероятности. Мы могли бы провести эксперимент в режиме эволюции и с моделью глаза – и получили бы убедительную иллюстрацию истории. Однако в реальности эволюция модели внесет ненамного больше ясности, чем более систематический анализ пути (или путей) к вершине (или к вершинам) горы Невероятности. Естественный отбор выбирает дороги, которые выходят из конкретных точек, всегда идут вверх и никогда вниз. Если изучать модель в режиме эволюции, естественный отбор пойдет по этому пути. Поэтому, если мы будем планомерно исследовать пути к вершине и пики, которые можно покорить, выйдя из гипотетических стартовых точек, мы сэкономим машинное время. По правилам игры поворачивать вниз запрещено – это важно. Нильссон и Пелгер провели как раз такое систематическое исследование способов восхождения на гору, но вы, наверное, понимаете, почему я предпочитаю говорить об их эксперименте так, будто мы вместе с ними разрабатывали нормативные акты эволюции в духе программы NetSpinner?

Несмотря на наш выбор – работать с нашей моделью, будь то “режим естественного отбора” или “систематический анализ в режиме горы”, нам надо договориться о правилах эмбриологии – о том, как гены управляют развитием организмов. На какие внешние черты оказывают влияние мутации? Каковы будут сами мутации – с большим или малым эффектом? В случае NetSpinner мутации влияют на известные особенности поведения пауков. В случае биоморфов мутации влияют на длину и угол роста ветвей растущих деревьев. Для глаз Нильссон и Пелгер первым делом постулировали наличие трех основных типов ткани в обычном глазе камерного типа. Камера имеет внешнюю, чаще всего светонепроницаемую, оболочку. Есть слой светочувствительных “фотоэлементов” (фоторецепторов). И есть нечто вроде прозрачного вещества, которое служит защитным окном или заполняет полость камеры-чаши – если, конечно, имеется чаша, поскольку мы в нашей модели ничего просто так на веру не принимаем. Стартовая позиция Нильссона и Пелгер – подножие горы – это плоский слой фоторецепторов (на рис. 5.14 показан серым цветом), который лежит на плоском экранирующем слое (черном), а сверху закрыт плоским слоем прозрачной ткани (светло-серый на рис. 5.14). По условиям их эксперимента, эффект от мутации выражается в малом относительном изменении одного из параметров – например, в небольшом уменьшении толщины или увеличении показателя преломления ограниченной зоны прозрачного слоя. Их интересовало, насколько высоко можно подняться по склону, если выйти из базового лагеря и упорно идти вверх? Подъем подразумевает планомерные, шаг за шагом, изменения, причем учитываются только те мутации, которые приводят к улучшению оптических свойств.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.14. Теоретическая последовательность стадий эволюции “рыбьего” глаза, предложенная Нильссоном и Пелгер. Число шагов от одной стадии до следующей рассчитано исходя из условия, что за один шаг какой‐нибудь один параметр меняется на 1 %. Как эти условные единицы соответствуют количеству поколений в эволюционном процессе, объясняется в тексте.


Итак, куда мы попадаем? Оттуда, где вовсе не было нормального глаза, мы потихоньку поднимаемся по тропинке с небольшим уклоном и приходим к знакомому нам рыбьему глазу с хрусталиком. В отличие от обычной искусственной линзы этот хрусталик неоднороден. У него переменный показатель преломления, примерно как на рис. 5.13. На диаграмме непрерывному изменению показателя преломления отвечают оттенки серого цвета. Показатель преломления стекловидной массы менялся от одной узкой зоны к другой, и так из нее постепенно выкристаллизовался хрусталик. Никаких фокусов. Нильссон и Пелгер не запрограммировали в модели стекловидной массы зачаточный хрусталик, чтобы дождаться рывка вперед. Они просто предоставили показателю преломления каждой узкой зоны прозрачного вещества меняться под влиянием генов. Показатель преломления каждой крупицы прозрачного вещества мог меняться произвольно в любую сторону. В стекловидной массе могло образоваться сколько угодно комбинаций зон с различными показателями преломления. Хрусталик обрел свою форму и свойства благодаря непрерывному движению вверх, которое послужило аналогом селекционной работы в каждом поколении с теми образчиками глаз, которые лучше всего видят.

Показать, что полноценный рыбий глаз мог постепенно развиться из плоского объекта, глазом не являющегося, было не единственной целью Нильссона и Пелгер. Их модель годилась и для оценки времени, которое понадобилось бы на образование глаза из ничего. При условии, что на каждой стадии какой‐либо параметр менялся на один процент, общее число стадий для их модели составило 1829. Изменение на один процент – это вовсе не чудо. Параметры могли бы меняться и на 0,005 процента на каждой стадии, и тогда таких стадий было бы 363992. Исследователям надо было выразить общее число изменений в объективных, реальных единицах – единицах генетических изменений. Для этого они сделали ряд допущений. Так, пришлось договориться об интенсивности селекции. Нильссон и Пелгер решили, что на каждого 101 выжившего животного с усовершенствованными глазами выживает 100 животных, чьи глаза не претерпели изменений к лучшему. Как видите, с позиции здравого смысла интенсивность отбора мала – можно отлично прожить и без всяких улучшений. Нильссон и Пелгер всячески старались добиться того, чтобы скорость эволюции по их оценке оказалась бы, мягко выражаясь, очень малой, поэтому они намеренно выбирали заниженные, “пессимистичные” цифры. Также они должны были обговорить еще два условия – касательно “наследуемости” и “коэффициента изменчивости”. Коэффициент изменчивости показывает, сколько изменений происходит в популяции. Естественному отбору нужны изменения, чтобы было что отбирать, и Нильссон и Пелгер здесь тоже намеренно задали неблагоприятные, низкие значения. Значение наследуемости говорит о том, сколько изменений из всех, произошедших в данной популяции, передается следующему поколению. Низкая наследуемость говорит о том, что изменения в популяции были в основном вызваны внешними условиями и что естественный отбор не оказывает заметного влияния на эволюцию, хотя и определяет, выжить особи или погибнуть. При высокой наследуемости выживаемость особей проявляется именно в выживаемости генов, поэтому влияние отбора на будущие поколения велико. Так как значение наследуемости нередко превышает 50 %, этот порог, который установили Нильссон и Пелгер, можно считать пессимистичной оценкой. И последнее неблагоприятное условие, которое они приняли, – что в одном поколении не могут одновременно меняться разные зоны глаза.

В каждом из этих случаев пессимистичность оценки подразумевает, что в результате продолжительность эволюции глаза окажется достаточно велика. Глубокий пессимизм гораздо более обоснован, нежели оптимизм. Недоверчивый скептик – например, Эмма Дарвин, – который сомневается в силе эволюции, скорее согласится с тем, что такой чрезвычайно сложный, многокомпонентный орган, как глаз, будет развиваться очень и очень долго, если вообще когда‐нибудь разовьется. По итоговой оценке Нильссона и Пелгер, этот период оказался поразительно коротким. В конце концов расчеты показали, что полноценный рыбий глаз с хрусталиком сформировался всего за каких‐то 364000 поколений. Если бы они выбрали более оптимистичные – то есть, наверное, менее реалистичные – параметры, все случилось бы еще быстрее.

Сколько лет можно отвести 364000 поколениям? Безусловно, это зависит от времени жизни поколения. Мы говорим о мелких морских животных – червях, моллюсках, небольших рыбах. Их поколение сменяется, как правило, за год или меньше. Таким образом, вывод Нильссона и Пелгер эквивалентен тому, что эволюция хрусталика могла бы завершиться менее чем за полмиллиона лет. По меркам геологии это очень-очень мало. Так мало, что в масштабе древних эр, о которых идет речь, это почти мгновение. Жаловаться, что для эволюции глаза было мало времени, – просто грех, это чудовищная, постыдная ложь.

Конечно, Нильссон и Пелгер учли не все особенности правильно сформированного глаза, которые, возможно, развивались гораздо дольше (хотя авторы исследования думают иначе). Скажем, предварительная эволюция светочувствительных клеток – ранее я называл их фоторецепторами, – по мнению Нильссона и Пелгер, закончилась еще до старта их модельной эволюционной системы. У современных глаз есть и другие полезные свойства, такие как способность менять фокусное расстояние и размер зрачка (“диафрагму объектива”) или подвижность в глазнице. Способность вращать глазами – это большой плюс не только по вполне очевидным причинам, но и потому, что жизненно важно уметь фиксировать взгляд при движении тела. Птицы удерживают голову в неподвижности – и тем самым фиксируют взгляд – с помощью мышц шеи даже при резких движениях всего туловища. В более сложных системах, обеспечивающих эту способность, задействованы тонкие механизмы мозга. Но ясно, что лучше иметь возможность хоть как‐то, на примитивном уровне, управлять движением глаз, чем не иметь ее вовсе, поэтому для нас не составит труда на пути следования к вершине горы Невероятности по пологому склону сложить фрагменты наследственных линий.

Если предмет расположен очень далеко от вас, для фокусировки исходящих от него лучей требуется линза с меньшей оптической силой, чем если бы он находился вблизи. Возможность в равной мере хорошо фокусировать лучи на дальних и ближних дистанциях – роскошь, без которой можно обойтись, но в природе ценен любой малейший шажок к увеличению шансов на выживание, и, действительно, самые разные животные могут разными способами менять фокусное расстояние хрусталика. Мы, млекопитающие, вытягиваем хрусталик, меняя его форму, с помощью мышц. Так же поступают птицы и большинство рептилий. Хамелеоны, змеи, рыбы и лягушки используют тот же принцип, по которому работает объектив камеры – слегка выдвигают хрусталик вперед или назад. Животные с маленькими глазками даже не пытаются этого делать. Их глаза подобны примитивному фотоаппарату “Кодак Брауни” – худо-бедно фокусируются на любое расстояние, пусть и неидеально. К сожалению, и наши глаза с возрастом начинают работать, как “Кодак Брауни”, а чтобы мы хорошо видели и вблизи, и вдали, нам выписывают бифокальные очки.

Нетрудно предположить, как постепенно развивался механизм регулировки фокусного расстояния. Во время опытов с полиэтиленовым пакетом и водой я сразу заметил, что могу увеличить или уменьшить резкость изображения, если сожму рукой пакет. Меня не интересовала форма пакета, я вообще не обращал на него внимания, а следил только за качеством проектируемой картинки, поэтому просто мял пакет по‐всякому, пока не добивался более четкого изображения. Любая прилегающая к какой‐либо зоне стекловидной массы мышца, предназначенная совсем для других целей, заодно могла бы скорректировать фокусное расстояние хрусталика. Это открывает широкие возможности для планомерных усовершенствований на всем пути к вершинам горы Невероятности, а высшим достижением мог бы стать способ фокусировки, которым пользуются млекопитающие или хамелеоны.

Может быть, несколько труднее, хотя и ненамного, изменить апертуру – диаметр отверстия, через которое поступают световые лучи. Нужда в этом возникает по той же причине, что и при фотосъемке. При фиксированной светочувствительности фотопленки/фоторецепторов света может поступать как слишком много (иногда он даже слепит), так и слишком мало. Более того, чем уже отверстие, тем больше глубина фокусировки – диапазон расстояний, в пределах которого изображение получается резким. Хорошая камера, как и хороший глаз, снабжена встроенным экспонометром, который автоматически затемняет линзу диафрагмой, когда солнце выходит, и открывает ее в противном случае. Зрачок человеческого глаза – пример самой умной автоматики, японские инженеры могли бы гордиться такой технологией.

Но и здесь нетрудно догадаться, как можно было бы запустить столь изощренный механизм уже на нижних уровнях горы Невероятности. Круглый зрачок, хотя мы к нему и привыкли, отнюдь не догма. Форма зрачка может быть любой. У овец и крупного рогатого скота зрачки удлиненные, ромбовидные, расположенные горизонтально. Такие же у осьминогов и некоторых змей, а у других видов змей зрачок представляет собой вертикальную щель. Кошачий зрачок меняет форму от круглой до щелевидной, ориентированной по вертикали (рис. 5.15):

      Знает ли Миналуш,

      Какое множество фаз,

      И вспышек, и перемен

      В ночных зрачках его глаз?

      Миналуш крадется в траве,

      Одинокой думой объят,

      Возводя к неверной луне

      Свой неверный взгляд[10].

У. Б. Йейтс

Даже у многих дорогих камер зрачок объектива представляет собой не ровный круг, а многоугольник. Главное – регулировать световой поток, входящий в глаз. Если вы это поймете, то и первые этапы эволюции меняющегося зрачка покажутся вам очевидными. По низлежащим склонам горы Невероятности проходит множество удобных троп. Иридо-хрусталиковая диафрагма создает не больше препятствий на пути эволюции, чем анальный сфинктер. Важнее всего, наверное, ускорить реакцию зрачка. Раз нервная система уже есть, то и подстегнуть ее на подъеме в гору – тоже не проблема. Встаньте перед зеркалом и посветите фонариком себе в глаз – вы сможете на практике убедиться, что человеческий зрачок реагирует мгновенно. Можно провести и более эффектный эксперимент: направьте фонарик в один глаз, наблюдая за другим, и вы увидите, что оба зрачка реагируют одновременно.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.15. Типы зрачков, в том числе зрачок фотообъектива. Форма зрачка не имеет критического значения, поэтому он может быть любым: (а) сетчатый питон; (b) человек; (с) кошка; (d) древесная змея длиннорылая плетевидка; (е) фотообъектив.


Как мы уже знаем, модель Нильссона и Пелгер воспроизводит хрусталик с переменным показателем преломления – у людей другой хрусталик, но у рыб, головоногих и прочих водных животных с глазами камерного типа именно такой. Линза формируется путем сгущения зоны с более высоким показателем преломления в прозрачном геле, который ранее имел однородную структуру.

Хрусталик не всегда формируется в области концентрации желеобразной массы. На рис. 5.16 показаны глаза двух насекомых, у которых хрусталики образовались иначе. В обоих случаях это так называемые простые глазки́ (оцеллии) – не путайте их с фасеточными глазами, к которым мы еще в свое время вернемся. Хрусталик первого – глаза личинки пилильщика – представляет собой утолщение роговицы, внешней прозрачной оболочки. Во втором случае (это глаз мухи подёнки) роговица не утолщается, а хрусталик образовался из скопления прозрачных бесцветных клеток. Оба пути развития хрусталика ведут к одному и тому же подъему на гору Невероятности – мы уже побывали там, когда изучали стекловидное тело глаза червя. По-видимому, хрусталики, как и сами глаза, эволюционировали независимо множество раз. У горы Невероятности далеко не один пик и много холмиков.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.16. Два варианта развития хрусталика у насекомых: (а) личинка пилильщика; (b) подёнка.


Многообразие форм сетчатки также говорит о многократной независимой эволюции этой структуры у животных. Во всех случаях, кроме одного, фоторецепторы, которые я до сих пор описывал, расположены перед нервами, соединяющими глаз с мозгом. Такая конструкция самая логичная, но не универсальная. У плоского червя (рис. 5.4а) фоторецепторы размещаются явно на “неправильной стороне” относительно нервов. Точно так же устроены и наши глаза – глаза позвоночных. Фоторецепторы ориентированы передом назад, против света. Это не так уж глупо, как кажется. Поскольку они очень маленькие и прозрачные, то неважно, куда они направлены – фотоны большей частью пролетают насквозь и попадают прямиком в ловушку мембранных экранов – складок, нагруженных пигментом. У хордовых “провода” (нервы), связывающие фоторецепторы с мозгом, уходят не к мозгу, как следовало бы ожидать, а к свету, и только в этом смысле можно говорить, что фоторецепторы направлены назад. Далее нервы проходят перед сетчаткой к ее определенной области – так называемому слепому пятну. Здесь они проникают через сетчатку к зрительному нерву – вот почему в этом месте сетчатка не воспринимает свет. Фактически мы слепы на эту зону глаза, что, впрочем, нам не мешает, ибо наш мозг ловко восполняет этот пробел. Слепое пятно можно заметить только тогда, когда в эту зону перемещается некий мелкий предмет, о существовании которого мы знаем по другим признакам – он как бы исчезает куда‐то, как свет, и явно замещается основным фоновым цветом.

Как я сказал, ориентация сетчатки не имеет никакого значения. Могло бы случиться и так, что при прочих равных нам полезнее было бы иметь сетчатку, расположенную наоборот. Пожалуй, это лишь подтверждает тот факт, что на горе Невероятности далеко не один пик и все они разделены глубокими ущельями. Коль скоро было положено начало эволюции полноценного глаза с его вывернутой наизнанку сетчаткой, возможен только один путь наверх – через усовершенствование строения того глаза, который уже есть. Радикальная смена концепции неизбежно сбросила бы нас вниз – не на пару шагов, а до самого дна каньона, что запрещено естественным отбором. Сетчатка позвоночных развивается по заданному пути уже у эмбриона, и, безусловно, этот путь развития и этот дизайн был свойственен еще древним предкам. Глаза многих беспозвоночных эволюционировали совсем по‐другому, и стало быть, их сетчатки ориентированы “правильно”.

То, что у хордовых сетчатка ориентирована задом наперед, конечно, интересно, но она и без этого взбирается на заоблачные пики горы Невероятности. Сетчатка человека насчитывает 166 миллионов фоторецепторов разных типов. Выделяют два основных вида: палочки (специализированы на восприятии света при низком уровне освещения, не различают цвета и не обеспечивают высокой остроты зрения) и колбочки (обеспечивают четкость изображения и восприятие цветов при ярком освещении). Эту книжку вы читаете с помощью одних только колбочек. Комету Галлея Джульет могла бы увидеть благодаря палочкам. Колбочки сосредоточены в небольшой зоне сетчатки – в центральной ямке (именно она позволяет вам читать), где палочек нет вовсе. По этой причине, чтобы разглядеть столь неясный объект, как комета Галлея, надо смотреть не прямо, а чуть в сторону, чтобы ее тусклый свет не попадал в центральную ямку. В теории восхождения на гору Невероятности количество фоточувствительных клеток и распределение их ролей не создают особых затруднений. Очевидно, развитие обоих свойств прокладывает легкие пути на вершину.

Для зрения лучше иметь большую сетчатку, чем маленькую. Она вмещает больше фоторецепторов, и можно разглядеть больше мелких деталей. Но за все надо платить. Вспомните сюрреалистическую улитку с рис. 5.1. И все‐таки некоторые мелкие создания могут позволить себе более широкую сетчатку. Майкл Лэнд, профессор Университета графства Суссекс, в послужном списке которого множество ярких и незаурядных открытий, касающихся глаз, и у которого я почерпнул массу сведений из этой области науки, нашел великолепный образчик – паука-скакуна[11]. У пауков глаза не фасеточные, вот и пауки-скакуны используют глаз камерного типа в высшей степени рационально (рис. 5.17). Лэнд обнаружил весьма оригинальную сетчатку. Не широкий экран для проекции полномасштабной картинки, а длинную вертикальную полосу, узкую и не пригодную для восприятия качественного изображения. Однако паук с удивительной изобретательностью компенсирует минусы узкой сетчатки. Непрерывно перемещая сетчатку, он “сканирует” зону возможной проекции изображения. Таким образом, его “полезная” сетчатка намного больше реальной – похожий принцип используют пауки-боладоры, когда раскручивают свою единственную нить и увеличивают область захвата до площади обычной круговой паутины. Если сетчатка паука-скакуна зафиксирует достойный внимания объект – например, летящую муху или другого паука-скакуна, – “сканер” локализуется на прилегающем к цели пространстве. Это создает динамический эквивалент центральной ямки сетчатки. Находчивые пауки-скакуны оккупировали для своего глаза с хрусталиком невысокий, но вполне респектабельный пик в своем районе горы Невероятности.

Я показал вам великолепный инструмент для исправления пороков глаза-дырочки – хрусталик. Однако это не единственное средство. Эффект вогнутого и выпуклого зеркал основан на другом принципе, но они позволяют иначе решить ту же задачу – собрать потоки лучей, исходящих от каждой точки объекта, и свести их в одну точку изображения. Иногда такие зеркала работают эффективнее линз, недаром все самые большие телескопы – зеркальные (рис. 5.18а). Зеркальный телескоп имеет один небольшой недостаток: изображение формируется перед зеркалом, а именно – на пути входящих лучей. Как правило, в зеркальном телескопе есть маленькое зеркало, которое отражает сфокусированное изображение вбок – в объектив или фотокамеру. Это маленькое зеркало если и создает помехи, то несущественные, и не портит изображение. Оно лишь незначительно сокращает общий поток света, попадающий на расположенное сзади большое зеркало, а его собственного изображения не видно.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.17. Паук-скакун.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.18. Применение сферических зеркал для формирования изображения: (а) зеркальный телескоп; (b) Gigantocypris, крупное планктонное ракообразное, рисунок сэра Алистера Харди; (с) глазки гребешка в просвете створок раковины; (d) поперечный срез глаза гребешка; (е) овал Декарта.


Следовательно, теоретически вогнутое или выпуклое зеркало могло бы стать практичным физическим решением серьезной проблемы. Найдутся ли примеры “зеркальных” глаз в животном мире? Одним из первых об этом задумался сэр Алистер Харди, мой бывший профессор в Оксфорде; он прокомментировал свой рисунок интересного экземпляра глубоководных ракообразных – Gigantocypris (рис. 5.18b). В обсерваториях – например в Маунт-Вилсоновской и Паломарской – астрономы с помощью гигантских параболических зеркал улавливают даже самые слабые потоки фотонов, которые долетают от далеких звезд. Напрашивается мысль, что и Gigantocypris точно так же ловит фотоны, проникающие сквозь толщу воды в океане, но недавние исследования Майкла Лэнда решительно опровергают гипотезу о вероятном сходстве этого существа с телескопом. На сегодняшний день механизм его зрения неизвестен.

Зато другое животное для формирования изображения действительно пользуется самым что ни на есть вогнутым зеркалом, хотя и в комплекте с хрусталиком. Это открытие тоже принадлежит Майклу Лэнду, можно сказать, царю Мидасу в области исследования глаз животных. Это животное – двустворчатый моллюск морской гребешок.

На рис. 5.18с приведено увеличенное фото небольшого фрагмента щели между двумя створками раковины морского гребешка (шириной всего в 2–3 миллиметра), через которую видно тело моллюска. Между краем раковины и щупальцами расположены в ряд десятки крохотных глазок. В каждом глазу за сетчаткой есть вогнутое зеркало, которое участвует в формировании изображения. Именно эти зеркала придают глазкам морского гребешка голубоватое и зеленоватое жемчужное сияние. На рис. 5.18d показан глаз моллюска в разрезе. Как я уже говорил, помимо зеркала в нем есть и хрусталик – мы еще к нему вернемся. Сплошная серая зона между хрусталиком и вогнутым зеркалом – это сетчатка. К задней стороне хрусталика плотно прилегает часть сетчатки, видящая четкое изображение, которое проецируется зеркалом. Изображение получается перевернутое, а формируют его отраженные зеркалом лучи.

Так зачем же вообще нужен хрусталик? Сферическим зеркалам, в частности зеркалу в глазу морского гребешка, свойственна так называемая сферическая аберрация, из‐за чего изображение искажается особым образом. В конструкции одного из зеркальных телескопов – знаменитого телескопа Шмидта – этот недостаток устраняется благодаря точно подобранной комбинации линзы и зеркала. Морской гребешок, по‐видимому, справляется с проблемой по‐своему. По идее, сферическую аберрацию можно убрать с помощью специальной линзы, имеющей форму овала Декарта. На рис. 5.18e показан правильный овал Декарта. Давайте еще раз посмотрим на профиль реального хрусталика морского гребешка (рис. 5.18d). Профессор Лэнд подметил поразительное сходство форм и выдвинул идею, что в данном случае хрусталик нужен для коррекции сферической аберрации зеркала, главного элемента зрительного органа.

Исходя из нашего эмпирического опыта, мы можем предположить, откуда взялся глаз с вогнутым зеркалом на нижних уровнях отведенного ему на горе Невероятности склона. У многих животных есть отражающие слои, расположенные за сетчаткой, но они нужны не для формирования изображения, как у морского гребешка, а для других целей. Зайдите в лесную чащу, прихватив с собой мощный фонарь, и вы увидите множество устремленных на вас двойных лучей. У многих млекопитающих, особенно у тех, кто ведет ночной образ жизни (например, у западноафриканских золотистых потто, рис. 5.19b), позади сетчатки имеется отражающий слой – тапетум. Он предназначен для захвата со второй попытки фотонов, проскочивших ловушку из фоторецепторов; каждый фотон отражается обратно к тому самому фоторецептору, к которому он уже прилетал с другой стороны и который его не поймал, и поэтому изображение не искажается. Тапетум встречается и у беспозвоночных. Некоторые виды лесных пауков тоже обнаруживают себя в ярком свете фонарика. Глаза паука-волка (рис. 5.19а) горят, точно дорожные светоотражатели. Тапетумы, улавливающие все фотоны до единого, вполне могли развиться в глазах камерного типа у древних животных еще раньше, чем хрусталики. Не исключено, что тапетум – это та самая преадаптация, которая спровоцировала в отдельных случаях эволюцию глаза типа зеркального телескопа. А может быть, зеркало образовалось из другого источника. Наверняка тут ничего знать нельзя.

Получить хорошо сфокусированное изображение можно двумя способами – с линзами и с зеркалами. В обоих случаях картинка будет перевернута – верх и низ, а также правая и левая стороны поменяются местами. Правильное изображение формируется глазом совершенно другого типа – составным, или фасеточным; ему отдали предпочтение насекомые, ракообразные, отдельные виды червей и моллюсков, королевские (=камчатские) крабы (кое‐кто полагает, что эти удивительные морские животные ближе к паукам, чем к настоящим крабам) и обширная группа ныне вымерших трилобитов[12]. На самом деле фасеточные глаза делятся на несколько разных типов. Я начну с самого простого – с аппозиционных фасеточных глаз. Чтобы понять, как функционирует аппозиционный глаз, мы должны вернуться почти к самому подножию горы Невероятности. Как нам уже известно, для того чтобы глаз видел картинку, а не просто передавал нам сигнал о наличии света, фоторецепторов должно быть много и они должны реагировать на световые лучи, приходящие по разным направлениям. Чтобы глаза видели не только то, что находится прямо перед ними, можно разместить фоторецепторы на поверхности чаши, экранированной сзади непрозрачным слоем. Все глаза, о которых шла речь до сих пор, развивались именно по этому принципу, в виде вогнутой камеры. Но, наверное, более очевидное решение – выстроить фоторецепторы на внешней стороне чаши, то есть на выпуклой поверхности, и таким образом направить их по разным осям. Это и есть простейший фасеточный глаз.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.19. Отраженные фотоны не пропадут зря. Сияющая отражательная оболочка, тапетум, паука-волка, Geolycosa sp. (а) и золотистого потто (b).


Вспомним о нашем первом опыте с изображением дельфина и о том, что из этого вышло. Тогда я сказал, что прежде всего мы должны справиться с множественностью изображений. Полчища “дельфинов” буквально заполонили всю сетчатку, так что в результате нельзя было разглядеть ни одного из них (рис. 5.20а). Глаз-отверстие был эффективен потому, что отсекались почти все лучи, а оставшийся узкий поток, который проникал во входное отверстие, формировал одно перевернутое изображение. Мы добавили линзу и усовершенствовали свою модель. В фасеточном глазу проблема решается еще более простым способом.

Фасеточный глаз представляет собой плотное скопление длинных прямых трубок, направленных во все стороны по радиусам от выпуклой поверхности. Каждая трубка, словно прицел винтовки, смотрит на один маленький участок пространства, который находится непосредственно на ее “линии огня”. Можно продолжить идею фильтрации – стенки трубки и поверхность купола не дают лучам других направлений попасть в нее и достигнуть фоторецепторов в ее задней части.

Таков базовый принцип работы аппозиционного фасеточного глаза. На самом деле эти маленькие трубчатые глазки – омматидии – устроены немного сложнее, чем простая трубка. Они снабжены собственными хрусталиками и крохотной сетчаткой, в которой содержится обычно около десяти фоторецепторов. Поскольку каждый омматидий формирует изображение на дне узкой трубки, оно получается перевернутое, то есть омматидий работает как несовершенный длинный глаз камерного типа. Но отдельно взятые изображения, сформированные одним омматидием, не воспринимаются мозгом. Омматидий передает только информацию об интенсивности светового потока, попадающего в трубку. А роль хрусталика сводится к тому, чтобы собрать как можно больше лучей на линии действия омматидия и сфокусировать их на сетчатке. Если объединить изображения, полученные всеми омматидиями, сформируется цельное правильное “изображение”, как показано на рис. 5.20b.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.20 (а). Повтор рис. 5.6; (b) вывернутая камера-чаша. Принцип устройства аппозиционного фасеточного глаза.


Как водится, вовсе не обязательно “изображение” будет правильным в нашем понимании – многоцветной картинкой, адекватно отражающей реальность. Мы только рассматриваем все варианты, которые позволяют визуально различать происходящие вокруг события. Некоторым насекомым фасеточные глаза нужны лишь для того, чтобы следить за движущимся объектом. Неподвижную картинку они могут и не увидеть. Видят ли животные так, как видят люди, – это вопрос философский, и, пожалуй, так сразу на него и не ответишь.

Например, основные свойства фасеточного глаза позволяют стрекозе выследить и догнать летящую муху, но чтобы разглядеть объект во всех подробностях, доступных нашему зрению, фасеточный глаз должен быть гораздо больше человеческого камерного. Этому можно дать примерно следующее объяснение. Очевидно, чем больше омматидиев, направленных в разные стороны, тем более детальным будет изображение. Стрекоза обладает примерно 30000 омматидиев, и этого вполне достаточно для охоты на лету (рис. 5.21). Но чтобы видеть так же хорошо, как видим мы, требуются миллионы омматидиев, а чтобы в глазу уместились миллионы омматидиев, они должны быть совсем крошечными. К сожалению, омматидий не может быть меньше определенного размера. Такие же ограничения, как мы видели, накладываются на размер глазного отверстия – это называется дифракционный предел. Из-за этого ограничения фасеточный глаз, если мы хотим добиться такого же качества изображения, какое дает наш камерный глаз, должен быть несообразно огромным – 24 м в диаметре! Немецкий ученый Куно Киршфельд нарисовал эффектную иллюстрацию – человека с фасеточными глазами и нормальной остротой зрения (рис. 5.22). Сотовая структура – это авторская интерпретация. В реальности каждая фасетка составного глаза скрывает в себе 10000 омматидиев. Киршфельд исходил из того, что люди хорошо видят только центральной зоной сетчатки, поэтому “человеческий” фасеточный глаз в его представлении вырос не до двадцати четырех метров, а лишь до одного. Двадцать четыре метра в диаметре или один – все равно с такими глазами ходить не будешь. Вывод: хотите четко видеть мир и ничего не упустить – выбирайте не составной фасеточный глаз, а простой камерный с одним, но качественным хрусталиком. Дэн Нильссон даже заметил про фасеточный глаз: “Мы не сильно погрешим против истины, если скажем, что эволюции пришлось выдержать отчаянную битву за исправление чудовищных, по сути, ошибок природы”.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.21. Летающий хищник, стрекоза Aeshna cyanea, высматривает добычу огромными фасеточными глазами.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.22. Если бы человек имел фасеточные глаза при нормальной остроте зрения, он был бы таким, каким нарисовал его Куно Киршфельд.


Тогда почему же насекомые и ракообразные не отказались от фасеточного глаза и не развили вместо него камерный? Может статься, это был один из тех случаев, когда, заблудившись в долине у подножия горы Невероятности, вид не смог перебраться к другому склону. Нельзя спуститься в долину с тем, чтобы заново начать оттуда восхождение на более высокий пик, поэтому превращение фасеточного глаза в камерный было бы возможно только через несколько последовательных жизнеспособных промежуточных состояний. Но что мешает переходу от фасеточного глаза к камерному?

На ум приходит как минимум одно практически непреодолимое препятствие. В камерном глазу формируется перевернутое изображение. Фасеточный глаз видит правильную картинку. Найти промежуточное положение между ними, прямо скажем, непросто. Одно из вероятных состояний – полное отсутствие всякого изображения. Некоторым обитателям морских глубин, где царит почти кромешная тьма, достается так мало фотонов, что они оставили бесплодные попытки сформировать изображение. Все, что им остается – постараться хотя бы понять, есть свет или нет. Такие животные могли утратить нервный аппарат, необходимый для формирования изображения, а следовательно, оказаться в начале совсем другой тропы, ведущей на гору. Таким образом, они могли бы сыграть роль промежуточных форм на пути от фасеточного глаза к камерному.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.23. Камерный глаз, эволюционировавший на основе фасеточного глаза. Уникальный глаз ракообразного Ampelisca.


У других глубоководных животных есть большие фасеточные глаза, но отсутствует хрусталик и оптический аппарат. Их омматидии лишились трубок, и выстроенные прямо на внешней поверхности фоторецепторы ловят все имеющиеся в наличии фотоны по всем направлениям. Отсюда всего один маленький шаг до оригинального глаза, показанного на рис. 5.23. Этот глаз принадлежит ракообразному Ampelisca, которое живет не то чтобы очень глубоко и, возможно, находится как раз на обратном пути от придонных предков. Его глаз устроен, как камерный – с одним хрусталиком, который формирует на сетчатке перевернутое изображение. Однако сетчатка с остаточными омматидиями явно заимствована у фасеточного глаза. Может, и небольшой шажок, но возможен он был только в том случае, если в переходном периоде полной слепоты мозг имел достаточно времени на эволюцию и успел “забыть”, как делается правильно ориентированное изображение.

Это пример эволюции фасеточного глаза до камерного – кстати, очередной аргумент в пользу независимого развития глаз у разных животных. Но откуда изначально мог бы взяться фасеточный глаз? Какие находки ждут нас на нижних уровнях этого обособленного пика горы Невероятности?

Было бы полезно еще раз оглядеть все современное царство животных. Помимо артропод (насекомых, ракообразных и иже с ними), фасеточными глазами обладают только некоторые полихеты (многощетинковые черви) и двустворчатые моллюски (тоже, по‐видимому, прошедшие свой собственный путь независимой эволюции). Среди многочисленных червей и моллюсков есть виды с примитивными глазами, которые могли бы составить ряд правдоподобных промежуточных вариантов у подножия тех склонов горы Невероятности, что ведут к пику фасеточного глаза, поэтому эти животные сослужат нам хорошую службу при изучении истории эволюции. Глаза на рис. 5.24 принадлежат двум разным видам многощетинковых червей. Отмечу еще раз – это не древние, а ныне существующие виды, и, возможно, их предки вовсе не имели глаз, которые можно было бы счесть промежуточными вариантами. Однако при их участии мы могли бы понять, как в ходе эволюции прогрессировали глаза от кучки разрозненных фоторецепторов слева до настоящего фасеточного глаза справа. Уверяю вас, что эта тропа не более крутая, чем дорога к обычному глазу камерного типа.

Эффективность омматидиев – в том виде, в каком мы до сих пор их рассматривали, – зависит от того, насколько они изолированы друг от друга. Лучи, исходящие от разных точек на теле дельфина, не должны попадать в омматидий, направленный, скажем, на кончик хвоста, иначе мы опять получим полчища дельфинов. Как правило, изоляцию омматидиям обеспечивает покрывающий трубку темный пигмент. Но тут возникают новые осложнения. Некоторые морские жители маскируются благодаря своей прозрачности. Они прямо‐таки сливаются с морской водой. То есть, их маскировка основана на том, что они пропускают фотоны сквозь себя. Однако смысл экранирования омматидия заключается именно в том, чтобы не пропускать фотоны. Как же избавиться от такого антагонистического противоречия?


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.24. Примитивные фасеточные глаза двух видов червей.


Среди глубоководных морских животных встречаются ракообразные, которые нашли весьма интересный компромисс (рис. 5.25). У них нет экранирующего пигмента, а их омматидии – не трубки как таковые. Скорее это прозрачные световоды, вроде наших оптико-волоконных систем. На переднем конце каждого световода есть утолщение – крошечный хрусталик с переменным показателем преломления, как у рыб. Световод вкупе с хрусталиком передает фоторецептору, расположенному в его основании, сильный поток света. Но только по прямой. Боковые лучи отражаются и в световод не попадают – и не нужен никакой пигментный экран.

Не во всех типах фасеточных глаз входящие световые потоки строго разделены. Это свойственно только глазам аппозиционного типа. Существуют по меньшей мере три разновидности так называемых суперпозиционных фасеточных глаз, в которых принимаются не такие решительные меры. Ни тебе улавливания лучей в трубки, ни оптико-волоконных технологий – свет проходит через хрусталик одного из омматидиев и попадает на фоторецептор соседнего омматидия. Хрусталики всех омматидиев дружно формируют единое изображение на общей сетчатке, образованной светочувствительными клетками всех омматидиев вместе взятых. Майкл Лэнд показал, как выглядит портрет Чарльза Дарвина, если рассматривать его сквозь составной хрусталик суперпозиционного фасеточного глаза светляка (рис. 5.26).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.25. Глаз глубоководного ракообразного со световодами.


В суперпозиционном фасеточном глазу, как и в аппозиционном (но не в камерном и не в изображенном на рис. 5.23 глазу ракообразного Ampelisca), получается правильно ориентированное изображение. Если предположить, что суперпозиционные глаза эволюционировали из аппозиционных предшественников, то все закономерно. Такое преобразование обосновано исторически, и по части мозга затруднений не должно было возникнуть. Но есть еще один немаловажный факт. Он связан с физическими особенностями формирования правильного изображения таким способом. В переднем отделе каждого омматидия аппозиционного фасеточного глаза есть хрусталик, который способен сформировать только перевернутое изображение. Следовательно, чтобы аппозиционный глаз превратился в суперпозиционный, необходимо каким‐то образом повернуть вышедшие из хрусталика лучи в нужную сторону. Мало того, надо аккуратно наложить друг на друга отдельные картинки, сформированные разными хрусталиками, так, чтобы получилась одна общая. Плюс этого метода в том, что итоговое изображение будет гораздо ярче. Однако повернуть лучи крайне сложно с точки зрения физики. Поразительно, что эволюция не только справилась с этой задачей, но и предложила сразу три решения – с помощью усовершенствованного хрусталика, усовершенствованных зеркал и замысловатой сети нейронов. Подробное описание всех сложнейших деталей нарушило бы логику и без того трудной главы, поэтому я буду краток.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.26. Майкл Лэнд сфотографировал портрет Чарльза Дарвина сквозь составной хрусталик суперпозиционного фасеточного глаза светляка.


Одна линза дает опрокинутое изображение. Вторая, установленная за первой на определенном расстоянии, по тому же закону опрокинет его обратно. Такая комбинация используется в телескопе-рефракторе Кеплера. Тот же результат можно получить и с одной линзой, показатель преломления в которой распределяется по заданной схеме. Как мы уже знаем, в отличие от искусственных, в “живых” линзах постепенная смена рефракции реализуется легко. Мухи-подёнки, сетчатокрылые насекомые, жуки, мотыльки, ручейники и представители пяти различных групп ракообразных достигают примерно такого же эффекта, который дает кеплеровская труба. Филогенетическая удаленность этих групп животных друг от друга указывает на то, что, по крайней мере, у значительной их части одно и то же свойство – механизм зрения, аналогичный принципу работы телескопа-рефрактора, – развилось независимо. Три группы ракообразных взяли на вооружение похожий метод – с зеркалами. В двух из них встречаются также виды, которые используют линзы. В самом деле, если посмотреть, какие типы фасеточных глаз развились у тех или иных видов, выяснятся удивительные вещи. Тут и там, прямо‐таки повсеместно, вы обнаружите совершенно разные способы решения одинаковых проблем, что свидетельствует о быстром, чуть ли не молниеносном эволюционном процессе.

У обширной и одной из главных групп двукрылых насекомых – мух – сформировались нейросуперпозиционные глаза. Таков же механизм зрения водных клопов гребляков (семейство Corixidae), и, скорее всего, мы вновь видим пример независимой эволюции. Нейросуперпозиционное зрение – чрезвычайно умная система. Термин “суперпозиционная” здесь даже не применим, поскольку омматидии изолированы друг от друга, как в аппозиционных глазах. Но благодаря оригинальной схеме соединения нервных клеток позади омматидиев возникает эффект наложения. Вот как это происходит. Давайте вспомним, что “сетчатка” одиночного омматидия состоит из полудюжины фоторецепторов. В обычных аппозиционных глазах зрительные нервы всех шести фоторецепторов просто складываются – учитываются все фотоны, которые достигают дна трубки, независимо от того, какой фоторецептор их зарегистрировал (поэтому я заключил в кавычки слово “сетчатка”). Несколько фоторецепторов нужны лишь затем, чтобы повысилась суммарная восприимчивость к свету. Поэтому не важно, что вообще‐то крошечное изображение на дне аппозиционного омматидия перевернуто.

Однако в глазу мухи продукты работы шести зрительных клеток не объединяются по принципу все со всеми. Каждая клетка работает совместно лишь с определенными клетками соседнего омматидия (рис. 5.27). На этом рисунке масштаб изменен для наглядности. Из тех же соображений стрелки показывают не преломленные хрусталиком лучи, а соответствие точек дельфина точкам на дне трубок. А теперь оцените гениальность этой схемы. Суть идеи в том, что клетки, которые смотрят на голову дельфина и находятся в соседних омматидиях, функционируют сообща; клетки, которые смотрят на хвост дельфина и находятся в соседних омматидиях, тоже функционируют сообща. И так далее. В итоге сигнал от каждого фрагмента тела дельфина формируется более интенсивным потоком фотонов по сравнению с обычным аппозиционным глазом и его простой системой омматидиев. Можно сказать, старая задача приумножения числа фотонов, которые излучают отдельные точки на теле дельфина, решается по‐новому – не оптическими методами, а тонким расчетом.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.27. Умная схема “подключения” омматидиев в суперпозиционном фасеточном глазу.


Понятно, почему такой глаз называется суперпозиционным, хотя в строгом смысле им не является. При истинном наложении с использованием сложных линз и зеркал проходящий через соседние фасетки свет суммируется, и все фотоны, которые излучают голова или хвост дельфина, оказываются в одних и тех же соответствующих этим участкам местах. При нейросуперпозиционном механизме фотоны по‐прежнему попадают в разные места, как и в аппозиционном глазу. Но благодаря точно рассчитанному переплетению нервных волокон, ведущих к мозгу, сигналы от них сходятся.

Вы не забыли, как Нильссон оценил темпы эволюции глаза камерного типа? По меркам геологии, это произошло едва ли не в один краткий миг! Найти окаменелости, по которым можно было бы проследить переходные стадии, – редкое везение. Для фасеточных или каких‐нибудь других типов глаз точных оценок сделано не было, но не думаю, что они развивались намного медленнее. Глаза слишком мягкие для того, чтобы окаменеть, поэтому у нас мало надежды встретить сохранившиеся с доисторических времен фрагменты глаз. Исключение составляют фасеточные глаза, поскольку значительная часть деталей их строения просматривается в аккуратном рисунке фасеток. На рис. 5.28 показан глаз трилобита девонского периода, жившего почти 400 миллионов лет назад. На вид он развит в той же степени, что и современный фасеточный глаз. Раз время, которое потребовалось для его формирования, в геологических масштабах ничтожно мало, то чего же еще ожидать?

Вся эта глава строится вокруг тезиса о легкой и быстрой эволюции глаз, образовавшихся буквально в мгновение ока. В самом начале я сослался на мнение специалистов, которые полагают, что глаза эволюционировали независимо в разных группах животных по меньшей мере сорок раз. На первый взгляд, подборка любопытных экспериментальных данных, опубликованная группой швейцарских коллег при участии профессора Вальтера Геринга, оспаривает этот тезис. Поясню в двух словах, что именно они обнаружили и почему их работа не противоречит выводам, которые мы делаем в этой главе. Но прежде я должен принести извинения за досадное и крайне неумное соглашение генетиков о названиях генов. Формирование глаз у плодовых мушек дрозофил регулирует так называемый ген eyless (ген безглазия)! Чудненько, не правда ли? Но в данном случае вопиющий терминологический ляпсус, сбивающий людей с толку, вызван довольно простой и даже интересной причиной. О действии гена мы узнаем по эффекту его мутации. Есть ген, в результате мутации которого рождаются мухи без глаз. Отсюда название места в хромосоме, занимаемого этим геном, – локус eyeless (безглазия) (locus на латыни означает “место”, в генетике это участок хромосомы, где расположены альтернативные формы данного гена). Но говоря о локусе eyeless, мы вообще‐то имеем в виду нормальный, неповрежденный ген, который занимает это место. Это и породило парадоксальное название гена, регулирующего развитие глаз. Можно было бы и динамик считать устройством беззвучия, ведь если отсоединить его от приемника, радио замолчит. Не могу с этим согласиться. Я бы переименовал ген eyeless в “ген eyemaker” (глазоделательный ген), но так мы тоже запутаемся. Слово “безглазие” мне решительно не по душе, я предлагаю использовать узнаваемую аббревиатуру названия этого гена: ey[13].


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.28. Уже 400 миллионов лет назад фасеточные глаза были хорошо развиты: глаз трилобита девонского периода.


На сегодняшний день общеизвестно, что все клетки организма животного содержат полный набор генов, но в каждом отдельном органе и в каждой части тела находятся во “включенном” состоянии, или, другими словами, экспрессируются, лишь немногие из них. Именно поэтому печень и почки при одинаковом наборе генов ведут себя по‐разному. У взрослой дрозофилы ген ey, как правило, экспрессируется только в клетках головы, поэтому глаза там и развиваются. Георг Хайдер, Патрик Каллер и Вальтер Геринг придумали лабораторную методику активирования гена ey в совершенно не связанных с головой частях тела. Они сыграли с дрозофилой злую шутку – нашли способ запустить работу этого гена в ее антеннах, крыльях и конечностях. Результат был ошеломляющим – у подопытной особи полностью сформировались фасеточные глаза на антеннах, крыльях, ногах и в других местах (рис. 5.29). Эктопические глазки оказались меньше нормальных, но, как и нормальные фасеточные, имели множество правильно сформированных омматидиев. Они даже функционировали. Трудно сказать, чтó с их помощью видели мухи, но, судя по электрическим сигналам, поступавшим от нижней зоны омматидия, на свет они реагировали.

Это первый феноменальный результат. Второй поражает еще больше. У мышей есть ген, который называется small eye “маленький глаз”, а у человека этот ген называется aniridia – “ген аниридии”. Они тоже обязаны своими названиями генетикам – и негативному воздействию мутантных вариантов этих генов на строение организма. Их мутации приводят к недоразвитию и к полному отсутствию глаз или их структурных элементов. Сотрудники той же швейцарской лаборатории Ребекка Квиринг и Уве Вальдорф обнаружили, что последовательность ДНК в этих генах млекопитающих почти такая же, как в гене ey дрозофилы. Это означает, что их предки, столь же далекие от современных животных, как млекопитающие и насекомые, передали потомству этот ген. Мало того, в обеих филогенетических группах животных продукт этого гена, по‐видимому, принимает большое участие в развитии глаз. Третий феноменальный результат выглядит не менее эффектно. Геринг и его коллеги умудрились подсадить в клетки эмбриона дрозофилы мышиный ген. Невероятно, но факт – мышиный ген вызвал образование эктопических глаз у плодовой мушки. На рис. 5.29 (внизу) показан маленький фасеточный глаз, который вырос на ножке дрозофилы под влиянием мышиного эквивалента гена ey. Примечательно, что это не мышиный глаз, а присущий насекомому фасеточный. Продукт гена мыши просто запустил механизм формирования глаз в организме дрозофилы. Очень похожая последовательность ДНК была обнаружена и в генах моллюсков, морских червей немертин и асцидий. Ген ey, судя по всему, универсален для животных, и можно считать общей закономерностью то, что донорский ген из одного уголка царства животных способен стимулировать развитие глаза у реципиента, находящегося на совсем другом его краю.

Как эти фантастические эксперименты пересекаются с выводами, которые мы делаем в этой главе? Может, напрасно мы думаем, что могло быть сорок разных вариантов независимой эволюции глаза? Я считаю, что не напрасно. По крайней мере, не дезавуирована идея легкого и быстрого развития глаз. Наверное, эти опыты действительно показывают, что общие предки дрозофилы, мышей, человека, асцидий и прочих живых существ могли видеть. Их общий древний предок обладал каким‐то зрением, и его глаза, какими бы они ни были, развивались под влиянием последовательности ДНК, сходной с последовательностью гена ey. Но особенности глаза, характерные для конкретной группы животных – форма глаз различных типов, строение сетчатки, хрусталика и зеркал – эволюционировали быстро и независимо, так же как быстро и независимо происходил в разных группах животных выбор между простым и сложным глазом, а при наличии сложного сложного – между аппозиционным и двумя вариантами суперпозиционного. Об этом говорит разнообразие механизмов и систем, которые возникали в царстве животных тут и там без всяких закономерностей – можно сказать, по прихоти судьбы. В сущности, у животных чаще можно заметить нечто общее в глазах даже не близких, а более дальних родственников. То, что общие предки этих животных явно имели глаза того или иного типа, и то, что пути эмбрионального развитие этих глаз имели достаточно общего, чтобы регулироваться одинаковыми генами, никак не противоречит нашему выводу.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.29. Эктопические глаза дрозофилы, появившиеся в результате научного эксперимента; глаз на фото внизу образовался под влиянием мышиного гена.


Восхождение на гору Невероятности

Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.30. Глазной район горы Невероятности: ландшафт эволюции глаз в интерпретации Майкла Лэнда.


Когда Майкл Лэнд согласился прочесть черновой вариант этой главы и высказал свои замечания, я попросил его нарисовать иллюстрацию к теме Глазного района горы Невероятности; на рис. 5.30 представлена его “карта”. Метафоры обычно применимы только к конкретным ситуациям, поэтому иногда приходится вносить кое‐какие поправки и даже вовсе вырезать метафору из своего рассказа. Читатель уже не раз имел случай заметить, что гора Невероятности представляет собой целую горную страну с множеством пиков, хотя мы говорим о ней как об одиночной вершине – как, например, о горе Юнгфрау.

Дэн Нильссон, еще один великий знаток зрения животных, тоже прочел черновик этой главы и обратил мое внимание на, пожалуй, самый поразительный пример специфической эволюции глаза, тем самым подытожив главную идею. Трижды, у трех различных групп рыб, абсолютно независимо развилось, скажем так, четырехглазие. Самый выдающийся представитель рыб с четырьмя глазами – батилихнопс (Bathylychnops exilis, рис. 5.31). Его обычные глаза смотрят вверх и в стороны, как у всех рыб. Но кроме них батилихнопс имеет вторую пару глаз, которые умещаются в границах основных глаз и смотрят исключительно вниз. Хотелось бы знать, что они там видят? Возможно, батилихнопс опасается, что хищник подберется снизу. Для нас самым интересным является следующее: в эмбриогенезе вторая пара глаз развивается совсем не так, как основные глаза, хотя можно предположить, что их развитие регулируется каким‐то вариантом гена ey. В частности, как написал мне доктор Нильссон, “этот вид заново изобрел для себя второй хрусталик, хотя один у него уже был. Хороший довод в пользу того, что хрусталику не так уж трудно было сформироваться”.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 5.31. Удивительный двойной глаз рыбы Bathylychnops exilis.


Все не так трудно, как нам порой кажется. Говоря о бессилии разума перед проблемой эволюции глаз, Дарвин преувеличивал сложности. И его жена преувеличивала, когда оставила на полях его работы свое скептическую ремарку. Дарвин знал, что делает. Креационисты обожают цитату, с которой я начал эту главу, но всегда немного недоговаривают. Дарвин пошел на уступку не для того, чтобы вызвать их на спор; далее он сказал:

Но когда в первый раз была высказана мысль, что солнце стоит, а земля вертится вокруг него, здравый человеческий смысл тоже объявил ее ложной; однако каждый философ знает, что старое изречение Vox populivox Dei (глас народа – глас Божий) не может пользоваться доверием в науке. Разум мне говорит: если можно показать существование многочисленных градаций от простого и несовершенного глаза к глазу сложному и совершенному, причем каждая ступень полезна для ее обладателя, а это не подлежит сомнению; если, далее, глаз когда‐либо варьировал и вариации наследовались, а это также несомненно; если, наконец, подобные вариации могли оказаться полезными животному при переменах в условиях его жизни – в таком случае затруднение, возникающее при мысли об образовании сложного и совершенного глаза путем естественного отбора, хотя и непреодолимое для нашего воображения, не может быть признано опровергающим всю теорию[14].

Глава 6

Музей Всех Возможных Раковин

Эволюция продвигается к вершинам горы Невероятности под давлением естественного отбора. Понятие давления в данном случае подходит как нельзя лучше. Слова “давление отбора” вызывают почти физическое ощущение того, как вид толкают вверх по склону, так что он просто вынужден эволюционировать. Мы говорим, что хищники создали давление естественного отбора, под воздействием которого у антилоп эволюционировала способность бегать быстрее. Но при этом мы понимаем, что имеется в виду на самом деле: вероятность того, что в желудках хищников перевариваются гены, связанные с развитием коротких ног, относительно выше, а следовательно, коротконогих антилоп в природе становится меньше. “Давление” со стороны разборчивых самочек стимулирует самцов фазанов одеваться в яркие перья. Это означает, что у гена, необходимого для красоты оперения, неплохие шансы проникнуть вместе со спермой в организм самки. Но, по нашей теории, самцы становятся красивее под “давлением” естественного отбора. Однако расфуфыренные фазаны обращают на себя взгляды не только своих подруг, но и врагов, поэтому хищники, безусловно, создают противодействующее “давление отбора”, которое заставляет птиц быть поскромнее. Не будь хищников, петухи ради самок обретали бы все более и более броскую окраску. Таким образом, давление естественного отбора с разных сторон может вызывать как противоположные эффекты, так и параллельные и даже (математики показали бы это наглядно) направленные под углом друг к другу. Более того, давление естественного отбора может быть “сильным” и “слабым” – понятные и привычные эпитеты отлично отражают смысл происходящего. Ряд поколений выбирает свой путь к вершине, испытывая давление естественного отбора со всех сторон, разные силы тянут и дергают вид то дружно, то вразнобой.

Но давление – это еще не все. Легким ли будет восхождение, зависит и от профиля склонов. Помимо того, что давление отбора с разной интенсивностью подталкивает вид то туда, то сюда, есть еще и линии наименьшего сопротивления и непреодолимые препятствия. Скажем, давление естественного отбора жестко определяет направление движения вида, но если на пути встанет отвесная стена, в нее все и упрется. У естественного отбора должен быть выбор. Без генетической изменчивости любое давление бессильно. Утверждать, что антилопы стали быстрее бегать под давлением естественного отбора, созданного хищниками, равносильно утверждению, что хищники пожирают тех животных, которые бегают медленнее. Но если нет возможности выбора между генами быстроногих и медлительных антилоп – иначе говоря, если различия между ними обусловлены только особенностями окружающей среды, – эволюция тут не спасет. На горе Невероятности может не оказаться подходящего склона для подъема на уровень высоких скоростей.

Мы подходим к проблеме безнадежной неопределенности и разброса мнений среди биологов. На одном полюсе находятся те, для кого генетическая изменчивость подразумевается по умолчанию. Было бы давление естественного отбора, считают они, а подходящие генетические вариации всегда найдутся. Траектория филогенетических групп в эволюционном пространстве зависит только от взаимодействия между разнонаправленными давлениями естественного отбора. Их оппоненты на противоположном полюсе полагают, что направление эволюции определяется в первую очередь наличием доступной вариации. Кое-кто идет еще дальше, приписывая естественному отбору второстепенную роль вспомогательного агента. Можно было бы нарисовать комикс с двумя персонажами, которые спорят о том, почему у свиней нет крыльев. Убежденный селекционист уверяет, что крылья не дали бы свинье никаких преимуществ, вот она ими и не обзавелась. Крылья принесли бы свиньям пользу, возражает его противник, но не случилось мутаций с образованием зачатков крыльев, естественному отбору не с чем было работать, поэтому крылья так и не сформировались.

Даже при допущении, что у горы Невероятности может быть много вершин, в терминах нашей географической модели эту куда более сложную дилемму не описать. Нужна новая метафора, и, наверное, она понравится математикам, хотя мы обойдемся без математических символов. Это отнимет у нас побольше сил, чем гора Невероятности, но игра стоит свеч. В “Слепом часовщике” я вкратце объяснил, что именно скрывается под разными названиями – “генетическое пространство”, “страна биоморфов” и “дорожная сеть мира животных”. Не так давно философ Дэниел Деннет глубже проник в эту неизведанную область – он дал ей поэтичное название “Менделевская библиотека” по ассоциации с “Вавилонской библиотекой” Борхеса[15]. В этой главе я предлагаю посетить грандиозный музей зоологических фантазий.

Представьте себе музей с залами, простирающимися во все стороны, а также вверх и вниз сколько хватает глаз. В его хранилищах собраны все виды животных, которые когда‐либо существовали в природе или гипотетически могли бы существовать. Каждый вид помещается рядом с теми, на кого он больше всего похож. Направление одной музейной галереи – это одно измерение, отвечающее тому или иному направлению, в котором может проявляться изменчивость животных. Скажем, если вы пойдете по какой‐нибудь галерее на север, то заметите, что у экспонатов в витринах рога становятся все более длинными. Если развернетесь и направитесь на юг, то пойдете в сторону уменьшения рогов. К востоку рога меняться не будут, зато поменяется какой‐то другой признак – например, зубы станут острее. В западной стороне зубы будут более тупыми. Размер рогов и острота зубов – это лишь два из тысяч возможных направлений изменчивости животных, поэтому галереи должны пересекаться всевозможными способами и не только в привычном для нас и нашего восприятия трехмерном пространстве. Это я и имел в виду, когда сказал, что мы должны научиться мыслить математически.

Что значит мыслить в четырехмерном измерении? Допустим, мы измеряем четыре признака для антилоп – длину рогов, остроту зубов, длину кишечника и густоту шерсти. Если не принимать во внимание один из признаков – например, густоту шерсти, – можно отвести каждой антилопе место на трехмерной диаграмме (кубике) оставшихся признаков, то есть длины рогов, остроты зубов и длины кишечника. Как теперь добавить сюда же четвертый признак – густоту шерсти? Мы должны построить отдельные кубики для короткошерстных антилоп, для тех, у кого шерсть чуть длиннее и так далее. Сначала надо поместить антилопу в кубик, отведенный для ее длины шерсти, а затем, уже в пределах этого кубика, найти точку для ее рогов, зубов и кишечника. Густота шерсти – это четвертое измерение. По такому принципу можно выстроить семейство кубиков, кубик из кубиков, кубик кубиков из кубиков – пока все животные не займут свои места в многомерном пространстве.

Чтобы вы лучше поняли суть идеи Музея Всех Возможных Животных, в этой главе мы рассмотрим отдельный случай, более или менее применимый для анализа в трехмерном пространстве. В следующей главе я вернусь к тому спору, с которого начал эту главу, и попытаюсь предложить другой стороне кое‐какие конструктивные идеи, дабы найти мирное решение (я ведь убежден в своей правоте). В этой главе мы займемся трехмерными раковинами улиток и вообще витыми раковинами. Для описания большинства основных типов раковин достаточно трех переменных, поэтому их можно изучать в трехмерном пространстве. Далее я продолжу линию известного палеонтолога из Чикагского университета Дэвида Раупа. Самого Раупа вдохновил выдающийся шотландский биолог Дарси Томпсон, профессор прославленного старинного Сент-Эндрюсского университета, автор книги “О росте и форме” (On Growth and Form), впервые опубликованной в 1919 году. Эта книга в течение почти всего двадцатого столетия, оставаясь в стороне от основного направления развития науки, тем не менее оказывала заметное влияние на зоологов[16]. Биология несколько проиграла от того, что Дарси Томпсон скончался до наступления компьютерной эры, ибо каждая страница его великого труда просит компьютера. Рауп написал программу генерирования форм раковин, а я написал похожую программу, чтобы проиллюстрировать эту главу, хотя, разумеется, встроил ее в программу искусственного отбора, подобную той, что описана в “Слепом часовщике”.

Раковины улиток и других моллюсков, как и раковины брахиопод (которые, несмотря на явное сходство с моллюсками, не имеют с ними ничего общего), растут совершенно особым образом, и их ростовые процессы совсем не похожи на наши[17]. Мы начинаем свой жизненный путь малышами и растем равномерно, хотя одни органы могут развиваться быстрее других. В организме человека нельзя выделить фрагмент, который сохранился бы в младенческом состоянии. А в раковинах моллюсков такие фрагменты существуют. Крошечные раковины новорожденных моллюсков нарастают по направлению от центра к периферии, по краям, так что центральный отдел взрослой раковины представляет собой “детскую” раковину. Каждая особь всю жизнь носит с собой детский кусочек себя, самое узкое место своей раковины. Раковина моллюска наутилуса, уже знакомого нам обладателя глаза-дырочки, разделена на заполненные воздухом камеры; за счет них он держится на плаву, а в одной, самой просторной и новой, последней на растущем краю, живет сам на текущий момент времени (рис. 6.1).

Из-за того, что раковины расширяются по краям, все они имеют примерно одинаковую форму – объемной логарифмической (изогональной) спирали. Не путайте логарифмическую спираль с архимедовой, по которой матрос укладывает на палубе корабельный канат. Количество витков каната не имеет значения, ширина очередного витка постоянна и равна толщине каната. В логарифмической спирали, напротив, по мере удаления от центра кривая разгибается. Одни спирали разгибаются больше, другие меньше, но одна и та же – всегда одинаково. На рис. 6.2 показаны архимедова спираль и две логарифмические, раскрытые в разной степени.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.1. Раковина наутилуса в разрезе. Моллюск всегда выбирает для жизни самую последнюю, новенькую камеру.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.2. Типы спирали: (а) архимедова; (b) логарифмическая с низкой степенью расширения; (с) логарифмическая с высокой степенью расширения.


Раковина нарастает не вдоль линии, а как труба. Для нашего случая примем, что сечение трубы круглое, хотя далеко не всегда раковина напоминает валторну. Условимся также, что спираль на рисунке – это внешняя сторона трубы. Возможен вариант, когда труба расширяется ровно так, чтобы ее внутренняя поверхность прилегала к предыдущему витку (рис. 6.3а). Но это необязательно. Если диаметр трубы увеличивается медленнее, чем раскручивается внешний край спирали, между соседними витками остается пробел, который тоже будет увеличиваться (рис. 6.3b). Чем шире пробел, тем более вероятно, что такая “разреженная” спираль подходит не улитке, а червю.

Чтобы описать форму спирали, Рауп ввел три параметра – W, D и T. Надеюсь, меня не осудят, если я назову их расширение, червячность (характеризует степень извива) и конусность. Так легче будет запомнить, какой коэффициент к какому свойству относится, чем если бы мы оперировали только буквенными обозначениями. Расширение показывает, с какой скоростью раскручивается (раскрывается) спираль. При расширении, равном 2, интервал между витками увеличивается вдвое после каждого полного оборота. Этот случай проиллюстрирован на рис. 6.2b. Спираль на рис. 6.2b с каждым новым витком удваивается в поперечном сечении. Спираль на рис. 6.2с раскручена еще сильнее – ее расширение равно 10. Если описать по этой спирали полный виток, ее общая ширина увеличится в 10 раз, хотя в природе спираль обрывается задолго до завершения витка. Скажем, расширение раковины двустворчатого моллюска сердцевидки измеряется тысячами, она раскрывается так быстро, что до настоящей спирали дело практически не доходит.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.3. Спирали одного типа при разных размерах трубы: (а) труба широкая, поэтому последовательные витки уложены вплотную; (b) труба узкая, поэтому между витками остается свободное пространство.


Я бы не хотел, чтобы вы решили, будто физический смысл расширения заключается в скорости увеличения диаметра трубы. Для этого есть второй параметр – червячность. Труба не всегда занимает все очерченное раскрытой спиралью пространство, поэтому нам нужен этот показатель. Раковина может быть неплотной, как на рис. 6.3b. Спирали на рис. 6.3а и 6.3b имеют одинаковое расширение (2), но для рис. 6.3b червячность больше, чем для рис. 6.3.а – 0,7 и 0,5 соответственно. Червячность 0,7 означает, что расстояние от центра спирали до внутренней границы трубы составляет 70 % расстояния от центра спирали до внешней границы трубы. Для любой части трубы, где бы вы ни измеряли внутренний и внешний радиусы, червячность постоянна (непонятно, почему так должно быть, но в природе это правило соблюдается, и по умолчанию мы будем его придерживаться). Очевидно, что при большом значении червячности – скажем, 0,99 – труба будет тонкой, почти нитевидной, так как внутренний радиус будет равен 99 % внешнего.

При какой червячности витки будут плотно прилегать друг к другу, как на рис. 6.3а? Это зависит от расширения. Точнее, критическое значение червячности для плотной спирали обратно пропорционально расширению – иначе говоря, равно единице, деленной на расширение. В обоих случаях на рис. 6.3 расширение равно 2, поэтому критическое значение червячности для плотно уложенных витков равно 0,5, что мы и имеем для спирали на рис. 6.3а. На рис. 6.3b червячность выше критической, поэтому спираль раскрыта сильнее и интервалы между витками больше. Для раковины с расширением 10, как на рис. 6.2c, критическое число червячности было бы 0,1.

Что получится при червячности, значение которой меньше критического? Мы ведь можем представить себе толстую трубу, скрученную настолько плотно, что ее витки перекрываются – спираль, как на рис. 6.3, с червячностью 0,4? Территориальный спор может быть разрешен двумя способами. Например, можно позволить новым виткам стиснуть предыдущие. Наутилус так и поступает. При этом сечение трубы будет уже не правильной окружностью, а как бы с выемкой. Но ничего страшного в этом нет: как вы помните, мы просто условились, что сечение будет круглым. Многие моллюски благополучно живут в трубах, сечение которых далеко от идеальной окружности, – ну и ладно. Иногда искаженную форму сечения проще всего списать на то, что приходится мириться с предыдущими витками.

Второй способ – подняться над плоскостью и тем самым не допустить наслаивания витков. Тут нам понадобится третий параметр спирали – высота. Представьте себе, что спираль, раскручиваясь, перемещается вдоль боковой поверхности и превращается в высокую коническую шапку. Третий параметр спирали – конусность – показывает, с какой скоростью новые витки ползут по стенкам конуса. У наутилуса конусность равна 0 – все его витки расположены на одном уровне.

Итак, мы имеем три количественные характеристики спирали – расширение, червячность и конусность (рис. 6.4). Если мы не будем учитывать какую‐нибудь из них – например, конусность, – то сможем нарисовать на листе бумаги графическую зависимость двух других. У каждой точки на диаграмме будет две координаты, присущая только ей пара расширение-червячность, и тогда мы сможем написать программу, которая нарисует нам раковину. На рис. 6.5 показаны 25 точек диаграммы, расположенные с равными интервалами. Перемещаясь по точкам слева направо, компьютерные раковины по мере возрастания червячности закручиваются сильнее. Если двигаться сверху вниз – в сторону увеличения расширения, – то спирали будут раскрываться, пока вовсе не потеряют вид спирали. Пусть расширение возрастает по логарифмическому закону – тогда точки не будут сливаться. При этом в каждой следующей точке по мере продвижения вниз мы не прибавляем к данной величине фиксированное число, как на обычном графике и как по оси червячности, а умножаем ее на определенный коэффициент – в нашем случае на 10. Это нужно для того, чтобы включить в диаграмму раковины двустворчатых моллюсков (например, сердцевидок [сем. Cardiidae] и венерок [отр. Venerida], внизу слева на рисунке); в области расширений, доходящих до нескольких тысяч, небольшой прирост не будет заметен. На разных участках диаграммы вы можете видеть фигуры, напоминающие форму раковин аммонитов, наутилуса, двустворчатых моллюсков, улиток и кольчатых червей – я отметил области, где они должны располагаться[18].


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.4. Примеры раковин, которые показывают, что значит расширение, червячность и конусность: (а) большое расширение: двустворчатый моллюск Liconcha castrensis; (b) большая червячность: Spirula; (с) большая конусность: Turritella terebra.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.5. На этой диаграмме показано, как меняются компьютерные раковины в зависимости от значений червячности и расширения. Шкала по оси расширения – логарифмическая, то есть шаг по горизонтальной оси соответствует десятикратному увеличению расширения. По оси червячности с каждым шагом значение этого параметра возрастает на определенную величину. В определенных точках диаграммы могли бы расположиться некоторые существующие в природе раковины.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.6. “Рентгеновские снимки” четырех компьютерных раковин с разными значениями расширения, червячности и конусности.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.7. Рентгеновские снимки живых раковин.


Мой компьютер умеет рисовать раковины в двух режимах. На рис. 6.5 раковины изображены в том режиме, где основной критерий – форма самой спирали. На рис. 6.6 раковины показаны в другом аспекте – их сечения, словно рентгеновские снимки, дают представление о форме их “твердого тела”. На рис. 6.7 приведен подлинный рентгеновский снимок настоящей раковины, который поясняет природу такой картины. Четыре раковины на рис. 6.6 – виртуальные, как и те, что изображены на рис. 6.4; я выбрал их в качестве иллюстрации для разных значений расширения, червячности и конусности.

Диаграмма на рис. 6.8 отличается от рис. 6.5 только тем, что здесь показано рентгеновское представление раковин в системе координат расширение-конусность, а не расширение-червячность.

Конечно, можно было бы составить диаграмму и в координатах червячность-конусность, но не хочется загромождать книгу. Лучше сразу перейдем к знаменитому кубику Раупа (рис. 6.9). Без учета формы сечения трубы для описания геометрии раковины достаточно трех параметров, поэтому каждую раковину можно поместить в отдельную ячейку трехмерной коробки. Так, Музей Всех Возможных Раковин в противоположность Музею Всех Возможных Тазовых Костей представляет собой самую обыкновенную башню. Каждому из трех числовых параметров раковины соответствует одно из ее ребер. Зайдите в Музей Всех Возможных Раковин и отправляйтесь для начала на север – пусть это будет ось червячности. Вы увидите, что раковины в галерее, мимо которых вы проходите, закручиваются все сильнее и сильнее, не меняясь в остальном. Если, дойдя до какой‐то точки, вы повернете налево – на запад, – то будет возрастать конусность раковин, они станут выше и острее, тогда как другие их свойства останутся прежними. И наконец, когда вам надоест бродить туда-сюда с севера на юг и с запада на восток и вы начнете подниматься строго вверх по оси расширения, раковины будут становиться все шире и шире. Прокопав ходы внутри куба под правильно выбранным углом, вы сможете попасть из одной ячейки в другую, минуя ряд раковин промежуточной формы. Любое сечение куба, взятое под любым углом, можно нарисовать на плоском листе бумаги.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.8. Диаграмма компьютерных раковин в “рентгеновском” представлении, в координатах конусность (T, по горизонтальной оси) – расширение (W, по вертикальной оси). Как и на рис. 6.5 ось расширения – логарифмическая, но здесь расширение небольшое, раковины разворачиваются не слишком сильно.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.9. Кубик Раупа. Рауп изобразил трехмерную диаграмму в координатах расширение (W по его терминологии, по вертикали), конусность (Т, по горизонтали), червячность (D, по оси, уходящей за плоскость рисунка). В ключевых точках диаграммы помещаются “рентгеновские снимки” компьютерных раковин. Области, где могли бы находиться настоящие раковины, выделены цветом. В незакрашенных областях располагаются гипотетически возможные формы раковин.


Программа Раупа подсказала мне идею моей собственной программы. Рауп не стал рисовать в своей публикации все раковины, что было бы крайне затруднительно, а выделил ключевые точки куба. Фигуры вокруг куба на рис. 6.9 – это теоретические раковины, которые мы можем найти в соответствующих им точках пространства. Какие‐то из них напоминают настоящие морские ракушки. Другие ни на что не похожи, но в семействе компьютерных раковин им отведены определенные места. Области, где могут располагаться существующие в природе раковины, Рауп закрасил.

Раковины аммонитов, родичей наутилуса, в былые времена многочисленных, но разделивших – неважно, по какой причине – горькую участь динозавров, были витыми. Однако, в отличие от раковин улиток, они почти всегда укладывались на плоскости. Значение конусности у них – по крайней мере, у типичных аммонитов – равнялось нулю. Но у некоторых – в частности, у рода Turrilites в меловом периоде – сформировалась более выраженная конусность, вследствие чего они независимо от других видов обрели сходство с улиткой. За исключением таких нетипичных форм аммониты заняли пространство вдоль восточной стены Музея Раковин (вы, конечно, понимаете, что термины “восток” и “запад” мы выбрали произвольно для данной диаграммы). Витрины с типичными аммонитами выстроились только на южной половине восточной стены, причем только на нескольких верхних уровнях. В галерею аммонитов вторгаются улитки и другие брюхоногие моллюски, но кроме того они уходят далеко на запад (по оси конусности) и спускаются чуть ниже по этажам кубического кондоминиума. Однако нижние этажи с относительно большими значениями расширения, где раковины быстро разворачиваются, в основном заселены двумя крупными группами животных, имеющих двустворчатую раковину. Собственно двустворчатые моллюски продвигаются чуть дальше на запад – их раковины слегка закручены, как у улиток, но выглядят иначе, потому что очень быстро раскручиваются. Брахиоподы, или плеченогие (как мы уже знаем, и не моллюски вовсе), внешне очень похожи на двустворчатых моллюсков, но у них такая же “плоская спираль”, как у аммонитов. С двустворчатыми моллюсками брахиопод роднит то, что витки их раковин полностью разворачиваются раньше, чем успевает образоваться форма, которую можно было бы назвать спиральной.

Эволюционная линия каждой конкретной группы пролегает по своему маршруту в Музее Раковин, и чтобы это проиллюстрировать, я встроил свою программу для рисования раковин в более крупную программу искусственного отбора, о которой рассказывал в “Слепом часовщике”. Просто удалил из программы “Слепого часовщика” модуль эмбрионального развития ветвлением и вставил вместо него модуль эмбрионального развития с ростом раковины. Объединенную программу я назвал “Слепой строитель”. Напомню, что раковины-соседки всегда очень похожи друг на друга, поэтому мутации эквивалентны небольшим перемещениям по “музейным залам”. В программе каждому параметру раковины отвечает один локус – ген с переменным числовым значением. Поэтому малые изменения расширения, червячности и конусности отвечают трем типам мутаций. До известной степени изменения могут быть как “полезными”, так и “вредными”. Расширение может быть не меньше 1 (иначе это было бы не расширение, а сужение); верхнего предела для расширения нет. Ген червячности принимает дробное значение от 0 до 1; единица отвечает такой тонкой и извилистой трубе, что вряд ли это вообще возможно. Конусность возможна любая, отрицательные числа говорят о том, что раковина перевернута. В центре экрана, аналогично тому, как работала исходная программа “Слепого часовщика”, помещается родительская раковина, окруженная целым выводком бесполых отпрысков со случайными мутациями – ее ближайшими соседями по Музею Раковин. Человек (селекционер) выбирает компьютерной мышкой одну из раковин для дальнейшего разведения. Перемещает ее в центр, и на экране появляется новая группа отпрысков. Селекционер может повторять этот процесс, пока не устанет. Постепенно вам начинает казаться, что вы бродите по залам Музея Всех Возможных Раковин. Вам могут встретиться знакомые экспонаты, похожие на те, что вы когда‐то подбирали на берегу моря. В другой раз вы словно выйдете за границы реальности и окажетесь в математическом мире, среди таких раковин, какие в природе не существуют.

Как я уже говорил, практически все множество раковин описывается тремя параметрами, но при одном условии, которое мы приняли для простоты, но которое может быть ошибочным, – что в сечении труба всегда круглая. Как правило, труба, расширяясь, действительно сохраняет свои очертания, но далеко не всегда она круглая. Для овального сечения в моей компьютерной модели есть четвертый “ген” – параметр форма, который измеряется отношением высоты овальной трубы к ее ширине. Круг – это крайний случай овала, форма которого равна 1. Этот ген позволяет колоссально расширить возможности модели для изображения настоящих раковин. Но и этого мало. Сечение природных раковин – вовсе не обязательно круг или овал, и они вовсе не обязаны подчиняться простым математическим правилам. На рис. 6.10 показаны раковины с отличным от окружности, фигурным сечением основной трубы, которые, кстати, занимают в нашем кубическом музее разные “витрины”.

Дополнительная переменная включается в программу легко и без затей – в виде набора предварительно нарисованных сечений разной формы. Затем каждый такой контур трансформируется – сплющивается в горизонтальном или вертикальном направлении – текущим (изменяемым) значением гена формы. Далее программа завивает трубу точно так же, как круглую, и генерирует измененные контуры. Лучше всего – и когда‐нибудь я попробую это сделать – было бы научить компьютер имитировать реальный, непостоянный процесс роста раковины вдоль направляющей линии трубы и таким образом рисовать сечения произвольной формы. Как бы то ни было, на рис. 6.11 представлен “парк” компьютерных раковин, выращенных с помощью нашей программы селекции с участием человека. Они были отобраны для размножения за сходство со знакомыми нам раковинами; для каких‐то из них можно найти аналоги на рис. 6.10, еще какие‐то напоминают ракушки, которые вы могли бы увидеть на пляже или в море, плавая под водой.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.10. Настоящие раковины в разрезе: (сверху слева по часовой стрелке): пятнистый нассариус, Сominella adspersa; левозакрученный нептун, Neptunia contraria; японская удивительная татчерия, Thatcheria mirabilis; брюхоногий моллюск, Acteon eloisae; рапан, Rapa rapa; большой гребешок, Peten maximus; изящный фикус, Ficus gracilis.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.11. Коллекция компьютерных раковин с различными сечениями, выведенных в программе “Слепой строитель”. Они были отобраны в процессе селекции по принципу внешнего сходства с существующими в природе раковинами, в частности, с некоторыми из тех, что показаны на рис. 6.10.


Форма сечения трубы может стать еще одним измерением – или комплексом измерений – в Музее Всех Возможных Раковин. Раковины с круглым сечением, если вернуться к ним и не учитывать это новое измерение, хороши в частности тем, что их легко нарисовать в трехмерном пространстве и удобно разместить в Музее Всех Вероятных Форм. Но это вовсе не означает, что в реальной жизни найдутся все экспонаты теоретической выставки. Как мы видели, в природе большая часть музейных залов пустует. Рауп выделил населенные области цветом (рис. 6.9), и такие области занимают меньше половины всего куба. К северу и к западу уходят целые галереи воображаемых, никогда не существовавших на нашей планете раковин, выращенных только в рамках данной математической модели. Почему таких раковин не бывает? И почему, раз уж мы задаемся подобными вопросами, те раковины, что когда‐либо существовали, вообще оказались в этом кубическом пространстве?

Как могла бы выглядеть раковина, которой не нашлось уголка в математическом здании? Ни рис. 6.12а показана такая улитка. Ее конусность не постоянна, а меняется по мере роста раковины. Более молодые, широкие части растут при меньших значениях конусности, чем узкие витки, образовавшиеся раньше. Поэтому у нее такой неестественный и, вероятно, непрочный шпиль на макушке. Это гипотетическая раковина. Ее можно увидеть только на экране монитора. У конической раковины с рис. 6.12b тоже необычная заостренная макушка. Это также произведение “Слепого строителя”, но здесь уменьшение конусности в процессе развития было запрограммировано.

На рис. 6.13 изображены настоящие раковины, и, я думаю, у них конусность тоже непостоянная; они зародились с относительно высокой конусностью, а по мере роста она неуклонно уменьшалась. Рауп считает, что параметры некоторых существовавших в древности аммонитов могли меняться в процессе роста раковин. Можно было бы предположить, что эти необычные раковины перемещаются из одной галереи в другую, пока растут, и до сих пор остаются в коллекции музея. Однако не менее верно и то, что нет такой витрины, где они могли бы храниться целиком, ибо организм молодой особи является частью взрослого организма. Насколько раковины с рис. 6.13 вписываются в трехмерное пространство нашего куба – это вопрос для дискуссии. Герат Вермей, один из ведущих современных специалистов по зоологии животных, имеющих раковины, полагает, что изменение параметров раковины по мере роста животного скорее норма, чем исключение. Иными словами, по его мнению, большинство моллюсков в течение жизни хотя бы немного перемещаются по математическому музею.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.12. Острые кончики компьютерных улитки (а) и конической раковины (b) сформировались под влиянием изменяющегося гена конусности.


Давайте рассмотрим обратную проблему – почему в большей части музейных залов не встречаются существующие в природе раковины. На рис. 6.14 показаны созданные компьютером раковины из глухих, “мертвых” зон музея. Они неплохо смотрелись бы на голове антилопы или бизона, но моллюск отказался бы от подобного домика. Почему таких раковин не бывает? Этот вопрос возвращает нас к тому противоречию, с которого мы начали. Не хватает вариантов изменчивости, и это накладывает ограничения на эволюцию, или естественный отбор принципиально против каких‐то отделов музея? Сам Рауп описал пустующие (незакрашенные) залы своего кубика с точки зрения селекции. Животные, имеющие раковину, не испытывают влияния давления отбора, которое могло бы направить их в свободные зоны. Можно сказать по‐другому: эти теоретически возможные формы нежизнеспособны – такие раковины были бы слабыми, хрупкими или подверженными угрозам другого характера; а может, их строительство обошлось бы слишком дорого из‐за расхода материала.

Другие биологи считают, что никогда не случалось тех мутаций, которые бы позволили попасть в эти области пространства. Это можно сформулировать иначе: мы нарисовали хранилище вроде бы для всех раковин, но на самом деле оно не полностью соответствует занятому ими пространству. Согласно этой идее, многих залов, даже с благоприятными для выживания вариантами раковин, не должно было появиться. Лично я склоняюсь к селекционистской трактовке Раупа, однако в данный момент не хочу ни на кого давить: я обратился к теме раковин лишь затем, чтобы пояснить смысл математики вероятных видов.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.13. Сходство форм этих природных раковин с компьютерными, показанными на рис. 6.12, заставляет предположить, что и они развивались при переменной конусности. Слева: каллиостома Maurea tigris, справа: улитка конус Conus generalis.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.14. Эти раковины придуманы, такая форма возможна разве что для рогов антилопы.


Не могу покинуть “запретные” залы, хотя бы вкратце не рассказав о некоторых причудливых, но тем не менее ныне живущих видах. Маленький морской головоногий моллюск Spirula (к этой же группе принадлежат кальмары и аммониты) – родственник наутилуса. Неплотная раковина с большими интервалами между витками указывает на высокое значение червячности (больше 1/расширение) – это ее качество уже было проиллюстрировано на рис. 6.4. Spirula могла бы послужить ярким примером, подтверждающим гипотезу о том, что раковины с большой червячностью – хрупкие и потому не выживают. Моллюску она служит не жилищем, а как бы внутренним плавательным пузырем. Поскольку эта раковина не несет защитных функций, природа позволила ей следовать по такому эволюционному пути, который ведет в непопулярные залы Музея Всех Возможных Раковин. Но все‐таки она занимает свою нишу. То же относится и к виду Vermicularia spirata (рис. 6.15). Вермикулярия обитает в Карибском море, а образом жизни и формой напоминает кольчатого червя. Во всяком случае, если вы спуститесь в правый нижний угол рис. 6.8, то попадете примерно в тот сектор музея, где хранится эта раковина. При этом ее близким родственникам – равно как и некоторым вымершим аммонитам, – не таким стройным и красивым, не нашлось подходящего местечка.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.15. Настоящим раковинам из малонаселенных отделов музея не так-то просто выживать в природе. Spirula spirula и встречающаяся в Карибском море Vermicularia spirata.


Восхождение на гору Невероятности

В нашем трехмерном музее игнорируется не только тот факт, что не все раковины круглые в сечении. Не учитываются также рельеф и окраска – тигровые и леопардовые узоры (рис. 6.10), каллиграфические шевроны (рис. 6.4а), бороздки и каннелюры всех разновидностей, которые так украшают раковины. Можно включить в программу нужные команды и внедрить в модель некоторые рисунки – например, по такой схеме: по мере образования новых витков расширяющаяся труба нарастает кольцами, причем каждое n-ное кольцо толще остальных. По этому алгоритму в зависимости от значения n на отдельных участках поверхности раковины появятся вертикальные полосы. Можно придумать более сложные алгоритмы для вычурных узоров. Немецкий ученый Ханс Майнхардт проанализировал такие алгоритмы. На рис. 6.16 вверху показаны рисунки раковин двух моллюсков – представителей оливид (сем. Olividae) и волютид (сем. Volutidae). Под ними – почти точные их копии, нарисованные в программе Майнхардта. Как вы можете убедиться, его алгоритм работает примерно так же, как биоморфное “дерево” – с той разницей, что результатом является не ветвление, а периодическая смена окрашенных и неокрашенных графических элементов. Подробнее об этом можно прочитать в его книге “Законы красоты морских раковин” (The Algorithmic Beauty of Sea Shells), но я вынужден оставить эту тему и вернуться к нашей основной, то есть в Музей Всех Возможных Раковин.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 6.16. Рисунки живых раковин и их компьютерные модели.


Концепцию музея я предложил по одной-единственной причине – если не усложнять картину и не учитывать сечение трубы, узоры и переменные параметры, то большинство известных раковин более или менее хорошо поддается количественному описанию тремя включенными в алгоритм рисования числами. Если мы захотим описать не раковину, а какое‐нибудь животное, нам придется выдумать музей, в котором будет больше координат, чем мы сможем отобразить. Пусть визуализация многомерного Музея Всех Возможных Животных – задача неподъемная, но есть некоторые связанные с ним простые идеи, которые легко укладываются в голове. Во-первых, животным свойственно располагаться рядом с теми животными, на которых они больше всего похожи, и, во‐вторых, по галереям музея можно перемещаться в любом направлении, а не только прямо, вдоль коридоров. Эволюционная история представляет собой траекторию, петляющую по некоторым частям музея. Поскольку в каждой филогенетической группе необыкновенно разнообразных царств животных и растений эволюция идет независимо, можно проследить тысячи таких траекторий, пронизывающих в разных направлениях разные отделы гигантского многомерного музея; обратите внимание, как далеко мы отошли от горы Невероятности, совершенно другой метафоры.

Теперь мы можем по‐новому интерпретировать суть нашего старого спора. В представлении одних биологов вы ходите по длинным галереям музея и по всем направлениям замечаете плавные градиенты постепенного изменения признаков. На самом деле во многих залах никогда не было живой материи, однако, по законам этой теории, она могла бы там появиться, если бы только естественному отбору было угодно повернуть в ту сторону. Другая группа биологов (я скорее не на их стороне, хотя, возможно, они и правы) полагает, что естественному отбору навсегда заказан вход в очень многие музейные залы и что ему так и не удалось прорваться в некоторые галереи, поскольку не случилось необходимых мутаций. И напротив, если творчески развить эту идею, – некая сила затягивала животных в другие, незапертые, залы, словно магнит или воронка, почти без вмешательства усердно работавшего естественного отбора. При таком взгляде на ход вещей Музей Возможных Форм Животных – это не правильно распланированное здание с длинными коридорами и плавной сменой экспозиций, а набор изолированных магнитов, каждый из которых усыпан торчащими железными опилками. Железные опилки символизируют животных, а пустующие пространства между магнитами – промежуточные формы, которые вообще‐то не могли бы существовать, но если бы появились, может, и выжили бы. Это можно сформулировать иначе, даже лучше: мы неправильно трактуем понятия “промежуточная форма” и “сосед” в мире животных. Истинно соседствующими следует считать формы, разделенные одной мутацией. Внешне они не всегда выглядят как соседи.

Хотя у меня и есть свое мнение в этой дискуссии, я стараюсь соблюдать объективность. Но в одном я убежден – если в природе мы видим что‐то, что можно счесть хорошо спроектированным для выполнения определенной задачи, за этим “чем‐то” стоит только естественный отбор. Я не настаиваю на том, что естественный отбор способен отомкнуть замки во всех залах и галереях Музея Всех Возможных Животных, и вовсе не считаю, что из любого закутка музея можно попасть в любой другой. Очень вероятно, что далеко не все пути открыты естественному отбору. Может статься, правы те мои коллеги, которые полагают, что естественный отбор далеко не всюду может пробраться или хотя бы проскочить. Но если инженер удивится тому, как здорово тот или иной орган приспособлен для выполнения определенной задачи, тут я встану и решительно заявлю, что автор гениальной “конструкции” – естественный отбор. Без его помощи никакие “магниты” или “аттракторы” в пространстве форм животных не обеспечили бы хороший функциональный дизайн. Однако позвольте мне немного ослабить накал страстей и познакомить вас с теорией “калейдоскопической” эмбриологии.

Глава 7

Эмбриональный калейдоскоп

Тела формируются в процессе развития и роста – как правило, в эмбриональном периоде, – поэтому мутация, из‐за которой меняется форма тела, обычно корректирует процесс развития эмбриона. Например, мутация может ускорить рост какого‐то участка ткани в голове зародыша, а потом у взрослого человека будет длинное лицо с впалыми щеками. Сбой в раннем развитии может иметь шокирующие последствия – две головы или лишнюю пару крыльев. По причинам, которые мы обсуждали в третьей главе, естественный отбор вряд ли поддержит такие чудовищные мутации. Эта глава посвящена другой теме. Мы поговорим о зависимости типа мутаций, с которыми готов работать естественный отбор, от характера эмбрионального развития вида. Эмбрионы млекопитающих и насекомых развиваются по‐разному. Существуют и аналогичные, правда не настолько выраженные, отличия в эмбриональном развитии разных отрядов млекопитающих. Вы увидите, что можно выделить типы эмбрионального развития, в определенных отношениях более “способные” к эволюции. Это не значит, что для них более вероятны мутации, которые сами по себе тоже важны. Я хочу сказать, что те или иные варианты изменчивости, которые формируются в ходе некоторых типов эмбрионального развития, могут оказаться более перспективными для эволюции, чем варианты, продуцируемые другими типами развития. Более того, в результате отбора на более высоком уровне (эволюции способности к эволюции, как я назвал это ранее), мир может быть населен существами, которые обладают высокой способностью к эволюции благодаря особенностям своей эмбриологии.

В устах такого закоренелого дарвиниста, как я, это может показаться варварской ересью. В кругах строгих неодарвинистов считается, что естественный отбор не выбирает между крупными группами. И разве еще в третьей главе мы не пришли к выводу, что естественному отбору больше нравится нулевая частота мутаций – к счастью для будущего нашей планеты, недостижимая? Можно ли теперь утверждать, что эмбриональное развитие того или иного типа удобно для мутаций? Пожалуй, можно – и вот в каком смысле. Определенные типы развития имеют тенденцию варьировать определенным образом (отличным от других типов развития). И некоторые варианты могут быть плодотворнее других в плане эволюции – возможно, они с большей вероятностью продуцируют широкий спектр новых форм, как произошло с млекопитающими после исчезновения динозавров. Именно такой смысл я вкладывал в свой спорный тезис о “более способных” к эволюции типах эмбрионального развития.

Лучше всего сравнить это с калейдоскопом, разве что в калейдоскопе нас привлекает не практичный дизайн, а красочные, замысловатые картинки. В калейдоскопе цветные осколки собираются в кучки как попало. Но благодаря составленной с тонким расчетом системе зеркал мы любуемся геометрическими узорами, похожими на изящные снежинки. Осколки налетают на хаотически расположенные выступы на стенках трубы и перемешиваются. Мы же, глядя в окуляр, видим симметричные перемещения фрагментов на лучах снежинок. Мы крутим трубу, и она словно переносит нас в сокровищницу Аладдина.

Действие калейдоскопа основано на повторах событий в пространстве. Непредсказуемые изменения копируются на все четыре стороны. Но, в зависимости от количества зеркал, осей может быть не четыре, а сколько угодно. Эффект мутации тоже может повторяться в разных отделах организма, хотя сама мутация – это единичное изменение. Считайте это еще одним примером закономерности мутаций, помимо тех, о которых шла речь в главе 3. Сколько будет повторов – зависит от особенностей эмбрионального развития. Мы рассмотрим различные калейдоскопические картины в эмбриологии. Мой интерес к калейдоскопической эмбриологии подогрели опыты с селекцией биоморфов и особенно результаты внедрения “зеркал” в программу “Слепой часовщик” (см. ниже). Не красоты ради я привожу здесь столько иллюстраций с биоморфами и прочими компьютерными тварями.

Начнем с симметрии, а точнее – с ее отсутствия. Мы сами, как и большинство знакомых нам животных, в целом симметричны, пусть и с некоторыми изъянами, поэтому мы нередко забываем о том, что далеко не всем живым созданиям присуща симметричность. Асимметричны, в частности, отдельные группы Protozoa (одноклеточных организмов) – как их ни разрежь, не получишь двух одинаковых или зеркально отображающих друг друга частей. Как скажется мутация на идеально симметричном животном? Чтобы это понять, лучше всего обратиться к компьютерным биоморфам.

Четыре биоморфа на рис. 7.1а – это мутанты одного и того же вида, полученные в процессе эмбрионального развития, на которое не наложено ограничение со стороны симметрии. Симметричные формы не запрещены, просто нет цели создать именно их. Мутация просто меняет форму биоморфов, эффекта калейдоскопа и зеркальных отображений не наблюдается. Но взгляните на другие биоморфы (рис. 7.1.b). Здесь тоже показаны варианты мутаций одного вида, однако в эмбриональное развитие включено правило симметрии – в программу добавлено требование зеркального отражения относительно средней оси тела. Мутации могут затронуть что угодно, в том числе асимметричные биоморфы, но любые изменения в левой половине зеркально воспроизведутся справа. Такие формы выглядят более “жизненными”, чем асимметричные картинки на предыдущем рисунке.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.1. Количество “калейдоскопических зеркал” накладывает ограничения на вид и симметрию биоморфов.


Казалось бы, требование симметрии накладывает серьезные ограничения на “творческие” возможности эмбрионального развития, это своего рода барьер. Вообще‐то так и есть – раз без каких‐либо запретов зарождаются как симметричные, так и асимметричные формы, то в сумме форм получится больше. Но в этой главе мы увидим, что ограничение по симметрии дает противоположные результаты и на самом деле обогащает коллекцию эмбрионов. Проблема в том, что при эмбриональном развитии, на которое не наложены ограничения, надо перебрать несметное множество форм, прежде чем найдется одна симметричная. Но и тогда долгожданной симметрии в будущем угрожают мутации. При обязательном стремлении к симметрии, независимо от прочих возможных изменений, эмбриональное развитие, на которое действует такое ограничение, будет более продуктивным, да и глазу приятнее. Вам не придется тратить уйму времени на сортировку бесполезных несимметричных форм, что было бы неизбежно при ничем не ограниченном эмбриональном процессе.

По правде говоря, большинство живых существ, включая и нас с вами, не отличается идеальной симметричностью левой и правой сторон. Сама по себе красота – не главное, поэтому возникает резонный вопрос: чем так уж хороша зеркальная симметрия c практической точки зрения? Среди зоологов есть приверженцы выдвинутой в восемнадцатом веке теории “плана строения” (Bauplan), согласно которому развиваются анатомические особенности животных, в том числе симметричность тела. Bauplan – это чертеж или план по‐немецки[19]. Считается, что в иностранной речи больше значительности – как язвительно заметил сэр Питер Медавар, “словно из глубин Рейна раздаются трубные звуки”. Но, строго между нами, в самом слове “план” скрыта насмешка, ибо оно подразумевает как раз упрощенный, механический перенос, взаимно-однозначное соответствие строения проекту, что, с точки зрения генетики, оскорбляет тех самых фанатов термина Bauplan в лучших чувствах. Мне гораздо симпатичнее англо-саксонская простота моего коллеги, доктора Генри Беннета-Кларка, который сказал, когда мы обсуждали эту тему: “На все вопросы ответ один – естественный отбор, хотя и не всегда это что‐то проясняет”. Разумеется, каждый вид выигрывает от зеркальной симметрии по‐своему, но доктор Беннет-Кларк формулирует базовый принцип, который касается того, о чем сейчас пойдет речь.

Как правило, животные либо сами червеобразны, либо происходят от червеобразных предков. Вдумайтесь, что за существо такое – червь; на одном конце (с которого поступает пища) у него рот, а на другом – задний проход, откуда должны исторгаться отходы пищеварения, иначе пришлось бы их съедать. Так определяются передняя и задняя стороны. Далее, верх и низ обычно также различаются в немалой степени, хотя бы из‐за действия земного притяжения. В частности, многие животные передвигаются по твердой поверхности – по суше или морскому дну. Как ни крути, разумно было бы, чтобы ближайшая к земле часть тела животного отличалась от той, что обращена к небу. Стало быть, дорсальный (спинной) и вентральный (брюшной) отделы неодинаковы и, раз уже известно, где перед и зад (голова и хвост), можно определить, где левая сторона, а где правая. Но почему левая и правая половины должны быть зеркальным отображением друг друга? А почему бы и нет? Понятно, почему несимметричны зад с передом и верх с низом, но нет ни одной веской причины полагать, что самая подходящая форма для левой стороны не подойдет наилучшим образом и для правой. Напротив, если для левой половины тела можно выбрать оптимальную форму, то логично предположить, что и для правой она окажется оптимальной. Точнее, любое существенное отклонение от зеркальной симметрии может привести к тому, что животное, вместо того чтобы идти из одной точки в другую кратчайшим путем, начнет нарезать круги.

Поскольку, неважно почему, параллельное – синхронное и симметричное – развитие левой и правой сторон предпочтительно, более выгодным становится “калейдоскопический” эмбриональный процесс с единственным “зеркалом” посередине. Сколько‐нибудь полезные новые мутации будут автоматически воспроизводиться слева и справа. Какова же альтернатива развитию по калейдоскопическому механизму? Поначалу в генетической линии может обнаружиться выгодное изменение – скажем, слева. До следующей такой же мутации сменится еще много асимметричных поколений. Очевидно, калейдоскопический процесс имеет преимущества. Видимо, калейдоскопический процесс эмбрионального развития с устойчивыми – и в то же время продуктивными – лимитирующими факторами благоприятен для естественного отбора определенного типа.

Это вовсе не означает, что не встречается асимметрия левой и правой сторон. Бывает, что мутации сильнее проявляются с одной стороны. Иногда по ряду причин асимметричные мутации даже желательны – скажем, брюшко рака-отшельника должно быть приспособлено к форме витой раковины, – поэтому естественный отбор к ним благосклонен. В 4 главе мы говорили о камбаловых рыбах (рис. 4.7), к ним относятся собственно камбала, морской язык и палтус. Некогда левый бок камбалы оказался у нее внизу, и левый глаз переместился на прежний правый бок, превратившийся в верхнюю часть туловища. Такой же перестройке подверглись и морские языки, только некоторые их виды лежат на правом боку, что указывает на вероятность, хотя и не стопроцентную, независимого формирования этой анатомической особенности. Изначально левый бок камбалы выполнял функциональную роль нижней, придонной стороны – как и следовало ожидать, он стал более плоским и обрел серебристую окраску. Бывший правый бок – на практике верх туловища – обращен к небу, поэтому он выпуклый и пестрый, под цвет дна. Унаследованные от предков дорсальная (спинная) и вентральная (брюшная) зоны поменяли свою функциональную роль и стали левым и правым боками. Соответствующие этим сторонам спинной и анальный плавники стали почти одинаковыми, просто левым и правым, хотя у других рыб они, как правило, выглядят совершенно по‐разному. Заново обнаруженная зеркальная (право-левая) симметрия у камбаловых рыб подчеркивает могущество естественного отбора в противовес универсальным и нерушимым анатомическим планам[20]. Любопытно было бы взглянуть – и это осуществимо, – воспроизводятся ли автоматически проявления мутаций у камбалы слева и справа (спереди и сзади, если по‐старому). Или они все еще воспроизводятся одинаково на прежних левой и правой сторонах, то есть сверху и снизу? Почему столь различны оказались серебристая и пестрая стороны туловища камбалы – вопреки неблагоприятному старому эмбриональному калейдоскопу или при содействии нового, благоприятного? В любом случае ответ на этот вопрос подтверждает, что можно говорить о “благоприятном” и “неблагоприятном” для эволюции эмбриональном развитии. И еще раз спрошу: можно ли предположить, что существует естественный отбор более высокого уровня, который делает эмбриональное развитие еще “более дружественным” для определенных направлений эволюции?

В контексте этой главы на первый план выходит одна особенность зеркальной (право-левой, или билатеральной) симметрии – мутация сказывается не в одной зоне организма животного, а сразу в двух одновременно. Это я и называю калейдоскопической эмбриологией – мутации будто отражаются в зеркалах. Но билатеральная симметрия – не единственный вариант. Мутационные зеркала могут располагаться и в других плоскостях. Биоморфы на рис. 7.1с симметричны как по ширине, так и по длине. Словно бы установили перпендикулярно два зеркала. Реальные создания с “двухзеркальной” эмбриологией встречаются в природе гораздо реже, чем симметричные относительно одной плоскости. Таков, например, венерин пояс, дивный мираж, лентовидный планктонный организм, который принадлежит к типу гребневиков, или ктенофор (тип Ctenophora)[21]. Более распространены эмбриологические калейдоскопы с четырьмя плоскостями симметрии по четырем направлениям, как на рис. 7.1d. Такая геометрия присуща многим медузам, которые относятся к типу книдарий (Cnidaria). Представители этого типа либо плавают в море (как сами медузы), либо, как актинии, цепляются за морское дно, поэтому не испытывают сжатия по оси, характерного для ползающих существ – например, червей. У них были все основания сформировать различающиеся верхнюю и нижнюю стороны тела, но по направлениям от переднего конца к заднему и справа налево никакие силы не действуют. Поэтому, если смотреть сверху, непонятно, с чего бы какой‐нибудь одной стороне тела отличаться от любой другой – и они действительно обладают радиальной симметрией. Изображенные на рис. 7.2 медузы обладают четырехлучевой радиальной симметрией, но, как мы еще увидим, осей может быть больше. Автор этого и многих других рисунков в этой главе – знаменитый немецкий зоолог и талантливый художник-иллюстратор Эрнст Геккель[22].


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.2. Ставромедуза, животное с четырехлучевой симметрией. Обратите внимание на зеркальную симметрию всех лучей, таким образом, максимальное число отражений – восемь.


Симметрия такого типа приводит к бесконечному разнообразию форм, но с одним ограничением, которое, впрочем, как и “калейдоскоп”, может оказаться полезным. Случайные изменения будут затрагивать одновременно все четыре сектора. Поскольку четырежды воспроизведенные элементы часто еще и зеркально отражаются, эффект каждой мутации повторяется восемь раз. Это хорошо видно на примере ставромедузы (рис. 7.2): на концах ее “рук” имеются щупальца, собранные в кисточки, по две кисточки на каждой руке, всего восемь. Можно предположить, что эффект мутации, влияющей на форму кисточки, воспроизвелся бы восемь раз. По геометрии биоморфов, показанных на рис. 7.3, можно судить о том, как выглядела бы фигура с радиальной симметрией того же типа без дополнительного удвоения. Вряд ли вы найдете животное с симметрией такого типа, столь похожее на свастику или на остров Мэн, однако на рис. 7.3 изображено нечто в этом роде. Это сперматозоид речного рака.

Большинство животных с лучевой симметрией обладает еще и зеркальной симметрией относительно лучей, сколько бы их ни было. Для нас имеет значение кратность воспроизведения эффекта одной мутации, поэтому мы должны посчитать лучи и умножить это число на два. Можно предположить, что у типичной морской звезды с пятью зеркально-симметричными концами (“руками”) каждая мутация “отражается” десять раз.

Геккель особенно увлекался рисованием одноклеточных организмов, таких как диатомеи (рис. 7.4). Перед нами калейдоскопические узоры, полученные “с помощью” двух, трех, четырех, пяти и более “зеркал” в сочетании с отражением левой и правой сторон каждой “руки”. При всех типах симметрии для эмбрионального развития характерна повторяемость эффектов мутаций в нескольких определенных зонах. Например, пятилучевая звезда в верхней части рисунка 7.4 могла мутировать так, что ее концы стали острее. Тогда все пять лучей должны заостриться синхронно. Нам не нужно было бы сидеть и ждать, когда произойдут пять независимых мутаций. Возможно, изменение количества зеркал – это тоже мутация, хотя гораздо более редкая. Может, когда‐то в результате случайной мутации трехконечная звезда превратилась в пятиконечную.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.3. Аксиальная симметрия: сперматозоид речного рака.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.4. Диатомовые водоросли, микроскопические одноклеточные растения, примеры калейдоскопических отражений в одной группе организмов с разным количеством зеркал.


На мой взгляд, в мельчайшей категории калейдоскопов лидирует радиолярия, член другой планктонной команды, которой Геккель уделил особое внимание (рис. 7.5). В этой группе мы тоже видим симметрию разного порядка – подобные картинки можно было бы получить с двумя зеркалами, тремя, четырьмя, пятью, шестью и даже больше. Микроскопические меловые скелеты радиолярий так изысканны и гармоничны, что невольно вспоминаешь о калейдоскопической эмбриологии.

Калейдоскопический шедевр с рис. 7.6 достоин карандаша Бакминстера Фуллера, архитектора и мечтателя; однажды, когда ему уже перевалило за девяносто, мне посчастливилось попасть на его лекцию – это было трехчасовое завораживающее шоу без единой паузы. Прочность изображенной здесь конструкции, как и геодезических куполов Фуллера, обеспечивается строгой геометрией ее треугольных компонентов. Это, несомненно, продукт калейдоскопической эмбриологии высшего порядка. Эффект любой отдельно взятой мутации отразится многократно – сколько раз, по картинке понять нельзя. Другие радиолярии Геккеля химики используют в кристаллографии как примеры известных с древних времен правильных геометрических тел – октаэдра (включает 8 треугольных граней), додекаэдра (12 треугольников) и икосаэдра (20 треугольников). Даже Дарси Томпсон (мы познакомились с ним, когда обсуждали раковины улиток) доказывал, что в развитии безупречных форм радиолярий больше от процесса роста кристаллов, нежели от эмбриогенеза в общепринятом смысле слова.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.5. Радиолярия. Еще примеры калейдоскопических отражений с разным количеством зеркал в группе микроскопических одноклеточных организмов.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.6. Изысканный скелет крупной радиолярии.


Так или иначе, многоклеточные организмы и одноклеточные – такие как диатомеи и радиолярии – в эмбриональном периоде развиваются совершенно по‐разному, и если между этими калейдоскопическими процессами есть какое‐то сходство, то по чистой случайности. Мы рассматривали пример многоклеточного животного, медузы, с четырехлучевой симметрией. Число лучей четыре и кратное четырем свойственно медузам, это легко реализуется за счет дупликации некоторых процессов в ходе эмбрионального развития. Трахимедузы из класса гидроидных (класс Hydrozoa) обладают шестилучевой симметрией (рис. 7.7)[23].


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.7. Медузы с шестилучевой симметрией.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.8. Иглокожие из разных групп; слева направо: офиура, морская звезда (с неодинаковыми лучами – возможно, из-за травмы и последующего восстановления), морская лилия, плоский морской ёж.


Иглокожие – самые типичные образчики пятилучевой симметрии; к этому обширному типу (тип Echinodermata) колючих обитателей морей относятся морские звезды, морские ежи, офиуры, голотурии (морские огурцы) и морские лилии (рис. 7.8)[24]. Есть мнение, что их древними предками были животные с трехлучевой симметрией, но вот уже свыше полумиллиарда лет они живут с пятью лучами, и логично предположить, что пятилучевая симметрия составляет основу одной из наиболее консервативных схем строения тела, столь милых глобальному мышлению некоторых зоологов. Однако в природе немало морских звезд, у которых количество рук отлично от пяти; более того, даже среди добропорядочных пятируких видов попадаются отдельные особи с трех-, четырех- и шестилучевой симметрией, что противоречит такой идеалистической точке зрения.

С другой стороны, лучевая симметрия характерна даже для ползающих иглокожих, хотя от животного, которое всю жизнь копошится на морском дне, этого совсем не ждешь. И видимо, лучевая симметрия – вовсе не пустяк для них: все их руки одинаковы, и им все равно, куда идти. В каждый момент времени одна из рук морской звезды играет роль ведущей, но потом другая рука становится главнее. За долгие годы эволюции некоторые иглокожие “заново открыли” для себя билатеральную симметрию. У сердцевидных и плоских морских ежей, которые зарываются в песок и, очевидно, в борьбе с его массой должны были обрести обтекаемые контуры тела (в целом явно те же, что у морских ежей с пятилучевой симметрией), сформировалась передне-задняя асимметрия и, сверх того, лево-правая асимметрия.

Пытаясь “вывести” с помощью “Слепого часовщика” правдоподобные биоморфы, я хотел сделать их похожими на настоящих, фантастически красивых иглокожих. Однако все мои попытки воссоздать пятилучевую симметрию провалились. Эмбриологический калейдоскоп “Слепого часовщика” оказался не тем, что нужно. Ему недоставало необходимого количества “зеркал”. Но, как мы знаем, среди иглокожих встречаются “белые вороны”, уклонившиеся от обязательной пятилучевой симметрии, и я немного смухлевал – нарисовал морских звезд, офиур и морских ежей с четным числом лучей (рис. 7.9).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.9. Компьютерные биоморфы – почти такие же, как настоящие иглокожие, только вот пятилучевую симметрию воссоздать не удается. Для этого пришлось бы переписать всю программу.


Ничего не поделаешь – существующая версия программы “Слепой часовщик” не позволяет разводить биоморфы с пятилучевой симметрией (этот факт подтверждает главную идею данной главы). Чтобы исправить недочет, мне пришлось бы переписать программу (не просто изменить число мутаций для имеющегося в наличии гена, а добавить еще одно “зеркало”) и ввести новый тип калейдоскопических мутаций. Я уверен, что при этом можно было бы добиться гораздо большего сходства с большинством основных групп иглокожих за счет обычных случайных мутаций и отбора, пусть и длительного. С помощью описанной в “Слепом часовщике” первой версии программы удается воспроизвести лишь те мутации, что зеркально отражаются слева направо. Я решил переделать ее – запрограммировать серию “зеркал” с генетическим контролем, – и сейчас с помощью этого открытого для пользователей ресурса можно создавать биоморфы с четырехлучевой симметрией, в виде свастики и трехконечной “вертушки”.

Я рассказал вам о разных типах симметрии, чтобы объяснить суть калейдоскопической эмбриологии. В живой природе есть еще один не менее важный, хотя не такой зрелищный, феномен – сегментация (метамерия). Сегментация – это сериальное повторение элементов строения организма вдоль всего тела, и чаще она наблюдается у животных с длинным, зеркально симметричным телом. Первыми вспоминаются аннелиды (кольчатые черви, сухопутные земляные черви, а также морские кольчатые черви – пескожилы, нереиды и другие) и членистоногие (насекомые, ракообразные, многоножки, трилобиты и прочие), но и позвоночным вроде нас тоже присуща метамерия, хотя несколько иного рода. Тело членистоногого представляет собой последовательный ряд сегментов с теми или иными особенностями – вроде железнодорожного состава, в котором все вагоны примерно одинаковые, но с небольшими отличиями. Многоножка подобна товарному поезду с похожими как две капли воды вагонами. Других членистоногих можно считать улучшенными моделями многоножек: в их поездах каждая открытая платформа и каждый вагон имеет свое назначение (рис. 7.10).

Строение тела многоножки примитивно и однообразно. По всей длине “состава” повторяются объемные, зеркально симметричные фрагменты. Но если отойти дальше от многоножек и их разновидностей, станет заметна устойчивая эволюционная тенденция к уменьшению сходства между сегментами – не все эффекты мутаций будут просто повторяться в каждом сегменте. Насекомые напоминают многоножек, у которых ножки остались только в трех сегментах – седьмом, восьмом и девятом, считая от головы. У пауков конечности сохранились в четырех сегментах. На самом деле и пауки, и насекомые помимо своих собственно ножек частично сохранили и первичные конечности. Просто они используют их иначе – например, как антенны или челюсти. Омары и, скорее даже, крабы продвинулись еще дальше по пути дифференциации сегментов.

У гусениц ближе к голове есть три пары “правильных” ножек, какие и подобает иметь насекомому, а вот задние пары также подверглись реформам. Эти измененные ножки мягче состоящих из сочлененных фрагментов типичных крепких ног, расположенных в трех грудных сегментах, да и по другим признакам они тоже отличаются от настоящих. В седьмом и восьмом сегментах у насекомых, как правило, имеются крылья. Некоторые насекомые бескрылые, и их предки никогда не имели крыльев. Другие – например, блохи и рабочие муравьи – за время долгой эволюции утратили крылья, хотя их предки были крылатыми. У муравьев есть генетический аппарат для формирования крыльев – любая самка, если растить ее должным образом, может стать маткой (царицей), а у матки крылья есть. Любопытно, что муравьиная матка в течение жизни теряет крылья и даже обламывает их сама по окончании брачного полета, прежде чем спрятаться в муравейнике. Под землей крылья мешают, как и среди лесной растительности или в шерсти животных и перьях птиц, где обычно находят прибежище блохи.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.10. У членистоногих сегменты повторяются от головы к хвосту, зачастую с некоторыми вариациями: ракообразное подкласса мистакокарид, Derocheilocaris; гусеница большого павлиньего глаза, Saturnia Pyri; десятиногий рак, Penaeus; многоножка из группы симфила, Scutigerella.


Блохи избавились от обеих пар крыльев, а вот мухи, несметное множество видов которых, включая комаров, составляет колоссальное семейство Diptera, лишились только одной пары, а вторую сохранили. Первая осталась в сильно редуцированном виде – это жужжальца, похожие на крошечные молоточки, которые торчат позади основных крыльев (рис. 7.11). Жужжальца не способны выполнять функции крыльев, это ясно и без технического образования. Но вот зачем все же нужны жужжальца, без хорошего технического образования не понять. По-видимому, они служат миниатюрным стабилизирующим устройством и играют ту же роль для насекомого, что и гироскоп для самолета и ракеты. Жужжальца вибрируют с той же частотой, с какой насекомое машет крылышками. Малюсенькие датчики у основания жужжалец реагируют на вращающие силы, направленные по трем осям, – как говорят в авиации, на крен по продольной и поперечной оси и на рысканье. Все в духе эволюции – приспособиться и пользоваться тем, что уже есть. Авиаконструктор проектирует стабилизирующее устройство, вычерчивая его на кульмане с нуля. Эволюция модифицирует то, что уже имеется, в данном случае крыло, и достигает того же результата.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.11. У всех членов семейства Diptera (комары, мухи) вторую пару крылышек заменяют жужжальца. У комара-долгоножки они видны особенно отчетливо. Слева Tipula maxima, справа Ctenophora ornate (ножки и правое крыло не показаны).


В простом видоизменении сегментов ничего нет от калейдоскопа – как раз наоборот. Но к калейдоскопическим (в менее прямолинейном смысле, чем мы имели в виду до сих пор) можно отнести изменения иного рода. Строение тела членистоногого можно сравнить с предложением, в котором есть круглые скобки (если в предложении открываются скобки <вроде этих>, то их обязательно следует закрыть). Фразу в скобках можно сократить или дополнить, но независимо от ее сложности каждой открывающей скобке – знаку ‘(’ – должна отвечать закрывающая – знак ‘)’. Точно так же надо расставлять кавычки, по правилам грамматики. Что еще интереснее, этот закон распространяется и на выделяемые конструкции внутри предложения. Начало фразы “учитель, севший на кнопку…” аналогично открывающей скобке и требует сказуемого. Можно сказать: “Учитель подскочил” или “учитель, севший на кнопку, подскочил”, но нельзя оборвать фразу на полуслове – если только это не ответ на вопрос и не название произведения живописи, когда понятно, к чему вы клоните. В грамматике предложения должны быть правильно построены. По той же причине ближе к голове креветки, омара и краба всегда расположены шесть первых сегментов, а сзади всегда есть тельсон – последний особый сегмент. Все, что в середине, может варьироваться.

Мы изучили один вид калейдоскопических эффектов мутаций – зеркально отображенных относительно разных плоскостей симметрии. “Грамматические” эффекты мутации роднит с калейдоскопом другое свойство. Опять‐таки, не все вариации разрешены, но в данном случае лимитирует не симметрия, а принцип, который можно сформулировать так: при любом количестве суставов на конце ноги должна быть клешня. Мы с Тедом Келером, сотрудником корпорации Apple, разработали программу с учетом правил такого рода. Она напоминает “Слепого часовщика”, но производит “животных”, которых мы назвали артроморфами и в эмбриональном развитии которых действуют правила, отсутствующие в программе для биоморфов. “Тела” компьютерных артроморфов, как и живых членистоногих, представляют собой цепочку сегментов. Каждый сегмент – это округлая часть “тела”, а его форма и размер определяются такими же “генами”, как и у биоморфов. По бокам каждого сегмента могут торчать (а могут и не торчать) ножки, состоящие из члеников. За это – а также за толщину ног, количество, длину и углы соединения члеников – тоже отвечают гены. От генов же зависит, будет ли на конце ножки клешня, а если будет – то какой формы.

Если бы эмбриональное развитие артроморфов шло так же, как у биоморфов, то количество сегментов должен был бы регулировать некий ген – Nseg. Это было бы просто число, и оно могло бы меняться. При Nseg = 11 у животного будет 11 сегментов. Должен быть и другой ген – Njoint, – определяющий количество суставов[25] конечности. При всем внешнем разнообразии биоморфов, показанных на рис. 1.16 (я чрезвычайно рад, что они получились такие разные, и горжусь этим), у всех ровно по шестнадцать генов. Первые биоморфы, созданные в программе “Слепой часовщик”, имели всего по девять генов. У цветных биоморфов генов больше – тридцать шесть, – и под них пришлось переписать всю программу. В итоге получились три разные программы. Артроморфы устроены иначе. У них нет фиксированного набора генов. Их генетическая система более лабильна (вряд ли кому‐нибудь, кроме увлеченных программистов, интересно, что информация о генах артроморфов хранится в виде связного списка с указателями, а о генах биоморфов – как запись на Паскале с фиксированным форматом). В ходе эволюции артроморфов путем дупликации старых генов могут спонтанно появляться новые. Иногда гены дуплицируются по одному. Иногда – в иерархически структурированных кластерах. Это означает, что теоретически у ребенка-мутанта может оказаться вдвое больше генов, чем у его родителя. Если в результате дупликации появляется новый ген или группа генов, их начальные численные значения равны тем, что были до дупликации. Возможна мутация другого типа – делеция (выпадение), – поэтому генов может стать как больше, так и меньше. Дупликации и делеции проявляются в виде изменения формы тела, а стало быть, поддаются отбору – визуальной селекции, как и в случае с биоморфами. Изменение количества генов часто выражается в изменении количества сегментов (рис. 7.12). Кроме того, может измениться число суставов в конечности. В обоих случаях идея та же, что и в грамматике – можно прицеплять или отцеплять вагоны в середине, в то время как голова и хвост состава остаются неизменными.

Дупликация и делеция сегментов могут происходить не только у концов, но и в средних отделах животного. Точно так же дупликация и делеция суставов конечностей возможны в середине и на периферии. Можно убирать и вставлять сегменты, словно придаточные предложения в середине длинной фразы, то есть говорить о “грамматике” эмбриологии артроморфов. Помимо того, что артроморфы подчиняются правилам “грамматических” вставок, к ним применимы и принципы калейдоскопической эмбриологии. На каждый количественный параметр тела артроморфа (например, на угол той или иной клешни или ширину того или иного сегмента) влияют три гена, численные значения которых увеличиваются – как именно, я сейчас объясню. Один ген влияет на данный сегмент, второй – на все животное в целом, третий – на подотделы сегментов, так называемую тагму. Этот термин взят из настоящей биологии. Грудь и брюшко настоящих насекомых – тоже тагмы.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.12. Артроморфы с разным количеством сегментов. Родитель (вверху) дал потомков с двумя различными мутациями.


На любой отдельно взятый орган – скажем, клешню – оказывают влияние все три гена в совокупности. Во-первых, каждый сегмент имеет свой индивидуальный ген. Тут нет калейдоскопического эффекта, так как мутация этого гена меняет только данный сегмент. На рис. 7.13а показан артроморф, каждому сегменту которого отвечают разные значения гена для угла клешни в этом сегменте. Поэтому углы клешни во всех сегментах разные. Кстати сказать, все артроморфы обладают билатеральной симметрией.

Второй из трех генов влияет на все сегменты животного в целом, в том числе и на угол клешни. При его мутации одновременно меняются все клешни во всех сегментах по всей длине животного. Артроморф, показанный на рис. 7.13b, отличается от своего предшественника с рис. 7.13а только слегка недоразвитыми, укороченными клешнями. Ген, который влияет на размер клешни на уровне всего животного, мутировал (его значение стало меньше). Из-за этого уменьшилась каждая клешня по отдельности, но во всем прочем в каждом сегменте клешни не изменились относительно друг друга. Как я уже говорил, математически это выражается умножением численного значения гена для угла клешни в данном сегменте на численное значение гена для угла клешни животного в целом. Конечно, угол клешни – лишь один из многих количественных параметров, которые синхронно меняются во всем “поезде” в зависимости от совокупного эффекта разных факторов. Так, гены, влияющие на длину ног на уровне всего тела, перемножаются с генами, влияющими на длину ног в данном сегменте. На рис. 7.13c и 7.13d показаны артроморфы, у которых отсутствуют вариации сегментов, но отличаются гены угла клешни на уровне целого организма.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.13. Артроморфы, отобранные для иллюстрации влияния генов: (а) артроморф, в каждом сегменте которого проявились разные варианты гена угла клешни; (b) мутация гена угла клешни для всего тела; (с) артроморф с абсолютно одинаковыми сегментами; (d) единичная мутация повлияла на ген угла клешни для всего тела артроморфа (с); (е) размер туловища меняется от головы к хвосту, но конечности не затронуты мутацией; (f) артроморф с тремя отличающимися тагмами, но в пределах одной тагмы все элементы одинаковы; (g) тот же артроморф с измененными конечностями в третьей тагме; (h) артроморф (f) с измененными конечностями в одном сегменте.


Третий класс генов влияет на отдельные участки тела, тагмы, например, на грудной отдел членистоногого. У насекомых три тагмы, но артроморфы могут иметь их сколько угодно, причем в каждой тагме может быть сколько угодно сегментов – по законам нашей “грамматики” мутациям подвержены как количество сегментов в целом, так и их количество в тагме. Каждой тагме соответствует набор генов, определяющих форму тела, конечностей и клешней в ее пределах. На рис. 7.13f изображен артроморф с тремя тагмами. Как правило, различия между тагмами более заметны, чем различия внутри одной тагмы. Как и в рассмотренном уже случае воздействия генов всего организма, эффект дает перемножение величин генов.

Итак, каждая характеристика – например, угол клешни – в количественном отношении определяется численными значениями трех генов, а именно: сегментного гена угла клешни, гена угла клешни для данной тагмы и гена угла клешни для всего организма. Умножение на ноль дает тот же ноль, отсюда – если в данной тагме ген размера конечности равен нулю, то в ее сегментах вовсе не будет конечностей (как на брюшке осы) независимо от величин двух других генов. На рис. 7.13g вы видите дочку артроморфа с рис. 7.13f, чей ген размера конечностей для третьей тагмы изменен. На рис. 7.13h – еще одна дочка того же артроморфа с рис. 7.13f, но у нее изменился только ген конечностей для одного сегмента.

Таким образом, эмбриональное развитие артроморфов представляет собой как бы трехуровневый калейдоскопический процесс. Возможны изменения в пределах одного сегмента – тогда эти изменения отображаются на другой стороне тела один раз. Возможно калейдоскопическое отображение на уровне всего организма, как бы в масштабе многоножки, – при этом эффекты мутации повторяются во всех сегментах, а заодно отражаются зеркально на противоположной стороне. И бывают промежуточные калейдоскопические “мутации насекомого” (на уровне тагмы), которые влияют на сегменты в локальной группе и не влияют на остальные сегменты. Думаю, если бы артроморфам пришлось бороться за жизнь в реальном мире, то, по тем же соображениям экономики эволюции, которые мы обсуждали в связи с зеркальной симметрией, такой трехуровневый калейдоскоп дал бы им преимущества. Допустим, если конечности средней тагмы выполняют функции ходильных ног, а задней – жабр, то усовершенствования, приобретаемые в ходе эволюции, сериально повторялись в пределах сегментов одной тагмы, не затрагивая другую. Едва ли дыхательные конечности выиграют от тех же усовершенствований, что и ходильные конечности. Стало быть, такие мутации, которые при первом же проявлении отражаются во всех сегментах тагмы, могут быть полезны. С другой стороны, можно извлечь дополнительную выгоду от мелких изменений конечностей в отдельных сегментах – в таком случае предпочтителен эмбриологический процесс с дополнительной тенденцией к выбросу одних только билатерально симметричных мутаций. И наконец, могут оказаться полезными мутации, эффект которых проявляется во всех сегментах тела одновременно, которые не отвергают уже существующие в сегментах и тагмах вариации, а усиливают их – например, перемножаясь.

Размышления о биологии подсказали нам с Тедом идею добавить в уже готовую программу артроморфов “переменный” ген. Благодаря ему то или иное свойство артроморфа – предположим, угол клешни – планомерно увеличивается или уменьшается по мере продвижения от головы к хвосту. У артроморфа с рис. 7.13е сегменты практически одинаковы, за исключением того, что их размер меняется с отрицательным градиентом. Тело сужается от головы к хвосту.

Размножение и селекция артроморфов идут по той же схеме, что и в программе для биоморфов. В центре экрана сидит артроморф-родитель, окруженный потомством со случайными мутациями. Как и с биоморфами, селекционер (человек) видит не гены, а только результат их влияния – форму тела, – и из разных форм отбирает пригодные для разведения (опять‐таки неполового). Выбранный артроморф перемещается в середину и окружает себя выводком собственных деток-мутантов. От поколения к поколению из‐за непредсказуемых мутаций меняются за кадром количество генов и их численные значения. Селекционер видит только ряд постепенно эволюционирующих артроморфов. Можно сказать, все артроморфы произошли от 

Восхождение на гору Невероятности
, как и все биоморфы – от 
Восхождение на гору Невероятности
. Сегменты тел аккуратно закрашены исключительно для красоты – в программе этой функции нет, хотя в дальнейшем, при трехуровневом генетическом контроле, ее нетрудно будет добавить. На рис. 7.14 показана коллекция артроморфов, подобная парку биоморфов (рис. 1.16); я периодически выводил “новые виды”, стараясь выдерживать стиль биологического реализма.

У представленных в моем зоопарке форм изменчивости подвержено все, что допускает калейдоскопическая эмбриология. Можно выделить группу, в которой наличие хотя бы одного переменного гена вызывает сужение тела. Можно различить четкое деление тел на тагмы – отделы последовательно расположенных сегментов, сходных между собой и явно отличающихся от других. Но даже в пределах одной тагмы можно различить вариации. В природе насекомые, ракообразные и пауки способны к таким же калейдоскопическим мутациям. Самый наглядный пример – гомеозис у членистоногих, когда в результате мутаций какой‐нибудь сегмент начинает развиваться по сценарию другого сегмента.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.14. Зоопарк артроморфов. Коллекция артроморфов, выведенных методами селекции и отобранных на глазок за внешнее сходство с природными членистоногими.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.15. Гомеозис: (а) дрозофила с четырьмя крылышками; в норме у дрозофилы вторую пару крыльев заменяют жужжальца, как на рис. 7.11; (b) типичная гусеница тутового шелкопряда (вверху) и гусеница, несущая мутацию (внизу). У нормальной гусеницы настоящие членистые конечности расположены только в трех грудных сегментах, у мутанта – девять “грудных” сегментов.


На рис. 7.15 показаны примеры гомеозиса у дрозофилы и гусеницы тутового шелкопряда. У нормальной дрозофилы, как и у всех мух, одна пара крылышек. Вместо второй – жужжальца (мы о них говорили). У изображенной на рисунке дрозофилы-мутанта вместо жужжалец выросла вторая пара крыльев, да вдобавок вместо третьего грудного сегмента дуплицировался второй грудной сегмент. Для артроморфов подобного эффекта можно добиться “грамматической” дупликацией с последующей делецией. На рис. 7.15b вы видите мутанта гусеницы шелкопряда. У всех нормальных гусениц, и шелкопряд не исключение, имеются три пары “настоящих”, составленных из члеников ног, хотя, как я уже говорил, в задних сегментах ноги мягкие, так сказать, “преобразованные”. Однако гусеница-мутант (рис. 7.15 внизу) крепко стоит на девяти настоящих ногах – как и правый артроморф с рис. 7.12. Самый известный случай гомеозиса – мутация antennapedia – был выявлен у дрозофилы. У мухи с мутацией гена antennapedia там, где должны были бы быть антенны, образовались обычные лапки. Механизм развития ног включился не в том сегменте, в каком положено.

Подобные мутанты выглядят форменными уродцами и вряд ли выживают в природе, что лишний раз подтверждает неприятие гомеозиса эволюцией. Именно поэтому я, проходя мимо стола с закусками на одном банкете в Австралии, невольно загляделся на блюдо с горой голенастых морепродуктов, хотя моя привередливость не позволила мне задержаться рядом с ним надолго. Мое внимание привлекла тварь, известная австралийским гурманам как глубоководный жук. Это разновидность омаров из группы, которую называют по‐разному – испанские омары, “тапочки” или лопатоносые лангусты. На рис. 7.16 изображен типичный представитель рода Scyllarus, экспонат Оксфордского университетского музея естественной истории. Меня поразило то, что у этого существа было явно два задних конца. Обман зрения был вызван тем, что передние антенны (строго говоря, вторая пара антенн) выглядели в точности как уроподы – конечности, характерные для заднего конца тела омаров. Почему антенны приобрели такую форму, я не знаю. Возможно, они служат лопатами или призваны обманывать хищников, как обманули меня. У омаров чрезвычайно развит быстрый сгибательный рефлекс, для этой цели предназначен гигантский нейрон. При малейшей угрозе они отскакивают назад как ошпаренные. Хищник мог бы предвидеть эту неприятность и подкрасться сзади. С обычным омаром военная хитрость удалась бы, но то, что вроде бы находится сзади по отношению к Scyllarus, запросто может оказаться перед ним, и тогда предусмотрительный хищник выберет самую неподходящую позицию для атаки. Не знаю, насколько справедливо такое предположение, но, по‐видимому, омарам их нетипичные усики приносят какую‐то пользу. Омары пускай устраиваются в жизни как хотят, я же, глядя на них, выдвину более смелую гипотезу. Мое мнение таково, что мы имеем дело с явлением гомеозиса в природе, аналогичным мутации типа antennapedia у лабораторных мушек-дрозофил. Однако здесь мутация была включена в естественный эволюционный процесс. Предположим, в древности сциллариды подверглись гомеозисной мутации, и подпрограмма развития уропод сместилась в те сегменты, где должны были бы сформироваться усики – и новая форма оказалась выгодной. Если я прав, тогда это подтверждает теорию “счастливых уродов”, о которой мы говорили в 3 главе, и мы наблюдаем тот самый редкий случай, когда естественный отбор “одобрил” макромутацию.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.16. Может, это удачный пример гомеозиса, реализовавшегося в ходе эволюции? Scyllarus, лопатоносый лангуст.


Однако это все спекулятивные рассуждения. Эмбриологи изучают гомеозисные мутации в лабораторных условиях и реконструируют детальную картину механизмов, обеспечивающих формирование сегментированного тела членистоногих в процессе эмбрионального развития. Их подробные отчеты чрезвычайно интересны, но мы не будем сейчас на них отвлекаться. В заключение я бы предложил читателю сопоставить некоторых настоящих членистоногих с компьютерными артроморфами и их калейдоскопическими мутациями.

Попробуйте представить себе, как членистоногие, изображенные на рис. 7.17, видоизменились бы под влиянием калейдоскопических “генов” артроморфов. Может быть, появятся особи с сужающимся телом, как на рис. 7.13е? Взгляните еще раз на подлинных членистоногих и вообразите какие‐то мелкие мутационные изменения, влияющие, например, на крайние членики конечностей или форму сегментированного туловища. Пусть для начала воображаемая мутация будет влиять на отдельно взятый сегмент. Готов поспорить, вы сразу подумали, что она должна зеркально отразиться с другой стороны, но это вовсе не обязательно. Теперь представьте себе мутацию, влияющую на кончики ножек, но в последовательно расположенных сегментах. На рис. 7.17 приведены примеры насекомых, у которых последовательные сегменты очень похожи. Третий вариант – мутация, влияющая на крайние членики конечностей всех сегментов – точнее, тех сегментов, где вообще есть конечности. Что касается меня, то, занимаясь артроморфами и их трехуровневой калейдоскопической эмбриологией, я стал по‐новому смотреть на живых членистоногих – таких, как на рис. 7.17. Более того, как и в случае с отражающими мутации зеркалами, легко догадаться, что эволюционный потенциал эмбрионального развития артроморфов с калейдоскопическими “ограничениями” на поверку может оказаться куда выше, чем при хаотическом, ничем не ограниченном процессе. В этом ключе особи, показанные на рис. 7.17, и все прочие не нарисованные здесь членистоногие обретают для меня особое значение.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 7.17. Вот что может происходить с сегментами: представители членистоногих. По часовой стрелке, начиная сверху слева: четыре ракообразных, пальпиград (щупальцеходное, дальний родственник пауков и скорпионов) и ракоскорпион (эвриптерид, вымерший гигантский “морской скорпион”, его длина достигала почти трех метров).


В этой главе я хотел прежде всего донести до вашего сознания, что эмбриологический калейдоскоп парадоксальным образом служит как ограничивающим, так и стимулирующим фактором эволюции независимо от области его применения – в сегментах и линейных сегментных кластерах, выстроенных от головы до хвоста насекомого, или при зеркальном отображении у моллюсков. Ход эволюции ограничивается в том смысле, что калейдоскоп сужает спектр вариаций, с которыми мог бы работать естественный отбор. Эволюция стимулируется, так как естественный отбор (позволим себе несколько его очеловечить) не тратит времени на сканирование заведомо бесперспективных зон. Каждой из основных групп животных, которые населяют мир, – членистоногим, моллюскам, иглокожим, позвоночным – присущ свой, плодотворный с точки зрения эволюции, тип эмбрионального развития с калейдоскопическими ограничениями. У калейдоскопической эмбриологии есть все для того, чтобы унаследовать землю. Всякий раз, когда калейдоскопический режим, или “зеркало”, становился причиной удачного всплеска форм в эволюции, все генеалогические линии в новом пуле видов наследовали этот режим и это зеркало. Это уже не обычный дарвиновский естественный отбор, а его разновидность нового, более высокого уровня. И вывод о том, что вследствие такого отбора произошла эволюция с повышением способности эволюционировать, уже не кажется игрой разгоряченного ума.

Глава 8

Пыльца и самоуправляемые ракеты

Однажды мы ехали с моей шестилетней дочкой Джульет по загородному шоссе, и она показала мне на цветы у обочины. “Как по‐твоему, зачем они нужны?” – спросил я ее. Она ответила весьма рассудительно. “Во-первых, – сказала Джульет, – чтобы было красиво, и потом, чтобы пчелы могли делать для нас мед”. Ее слова растрогали меня, но, к моему большому сожалению, я был вынужден объяснить ей, что она ошибается.

Моя девочка ответила примерно так же, как ответили бы многие взрослые, жившие в разные времена. На протяжении веков люди полагали, что всякие твари существуют ради нашей пользы. Это ясно прописано в первой главе книги Бытия. Человеку дано право “владычества” над всем живым, а звери и растения должны услаждать нас и служить нам. Как обоснованно пишет сэр Кит Томас, историк, в своей книге “Человек и природа” (Man and the Natural World), эта идея царила в средневековом христианстве и сохраняется по сей день. В XIX веке преподобный Уильям Кирби уверял, что вошь является необходимым условием стремления к чистоте. По мнению епископа Джеймса Пилкингтона, жившего в эпоху Елизаветы I, дикие звери воспитывают в людях отвагу и дают им шанс поупражняться в воинских искусствах. В XVIII веке некий автор писал, что слепни созданы для того, “чтобы люди, защищаясь от них, тренировали свой ум и развивали промышленность”. Омарам дан твердый панцирь, чтобы мы научились аккуратно вскрывать клешни, прежде чем приступить к трапезе. Еще один набожный автор средневековья рассуждал о пользе сорняков – дескать, усердный труд на прополке облагораживает нас.

Считалось, что животным позволено разделить с нами наказание за первородный грех. Кит Томас в связи с этим цитирует епископа XVII столетия: “Что бы ни случилось с ними плохого – это наказание не им, а отчасти нам”. Надо полагать, это должно их утешить. В 1653 году Генри Мор утверждал, что крупному рогатому скоту и овцам жизнь нужна прежде всего для того, чтобы мясо оставалось свежим до тех пор, “пока мы не проголодаемся”. Согласно такой идеологии семнадцатого века, животные, очевидно, хотят только одного – попасть к нам на стол.

      К вам куропатки с голубями,

      Как к Ною, прилетели сами,

      И бык с ягненком на убой

      Пришли покорно к вам домой,

      И все животные Земли

      Себя вам в жертву принесли.

В романе “Ресторан «У конца вселенной»”, который входит в научно-фантастическую сагу “Автостопом по галактике”, Дуглас Адамс высмеял людское самомнение в футуристически абсурдной сцене. Как только герой и его друзья уселись за столик в ресторане, к ним, подобострастно кланяясь, подрулило крупное четвероногое и с приторной вежливостью предложило себя на обед. Его породе, объяснило животное, целенаправленно привили желание быть съеденным, а заодно способность четко и недвусмысленно формулировать свое желание: “Лопатки кусочек не желаете?.. Тушеной, под соусом из белого вина?.. Огузок тоже настоящий деликатес… Я много работал над ним, меня откармливали зерном, мясо получилось высший сорт”. Артур Дент, как наименее искушенный член галактической компании, пришел в ужас, однако его приятели заказали по солидному бифштексу, и приветливое создание рысцой поскакало в сторону кухни на убой (гуманным методом, добавило оно, ободряюще подмигнув Артуру).

Дуглас Адамс сочинил откровенную комедию, но вот вам выдержка из современной брошюры, которую мне прислал один из многих креационистов, с кем я переписывался; я привожу текст дословно, и, насколько я понимаю, здесь нет ни капли юмора.

О банане можно сказать следующее:

1. Его форма удобна для человеческой руки.

2. Его поверхность не скользкая.

3. По его внешним признакам можно судить о качестве внутренней части: зеленый цвет означает неспелость, желтый – идеальную спелость, черный говорит о том, что фрукт перезрелый.

4. Чтобы банан было удобно чистить, у него есть заостренный кончик.

5. “Обертка” (кожура) хорошо снимается по разметке.

6. “Обертка” биоразлагаемая.

7. Его форма удобна для рта.

8. Сужающийся конец удобно входит в рот.

9. Он приятен для вкусовых рецепторов.

10. Он загнут к лицу, что облегчает процесс поедания.

В нашей культуре до сих пор доминирует идея подчинения всего живого нашей выгоде, даже в тех случаях, когда для этого не осталось никаких оснований. Теперь же в интересах науки надо найти другую, не антропоцентричную, систему описания природы. Если и говорить, что животные и растения пришли в этот мир с какой‐то целью – а такое преувеличение допустимо, – то уж точно не ради блага людей. Нам следует научиться смотреть на мир нечеловеческими глазами. Что касается цветов, c которых мы начали этот разговор, пожалуй, разумнее взглянуть на них глазами пчел и других существ, участвующих в опылении.

Вся жизнедеятельность пчел разворачивается в пестром мире цветов, источающем сладкие запахи и нектар. Я имею в виду не только медоносных пчел – есть еще тысячи различных видов, и все они полностью зависимы от цветов. Их личинки питаются пыльцой, а “моторчики” взрослых особей могут работать на единственном виде топлива – на нектаре, который им тоже поставляют только цветы. “Поставляют им” – не праздная фигура речи. В отличие от нектара, пыльца нужна не только для обеспечения ею пчел, растения производят ее в основном для собственных нужд. Пчелы оказывают ценные услуги по доставке пыльцы с цветка на цветок, и за это им позволяется ее есть. Но совсем другое дело – нектар. Кроме как кормить пчел, больше его производить незачем. Нектар вырабатывается в огромных количествах исключительно для приманивания и питания пчел и прочих насекомых-опылителей. Пчелы усердно трудятся за нектарное вознаграждение. Чтобы получить фунт клеверного меда, пчела должна облететь десять миллионов цветков.

“Цветы существуют для того, чтобы обеспечивать нас пыльцой и нектаром”, – могли бы сказать пчелы. Даже они были бы не совсем правы. Но если люди думают, что цветы созданы исключительно им на радость, то у пчел гораздо больше прав на такое мнение. Можно было бы даже сказать, что цветы – во всяком случае, самые яркие и красивые— такие яркие и красивые именно по той причине, что за ними “ухаживают” пчелы, бабочки, колибри и другие труженики лугов. В основу этой главы легла моя лекция, которую я назвал “Ультафиолетовый сад”. Это аллегория. Ультрафиолетовый свет невидим для нас. Его различают пчелы, причем как определенный оттенок – так называемый пчелиный фиолетовый. Глазам пчел цветы предстают в ином цвете (рис. 8.1). И чтобы выяснить, какой же прок от цветов, мы тоже будем изучать их с точки зрения не человека, а пчелы.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 8.1. (а) фото энотеры, Oenothra, сделанное при естественном (для человека) освещении; (b) тот же цветок, сфотографированный в ультрафиолетовом свете (видимом для насекомых и не видимом для нас), – в середине появился узор в виде звезды. Вероятно, этот узор указывает насекомым, где искать нектар и пыльцу.


“Ультрафиолетовый сад”, играющий на “странностях” пчелиного зрения, – это просто аллегория, которая помогает нам взглянуть под другим углом на вопрос о том, кто (или что) получает пользу от существования цветов и вообще всех живых созданий. Цветы, будь у них глаза, видели бы еще более ненормальный в нашем понимании мир, чем пчелы с их недоступным нам ультрафиолетовым фильтром. Какими видели бы пчел растения? Какая, с точки зрения цветов, польза от пчел? Пчелы – это самоуправляемые ракеты для переноса пыльцы с одного цветка на другой. Этот тезис требует объяснений.

Начнем с того, что преимущества перекрестного опыления основаны на общих принципах генетики. Если у растений происходит самоопыление, то пропадают все плюсы полового размножения – какие именно, можно обсудить отдельно. Если женские цветки дерева опыляются пыльцой с его же мужских цветков, ему тоже не имеет смысла волноваться об опылении. В этих случаях наиболее эффективный вариант размножения – производство вегетативных клонов. Разумеется, многие растения так и живут, и можно выдвинуть аргументы в пользу такого способа. Однако, как мы уже знаем, иногда находятся еще более веские аргументы в пользу перетасовки генов разных растений одного вида. Чтобы объяснить это подробно, нам пришлось бы надолго отвлечься от основной темы, но, очевидно, игра в половую рулетку сулит немалый куш, иначе естественный отбор не подогревал бы так страсти в животном и растительном мире. Но если перетасовать свой набор генов со вторым таким же, взятым у себя самого, а не у стороннего партнера, выигрыш практически обнулится.

Для растений цветки ценны только своей способностью обмениваться генами с другим растением, которое имеет отличный от их собственного набор генов[26]. К примеру, травянистые растения часто прибегают к помощи ветра. Воздух перенасыщен пыльцой, лишь малая часть которой благополучно достигает женских органов цветков своего вида, а все остальное достигает носов и глаз многострадальных аллергиков. С определенной точки зрения, бессистемный метод опыления крайне неэкономичен. Зачастую гораздо целесообразнее использовать крылья и мускулатуру насекомых или других живых опылителей, таких как колибри. Тогда пыльца с большей вероятностью попадет к “целевой аудитории”, а следовательно, ее понадобится меньше. С другой стороны, придется потратиться на привлечение насекомых. Часть средств идет на рекламу – яркую окраску лепестков и манящие ароматы. Часть – на взятки нектаром.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 8.2. Мимикрия орхидеи под насекомое. Ophrys vernixia.


Для насекомого нектар – это первоклассное авиатопливо, и его производство дорого обходится растениям. Некоторые растения прибегают к рекламным хитростям и тем самым сокращают расходы. Лидеры в этой области – орхидеи, чьи цветки и видом и запахом напоминают самок насекомых. Самцы пытаются совокупиться с цветком (рис. 8.2) и незаметно для себя либо принимают груз – комочки пыльцы, либо сбрасывают эти комочки в конечном пункте путешествия. Существуют “пчелиные” орхидеи, цветок которых мимикрирует под самку пчелы, а также орхидеи, специализирующиеся на имитации самок мух или осы. Одна из орхидей, мимикрирующих под осу, называется очень правильно – молоточковая орхидея (дракея). У нее (не зря она называется молоточковая!) на определенном расстоянии от той части цветка, где формируется пыльца, на изогнутом пружинистом стебельке висит, покачиваясь, своеобразное чучелко осы (рис. 8.3). Самец садится на чучелко, и сразу срабатывает пружина. Эта пружина начинает ритмично, с силой, раскачивать самца и бить его о “наковальню” цветка, где и хранится запас пыльцы. Когда ему наконец удается вылететь на свободу, оказывается, что к его спине прикреплены два пыльцевых мешочка.

Орхидея кориантес – не менее коварное растение, она действует примерно так же, как насекомоядная саррацения, но с одним существенным отличием. Ее цветок выделяет солидную порцию душистого нектара, аромат которого напоминает половой аттрактант, феромон, выделяемый самками пчел определенного вида. Самцы летят на призывный запах и падают в цветок, рискуя потонуть. Единственный путь к спасению – узкий туннель. Не желая расставаться с жизнью, пчела наконец находит его и пробирается к выходу. На дальнем конце туннеля, у выхода, располагается самая труднопроходимая его часть. Пройдет несколько минут, прежде чем самец проползет сквозь этот участок. В последнем рывке он получает ровно себе на спину два шарика пыльцы. Дальше он улетает – и, битый, но не поумневший, снова падает в другую орхидею. Снова едва не тонет, отчаянно карабкается по туннелю и задерживается на выходе. За это время вторая орхидея разгружает его – процесс опыления завершен.

Не стоит переживать из‐за того, что пчела не извлекла урока из печального опыта. Мы снова должны побороть соблазн приписать животному сознательный умысел. С растениями это, пожалуй, даже труднее. В обоих случаях более корректно говорить о неосознанно разработанном механизме. Пчелы переносят пыльцу, в которой содержатся гены, необходимые для развития орхидей, способных управлять повадками пчел. Если под влиянием набора генов, который был получен с пыльцой, сформируются цветки, которые не так умело руководят пчелами, менее вероятно, что пчелы станут таскать на себе их пыльцу. Поэтому, по мере смены поколений, орхидеи вырабатывают способность контролировать поведение пчел – хотя надо признать, что орхидеям не всегда удается обдурить пчел и принудить их к спариванию.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 8.3. Молоточковая орхидея, Drakaea fitzgeraldii: (а) оса садится на приманку; (b) шарнирный механизм срабатывает, и оса ритмично бьется спинкой о пыльник тычинки.


В удивительном поведении орхидей выражается важный аспект стратегии опыления. Похоже, многие цветы готовы потратить все свои ресурсы на привлечение не кого попало, а животных какого‐то одного вида. Типичный пример – если вы видите в джунглях Нового Света красные трубчатые цветки, то с уверенностью можете сказать, что они опыляются колибри. Яркий красный цвет манит птиц – насекомые его не распознают. Узкие длинные трубочки рассчитаны исключительно на такой же узкий и длинный клюв колибри. Другим цветкам нужны только пчелы и никто другой, и, как уже говорилось, нередко их окраска проявляется лишь в невидимой для нас ультрафиолетовой части спектра. Третьим требуются ночные бабочки. Чаще это белые цветы, которые предпочитают ароматы визуальной рекламе. Наивысшей точкой прогресса в индивидуальном опылении, наверное, можно считать симбиоз фиговых деревьев и “работающих” только с ними инжирных наездников (ос-бластофаг) – с этого примера начинается наша книга и им же заканчивается. Но почему растениям не все равно, кто их опыляет?

Вероятно, привязанность к конкретному виду опылителя дает особое преимущество, самое большое из тех, что растение получает при переносе пыльцы живыми существами, а не ветром. При этом сужается целевая область. Ветер гонит пыльцу по окрестностям и рассеивает ее повсюду с большими потерями. Опыление с помощью крылатых “специалистов широкого профиля” несколько эффективнее, но тоже не слишком рентабельно. Пчела может перелететь с цветка одного вида совсем на другой, и пыльца пропадет даром. Обычные пчелы не разбрасывают ее хаотически, как это делают травянистые растения, чья пыльца летит по ветру, однако куда она попадет – неизвестно. Сравните это с деятельностью “личных помощников” орхидей или ос, которые опыляют цветки инжира. Словно крошечный самоуправляемый снаряд, или, как пишут в медицинской литературе, “волшебная пилюля”, насекомое с грузом пыльцы направляется именно туда, куда нужно растению. Мы узнаем, что бластофага летит не на первую попавшуюся смоковницу, а на дерево единственно подходящего из 900 возможных видов фиговых деревьев. Подбор опылителя позволяет достичь огромной экономии в производстве пыльцы. С другой стороны, как мы тоже увидим, возрастают другие затраты, и неудивительно, что для некоторых растений при их способах роста и развития опыление ветром оказывается более выгодным. Другие растения предпочитают нечто среднее между пульверизатором и самоуправляемой ракетой. Пожалуй, фиговое дерево – это крайний случай зависимости от целевого опыления и определенного вида опылителей, но мы оставим это для финального аккорда.

Что касается пчел, они предоставляют широчайший спектр услуг по опылению. Подсчитано, что в одной только Германии медоносные пчелы в течение одного летнего дня обслуживают примерно десять триллионов цветков. Кроме того, опыляемые пчелами растения обеспечивают людям 30 % их рациона, а экономика Новой Зеландии может и рухнуть, если уничтожить пчел. Цветы вправе были бы сказать, что пчелы созданы специально для переноса их пыльцы.

Таким образом, красивые и душистые цветы созданы вовсе не для нас, даже если нам так кажется. Цветы растут в саду, где хозяйничают насекомые, в мистическом ультрафиолетовом саду, и, при всем нашем тщеславии, мы тут совершенно ни при чем. Во все века люди сажали и выращивали садовые цветы, но вплоть до недавнего времени садовниками были не мы, а пчелы и бабочки. Цветы используют пчел, а пчелы используют цветы. Обе стороны партнерства влияют друг на друга. Можно сказать, обе стороны одомашнили и стали культивировать одна другую. В ультрафиолетовом саду установилось двустороннее движение. Пчелы культивируют цветы в своих целях. Цветы разводят пчел для себя.

В эволюции часто наблюдается подобное сотрудничество. Существуют целые “муравьиные сады”, состоящие из эпифитных растений (эпифиты – растения, живущие на других растениях). Муравьи перетаскивают с собой семена определенных видов и закапывают их в свои гнезда, где они прорастают. Муравьи питаются листьями укоренившихся в их гнездах растений. Доказано, что некоторые растения лучше чувствуют себя в почве муравейника. Другие виды муравьев и термитов разводят подземные грибы, размножают споры, пропалывают свои грибницы от сорных грибов, подпитывают их компостом из пережеванных листьев. В тропиках Америки водятся знаменитые муравьи-листорезы, вся восьмимиллионная рать которых неутомимо жнет свежую листву. Они оставляют за собой безжизненные пустоши, не уступая в этом саранче. Однако срезанные листья не идут в пищу ни им самим, ни их личинкам, а собираются лишь для удобрения грибниц. Сами муравьи едят только грибы тех видов, которые растут только в их гнездах. С точки зрения этих грибов, муравьи существуют для того, чтобы их (грибы) выращивать, а с позиции муравьев – грибы растут исключительно ради того, чтобы муравьи их ели.

Самые необычные из всех мирмекофильных (муравьелюбивых) растений-эпифитов встречаются в юго-восточной Азии: у них на стеблях образуются объемные разрастания – ложные луковицы. Внутри такой ложной луковицы – сложный лабиринт из ходов и каверн. Каверны очень похожи на норки, которые устраивают себе в земле муравьи: можно подумать, что муравьи сами их и прокопали. Но это неверно. Растение выросло с этими полостями, а муравьи в них просто поселились (рис. 8.4).


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 8.4. Растение предоставляет муравьям готовое жилье в обмен на защиту. Ложная луковица Myrmecodia pentasperma в разрезе.


Более известен вид муравьев, которые живут только в особенных полых шипах акации (рис. 8.5). Толстые, объемистые шипы сразу формируются с полостью внутри – будто специально для муравейника. Зато жгучие муравьиные укусы обеспечивают дереву безопасность. Это доказали удивительно простые наблюдения. После обработки инсектицидом муравьи на акации погибли, и вскоре стало заметно, что она серьезно пострадала от агрессии со стороны травоядных. Муравьи думают – конечно, если они вообще думают, – что шипы акации созданы для их блага. Акация полагает, что главная задача муравьев – защищать ее от тех, кто пожирает ее листья. Следует ли отсюда, что каждый член этого содружества действует в интересах другой стороны? Скорее уж, обе стороны используют друг друга в собственных интересах. Получается своего рода бартер, когда выигрыш каждой стороны достаточно велик, чтобы оправдать расходы на взаимопомощь.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 8.5. Шип акации. Еще один пример сосуществования муравьев и растений. Шип с шаровидным разрастанием – полый внутри, чем пользуются муравьи.


Так и хочется – и экологи не раз это себе позволяли – свести жизнь к общему собранию, где важные для всех вопросы решаются в атмосфере дружбы и сочувствия. В первичном звене энергопотребления находятся растения. Они поглощают солнечный свет и перерабатывают его энергию так, чтобы она стала доступна всему сообществу. Они вносят свой вклад в жизнь сообщества – их можно съесть. Травоядные, включая самую многочисленную армию травоядных насекомых, служат проводниками солнечной энергии – передают ее от первичных производителей (растений) следующим звеньям пищевой цепи, то есть насекомоядным, а также мелким и крупным плотоядным. Жуки, навозники и могильщики, которые питаются падалью, перерабатывают химические отходы жизнедеятельности животных (экскременты и продукты разложения трупов) и поставляют ценный продукт почвенным бактериям, а те – обратно растениям.

Прекрасная была бы идиллия, если не знать достоверно, что ни на одной стадии благодатного круговорота энергии и других ресурсов никто не стремится его поддерживать. Каждый участник процесса преследует свою корысть. Жук-навозник собирает экскременты, чтобы закопать их впрок для еды. Лишь по случайному совпадению его ассенизаторская деятельность оказывается полезной для остальных обитателей ареала.

Трава составляет основу рациона всех жвачных животных, а те, в свою очередь, удобряют луга. Известно даже, что без животных на выпасе луга погибают. Однако это вовсе не означает, что трава растет для того, чтобы ее ели, нет ей от этого никакой пользы. Если бы травянистое растение могло поведать нам о своих желаниях, вероятно, оно не захотело бы превратиться в чей‐нибудь обед. Как же тогда разобраться с этим парадоксом? Почему трава погибает без травоядных? Дело в том, что хотя растения не стремятся быть съеденными, травянистые растения переносят такое испытание лучше других видов – именно поэтому ими и засевают лужайки. Там, где траву регулярно съедают или стригут, не приживаются конкурентные виды растений. Ростки деревьев уничтожаются, и они не успевают закрепиться на земле. Следовательно, пасущиеся животные непосредственно приносят траве пользу. Но не надо думать, что отдельный вид травянистых растений выигрывает от того, что его жуют. Каждое конкретное растение выигрывает от того, что сжевываются другие травы, в том числе его собственного вида: так оно получает больше удобрений и избавляется от конкурентов. Но еще лучше для него было бы самому избежать участи корма для животных и расти спокойно.

Мы начали с едкой сатиры на тему распространенного заблуждения о том, что животные и растения призваны удовлетворять нужды людей, что скот покорно и даже с энтузиазмом соглашается отдать себя нам на жаркое, и все в том же духе. Не больше оснований утверждать, что все они существуют ради блага своих естественных партнеров – цветы для пчел и пчелы для цветов, шипы акации для муравьев и муравьи для акации. Однако с таким представлением о всеобщей самоотверженности можно дойти до абсурда. Мы должны откреститься от модных, но ложных экологических теорий о единении всего живого в желании жить ради общего процветания, ради экосистемы, ради “Геи”. Пора проявить активность и дать ясный ответ на вопрос о том, что значит для живого существа жить ради чьего‐либо блага. Что вообще значит “ради блага”? Для чего на самом деле все это – цветы и пчелы, осы и смоковницы, слоны и сосны? Что это за объект, чьи интересы должен обслуживать живой организм или его отдельные части?

Это ДНК. Вот вам точный, исчерпывающий ответ, подкрепленный неоспоримыми, но требующими разъяснений фактами. Я намерен обсудить их прямо сейчас и в следующей главе. Для начала еще раз привлечем к разговору мою дочку.

Однажды она заболела, у нее был сильный жар, и я страшно волновался, сидя подле нее и обтирая ее влажным холодным полотенцем. Современные доктора уверили бы меня, что жизни девочки ничего не угрожает, но в измученном бессонницей мозгу любящего отца вертелись назойливые мысли о детской смертности в прошлые века и о том, как больно терять даже одного ребенка. Чарльз Дарвин так и не оправился после непонятной смерти своей любимой дочери Энни. Говорят, ее кончина казалась ему такой несправедливой, что отчасти из‐за этого он разуверился в религии. Если бы бедняжка Джульет посмотрела на меня и, словно в продолжение нашей давнишней беспечной болтовни, спросила, зачем нужны вирусы, что я ответил бы ей?

Зачем нужны вирусы? Чтобы мы стали здоровее и окрепли в борьбе с невзгодами? Помнится, один профессор теологии, с которым я сцепился в споре на британском телевидении, высказался о “положительных эффектах” Освенцима. Чтобы сколько‐то людей умерло и не возникло риска перенаселения? Особенно полезно это было бы там, где церковь запрещает контрацепцию. Чтобы наказать нас за наши грехи? Если речь зайдет о ВИЧ, у этой идеи найдется немало сторонников. Можно даже посочувствовать средневековым священникам, у которых не было в арсенале такого высокоморального патогена. Но опять‐таки это человекоцентристский подход, только с негативным душком. Как все живое в природе, вирусы не испытывают ни малейшего интереса к людям, ни в хорошем смысле, ни в плохом. Вирусы – это закодированные программные инструкции, или команды, написанные на языке ДНК, необходимые исключительно для осуществления этих команд. “Скопируй меня и распространи!” – гласит инструкция, а мы встречаемся с теми, кто ей подчиняется. Вот и все. Это наиболее приближенный к верному ответ на вопрос, в чем смысл вирусов. На первый взгляд, это лишено смысла – на что я и хочу обратить ваше внимание. Я проведу параллель с компьютерными вирусами. Между настоящими вирусами и компьютерными прослеживается четкая аналогия, которая многое разъясняет.

Компьютерный вирус – это та же программа, написанная так же, как любая другая программа, и распространяющаяся в том же медиапространстве – на дисках, по компьютерным сетям, телефонным кабелям, модемам и интернету. Любая компьютерная программа представляет собой комплекс команд. Команд сделать что? Да что угодно. Одни программы содержат набор команд для обработки счетов. Текстовые процессоры содержат команды для считывания напечатанных слов, перемещения их на экране и, в конечном итоге, печати. Бывают программы, составленные из команд играть в шахматы на гроссмейстерском уровне, – одна из них обыграла великого Гарри Каспарова. Компьютерный вирус – это программа, команды которой говорят, например: “Когда заходишь на новый диск, копируй меня и устанавливай на этот диск”. Это программа “Дуплицируй меня”. В частности, можно дать команду очистить жесткий диск. Или заставить компьютер твердить противным металлическим голоском: “Без паники”. Но это все так, к слову. Главная отличительная особенность компьютерного вируса – то, что в нем всегда есть команда “Скопируй меня”, написанная на том языке, которому компьютер обязательно подчинится.

Люди, может, и воспротивятся столь бесцеремонным императивам, но компьютер беспрекословно исполнит все, что будет велено на его родном языке. Он с одинаковой готовностью выполнит распоряжения “инвертировать матрицу”, “печатать текст курсивом”, “подвинуть пешку на две клетки вперед” и “скопируй меня”. Более того, зараза расползается по всему свету. Пользователи вступают в беспорядочный обмен дисками, пересылают друзьям компьютерные игры и различные полезные ссылки. Ясно, что если по миру бесконтрольно гуляет множество дисков, вирус с командой “скопируй меня на каждый диск” может разлететься во все стороны, как ветрянка. Очень быстро растиражируются сотни копий, и число их будет стремительно расти. В наши дни киберпространство пронизано множеством пересекающихся информационных трасс, что создает еще более благоприятные условия для быстрого размножения компьютерных вирусов.

Я не мог не злиться на ОРВИ, вот и тут как не посетовать на бесполезность подобных программ-паразитов? Что толку от программы, которая знает одну-единственную команду: “Скопируй эту программу”? Она‐то скопируется, но такое “самоудовлетворение” выглядит глупо и смешно, не правда ли? Безусловно! Порочное и бесплодное занятие. Однако главное – не бесплодность, а следовательно, бессмысленность акции. Программа абсолютно бесполезна, но все равно распространяется. Она копируется потому, что она копируется, потому что она копируется. Тот факт, что она не делает при этом ничего хорошего – а может, делает что‐то плохое, – ни о чем не говорит. Она просто выживает в мире компьютеров и обмена дисками, потому что выживает.

Точно так же действуют биологические вирусы. Вирус – это, по сути, программа, написанная на языке ДНК, у которого масса общего с компьютерными языками, вплоть до того, что команды точно так же шифруются цифрами. Биологический вирус, подобно компьютерному, говорит: “Копируй и распространяй меня”. Как и в случае с компьютерным вирусом, никто не предполагает, что ДНК в вирусе стремится к самовоспроизведению. Просто из всех вероятных способов построения ДНК передаются только те, что содержат команду “передай меня”. Таких программ в мире становится все больше и больше, и с этим ничего нельзя поделать. Они есть, потому что они существуют, потому что они существуют, как и компьютерные вирусы. Если бы никто не выполнял команды вирусов и не доказывал тем самым их существование, их бы не было.

Компьютерные вирусы отличаются от биологических в основном тем, что первые создают люди с преступными намерениями или шутки ради, а вторые появляются в результате мутаций и естественного отбора. Такие негативные последствия влияния вируса, как насморк и смерть, – это побочные эффекты или симптомы способов его распространения. Компьютерные вирусы дают похожие негативные эффекты. Губительное действие знаменитого “червя Морриса”, 2 ноября 1988 года запутавшего всю сеть в США, стало случайным побочным результатом его распространения (сетевой червь и компьютерный вирус – не одно и то же, но не стоит сейчас морочить себе голову). Копии программы завладели памятью компьютеров и процессорным временем, и около 6000 машин зависли. Как мы знаем, побочные эффекты компьютерных вирусов могут быть не лишними и неизбежными результатами их воздействия на систему, а чистым и беспричинным проявлением злого умысла. Вредоносные эффекты вовсе не способствуют, а, скорее, мешают распространению программы-паразита. Живые вирусы не нацелены именно против людей, если только их не вывели специально в лаборатории биологического оружия. Вирусы, которые развиваются естественным путем, вовсе не стремятся уничтожить нас или причинить нам боль. Им все равно, пострадаем мы или нет. Наши страдания – лишь побочный эффект их активного самовоспроизводства.

Бесполезно давать инструкции, и в частности, команду “скопируй меня”, если нет механизма для ее исполнения. Программа типа “дуплицируй меня” прекрасно функционирует в комфортной компьютерной среде. Опутанные мировой паутиной, с пользователями, которые то и дело передают друг другу диски, компьютеры – это рай для самокопирующейся программы. Готовые устройства, способные копировать и исполнять команды, жужжат и гудят, буквально умоляют нас поставить на них какую‐нибудь программу с командой “дуплицируй меня”. Роль готовых копирующих и исполняющих устройств для ДНК-содержащих вирусов берут на себя клеточные механизмы, все эти информационные, рибосомные и транспортные РНК, каждая из которых привязана к собственной аминокислоте с ее собственным буквенным кодом. Не будем отвлекаться на детали, а если заинтересуетесь, почитайте книгу Дж. Д. Уотсона “Молекулярная биология гена” (J. D. Watson, Molecular Biology of the Gene), где все изложено предельно ясно. Нам достаточно понимать, что, во‐первых, в каждой клетке есть миниатюрный аналог считывающего и исполняющего команды компьютерного устройства, а во‐вторых, что все клетки всего живого на земле понимают один и тот же язык. Между прочим, компьютерные вирусы не могут похвастаться такой универсальностью: вирусы DOS бессильны в MacOS, и наоборот. Команды компьютерных и ДНК-содержащих вирусов исполняются потому, что в их родных средах язык, на котором написаны команды, абсолютно понятен.

Но откуда берутся все эти исполнительные устройства? Не из воздуха же. Кто‐то должен их сделать. Устройства, копирующие компьютерные вирусы, делают люди. Для ДНК-содержащих вирусов механизмы создаются клетками других живых существ. А кто создает этих существ – людей, слонов, бегемотов, – чьи клетки помогают вирусам? Их создают другие самокопирующиеся ДНК. Те, что принадлежат людям и слонам. Так что же представляют собой крупные создания, такие как слон, вишневое дерево или мышь? По сравнению с вирусом даже мышь ужасно большая. Ради чьего блага пришли в этот мир мыши, слоны и цветы?

Совсем скоро мы сможем дать недвусмысленный ответ на вопросы такого рода. Цветы и слоны, как и все живое на земле, существуют для распространения программ типа “Скопируй меня” (или “Дуплицируй меня”), записанных на языке ДНК. Цветы нужны для распространения копий инструкций, по которым создаются другие цветы. Слоны нужны для распространения копий инструкций, по которым создаются другие слоны. Птицы нужны для распространения копий инструкций, по которым создаются другие птицы. Клетки слонов не знают, чьи команды они исправно выполняют – вирусов или слонов. Так, в стихотворении Теннисона “Атака легкой бригады” кто‐то невнятно пробурчал: “Не их дело отвечать, не их дело рассуждать, а их дело – умирать”.

Должно быть, вы понимаете, что под слонами я подразумеваю любое крупное, самостоятельно существующее создание, будь то цветок, пчела, человек, кактус или даже бактерия. Как мы знаем, вирусные команды гласят: “Скопируй меня”. Что говорят слоновьи команды? Мне хотелось бы, чтобы к концу главы вы это поняли. Слоновьи команды тоже требуют дупликации, но их формулировки более расплывчаты. ДНК слона создает колоссальную программу вроде компьютерной. В основе своей это тоже программа “Скопируй меня”, как и вирусная ДНК, но важнейшим условием надлежащего выполнения главного задания является чуть ли не критическое отклонение от прямого пути. Отклонение в виде слона. Программа говорит: “Скопируй меня, но сначала сделай крюк и сотвори слона”. Слон ест, чтобы расти; растет, чтобы стать взрослым животным; становится взрослым, чтобы спариться и произвести потомство – новых слонят; производит потомство, чтобы передать по наследству новые копии оригинальной программы.

Все то же самое относится ко многим животным и растениям. Павлиний клюв не только подбирает пищу, чтобы павлин мог жить, но и участвует в воспроизводстве инструкций по созданию павлиньего клюва. Пышный хвост павлина – это инструмент для передачи инструкций по созданию пышного павлиньего хвоста. Его назначение – нравиться самкам. Клюв эффективно подбирает пищу, а хвост эффективно приманивает самок. Самцы с яркими хвостами произведут больше птенцов, чтобы передать потомкам копии генов яркого оперения. Вот почему павлиньи хвосты такие красивые. То, что они нам кажутся красивыми – это случайный побочный эффект. Хвост павлина – это средство передачи генов по наследству, которое действует при помощи глаз самки.

Генетические инструкции для формирования крыльев передаются через крылья. Что касается павлина, роль его крыльев как хранилища генов особенно заметна, когда павлин резко взлетает, вспугнутый хищником. Растения тоже могут сформировать у своих семян нечто вроде летательных органов (рис. 8.6), однако люди вряд ли скажут о растениях, что они летают – в прямом смысле слова. Считается, что у растений крыльев нет и что они не летают.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 8.6. Крылатые ДНК: семена клена и одуванчика.


Минуточку! С позиции растения им и не нужны крылья, коль скоро можно воспользоваться крылышками пчел и бабочек. Пожалуй, я не побоялся бы назвать пчелиные крылья растительными. Это летательные органы, с помощью которых растения посылают свою пыльцу другим растениям. Цветки служат средством передачи ДНК растения следующим поколениям. Они работают точно так же, как павлиний хвост, только привлекают не самок павлинов, а пчел. Вот и вся разница. Павлиний хвост оказывает косвенное влияние на мускулатуру ног павы, поскольку заставляет ее идти к самцу и спариваться с ним, а окраска, аромат и нектар цветка оказывают косвенное влияние на развитие крылышек пчел, бабочек и колибри. Цветы приманивают пчел. Трепещущие крылышки несут пыльцу с одного цветка на другой. Крылышки пчелы переносят как ее собственные гены, так и гены цветка, так что их с равным успехом можно было бы присвоить цветку.

Организму слона неведомо, чьи ДНК он воспроизводит – слоновьи или вирусные, – и крылышки пчелы не знают, несут они ДНК своей хозяйки или ДНК цветка. Выходит, что пчелы, если только не тратят по неразумию время на совокупление с орхидеями, старательно распространяют все ДНК. Для операционной системы пчелы что ее родная ДНК, что ДНК цветка – все едино. Павлины, пчелы, цветы и слоны состоят со своими ДНК в таких же отношениях, что и с ДНК внедрившихся в них паразитных вирусов. Вирусная ДНК – это программа, которая командует: “Дуплицируй меня простым и прямым путем с помощью механизма, имеющегося в хозяйских клетках”. ДНК слонов командует: “Дуплицируй меня кружным путем, так чтобы сначала получился слон”. ДНК цветка командует: “Дуплицируй меня еще более сложным способом – сначала создай цветок, а затем с помощью этого цветка и вспомогательных средств, например, нектарной приманки, управляй крылышками пчелы (они очень кстати уже заранее созданы по инструкции, полученной от собственной ДНК пчелы), так чтобы они разносили пыльцу, которая содержит команды той же ДНК”. К тому же заключению мы придем еще раз в следующей главе, только с другой стороны.

Глава 9

Робот-репликатор

Итак, мы поняли, что цветы и слоны являются носителями как своих собственных, так и вирусных ДНК фактически в равной степени. Однако этот справедливый вывод не дает ответа на некоторые непростые вопросы. Мы еще не обсудили один важный этап. Компьютерным вирусам все дается легко, поскольку к их услугам полно мощных, готовых исполнить любую команду машин. Но машины сделали люди. Компьютеры предоставлены в распоряжение вредоносным программам. ДНК-содержащим вирусам тоже предоставлен в полное распоряжение сложнейший клеточный механизм, способный воспринимать и исполнять команды. Но откуда берутся в природе живые механизмы?

Предположим, есть компьютерный вирус без готового к работе компьютера, так что приходится все начинать с нуля. Отдать команду “скопируй меня” программа не может, потому что компьютера нет и исполнить ее некому. Что остается делать самокопирующейся программе, если ей надо себя размножить, а готовых копирующих устройств ей не предлагают? Надо бы скомандовать: “Создай устройство для копирования меня”. Но прежде надо дать другую инструкцию: “Создай детали, из которых можно собрать устройство, копирующее меня”. А еще раньше: “Найди сырье, из которого можно создать детали”. Такая умная программа достойна собственного названия. Назовем ее “Тотальная репликация командных программ”, или ТРКП.

ТРКП должна управлять не только компьютером с клавиатурой и монитором. У нее в арсенале должен быть заменитель квалифицированного мастера – захватывающее устройство-манипулятор в сочетании с датчиками, которое могло бы конструировать и соединять детали. Чтобы найти исходные материалы для деталей, правильно подобрать и скомпоновать их, требуется устройство, действующее, как руки. Компьютер может воспроизвести предметы на экране, но без посторонней помощи он не соберет другой компьютер по своему образу и подобию. Для этого необходимо переместиться в реальный мир и поработать с настоящими металлом, кремнием и прочими материалами.

Давайте подробнее рассмотрим связанные с этим технические проблемы. Современный стационарный компьютер умеет манипулировать цветными объектами на электронно-лучевом мониторе, рисовать цветными чернилами на бумаге в принтере и еще кое‐что – например, управлять звуком в стереодинамиках. Благодаря этим его умениям можно создать иллюзию объемного тела – но всего лишь иллюзию, которая полностью зависит от того, насколько у нас богатая фантазия. На экране рисуют кубик в перспективе. При адекватном визуальном отображении поверхностей он выглядит как настоящий, однако его не возьмешь в руки и не потрогаешь, не ощутишь его вес и фактуру. Если позволяет программное обеспечение, можно “разрезать” кубик на экране и показать его сечение. Но это по‐прежнему не будет осязаемое твердое тело. Вероятно, в будущем компьютеры научатся имитировать и другие чувства. Возможно, если вы попытаетесь мышкой сдвинуть объект с места на экране, через рифленую поверхность мышки вашим пальцам передастся физическое ощущение его “массы”. И все‐таки объект не будет иметь массы, не превратится в твердое, осязаемое тело.

Наш компьютер с установленной на него программой ТРКП должен воздействовать не только на воображение человека. Он должен уметь управлять реальными твердыми телами. Каким образом? Задача, очевидно, очень непростая. Это станет понятнее, если мы попытаемся сконструировать принтер нового типа – 3D-принтер[27]. Обычный принтер наносит чернила на плоский лист бумаги. Чтобы получить более или менее достоверное объемное изображение, скажем, кошки, можно было бы напечатать серию изображений на прозрачной пленке. Допустим, компьютер тщательно отсканирует сечения тела кошки, сделанные последовательно от носа до хвоста, и напечатает на ацетатной пленке сколько‐то сотен изображений. Если потом сложить все полученные картинки в стопку, внутри вы увидите объемное изображение кошки.

Но нарисованная таким способом кошка будет заключена в прозрачную форму, поэтому такое устройство нельзя считать полноценным 3D-принтером. Можно исправить недочет – заменить чернила самоотверждающейся смолой. Сложить листы в стопку и отсечь (растворить или протравить) все лишнее, что не затвердело. Если бы нам удалось преодолеть технические трудности и сконструировать такое устройство, у нас в руках оказался бы инструмент для создания объемных тел – самый настоящий принтер для объемной печати.

Наш 3D-принтер все‐таки недалеко ушел от своих традиционных предшественников. Он печатает объемные изображения, используя принцип последовательных сечений. Устройство вывода данных, работа которого основана на принципе последовательных сечений, для нашей программы ТРКП не годится. Таким методом нельзя изготовить какую‐нибудь полезную машину – например, двигатель внутреннего сгорания. Для этого надо иметь еще массу деталей – цилиндры, поршни, маховики, ремни и многое другое. Все это делается из разных материалов, и все это надо перевозить по отдельности. Нельзя слепить двигатель из пачки срезов – его надо именно собрать из отдельных, заранее изготовленных деталей. Заготовки тоже надо предварительно собрать – из других, еще более мелких деталей. Устройство вывода данных, пригодное для ТРКП, не имеет ничего общего с 3D-принтером. Это промышленный робот. Он может поднимать предметы клешнями, как руками. Чтобы его “руки” двигались во всех трех перпендикулярных плоскостях, на концах рычагов, заменяющих руки, должна располагаться “кисть” с “пальцами”, соединенными универсальными шарнирами или комбинацией шарниров. Чтобы находить путь от одного искомого предмета к другому, доставлять комплектующие на место и монтировать их в правильном порядке подходящими способами, робот должен иметь аналоги органов чувств.

Такие роботы применяются на современных предприятиях (рис. 9.1). Они неплохо работают – при условии, что перед каждым стоит конкретная задача, которая выполняется в определенном месте на конвейере. Но для нашей программы ТРКП промышленный робот тоже не годится. Если ему подать детали в фиксированном положении и в нужном порядке на конвейере, он их соберет. Однако смысл нашего эксперимента как раз в том, чтобы не связываться с фиксированными положениями, не подавать ничего машине на блюдечке. Наш робот, прежде чем приступить к сборке, должен еще найти материалы для изготовления деталей. Для этого ему придется облазить весь мир в поисках сырья, добыть и запасти материалы. У него должны быть органы, с помощью которых он будет двигаться – какие‐нибудь гусеницы или ноги. Бывают ходячие роботы, которые умеют так или иначе передвигаться, можно сказать, целенаправленно. Робот на рис. 9.2 напоминает насекомое, только у него не шесть ног, а четыре. Он ловко ползает по стенкам – для этого ему даны присоски на ногах, как у мухи. Создатели этого робота обожают поддразнивать его – подставляют руку на пути его следования. Почувствовав под ногами неровности, робот, совсем как человек, пытается нашарить более надежную опору, и это выглядит довольно забавно. Еще раньше У. Грей Уолтер, работавший в Бристольском университете, построил свою знаменитую “черепаху” – Machina speculatrix, как он ее называл, – которая сама подключалась к сети для подзарядки. Когда ее аккумуляторы садились, “черепаха” проявляла все признаки волчьего голода и принималась активно искать розетку. Обнаружив источник тока, она подползала к нему задом, подключалась и не отсоединялась до тех пор, пока не “насытится”. Но это не базовые свойства. Мы говорим о роботе, способном перемещаться на собственных конечностях и неустанно искать что‐либо, руководствуясь собственными органами чувств и данными своего внутреннего компьютера.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 9.1. Промышленный робот на автозаводе Nissan, Йокогама.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 9.2. Шагающий робот с присосками на ногах из Портсмутского университета, Англия.


Теперь перед нами стоит задача объединить роботов этих двух типов. Представьте себе способного ходить робота с присосками на ногах, которого оседлал другой робот, вроде того промышленного, с “руками”. Управляет комбинированной машиной встроенный компьютер. Он снабжен множеством программ, контролирующих работу ног, рук, присосок и клешней. Но всей системой в целом командует программа “Скопируй меня”, и говорит она примерно так: “Иди по свету и собирай материалы, необходимые для того, чтобы изготовить полную копию робота. Сделай нового робота, поставь на его встроенный компьютер ту же самую программу ТРКП и отправь его гулять, чтобы он делал то же самое”. Назовем воображаемого робота, которого мы хотим создать, ТРКП-роботом.

ТРКП-робот вроде того, какого мы только что обрисовали, – сложнейшая машина, требующая незаурядной изобретательности. Об этом размышлял прославленный американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман, один из двух претендентов на почетное звание отца современного компьютера. Вторым был британский математик Алан Тьюринг, который, будучи еще молодым, но феноменально талантливым ученым, внес, возможно, самый большой личный вклад в победу союзников во Второй мировой войне и которого после войны затравили в судах за гомосексуализм – в частности, принудительно вводили ему гормоны – и в конце концов довели до самоубийства. Но ни машина фон Неймана, ни самокопирующийся ТРКП-робот так и не появились на свет. Наверное, и не появятся никогда. Наверное, это просто нецелесообразно.

Но что я такое говорю? Самокопирующийся робот не появился на свет – что за чушь! А сам‐то я кто? А вы? А пчела, цветок или кенгуру? Кто мы все, если не ТРКП-роботы? Нас не собирала команда инженеров, мы собирались в процессе эмбрионального развития, четко регулируемого генами, прошедшими естественный отбор. Но фактически мы ведем себя именно так, как предположительно должен вести себя ТРКП-робот. Бродим по миру, выискивая сырье для изготовления деталей себя, и в конечном итоге собираем другого робота, способного на такие же фокусы. Сырьем нам служат молекулы, которые мы добываем из качественной еды.

Кому‐то сравнение с роботом покажется обидным. Есть на что обидеться, ведь робот в общепринятом понимании – это безмозглый зомби с резкими движениями, он не умеет ни думать, ни совершать точные действия, ни приспосабливаться к обстановке. Но эти качества не являются ни обязательными, ни характерными для роботов. Просто на сегодня, при существующих технологиях, иногда роботы получаются именно такими. Когда я утверждаю, что хамелеон, палочник или человек – это роботы, в которых заложены их собственные инструкции по программированию, я ничего не сообщаю вам об их мыслительных способностях. Можно быть очень умным и при этом быть роботом. Я также не сообщаю никакой информации о том, насколько данное существо гибкое, поскольку бывают очень гибкие роботы. В XXI веке люди обижаются, когда их называют роботами, из‐за поверхностных и неверных ассоциаций, связанных с этим словом; точно так же в XVIII веке не все соглашались с тем, что паровая машина относится к транспортным средствам – а куда же лошадь впрягать? Робот – это любой механизм любого уровня сложности и интеллекта, сконструированный так, чтобы он стремился выполнить определенную задачу. Задача ТРКП-робота – наводнить всю округу копиями своей программы в комплекте с устройствами, необходимыми для ее исполнения.

Давайте вспомним, с чего началась наша беседа о самокопирующихся роботах. Мы сошлись на том, что простая программа “Скопируй меня”, наподобие компьютерного или живого вируса, работает удовлетворительно, но в зависимости от того, насколько легко ей выполнять свою работу, то есть от наличия устройства для считывания и выполнения инструкций. Впрочем, кто‐то или что‐то в нашем мире уже позаботился о создании подобного устройства, поэтому сложностей не возникает. Теперь же мы придумали очень продвинутого робота, еще одно гигантское отклонение от программы “Скопируй меня”. Эта программа требует уже не простого копирования, а дает другую команду: “Скомпонуй детали и создай новую версию устройства для копирования меня, затем загрузи мою копию во встроенный компьютер нового устройства”.

Мы вернулись к выводу, сделанному в предыдущей главе. Слон – это большущий крюк в программе, написанной на языке ДНК. Страус – это другой вариант отклонения, дуб – третий. Конечно же, человек – тоже отклонение, еще одно. Все мы ТРКП-роботы, все – машины фон Неймана. Но как начинался этот процесс? Чтобы ответить на этот вопрос, надо отправиться в прошлое, больше чем на три, а может, и на все четыре миллиарда лет. Мир тогда был совсем другим. Не было жизни и биологии, только физика и химия, причем химические свойства земли тоже были совсем другие. Не все, но почти все обоснованные теории о зарождении жизни вытекают из так называемого первичного бульона – слабого раствора простых органических веществ в морской воде. Что там происходило, никто не знает, но так случилось, что, не нарушая законов физики и химии, образовалась самокопирующаяся молекула – ген-репликатор.

По-видимому, нам невероятно повезло. Хотелось бы это прокомментировать. Прежде всего, такое случается только раз. Примерно такой же единственный шанс счастливо реализовался, когда обживались острова. На большинстве островов, даже на острове Вознесения, затерявшемся далеко на просторах океана, водятся животные. Мы легко можем себе представить, как туда попали, например, птицы и летучие мыши – тут от фортуны не требовалось ничего особенного. Но вот ящерицы летать не умеют. Мы чешем затылок: как же они там оказались? Теоретически можно допустить, что ящерица пересекла океан, уцепившись за обломок мангрового дерева, хотя такой поворот судьбы не кажется возможным. Был ли это зигзаг удачи или еще что‐то, факт остается фактом – на островах встречаются ящерицы. Подобные события происходят нечасто, и мы не имели удовольствия наблюдать за ними, поэтому не знаем всего наверняка. Важно, что однажды это случилось. И точно так же случайно могла зародиться жизнь на планете.

Более того, насколько нам известно, это произошло, скорее всего, на одной из миллиарда миллиардов планет во вселенной. Конечно, многие уверены в существовании жизни и на других планетах, но лишь для единственной планеты мы можем это доказать и датировать событие с точностью от полумиллиарда до миллиарда лет. Поэтому вероятность интересующего нас счастливого случая настолько невелика, что шансы на его реализацию в течение одного года где‐либо во вселенной можно было бы оценить как один к миллиарду миллиардов миллиардов. И если уж это случилось где‐либо, то этой планетой суждено было быть нашей планете, коль скоро мы с вами беседуем здесь и сейчас.

Мое мнение таково, что жизнь – не такая уж редкая штука и вполне могла где‐то возникнуть. Но есть и контраргументы. Возникает, в частности, интересный вопрос: где тогда? Предположим, посреди Тихого океана есть одинокий остров, жители которого никогда не слышали легенд о лодках, прибывших к ним откуда‐то из других обитаемых краев. Старейшины племени рассуждают о том, есть ли жизнь за пределами их родного острова. Никто никогда не добирался до них – они одни, и с этим трудно спорить. Пусть их племя умеет плавать только на каноэ, но разве другие племена не могли изобрести более мощные корабли? Почему же они не приплыли?

В наше время на земле не осталось неизведанных островов, люди отметились везде, и мало кто сейчас живет в такой глуши, что никогда не видел самолета. Наш островок во вселенной ни разу не посетили пришельцы – во всяком случае, согласно достоверным источникам. Еще более важно, что мы научились регистрировать удаленные радиосигналы. В том радиусе, на какой могут распространиться радиоволны за тысячу лет, находится около миллиона звезд. По меркам астрономии и геологии тысяча лет – короткий срок. Если развитых цивилизаций много, наверняка какие‐то из них посылают радиоволны на тысячи лет дольше, чем мы. Мы ведь должны были бы засечь хотя бы слабые сигналы, не так ли? Это не доказывает, что больше нигде во вселенной жизни нет. Но это аргумент против того, что островки разумной жизни с развитыми технологиями расположены достаточно плотно, чтобы попасть в диапазон досягаемости для радиоволн, исходящих с других островков. Если при зарождении жизни вероятность развития разумной жизни более или менее существует, то отсутствие таких сигналов доказывает, что жизнь как таковая – вообще большая редкость. Следуя той же логике, можно выдвинуть альтернативную, довольно хилую, гипотезу – что разумная жизнь периодически возникала, но вслед за изобретением радио почти мгновенно разражалась технократическая катастрофа с самоуничтожением.

Возможно, жизнь – обычная вещь во вселенной, но у нас есть все основания полагать, что это большая редкость. Отсюда следует, что, если говорить о происхождении жизни, вероятность событий такого рода очень и очень мала – это не те явления, которые можно попытаться воспроизвести в лаборатории, и не те, что химики сочли бы возможными. Этот любопытный парадокс подробно описан в книге “Слепой часовщик”, в главе “Истоки и чудеса”. Мы из кожи вон лезем, чтобы выстроить свою теорию – и, сделав это, объявляем ее абсолютно невероятной! С одной стороны, мы можем даже разволноваться, если химики вдруг предложат нам реальную с точки зрения классической теории вероятности концепцию происхождения жизни. С другой стороны, жизнь, по‐видимому, развилась за первые полмиллиарда из четырех с половиной миллиардов лет; мы просуществовали 8/9 всего возраста Земли, и интуиция подсказывает мне, что происхождение жизни на нашей планете не было таким уж незакономерным событием.

Происхождение жизни, где бы это ни случилось, сводится к случайному появлению чего‐нибудь, что способно к самовоспроизводству. В наши дни главный репликатор на земле – это молекула ДНК, однако поначалу мог быть другой репликатор. Какой именно, мы не знаем. Первичным реплицирующимся молекулам, в отличие от ДНК, не помогал умный механизм дупликации. В каком‐то смысле они должны были быть эквивалентны инструкции “Скопируй меня”, но язык этих инструкций не был строгим, понятным только умной машине. Вряд ли первичный репликатор требовал такой же сложной расшифровки, как современные команды ДНК и компьютерные вирусы. Самовоспроизводство было таким же неотъемлемым свойством структуры организма, как твердость алмаза, тем, что не надо “декодировать” и чему нет нужды “подчиняться”. Первичным репликаторам, в отличие от их более поздних преемниц – молекул ДНК, – точно не сопутствовали мудреные механизмы расшифровки и исполнения команд, потому что мудреный механизм – это такая штука, которая появилась в результате эволюции многих поколений. А пока не было репликаторов, эволюция не началась. Из-за такой своего рода “уловки-22” в происхождении жизни первичные самовоспроизводящиеся организмы вынуждены были быть настолько простыми, чтобы суметь образоваться в спонтанных химических процессах.

Как только по воле случая образовался первый репликатор, незамедлительно началась эволюция. Природа репликатора такова, что он производит популяцию своих копий, то есть организмов, также подвергающихся копированию. Следовательно, пока нет конкуренции за источники питания и природное сырье, популяция будет расти по экспоненциальному закону. Сейчас я объясню, что значит экспоненциальный рост. Коротко говоря, популяция увеличивается не за счет простого прибавления некой константы через равные промежутки времени, а планомерно удваивается. То есть очень быстро численность популяции репликаторов резко возрастет, что приведет к конкуренции между отдельными репликаторами. Копирование никогда не бывает абсолютно точным, ошибки неизбежны. Поэтому в популяции репликаторов появлялись вариации. Одни из них теряли способность к самокопированию – их разновидность не сохранялась в популяции. У других почему‐либо вырабатывались такие свойства, благодаря которым они воспроизводились быстрее или более эффективно. В популяции становилось больше таких видов. Поскольку все члены популяции боролись за одни и те же ресурсы, средний типичный класс репликаторов со временем был вынужден уступить новым, более сильным в среднем соперникам. В каком смысле более сильным? Тем, кто лучше воспроизводился, конечно. Дальнейшее повышение качества выражалось во влиянии на другие химические реакции, что приводило к более легкому течению процесса самокопирования. В конце концов стали проявляться довольно сложные эффекты, и наблюдатель – которого, разумеется, не было, ибо на развитие нормального наблюдателя потребовались миллиарды лет – уже мог бы описать процесс как декодирование и исполнение команд. А если бы того же наблюдателя спросили, каково было содержание тех команд, он ответил бы: “Скопируй меня”.

В этой истории есть явные шероховатости. В частности, уже упомянутая мной “уловка-22” для происхождения жизни. Чем больше в репликаторе структурных единиц, тем больше вероятность ошибки при копировании какой‐нибудь из них – вплоть до полного разбалансирования всего ансамбля. Это наводит на мысль, что первые, самые древние репликаторы должны были иметь очень мало структурных единиц. Однако существует некоторый минимум структурных единиц молекулы, ниже которого нельзя опускаться, иначе ее структура станет настолько примитивной, что молекула не будет способна к самокопированию. Чтобы увязать эти взаимоисключающие условия, пришлось проявить изобретательность – и не без успеха, но это уже более сложная математика, которая не укладывается в рамки нашей книги.

Строение древних копирующих механизмов – первых роботов-мультипликаторов – должно было быть гораздо проще, чем строение бактерий, но бактерии – это самые простые среди известных нам ТРКП-роботов (рис. 9.3а). У бактерий могут быть самые разные источники жизнеобеспечения, с химической точки зрения их намного больше, чем у всех остальных живых существ вместе взятых. Некоторые бактерии ближе к нам, чем к другим, чужеродным для них бактериям. Одни бактерии живут в горячих источниках и питаются серой, для других кислород – смертельный яд, третьи расщепляют сахар до спирта в отсутствие кислорода, четвертые питаются только углекислым газом и водородом, выделяя метан; фотосинтезирующие бактерии подобно растениям черпают жизненные силы в солнечном свете, но среди них есть и такие, которые осуществляют фотосинтез по совершенно другому механизму, чем растения. Разные группы бактерий демонстрируют широкий спектр вариантов биохимии, настолько радикально отличающихся друг от друга, что на их фоне все остальные – животные, растения, грибы, кое‐какие другие бактерии – выглядят как безликая серая масса.

Более тысячи миллионов лет назад бактерии нескольких типов сообща сформировали эукариотическую клетку (рис. 9.3b). Это наша клетка с ядром и прочими внутриклеточными структурами, многие из которых – например, митохондрии (мы уже встречались с ними, см. рис. 5.2) – построены из складчатых внутриклеточных мембран и имеют сложное строение. Сейчас считается, что эукариотическая клетка произошла от колонии бактерий[28]. Потом эукариотические клетки и сами объединились в колонии. Вольвокс (рис. 9.3с) – наш современник, но возможно, нечто подобное существовало уже больше миллиарда лет назад, когда клетки одноклеточного предка животных только начинали собираться в колонии. Интеграция эукариотических клеток сродни предшествующему объединению бактерий с образованием эукариотических клеток и еще более раннему объединению генов с образованием бактерий. Более крупные и компактные конгломераты эукариотических клеток называются многоклеточными организмами. На рис. 9.3d показан относительно маленький представитель многоклеточных – тихоходка. Многоклеточные организмы, в свою очередь, тоже собираются в колонии и ведут себя как один целый организм (рис. 9.3e).


Восхождение на гору Невероятности

Восхождение на гору Невероятности

Рис. 9.3. Повышение уровня организации в живой природе: (а) одиночные бактерии; (b) следующая ступень – эукариотическая клетка с ядром, образовавшаяся на основе бактериального эндосимбиоза; (с) вольвокс – колония дифференцированных эукариотических клеток; (d) более плотное и более массовое скопление дифференцированных клеток – тихоходка; организм человека – тоже колония, колония колоний, так как каждая наша клетка представляет собой колонию бактерий[29]; (е) колония индивидуальных организмов, пчелиный рой – колония колоний колоний.


Для нас наиболее сильное отклонение от прямого пути в программе “Скопируй меня” символизировал слон, но на его месте могла бы оказаться мышь, ее тоже можно считать “огромным отклонением”. Вольвокс содержит несколько сотен клеток. Мышь – крупная система, в ней около миллиарда клеток. Слона можно представить себе как колонию, состоящую из примерно 1000 миллиардов (1015) клеток, и каждая из них сопоставима с колонией бактерий. Слон-робот, который носит при себе свою схему, был бы настоящим исполином. Это колония клеток, но все они общими усилиями в конечном итоге воспроизведут одну и ту же информацию, записанную в ДНК, поскольку являются носителями копий одной и той же ДНК-инструкции.

По любой абсолютной шкале слон – не бог весть какой великан. Рядом со звездой он песчинка. Великан – относительно молекул ДНК, которые ему положено хранить и размножать. Великан – относительно реплицирующихся изготовителей слонов, которые циркулируют у него внутри.

Чтобы осознать масштабы сравнения, представьте себе, что люди спроектировали гигантского механического робота и залезли в него, как древние греки в Троянского коня. Наша механическая лошадь должна быть отмасштабирована так, чтобы каждый из ее инженеров был равен по размеру одной молекуле ее ДНК. Напомню, что в нашей терминологии живой конь – это робот, сконструированный генами, которые путешествуют вместе с ним, сидя внутри него. Так вот, если построить робота-коня, в котором мы сможем поместиться, и если по сравнению с нами он будет так же велик, как велик живой конь по сравнению с построившими его самого генами, то наш конь легко пропустит между ног Гималаи (рис. 9.4). Обычная живая лошадь состоит из миллиардов клеток. Каждая из них, за незначительным исключением, несет в себе полностью укомплектованную армию генов, хотя большинство генов в клетках всех типов спит.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 9.4. Лошадь – это транспортный робот для молекул ДНК, по сравнению с ними она ужасно огромная. Если бы люди сконструировали для себя робота-коня, чтобы ехать в нем, как в Троянском коне, Гималаи поместились бы у него между ног. Эту фантастическую картинку нарисовала моя мама, Джин Докинз, для одной из моих рождественских лекций, которые я читал в Королевском институте.


В природе живые организмы вырастают такими большими по сравнению со своими генами потому, что процесс их роста принципиально отличается от процесса создания механизма человеком, и если бы механический конь действительно был построен, то по другой схеме. Процесс роста живого организма имеет одну особенность – экспоненциальный характер. Иначе говоря, живые организмы растут путем локального удвоения.

Наше развитие начинается с одной клетки, которая очень мала. Точнее, она ровно такого размера, который нужен содержащимся в этой клетке генам. Дело в том, что биохимические реакции, в которых участвуют продукты этих генов, эффективны только при таком размере. Ни одна область этой клетки не останется без их влияния, и в результате клетка приобретет все нужные свойства. Главное свойство клетки – это способность к делению на две дочерние клетки, более или менее похожие на нее саму. Каждая дочерняя клетка, став матерью, породит еще две такие же – и у первой будет уже четыре внучки. Каждая из четырех внучек произведет по две клетки – и вот их уже восемь, и так далее. Это и есть экспоненциальный рост, или локальное удвоение.

На тех, кто видит это впервые, экспоненциальный рост производит сильное впечатление. Как я и обещал, расскажу об этом важном явлении поподробнее. Можно привести массу наглядных примеров. Сложив лист бумаги пополам, вы получите два слоя. Снова сложите тот же лист пополам – будет четыре слоя. Еще раз сложите пополам – получите восемь слоев. Вам удастся повторить эту процедуру еще три раза – пачка в шестьдесят четыре слоя будет уже слишком плотной. Но допустим, жесткость заготовки вам не мешает, и вы продолжаете ее складывать – и сложите, скажем, пятьдесят раз. Насколько толстая получится пачка? Такая, что выйдет за границы земной атмосферы и даже за орбиту Марса.

Точно так же число клеток растущего организма, удваиваясь в каждой его точке, быстро достигает астрономических значений. Голубой кит состоит примерно из ста тысяч миллиардов (1017) клеток. Но при идеальных условиях благодаря высоким темпам экспоненциального роста этот великан вырастает всего за 57 клеточных генераций. Под клеточной генерацией я подразумеваю одно удвоение. Вспомним, что клеток может быть 1, 2, 4, 8, 16, 32 и так далее. Поэтому после шести клеточных делений образуется 32 клетки. И если умножать их на два и дальше, через каких‐нибудь 57 клеточных поколений получится уже сто тысяч миллиардов клеток – вот вам и голубой кит.

На самом деле такой способ подсчета поколений клеток в клеточных линиях дает лишь приблизительную картину, не отвечающую действительности. Ясно только, что с каждым делением количество клеток удваивается. В реальности многие клетки заканчивают формирование какого‐нибудь органа – например, печени – и выходят из игры еще на ранних стадиях. Другие клетки продолжают удваиваться. Поэтому у голубого кита клеточные родословные имеют разную протяженность в зависимости от того, в постройке какой части его организма они участвуют. Некоторые из них насчитывают и больше пятидесяти семи поколений. Другие останавливаются на предыдущих делениях. Особая разновидность клеток – стволовые клетки: они остаются в запасе, с тем чтобы штамповать себе подобных.

Можно примерно оценить минимальное число клеточных делений, которые потребуются, чтобы вырастить животное известного веса при идеальных условиях. Договоримся, что у крупных животных нет сильно отличающихся по величине клеток, в основном у них такие же клетки, как и у мелких животных. Простой расчет показывает, что взрослого человека можно вырастить самое малое за 47 удвоений числа клеток, то есть всего лишь на 10 меньше, чем нужно, чтобы вырастить голубого кита. Как я уже говорил, это довольно приблизительные оценки. Верно тем не менее то, что интенсивность экспоненциального роста чрезвычайно высока, и незначительное изменение числа делений в клеточной линии приводит к резкому изменению масштаба образовавшегося множества клеток. Иногда в подобных изменениях повинны мутации.

Строительство таких колоссальных организмов – колоссальных по меркам их строителей, ДНК, и пассажиров, – это, можно сказать, гигатехнологии. Продукт гигатехнологии в миллиарды раз крупнее нас самих. Наши инженеры пока не имеют опыта в этой области технологического искусства. Даже океанские лайнеры – самые большие транспортные средства, построенные людьми, – не такие уж большие по сравнению с человеком, и мы легко обойдем все судно за считанные минуты. При строительстве кораблей мы не используем преимущества экспоненциального роста. Все очень просто – рабочие лазают по конструкциям и свинчивают или сваривают сотни заранее изготовленных стальных деталей.

ДНК, которая строит своего робота, чтобы в нем путешествовать, использует принцип экспоненциального роста. Экспоненциальный рост – мощный инструмент, которым пользуются гены, прошедшие естественный отбор. Малейший сбой в контроле на одной стадии эмбрионального развития может разительно изменить конечный результат. Если мутация вызывает одно дополнительное деление в одной из клеточных линий – допустим, делений будет не двадцать четыре, а двадцать пять, – это равносильно увеличению размеров какой‐то части тела вдвое. Тот же фокус – изменение числа клеточных делений или скорости деления клеток в процессе развития эмбриона – может привести к изменению формы той или иной части организма. Подбородок современного человека выдается вперед по сравнению с подбородком Homo erectus, человека прямоходящего, нашего не такого уж древнего предка. Чтобы придать подбородку новую форму, понадобилось всего‐то слегка поменять количество клеточных делений в отдельных зонах черепа эмбриона.

Примечательно, что деление в клеточных линиях прекращается на нужной стадии, благодаря чему мы сложены пропорционально. Бывают, конечно, печальные ситуации, когда клетки так и делятся, не останавливаясь у предполагаемого финиша. Тогда получается рак. Рэндольф Нессе и Джордж Уильямс в своей замечательной книге, которую сами они метко назвали “Дарвинистская медицина”, хотя позже издатели перегрузили ее обложку целым каскадом невнятных заголовков, высказали мудрое замечание касательно рака. Мы гадаем, почему вдруг возникают раковые опухоли, хотя следовало бы удивляться тому, что они возникают не у всех и не всегда.

Кто знает, попытаются ли люди когда‐нибудь воспользоваться гигатехнологиями? Впрочем, о нанотехнологиях уже заговорили. Гига – значит миллиард, а нано – одна миллиардная. Нанотехнология – это создание того, что в миллиард раз меньше создателя.

Уже сейчас кое‐кто – вовсе не апологеты философии Новой эры и не сектанты – убежден в том, что близятся времена, когда сюжет рисунка 9.5 станет реальностью. В таком случае практически все сферы нашей жизни подвергнутся кардинальным переменам. Взять хотя бы медицину. Нынешние хирурги – настоящие виртуозы, они безупречно выполняют филигранную работу. Они могут удалить помутневший из‐за катаракты хрусталик и вставить на его место искусственный – это высочайший уровень мастерства. Врачи вооружены самыми точными инструментами. Однако в масштабе нанотехнологии их инструменты чудовищно грубые. Вот что говорит о современных скальпелях и шовных материалах американский ученый Эрик Дрекслер, гуру нанотехнологии.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 9.5. Фантазия на тему нанотехнологий. Роботов командировали лечить поврежденные эритроциты.

Когда речь идет о капиллярах, клетках и молекулах, современные скальпели и шовные материалы – варварские орудия. Подумайте, как выглядит “тонкая” хирургическая операция в масштабе клетки: огромный нож рассекает плоть, круша все подряд, врубаясь в молекулярную структуру клеточной массы и оставляя за собой тысячи трупов. Потом, чтобы вновь собрать воедино разрозненную “толпу”, в нее внедряется гигантский шип, за которым тянется канат толщиной с цистерну товарного поезда. Самая деликатная хирургическая операция, мастерски проведенная с помощью самых совершенных инструментов, с точки зрения клетки – работа мясника. Заживление возможно лишь благодаря способности клеток отторгать мертвые клетки, перегруппировываться и приумножаться.

Как вы понимаете, “гигантский шип” – это тонкая хирургическая игла, а канат толщиной с цистерну – легчайшая хирургическая нить. Нанотехнологии дают нам надежду изготовить такие хирургические инструменты, которые будут сравнимы по размерам с клеткой. Руки хирурга не смогут удержать столь миниатюрные скальпели и иглы. Если на уровне клетки толщина нити примерно равна диаметру цистерны, то какие же должны быть пальцы хирурга! Тут придется задействовать автоматы, микроскопических роботов, примерно таких, о которых мы говорили ранее в этой главе.

Такой малютка может оказаться гениальным мастером по ремонту, например, пораженных болезнью эритроцитов. Однако ему придется “обследовать” несметное их множество, ведь у каждого из нас около 30 миллионов эритроцитов. Как же нанотехнологичный гномик с этим справится? Ответ должен быть у вас наготове: с помощью экспоненциального размножения. Есть мнение, что нанотехнологичный робот применит те же методы самоумножения, что и клетки крови. Он будет клонировать сам себя, воспроизводиться. Точно так же, как эритроциты приумножают свою армию до миллионов, благодаря преимуществам экспоненциального роста численность популяции роботов могла бы достигнуть того же порядка[30].

Нанотехнологии – дело будущего, и может, оно кончится ничем. Полагая, что игра стоит свеч, ученые руководствуются следующими соображениями. Им известно, что в наших клетках происходит нечто подобное, хотя для нас это странно и непостижимо. ДНК и молекулы белков действительно функционируют в мире, который, создай его мы, получил бы статус нанотехнологичного. Вводя вам иммуноглобулины, чтобы вы не заболели гепатитом, врач как бы внедряет в ваши кровяные сосуды натуральные нанотехнологичные инструменты. Каждая молекула иммуноглобулина – это сложно устроенная структура, как и все белки, выполняющая свою задачу благодаря свойственной ей форме (рис. 9.6). Эти маленькие медицинские инструменты делают свое дело только потому, что их миллионы. Они размножились – клонировались – методом экспоненциального роста популяции. В данном случае речь идет о биотехнологии – например, их нередко выращивают в крови лошадей. Есть другие методы – например, введение в организм вакцины, которая стимулирует организм, так что он сам начинает клонировать антитела. Ученые считают, что, если с умом разработать методы, удастся клонировать и нанотехнологичные инструменты, очень близкие к миниатюрным промышленным роботам.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 9.6. Нанотехнологии в реальности – молекула иммуноглобулина.


Очень трудно поверить в чуждые нашему разуму нанотехнологии. Машины в атомном масштабе выглядят дико, еще более загадочно, чем жизнь на других планетах в научно-фантастических романах. Для нас нанотехнологии – это что‐то из будущего. Что‐то восхитительное, совсем новое и даже немного пугающее. Однако в них нет ничего нового и недоступного пониманию, это старо, как мир. Это мы, огромные создания, – новые, загадочные и чужеродные. Мы – новинка гигатехнологии (гига – с позиции наших генов), нам всего‐то сто миллионов лет. В основном вся жизнь строится в наномире мельчайших частиц (нано – с нашей точки зрения), в мире белковых молекул, изготовленных по кодированным инструкциям ДНК и регулирующих взаимодействия между другими молекулами.

Отложим нанотехнологии на будущее. Вернемся к главной идее этой и предыдущей глав. Гены слона и человека, как и гены вируса, можно сравнить с компьютерной программой “Скопируй меня”. Гены вируса – это закодированные программы, которые, если им повезет внедриться в слона, начнут диктовать: “Клетки слона, копируйте нас”. Гены слона говорят: “Клетки слона, сделайте все вместе нового слона, запрограммируйте его так, чтобы он вырос и наделал еще больше слонов, каждый из которых будет запрограммирован на копирование нас”. Принцип тот же. Та же программа “скопируй меня”, только непрямая и более разветвленная, чем другие. Лишь программы-паразиты могут позволить себе краткость, поскольку для выполнения своих команд они используют готовые механизмы. Гены слона – в большей степени параллельная паразитирующая подпрограмма, чем самостоятельная программа. Они подобны огромной колонии поддерживающих друг друга и действующих сообща вирусов. Отдельно взятый ген слона играет не более важную роль, чем ген вируса. Каждый из них делает свое дело в коллективном строительстве механизма, необходимого всем для исполнения программы. Каждому хорошо в большом, едином сообществе. Генам вируса тоже хорошо в дружной команде генов слона, но они ничего не отдают взамен. В противном случае это были бы гены не вируса, а слона. Иначе говоря, в каждом организме есть общественно-полезные гены и вредители. Вредителями мы называем гены вируса и другие типы паразитирующих генов. Полезные члены сообщества – это гены слона (человека, кенгуру, платана и прочие). Но сами по себе гены, как хорошие, так и плохие, гены вируса и наши родные гены – это просто инструкции ДНК, и все они, каждый по‐своему, прямо или обиняками, коротко и ясно или многословно, выражают одно: “Скопируй меня”.

Глава 10

“Запертый сад”

Мы прошли немалый путь и наконец возвращаемся к самой запутанной из всех моих тем – к теме фиги. То, что я сейчас скажу, на первый взгляд, может показаться еще одной дурацкой шуткой в духе того злополучного лектора, над чьими идеями я иронизировал в первых строках книги. Фига, или инжир, – не плод, а вывернутый наизнанку цветущий сад. Она выглядит, как плод. У нее вкус фрукта. В меню нашего сознания фига принадлежит к разделу плодов, и антропологи отводят ей определенное место в структуре смысловых связей. Однако это не плод, а закрытый сад, висячий сад, одно из чудес света. Не хочу, чтобы мои слова об инжире повисли в воздухе эдакой красивой сентенцией, смысл которой могут уловить только самые проницательные умы, а простые люди останутся в недоумении. Вот что я имею в виду.

Искать смысл следует в эволюции. Путь к современной фиге лежит через цепочку промежуточных видов, менявшихся медленно и постепенно, начиная с совершенно не похожих на нее предков. Представьте себе покадровую съемку. Первый кадр – разрезанный пополам знакомый нам инжир с современного дерева, который положили на лист картона и сфотографировали. На втором кадре – такой же инжир, снятый сто лет назад. Продолжаем – столетие за столетием, инжир за инжиром, кадр за кадром, минуя те фиги, что ел Иисус Христос и собирали в садах Семирамиды рабы Навуходоносора, те, что росли в Земле Нод к востоку от Эдема, те, что хоть как‐то скрашивали недолгую и несладкую жизнь человека прямоходящего, человека умелого и малютки Люси из племени афарских австралопитеков; идем дальше – в доземледельческие времена, к диким лесным фигам и в еще более ранние эпохи. Теперь отсмотрим ленту и пронаблюдаем за превращением знакомой нам фиги в ее далекую предшественницу. Какие метаморфозы мы увидим?

Безусловно, по мере продвижения вглубь веков она сжимается – по сравнению с древними мелкими и твердыми дичками окультуренный инжир стал более объемным. Однако это лишь внешнее отличие, тоже достойное внимания, но оно произошло уже за первые несколько тысяч лет нашего экскурса в историю. Досмотрев кино до событий, происходивших миллионы лет назад, мы заметим гораздо более радикальные и впечатляющие изменения. “Плод” раскрывается. Крошечная, почти незаметная дырочка на макушке фиги набухает, становится все больше и расширяется до тех пор, пока не получится чаша. Посмотрите внимательно на поверхность чаши, и вы увидите на ней мелкие цветочки. Сначала чаша достаточно глубокая, но, по мере нашего продвижения назад во времени, она становится все мельче и мельче. В какой‐то момент она может стать похожей на подсолнух, ведь подсолнух тоже на самом деле состоит из сотен плотно упакованных в ложе цветков. Но вот стадия подсолнуха пройдена, и чаша выворачивается наизнанку, так что цветки оказываются на внешней поверхности, как у тутовой ягоды (инжир принадлежит к семейству тутовых). Смотрим дальше – после стадии тутовника цветочки разделяются, это уже напоминает гиацинт – хотя гиацинт не имеет никакого отношения к фиговому дереву.

Не слишком ли натянуто и претенциозно сравнение одиночной фиги с целым “запертым садом”? Мы же не назовем гиацинт и тутовую ягоду открытым садом. У меня есть оправдание получше, чем ссылка на “Песнь песней”. Взгляните на сад глазами насекомых, которые опыляют там цветы. В нашем понимании, сад – это обширная площадка, засаженная цветами. Для крошечных опылителей инжира внутренность одного плода – это целый сад, пусть и небольшой, вроде палисадника. В нем растут сотни карликовых цветков, мужских и женских, каждый со своими крошечными органами. Более того, для малюсеньких опылителей фига – самый что ни на есть закрытый и самодостаточный мир.

Опылителей чисто технически можно считать осами. Они все принадлежат к одному семейству Agaonidae (агаонида), и они очень маленькие, настолько маленькие, что их не разглядеть без увеличительного стекла. Говоря о том, что агаониды являются осами “чисто технически”, я имею в виду, что они совсем не похожи на черно-желтых полосатых налетчиц, атакующих летом вазочки с вареньем, однако имеют с ними общих предков. Осы, принадлежащие к роду Blastophaga (бластофаги, наездники инжирные), опыляют цветки инжира (рис. 10.1). Почти каждый вид фиговых деревьев, а их более девятисот, опыляется осами своего вида и на протяжении всей эволюции, с тех пор как каждая такая пара разошлась со своими соответствующими предшественниками, не меняет генетических партнеров. Осы полностью зависимы от фиг в плане питания, а фиги – от ос в плане опыления. Если их разъединить, ни те, ни другие долго не проживут. Пыльцу переносят только самки бластофаг, которые покидают отчий инжир. Как вы, наверное, догадываетесь, внешне они похожи на обычных ос, уменьшенных до предела возможного. Самцы, в отличие от самок, не имеют крыльев, поскольку рождаются и умирают в темном, замкнутом пространстве одной фиги; даже не верится, что это вообще осы, пусть особенного, как и их самки, вида.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 10.1. Полость инжира с бластофагами, самцами и самками.


Жизнь бластофаг представляет собой цикл – не знаешь, с чего и начать их жизнеописание. Но делать нечего – начну с того момента, когда в глубине запертого сада вылупляются личинки, по одной в каждой крохотной капсуле у корешков женских цветков. Поедая зреющие семена, они развиваются во взрослых особей, прогрызают свои капсулы и получают относительную свободу передвижения по темной камере плода. Далее жизненные пути самцов и самок расходятся. Самцы появляются на “свет” первыми и принимаются шарить по фиге в поисках капсул неродившихся самок. Обнаружив такую капсулу, самец прогрызает стенку яйца и спаривается с еще не родившейся “невестой”. После этого самка выходит из своего яйца и сама отправляется гулять по миниатюрному висячему саду. Детали тех событий, которые происходит дальше, зависят от конкретного вида наездников, но есть и моменты, типичные для всех инжирных наездников. Самка ищет мужские цветки – и чаще всего находит их у выхода из фиги. Она усердно трудится в потемках и при помощи специальных щеточек на передних лапках набивает пыльцой кармашки, расположенные во впадинах на грудке.

Любопытно, что она намеренно предпринимает столько усилий, чтобы запастись пыльцой, и что у нее есть специально предназначенная для этого “тара”. Как правило, насекомые невольно обсыпаются пыльцой, вовсе не имея такой цели. У них нет ни развитого аппарата для сбора пыльцы, ни инстинкта к ее сбору. Все это есть у пчел. Они носят на лапках корзиночки – наполненные пыльцой желтые или коричневые шарики. Но, в отличие от бластофаг, пчелы несут пыльцу на корм своим личинкам. Бластофаги же переносят пыльцу не ради пропитания. Они целенаправленно берут этот груз в специальные кармашки с единственной целью – оплодотворить фиговое дерево: осы преследуют и свою выгоду, но опосредованную. Мы еще вернемся к этому кажущемуся содружеству инжира и его опылителей.

Затарившись драгоценной пыльцой, самка покидает фигу и выходит в открытое воздушное пространство. Осы разных видов делают это по‐своему. Одни вылезают через “садовые ворота” – маленькую дырочку на макушке фиги (рис. 10.2). У других видов самцы должны пробурить “люк” в стенке, чтобы самки могли выбраться на волю, причем для этого десятки самцов объединяются в бригаду. На этом их роль заканчивается, однако у самки все самое главное еще впереди. Она вылетает в незнакомый мир и ищет, вероятно, по запаху, другой плод фигового дерева единственно подходящего ей вида. Этот плод к тому же должен достичь нужной фазы развития – когда созревают женские цветки.

Обнаружив фиговое дерево нужного вида, самка находит дырочку на макушке плода и забирается в его темное нутро. Вход страшно узкий, и пока она будет протискиваться сквозь него, ее крылышки, пожалуй, оторвутся под корень. Исследователи нередко находят в порах инжира клочки крылышек, фрагменты усиков и других осиных органов. Инжиру лучше, чтобы дырочка была маленькой, тогда внутрь не полезут непрошеные гости – всякие паразиты. Возможно, осу подвергают такой жестокой процедуре еще и для того, чтобы очистить ее от бактерий и вредоносных загрязнений. Что касается самой осы, то при всей болезненности ампутации крылышек, они ей больше не понадобятся – в тесноте закрытого сада они даже ограничивали бы свободу перемещения. Вспомним, что муравьиные матки, заканчивая брачный полет и прячась под землей, где крылышки только мешают, нередко сами себе их откусывают.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 10.2. У ворот сада – на наружной поверхности инжира видно входное отверстие.


Попав внутрь фиги, бластофага готовится перед смертью выполнить свой последний долг, и цели у нее две – опылить женские цветки и в некоторые из них отложить яйца. Не во все. Если она отложит по яйцу в каждый женский цветок, личинки сожрут все семена, и фиговое дерево лишится органа воспроизводства. Можно ли утверждать, что оса спасает часть цветков из альтруизма? Этот вопрос требует подробного разбора. В какой‐то степени теория Дарвина допускает, что у ос могло развиться нечто вроде чувства самоограничения. Но есть и такие виды фиговых деревьев, которые в заботе о собственном благополучии нормируют количество цветков, куда оса могла бы отложить яйца. Пожалуй, я не пожалею времени и отвлекусь от описания типичного жизненного цикла, чтобы рассказать о таком неординарном решении.

У некоторых видов фиговых деревьев женские цветки бывают двух разновидностей – с длинным пестиком и с коротким. Пестик – это похожий на пику женский орган цветка, расположенный в его центре. Оса пытается отложить яйца во все цветки, но короткий яйцеклад не достает до донышка цветка с длинным пестиком, и она бросает свою затею. Лишь попав на цветок с коротким пестиком, она может дотянуться до самого низа цветка и отложить яичко. Фиговые деревья других видов, с одинаковыми женскими цветками, управляют поведением пчел более драконовскими методами. По крайней мере так считает мой коллега по Оксфорду и один из самых убежденных дарвинистов современности У. Д. Хэмилтон. Исходя из своего опыта исследований в Бразилии, Хэмилтон выдвинул гипотезу, что фиговые деревья реагируют на чрезмерную эксплуатацию. Если во всех цветках отложено по осиному яичку, дереву от такого плода никакой пользы. Осы проявили эгоизм. Зарезали курочку, которая несла золотые яйца. Скорее даже, по выражению Хэмилтона, курочка решается на самоубийство. Дерево сбрасывает перегруженный плод на землю, и все осиные яйца в нем пропадают. Невольно подумаешь, что это месть, и, как показывают некоторые достойные доверия математические модели, мы отнюдь не впадаем в антропоморфизм. Но в данном случае дерево не столько жаждет отмщения, сколько стремится минимизировать собственные потери. Плод вызревает за счет его ресурсов, а если из‐за алчности осы плод погибнет, отдачи не будет. Кстати, в этой главе мы еще не раз прибегнем к языку стратегических игр, в котором используются такие термины, как “месть”, “контроль” и “управление”. В этом нет ничего плохого, если не злоупотреблять такими приемами, зачастую это просто сводится к применению математической теории игр.

Вернемся к жизненному циклу обычной бластофаги; точно Алиса, наша самочка вошла в маленькую дверцу, чтобы больше никогда не увидеть дневного света, и приготовилась освободиться от своей ноши – пыльцы, собранной в той фиге, где она родилась. Может показаться, что бластофага выполняет обязанности опылителя как бы сознательно. Она не позволяет пыльце сыпаться куда попало, как это делает большинство насекомых-опылителей, – по крайней мере, некоторые виды бластофаг разгружаются столь же технично и продуманно, как и собирают пыльцу. Вновь идут в ход щеточки на передних лапках – оса тщательно выгребает пыльцу из кармашков и аккуратно отряхивает щеточки над поверхностью опыляемого женского цветка.

Оставив свои яички в женских цветках, самка бластофаги ставит точку в своей биографии. Ее жизнь заканчивается. Она находит влажное местечко в запертом саду и умирает. Но, встречая свою смерть, оса оставляет мегабиты педантично записанной в ее яйцах генетической информации – и цикл возобновляется.

Историю, которую я только что вам изложил, можно повторить для большинства видов фиговых деревьев с кое‐какими уточнениями (скоро я об этом расскажу). Род фиговых деревьев, Ficus, один из самых обширных в природе. И весьма разнообразен по составу. Помимо двух съедобных – для нас – видов есть еще гевея, священная смоковница бенгальская (баньян), дерево Будды (фикус священный), под сенью которого медитировал Сиддхартха, всевозможные кустарники и вьющиеся растения, зловещие тропические фикусы-“душители”… Последние заслуживают нашего внимания. На нижних уровнях в лесу темно, солнечная энергия в большом дефиците. Каждое дерево старается пробиться к небу и свету. Ствол служит дереву подъемником, штативом для солнечной панели – кроны, которую надо поднять выше других крон-конкурентов. Многим побегам и отводкам суждено погибнуть. Шансы на выживание появляются у молодого деревца лишь в том случае, если рядом с ним вдруг рухнет под напором ветра и бременем лет старое дерево. На отдельно взятом участке леса такой счастливый случай выпадает, наверное, раз в сто лет. И тогда начинается охота за солнцем. Побеги и ростки всех пород в ближайшем радиусе включаются в бешеную гонку, чтобы раньше всех занять бесценную вакансию в лесном пологе.

Фикус-душитель нашел свой коварный способ сократить путь к победе и, пожалуй, мог бы дать сто очков вперед библейскому змею-искусителю (рис. 10.3). Он не ждет гибели взрослого дерева, а сам провоцирует ее. Поначалу фикус-душитель ведет себя мирно. Растет себе подобно клематису или вьющейся розе, обвивая ствол дерева другого вида. Но его усики, в отличие от усиков клематиса, день ото дня крепнут и утолщаются. Они безжалостно сжимают в объятиях несчастное дерево-опору, препятствуют его росту и в конце концов душат его до смерти – в ботанике такое тоже случается. Теперь фикус достиг немалых высот и легко выигрывает борьбу за клочок света, освободившийся после того, как он загубил старое дерево. Баньян – это тоже разновидность фикусов-душителей с одной характерной особенностью. Задавив своего хозяина, он пускает воздушные корни, которые спускаются до земли и превращаются в нормальные всасывающие корни, а их надземная часть – в добавочные стволы. Таким образом из одного дерева вырастает целая роща диаметром около 300 м – в Индии под ее покровом можно развернуть среднего размаха базар.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 10.3. (а) фикус-душитель; (b) баобаб, обвитый фикусом-душителем.


Я рассказал вам о фиговых деревьях, во‐первых, чтобы продемонстрировать, как много интереснейшей информации, не менее сенсационной, чем та, что лектор из первой главы мог нарыть в мифах, скрывают в себе фиги, а во‐вторых, чтобы дать научно обоснованные ответы на головоломные вопросы – моему непросвещенному оппоненту есть о чем подумать. Я лишь вкратце описал результаты многолетних и многотрудных исследований; это научная работа в самом высоком смысле слова – не только потому, что она выполнялась на дорогостоящей и сложной аппаратуре, но и потому что координировалась людьми с определенным складом ума. Чтобы расшифровать историю ос-опылителей, вроде бы достаточно разрезать фигу и изучить ее внутреннюю часть. Но “изучить” – звучит чересчур упрощенно. Не созерцать в задумчивости, а планомерно и тщательно записать все в цифрах и выполнить расчеты на основе полученных количественных данных. Мало нарвать инжира и разрезать его. Надо систематически собирать образцы с разных деревьев, с веток на той или иной высоте, в определенное время года. Мало смотреть на копошащихся внутри ос – надо идентифицировать их, сфотографировать, аккуратно зарисовать, пересчитать и обмерить. Классифицировать их по видам, полу, возрасту и местоположению внутри плода. Разослать образцы по музеям, чтобы провести сравнительный анализ с учетом известных мировой науке показателей. Но не просто измерить и пересчитать все подряд, лишь бы отчитаться о проделанной работе. Цель – подтвердить или опровергнуть высказанные гипотезы. И когда вы анализируете расчеты и проверяете, согласуются ли результаты вычислений и измерений с вашей гипотезой, подумайте о том, какова вероятность случайных совпадений, которые ни о чем не говорят.


Восхождение на гору Невероятности

Однако вернемся к нашим бластофагам. Как я говорил, у многих их видов самцы все вместе дружно копают лаз для самок. Почему? Почему бы какому‐нибудь самцу не отсидеться в сторонке, раз другие все равно собрались копать? Тут кроется загадка микромира, которая вечно будоражит умы биологов – загадка альтруизма. Кроме того, биологу, который хочет объяснить неспециалисту, в чем суть проблемы, мешает еще одно обстоятельство. С точки зрения простого здравого смысла, здесь нет ничего странного. Поэтому прежде чем восторгаться гениальностью решения проблемы, биолог должен доказать собеседнику, что проблема есть и ее надо решать. Что касается самцов бластофаг, вопрос встает по следующей причине. Если самец отлынивал от работы, пока его товарищи трудились, значит, он сохранил энергию для спаривания и может не сдерживать свой пыл ради того, чтобы потом ему хватило сил ковырять стенку. При прочих равных гены, отвечающие за отказ помогать товарищам, будут передаваться по наследству за счет других генов, отвечающих за стремление к коллективному труду. Если гены типа Х передаются за счет генов типа Y, это равносильно тому, что гены Y исчезнут из генотипа, вытесненные генами Х. В итоге никакая дыра, конечно, сделана не будет, и пострадают все самцы. Но само по себе это еще не стимулирует самцов к работе. Вот если бы они мыслили, как люди, тогда могло бы стимулировать, но они не люди, а для естественного отбора краткосрочная выгода всегда предпочтительнее. Какой‐нибудь один самец сможет использовать ее для себя, благо все остальные роют, и тогда он устранится и сохранит свою энергию. В таком случае естественный отбор приведет к тому, что популяция вовсе утратит способность рыть ходы. Почему этого не произошло – вот в чем вопрос. К счастью, мы примерно понимаем, как на него ответить.

Отчасти отгадка кроется в родственных связях – в высокой вероятности того, что внутри одной фиги все самцы братья. У братьев обычно воспроизводятся одни и те же варианты генов. Самцы-копатели родятся не только от тех самок, с которыми спаривался наш герой, но и от тех, с кем спаривались его братья. Все эти самки понесут в себе за пределы фиги копии генов, стимулирующих совместный труд. Таким образом нужные варианты генов распространятся, и это объясняет, почему самцы сохраняют свои повадки.

Однако родственные связи не дают исчерпывающего ответа. Не буду сейчас подробно все расписывать, но дело в том, что в этой игре есть и другие правила, не связанные с родством; я имею в виду взаимодействие осы и фиги в этой игре. История их сосуществования – это история сделки на жестких условиях, история доверия и предательства, предрасположенности к нарушению своих обязательств под влиянием неосознанной тяги к отмщению. Нечто подобное мы уже заметили в теории Хэмилтона о том, что дерево отторгает перегруженные яйцами осы плоды. И уже по привычке я вновь хочу подчеркнуть, что ничего не делается осознанно. Ни один здравомыслящий человек не скажет, что растения обладают сознанием, так что с фигой все ясно. С осами может быть сложнее, но в контексте этой главы мы полагаем, что стратегия ос строится на той же основе, что стратегия фиговых деревьев, которые, вне всякого сомнения, ничего не осознают.

Запертый сад – это рай, который возделывается для мелких насекомых, и неудивительно, что в нем обитают не только бластофаги, опылители и главные хранители рая, но и копошатся разнообразные представители карликовой фауны. Это мир микроскопических клещей и червячков, а также личинок жуков, мотыльков и мух. У ворот сада всех их подстерегают хищники, которые ждут своего шанса полакомиться живой “начинкой” фиги (рис. 10.4).

На самом деле опылителями работают не только маленькие осы, обитающие в фигах и объединенные в семейство Agaonidae. У этих трудяг есть дальние родственники, дармоеды, любители пожить за их счет. Это наездники (= паразитические осы), отличающиеся от ос длинным яйцекладом, замещающим жало. Они не залезают внутрь фиги через дырочку в верхней ее части, а попадают туда, можно сказать, при подкожной инъекции яичек через стенку фиги с помощью длинного и тонкого “шприца” – специфического яйцеклада своих матерей (рис. 10.5). Наездники нащупывают кончиком яйцеклада цветочки внутри фиги, куда уже отложили яйца честные бластофаги. Самки наездников видом и действиями напоминают буровую установку, они просверливают ход, для крохотного насекомого эквивалентный тридцатиметровой шахте. Самцы наездников по большей части тоже бескрылые (рис. 10.6). В заключение добавлю, что существуют также паразиты второго порядка – эти осы трутся рядом с “бурильщицами”, выжидая, когда те закончат работу. Как только первая оса вытащит свой “бур”, ее нахлебница просовывает внутрь собственный, не такой мощный яйцеклад и откладывает свои яички.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 10.4. Кошмары бластофаги. Снаружи, у ворот сада, осу уже поджидает злой муравей.


Наездники всех видов, как и обычные опылители, тоже играют друг с другом в сложные стратегические игры. У. Д. Хэмилтон изучал их, когда работал в Бразилии вместе со своей женой Кристиной. В отличие от бластофаг, у наездников крылья имеют не только самки, но часто и самцы. У одних видов все самцы с крылышками, у других – все бескрылые, а у третьих возможны оба варианта. Бескрылые самцы, как и те, что принадлежат к виду опылителей, никогда не покидают пределов родной фиги – там они живут, спариваются и умирают. Крылатые выбираются наружу вместе с самками и спариваются позже с еще неоплодотворенными самками. Таким образом, для самцов возможны две жизненные стратегии, и у некоторых видов реализуются обе. Любопытно, что крылья, как правило, есть у самых редких видов, а те, что встречаются чаще, скорее всего, окажутся бескрылыми. В этом есть резон, поскольку самцы распространенных видов с большей вероятностью найдут себе пару своего вида в своей же фиге. Но самец редкого вида, возможно, окажется единственным мужчиной в племени. Единственная надежда оставить потомство – это улететь и искать свою половинку во внешнем мире. И действительно, Хэмилтон обнаружил, что крылатые самцы не спариваются, пока не покинут родную фигу.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 10.5. На разрезе фиги видны самки наездников, размахивающие своими “бурами”-яйцекладами.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 10.6. Захребетники: наездники Apocrypta perplexa не опыляют фиги, но используют их для своих нужд. (а) самка; (b) уменьшенное изображение самки с яйцекладом наготове; (с) бескрылый самец вовсе не похож на наездника.


С точки зрения стратегии нас больше интересуют те виды, в которых представлены оба типа самцов. Это практически все равно что иметь три разных пола. Внешне крылатые самцы гораздо больше напоминают самок, чем своих бескрылых товарищей. И в самках, и в крылатых самцах вы почти без сомнений опознаете ос, пусть совсем крошечных. У бескрылых самцов нет ни одного внешнего признака, который роднил бы их с осами. У многих есть жуткие клешнеобразные челюсти, из‐за чего они становятся похожи на уховерток, которые ползут задом наперед. Это исключительно боевое оружие – самцы режут и рвут на части соперников, когда те случайно попадаются им на темных, влажных дорожках безмолвного сада, единственного известного им мирка. Профессор Хэмилтон эффектно описывает их повадки.

Они действуют в бою жестко и вместе с тем осторожно, можно сказать, подлыми методами, но если подумать и провести понятную человеку аналогию, это было бы несправедливо: представьте себе темное помещение, где полно народу, и среди толпы, а также в шкафах, дверцы которых открываются на все стороны, в каждом уголке прячется с десяток вооруженных ножами маньяков. Один укус может стать фатальным. Самец рода Idarnes способен перекусить врага пополам, но обычно для летального исхода достаточно небольшого прокола. Маленькая ранка почти наверняка и очень быстро приведет к параличу, что наводит на мысли о яде… Если после обмена одним-двумя укусами серьезных повреждений не последовало, один из бойцов, возможно, лишившись ноги или еще почему‐либо признав свое поражение, ретируется и старается спрятаться… Теперь он может из укрытия попытаться тяпнуть за ногу победителя или другого пробегающего мимо самца, но это уже не так опасно… Из-за подобных схваток один урожай большого фигового дерева, по‐видимому, приносит несколько миллионов смертей.

Два разных типа самцов одного биологического вида – не такая уж редкость в животном мире, просто у наездников это выражается более ярко. Среди самцов благородного оленя встречаются безрогие особи – комолые, как их называют, – и они достойно соперничают в размножении со своими рогатыми конкурентами. Ученые рассматривают два сценария для подобных случаев. Первый – “меньшее из зол”. По-видимому, он подходит одиночным пчелам Centris pallid. Самцы этого вида делятся на “патрульных” и “вертолетчиков”. Первые – крупные. Они активно ищут не вылупившихся из подземного инкубатора самок, закапываются и спариваются с ними под землей. “Вертолетчики” – мелкие. Эти землю не роют, а зависают в воздухе, поджидая вылета самок, которых не заметили патрульные. Очевидно, патрульным достается больше, но если ты маленький самец и тебе трудно преуспеть в качестве патрульного, можно попробовать извлечь все возможные выгоды из альтернативной стратегии. Как всегда, речь идет о генетике, а не об осознанном выборе стратегии.

Второй подход к объяснению сосуществования самцов разных типов – теория устойчивого равновесия. Она применима, наверное, к осам-паразитам. Суть идеи в том, что если в популяции сохраняется определенное соотношение численности обоих типов, самцы воспроизводятся одинаково эффективно. Вот как поддерживается равновесие. Самец редкого типа старается вовсю именно потому, что таких, как он, мало. Следовательно, наездников его типа рождается больше, и постепенно они становятся уже не такими редкими. Раз этот тип столь преуспел и размножился, уже второй тип использует преимущество относительно редкой разновидности и, соответственно, начинает приумножать свои ряды. Равновесие поддерживается примерно так же, как в термостате. Кажется, что происходят постоянные сильные колебания, но на самом деле они не нужны, точно так же, как не требуются значительные колебания температуры воздуха в комнате, чтобы регулировать ее с помощью кондиционера. Кроме того, вовсе не обязательно соотношение типов будет пятьдесят на пятьдесят. Естественный отбор возвращает численность самцов разных типов к равновесным значениям, каковы бы они ни были. Равновесным считается такое соотношение, при котором самцы обоих типов размножаются с равным успехом.

Как подобный сценарий мог бы выполняться сам собой в случае инжирных наездников? Прежде всего необходимо, чтобы самки откладывали одно-два яйца, а затем перелетали на другую фигу (как вы помните, они пропихивают свой яйцеклад в фигу извне). На то есть веские причины. Если самка сложит все свои яички в одну фигу, ее дочери и бескрылые сыновья с большой вероятностью начнут совокупляться, а инцест, как известно, штука дурная – именно поэтому для цветов нежелательно самоопыление. Так или иначе, самки стараются распределить свое потомство равномерно по всем фигам. Вследствие этого в некоторых фигах – по чистой случайности – вовсе не будет яиц данного вида. Где‐то не окажется яиц с самцами, а где‐то – с самками.

Посмотрим теперь, какие возможности открываются перед бескрылым самцом. Если он вылупится в той фиге, где нет яиц с самками, ничего хорошего его не ждет. С точки зрения генетики, его род оборвется. Но если в его фиге окажутся самки, он сможет спариться с ними, хотя надо будет еще отбить даму у других самцов своего типа – неудивительно, что эти крошечные наездники мужского пола слывут одними из самых непримиримых и хорошо вооруженных воинов в царстве животных. Если в фиге найдется хоть один бескрылый самец, мало кто из самок вылетит на волю неоплодотворенной. В некоторых фигах есть женские яйца, но нет мужских. Тогда самки вылетят девственницами и смогут спариться только с крылатыми самцами уже на воле.


Восхождение на гору Невероятности

Рис. 10.7. Запертый сад


Таким образом, крылатые самцы преуспевают лишь в том случае, если в каких‐нибудь фигах есть только женские яйца и нет мужских. Насколько это вероятно? Это зависит от относительной “плотности населения” ос в фигах, а также от доли крылатых самцов. Если ос вообще мало по отношению к количеству фиг, мало будет и яиц в целом, и в некоторых плодах с большой вероятностью окажутся только яйца с женскими особями. Крылатым самцам это выгодно. А что происходит в большой популяции наездников? Скорее всего, в плодах будут осы обоих полов. Самки в основном спарятся с бескрылыми самцами раньше, чем успеют улететь, и крылатые самцы останутся ни с чем.

Хэмилтон произвел более точные расчеты. Он пришел к выводу, что при среднем количестве мужских яиц в фиге больше трех крылатые самцы практически не воспроизводятся. Если плотность мужской популяции выше этого значения, естественный отбор склоняется в сторону бескрылости у самцов. При среднем количестве яиц в фигах не более одного страдают бескрылые самцы, потому что у них, вероятно, вообще не будет соседей, не говоря уже о самке. В таких условиях естественный отбор благосклонен к самцам с крыльями. В промежуточных состояниях начинает действовать теория устойчивого равновесия, и естественный отбор поддерживает определенное соотношение крылатых и бескрылых самцов в популяции.

Как только заработает принцип устойчивого равновесия, естественный отбор обязательно встанет на сторону меньшинства, а точнее – того типа, который опустился ниже критической частоты в популяции, каково бы ни было ее значение. Это можно сформулировать короче – естественный отбор действует в пользу критической частоты в популяции. При этом критическая частота будет меняться в зависимости от вида и фактической плотности популяции ос относительно фиг. Разные виды ос с характерными для них соотношениями ос и фиг можно сравнить с разными комнатами, в которых температура регулируется кондиционерами. В каждой комнате термостат задает свою температуру. Допустим, в одной фиге в среднем находится три мужских яйца данного вида – тогда естественный отбор устроит так, чтобы 90 % самцов в популяции оказались бескрылыми. Если среднее число мужских яиц в одной фиге равно двум, для этого вида естественный отбор оставит без крыльев примерно 80 % самцов. Учтите, что мы говорим о двух самцах на фигу в среднем. Это не означает, что в каждой фиге будет по два самца. Среднее “два” складывается из тех фиг, в которых нет ни одного самца, из фиг с одним самцом, с двумя и более. Оставшиеся 20 % крылатых самцов сохраняют свою генетическую линию не за счет тех фиг, где сидят по два самца и где, скорее всего, всех самок разберут еще до того, как они улетят, а за счет тех, где нет ни одного самца.

Можно ли доказать, что в природе у ос-паразитов действует теория устойчивого равновесия, а не принцип выбора меньшего из зол? Главное отличие этих двух теорий друг от друга заключается в том, что самцы обоих типов одинаково успешны при размножении. Хэмилтоны нашли доказательства того, что самцы обоих типов с равным успехом спариваются с самками. Исследователи наблюдали за десятью видами наездников. Выяснилось, что для всех видов соотношение численности крылатых и бескрылых самцов коррелирует с долей вылетевших из фиг неоплодотворенных самок. То есть, у тех видов, где 80 % самок покинули свои фиги до спаривания, 80 % самцов имели крылья. Если 70 % самок были оплодотворены до вылета из фиги, то 70 % самцов этого вида оказывались бескрылыми. Похоже на то, что между двумя типами самцов соблюдается именно та пропорция, которая гарантирует равномерное распределение самок. Это говорит в пользу теории устойчивого равновесия и против принципа меньшего из зол. Прошу прощения, если заморочил вам голову, но с фиговыми деревьями всегда все не просто.

Оставим в покое наездников и снова займемся бластофагами, добросовестными труженицами и экспертами в области опыления фиговых деревьев. Если повесть о наездниках показалась вам запутанной, приготовьтесь к последнему удару. Я приложил немало усилий к тому, чтобы объяснить вам большой и сложный материал, и горд собой, но теперь немного трушу. Давайте так: я сделаю все, что смогу, а если не справлюсь, виноваты будут фиги с их партнерами, осами. Или вините не их и не меня, а естественный отбор, который на протяжении всей эволюции творил чудеса в этом затейливом танце природы. Непросто будет одолеть последние страницы, но я тешу себя надеждой, что мы не напрасно тратим силы и время.

Те фиги, где разворачивается нижеследующая история, относятся к двудомным растениям. Такие фиговые деревья могут быть мужскими и женскими – на однодомных (обоеполых) деревьях, о которых мы говорили прежде, соседствуют мужские и женские цветки. Цветки