Наука Плоского мира. Книга 2. Глобус - Йен Стюарт

В случае с ДНК проблема усугубляется еще и тем, что нет никакого определенного правила, которое «переводило» бы код ДНК в организм. Раньше биологи считали, что такой должен существовать, и возлагали большие надежды на изучение этого «языка». Тогда ДНК реального (потенциального) организма представляла бы собой закодированную последовательность, сообщавшую связную историю о биологическом развитии, а все остальные последовательности были бы просто тарабарщиной. В действительности же биологи предполагали, что смогут посмотреть на цепочку ДНК тигра и увидеть в ней фрагменты, отвечающие за полоски, когти и так далее.

Это было довольно оптимистично. На данный момент мы можем увидеть кусок ДНК, отвечающий за белки, из которого сделаны когти, или кусок, отвечающий за оранжевые, черные и белые пигменты, которые окрашивают шерсть полосками – но все это очень далеко от нашего понимания истории ДНК. Сейчас становится ясно, что в развитии организма также участвуют многие факторы, не имеющие отношения к генетике, поэтому «языка», который переводил бы ДНК в живые создания, не может существовать в принципе. К примеру, ДНК тигра превращается в тигренка только при наличии яйцеклетки матери. При такой же ДНК и яйцеклетке мангуста никакого тигра не получится.

Хотя, возможно, это лишь техническая проблема: что для каждого кода ДНК существует уникальный вид материнского организма, который превращает его в живое создание, поэтому форма этого создания все же заложена в коде. Но теоретически, по крайней мере, один и тот же код ДНК может создать два абсолютно разных организма. Пример этого мы приводим в книге «Гибель хаоса», в которой развивающийся организм впервые «видит», в чреве какой матери находится, а затем выбирает путь развития в зависимости от увиденного.

Гуру сложных задач Стюарт Кауффман поставил эту проблему еще на один уровень выше. Он указывает, что если в физике мы можем предопределить фазовое пространство системы, то в биологии этого никогда не будет возможным. Биологические системы более креативны, чем физические: организация материи внутри живых созданий имеет иную качественную природу, чем в неорганических материях. В частности, организмы способны эволюционировать, после чего, как правило, они становятся еще более сложными. Например, рыбоподобные предки людей были гораздо проще, чем мы. (Мы не устанавливали мер сложности, но это утверждение верно в случаях с большинством таких разумных мер, поэтому давайте не будем углубляться в понятия.) Эволюция не всегда сопровождается повышением сложности, но когда так случается, это совсем сбивает нас с толку.

Кауффман противопоставляет две системы. Первая – традиционная для физики термодинамическая модель, состоящая из N молекул газа (имеющих вид жестких сфер), перемещающихся в 6N-мерном фазовом пространстве. Это пространство известно нам заранее, и мы можем точно определить его динамику и вывести основные законы. Среди них присутствует и второй закон термодинамики, который утверждает, что с высочайшей долей вероятности по прошествии времени система станет менее упорядоченной и молекулы равномерно распространятся по вмещающему их пространству.

Вторая система – это «биосфера», или эволюционирующая экология. В этом случае с используемым фазовым пространством не все ясно. Потенциальные возможности либо слишком велики, либо слишком ограниченны. Допустим на мгновение, что давняя мечта биологов сбылась и язык ДНК живых организмов оказался правдой. Тогда мы могли бы использовать пространство ДНК как наше фазовое пространство.

Однако, как мы только что увидели, лишь крошечная и запутанная часть этого пространства представляет реальный интерес – правда, нам не известно, какая именно это часть. Если сюда добавить то, что такого языка, возможно, и не существует вовсе, то весь этот метод рассыпается в прах. С другой стороны, если фазовое пространство слишком мало, то обоснованные изменения могли бы вообще вывести организмы за его пределы. Например, пространство тигра можно было определить по количеству полосок на теле большой кошечки. Но если котик однажды эволюционирует и вместо полосок у него появятся пятна, для этого не останется места в тигрином фазовом пространстве. Конечно, это уже не тигр… хотя его мать и была тигрицей. Мы не можем разумно исключать такие новшества, если хотим понять реальную биологию.

Организмы эволюционируют, претерпевают изменения. Иногда эволюцию можно рассматривать как открытие новых участков фазового пространства, которые просто сидели и ждали этого, не занятые другими организмами. Если окрас и узор на теле насекомого чуть-чуть изменятся, то мы увидим открытие новых участков определенного «пространства насекомого». Но если у него появится совершенно новая особенность, например крылья, то кажется, что само фазовое пространство претерпело изменения.

Отразить феномен новшества в математической формуле весьма непросто. Математики любят предопределять пространство возможностей, но вся суть новшеств состоит в открытии новых возможностей, которые ранее были скрыты из виду. Поэтому Кауффман считает, что ключевым свойством биосферы является невозможность предопределения его фазового пространства.

Несмотря на риск намутить воду, стоит заметить, что даже в физике предопределить его не так просто, как может казаться. Что происходит с фазовым пространством Солнечной системы, когда ее небесные тела разрушаются или соединяются? Луна, предположительно[17], отделилась от Земли после столкновения с телом, размер которого был близок к размеру Марса. До этого события в фазовом пространстве Солнечной системы не было координаты, соответствующей Луне – она появилась потом. То есть оно расширилось с появлением Луны. Фазовые пространства физики всегда подразумевают определенный контекст. В физике такие предположения обычно устраняются сами собой. В биологии – нет.

Есть в физике и еще одна проблема. Например, то 6N-мерное фазовое пространство в термодинамике довольно велико. Оно включает в себя состояния, не относящиеся к физике. Из-за странностей математики законы движения упругих сфер не описывают того, что происходит при одновременном столкновении трех и более из них. Поэтому мы вынуждены исключить из этого простого и красивого 6N-мерного пространства все возможные условия, при которых происходит тройное столкновение где бы то ни было – в будущем или прошлом. Об этих условиях нам известны четыре факта. Они случаются очень редко. Они могут случаться. Они образуют чрезвычайно сложное облако точек в фазовом пространстве. И наконец, решительно невозможно определить на практике, можно ли исключить заданные условия или нет. Если бы эти не относящиеся к физике состояния были хоть чуть более распространены, то предопределить фазовое пространство в термодинамике было бы так же трудно, как и в биосфере. Но они являются лишь незримо малой долей, и мы можем позволить себе их игнорировать.

Тем не менее определенный шанс приблизиться к предопределению фазового пространства биосферы существует. Пусть мы не умеем предопределять пространство всех возможных организмов, зато нам по силам взглянуть на любой конкретный организм и, по крайней мере, теоретически сказать, какие потенциальные изменения могут с ним произойти. Это называется пространством смежных возможностей, то есть локальным фазовым пространством. Тогда инновация становится процессом расширения смежных возможностей. Это вполне разумно и привычно. Но, что более спорно, Кауффман предполагает захватывающую вероятность того, что могут существовать общие законы, которые регулируют подобные расширения и совершенно противоположные известному второму закону термодинамики. На самом деле второй закон гласит, что термодинамические системы упрощаются с течением времени, и все наиболее интересные структуры «размываются» и исчезают. Согласно предположению Кауффмана, напротив, биосфера расширяется в пространстве смежных возможностей с максимальной скоростью, при которой сохраняется ее биологическая система. В биологии инновации происходят максимально быстро.