Розділ «4. Генна машина»

Машини для виживання спершу були пасивними сховищами генів, надаючи їм прихисток від хімічних атак їхніх конкурентів і руйнувань від випадкових молекулярних бомбардувань. У ті давні часи вони «харчувались» органічними молекулами, поширеними в первісному бульйоні. Але коли в ньому органічна їжа, що століттями повільно створювалася під впливом енергії сонячного світла, закінчилася, цьому безтурботному життю настав край. Тоді один з головних різновидів машин для виживання, що його тепер називають рослинами, почав сам безпосередньо використовувати сонячне світло для створення складних молекул з простих, реактивуючи процеси синтезу первісного бульйону зі значно вищою швидкістю. Інший різновид, тепер відомий як тварини, «відкрив», що можна експлуатувати хімічну працю рослин, поїдаючи їх або ж інших тварин. У ході еволюції обидва головні різновиди машин для виживання вдавалися до дедалі вигадливіших способів збільшити свою ефективність у різноманітних умовах життя, безперервно знаходячи нові можливості. Поступово виникали дедалі менші різновиди, кожен з яких пристосовувався до конкретного середовища існування: в морі, на землі, в повітрі, під землею, на деревах, всередині інших живих організмів. Таке розгалуження призвело до появи величезного різноманіття тварин і рослин, що так вражає нас сьогодні.

Тварини і рослини еволюціонували в багатоклітинні організми, де кожна клітина отримала повні копії усіх генів свого виду. Ми не знаємо, коли, чому, скільки разів та наскільки незалежно це сталося. Дехто використовує метафору колонії, описуючи організм як колонію клітин. Мені ж більше до вподоби вважати організм колонією генів, а клітину — зручною робочою одиницею їхньої хімічної активності.

Проте, хоча організми і є колоніями генів, у своїй поведінці вони, безумовно, набули власної індивідуальності. Тварина рухається як скоординоване єдине ціле, як одиниця. Суб’єктивно я відчуваю себе одиницею, а не колонією. Цього й слід було очікувати. Адже добір віддавав перевагу генам, що кооперуються з іншими. В шаленій конкуренції за дефіцитні ресурси, в безжальному намаганні з’їсти інші машини для виживання та не дати з’їсти себе, перевага, мабуть, була на боці центральної координації, а не анархії всередині комунального організму. В наші дні заплутана взаємна коеволюція генів досягла такого ступеня, що комунальну природу окремої машини виживання практично неможливо розрізнити. По суті, багато біологів і не розрізняють її, а тому не погодяться зі мною.

На щастя для того, що журналісти могли б назвати «достовірністю» решти матеріалу цієї книги, незгода ця є, переважно, академічною. Так само, як недоречно говорити про кванти та елементарні частинки, коли ми обговорюємо роботу автівки, часто не варто постійно згадувати гени, обговорюючи поведінку машин для виживання. На практиці зазвичай зручно розглядати окремий організм як агент, що «намагається» збільшити кількість усіх своїх генів у майбутніх поколіннях. Я використовуватиму зручну мову. Якщо не пропонується щось інше, терміни «альтруїстична і егоїстична поведінка» означатимуть поведінку певного тваринного організму стосовно іншого.

Цей розділ присвячений поведінці — вмінню швидко рухатися, що її активно використовує тваринний різновид машин для виживання. З часом тварини стали активними заповзятливими носіями генів — генними машинами. Основною характеристикою поведінки для біологів є швидкість її руху. Рослини теж рухаються, але дуже повільно. Швидкість витких рослин нагадує темп тварин лише на пришвидшеному перегляді відео. Та й здебільшого рух рослин — це насправді незворотний ріст. Тварини ж за час еволюції виробили у сотні тисяч разів швидші способи рухатись. Окрім цього їхні рухи є зворотними і можуть повторюватись безліч разів.

Пристроєм, що розробили тварини для досягнення швидких рухів, був м’яз. М’язи, наче паровий двигун чи двигун внутрішнього згоряння, використовують енергію хімічного палива для створення механічного руху. Різниця полягає в тому, що безпосередня механічна сила м’яза має форму натягу, а не газового тиску. А ще м’язи схожі на двигуни тим, що часто докладають свою силу до різноманітних тросиків і важелів із шарнірами. В наших тілах важелі називаються кістками, тросики — сухожиллями, а шарніри — суглобами. Про те, які саме молекулярні процеси відбуваються під час роботи м’язів, відомо доволі багато, але мене більше цікавить синхронізація м’язових скорочень.

Чи доводилося вам колись бачити, як працює складний автомат: в’язальна чи швацька машина, ткацький верстат, автомат для наливання напоїв, сінов’язалка? Рушійна сила надходить від якогось одного джерела — електродвигуна чи, скажімо, трактора. Але більше вражає складна синхронізація операцій. Клапани відкриваються і закриваються у певній послідовності, сталеві пальці вправно перев’язують брикет сіна вузлом, а потім у чітко визначений момент вискакує ніж, що перерізає мотузку. В багатьох штучно створених машинах синхронізація досягається завдяки блискучому винаходові — розподільчому кулачку. За допомогою ексцентрика або коліщатка особливої форми він перетворює простий обертальний рух на складну ритмічну схему операцій. Подібний принцип використовується й у музичній скриньці. Інші машини, такі як паровий орган чи піанола, використовують паперові валики або перфокарти з отворами, пробитими у певному порядку. Нещодавно з’явилася тенденція заміняти такі прості механічні синхронізатори електронними. Цифрові комп’ютери є прикладом великих і багатоцільових електронних пристроїв, що їх можна використовувати для генерування складно синхронізованих схем рухів. Основним компонентом сучасної електронної машини, такої як комп’ютер, є напівпровідник, добре відомий нам у формі транзистора.

Скидається на те, що машини для виживання взагалі обходяться без розподільчого кулачка і перфокарт. Апарат, що його вони використовують для синхронізації своїх рухів, має більше спільного з електронним комп’ютером, хоча головний принцип його дії зовсім інший. Основна одиниця біологічних комп’ютерів (нервова клітина, або нейрон) насправді нічим не нагадує транзистор своєю внутрішньою роботою. Звичайно, код, яким нейрони спілкуються між собою, дещо схожий на імпульсні коди цифрових комп’ютерів, але окремий нейрон є значно складнішою одиницею обробки даних, ніж транзистор. Замість лише трьох з’єднань з іншими компонентами, один нейрон може мати їх десятки тисяч. Нейрон є повільнішим за транзистор, але пішов значно далі в напрямку мініатюризації — тенденції, що панує в галузі електроніки протягом останніх двох десятиліть. Доказом цього є той факт, що людський мозок містить кілька десятків тисяч мільйонів нейронів, тоді як до черепної коробки ввійшло б лише кілька сотень транзисторів.

Рослини не мають потреби в нейронах, бо живуть не рухаючись з місця, але у переважній більшості тварин вони присутні. Можливо, нейрони були «відкриті» на початку еволюції тварин та успадковані усіма групами або заново відкривалися кілька разів незалежним чином.

У своїй основі нейрони є просто клітинами, з ядром та хромосомами, як і решта клітин. Але стінки їхніх клітин мають довгі, тонкі вирости, схожі на дротинки. Дуже часто нейрон має одну особливо довгу «дротинку», що називається аксоном. Хоча ширина аксону мікроскопічна, його довжина може сягати кількох метрів: існують деякі аксони, що тягнуться уздовж усієї шиї жирафа. Зазвичай аксони збираються разом у товсті переплетені кабелі, що називаються нервами. Нерви тягнуться з однієї частини тіла до іншої, передаючи інформацію подібно до магістральних телефонних кабелів. Інші нейрони мають короткі аксони, обмежені тісними скупченнями нервової тканини, що називаються гангліями або, коли вони дуже великі, мозком. За його функцією мозок можна вважати аналогом комп’ютерів[15]. Вони аналогічні в тому, що обидва типи машин генерують складну схему реакції після аналізу вхідної інформації та звіряння зі збереженими даними.

По суті, головним способом сприяння мозку успіхові машин для виживання є контроль і координація м’язових скорочень. Для цього потрібні кабелі, що ведуть до м’язів і називаються руховими нервами. Але синхронізація м’язових скорочень призводить до ефективного збереження генів, лише якщо вона має якесь відношення до синхронізації подій у навколишньому світі. Важливо, щоби щелепні м’язи скорочувалися лише тоді, коли щелепам є що кусати, а м’язи ніг скорочувалися для бігу лише тоді, коли треба бігти за кимось чи від когось. Із цієї причини природний добір віддавав перевагу тваринам, що виробили в себе органи чуттів — пристрої, що перекладають інформацію про фізичні події у навколишньому світі на імпульсний код нейронів. Мозок під’єднаний до цих органів чуттів — очей, вух, смакових рецепторів тощо — за допомогою кабелів, що називаються чутливими нервами. Робота сенсорних систем особливо незбагненна, бо вони здатні досягати значно більшої майстерності в розпізнаванні образів, ніж найкращі та найдорожчі машини, штучно створені людиною. Якби це було не так, усі друкарки були б звільнені та замінені машинами для розпізнавання усної мови або машинами для читання рукописного тексту. Але без друкарок не обійтися ще багато десятиліть.

Можливо, були часи, коли органи чуттів з’єднувалися з м’язами більш-менш безпосередньо. По суті, актинії сьогодні недалеко зайшли від такого стану, оскільки для їхнього способу життя він є цілком ефективним. Але, щоби досягти більш складних та непрямих зв’язків між синхронізацією подій у навколишньому світі і синхронізацією м’язових скорочень, був потрібен якийсь проміжний мозок. Помітним досягненням став «винахід» у ході еволюції пам’яті. Завдяки цьому пристосуванню на синхронізацію м’язових скорочень можуть впливати не лише нещодавні події, але й події далекого минулого. Пам’ять, або накопичувач інформації, є також важливою частиною цифрового комп’ютера. Комп’ютерна пам’ять надійніша за людську, але вона має меншу місткість та значно менш витончена в своїх техніках пошуку і відновлення інформації.

Однією з найбільш вражаючих властивостей поведінки машини для виживання є її очевидна цілеспрямованість. Під цим я розумію не лише те, що вона існує на те, щоб допомогти виживанню генів тварин, хоча, звичайно, так і є. Я маю на увазі ближчу аналогію з цілеспрямованою поведінкою людини. Спостерігаючи за твариною у пошуках їжі, статевого партнера або загубленого дитинчати, ми навряд чи можемо втриматися, щоб не приписати їй суб’єктивні відчуття, що їх самі зазнаємо під час таких пошуків. Сюди може належати «бажання» якогось об’єкта, «ментальний образ» бажаного об’єкта, «мета» чи «остаточна ціль». Кожен із нас знає з досвіду власної інтроспекції, що, принаймні, в одній сучасній машині для виживання ця цілеспрямованість еволюціонувала у властивість, що її ми називаємо «свідомістю». Я недостатньо знаюся на філософії, щоб розмірковувати про її значення, але, на щастя, це не важливо для наших нинішніх потреб, бо можна собі говорити про машини, що поводяться, неначе мотивовані якоюсь метою, відсунувши набік проблему, чи дійсно вони є свідомими. По суті, ці машини дуже прості, а принципи несвідомої цілеспрямованої поведінки досить поширені у технічних науках. Класичним прикладом є відцентровий регулятор Джеймса Ватта.

Задіяний в його основі принцип називається негативним зворотнім зв’язком, що може мати багато різних форм. Загалом відбувається таке. «Цілеспрямована машина» — машина або річ, що поводиться, неначе має перед собою певну свідому мету, — споряджається тим чи іншим вимірювальним пристроєм, що вимірює невідповідність між поточним станом речей та «бажаним». Він створений так, що чим більшою є ця невідповідність, тим важче працює машина. Таким чином машина автоматично прагнутиме зменшити цю невідповідність (ось чому це називається негативний зворотній зв’язок), а досягаючи «бажаного» стану, може заспокоюватися. Регулятор Ватта складається з двох кульок, що обертаються паровим двигуном. Кожна кулька розташована на кінці шарнірного важеля. Чим швидше обертання кульок, тим більше відцентрова сила змушує важелі перебувати в горизонтальному положенні, а цій тенденції протидіє сила тяжіння. Важелі під’єднані до парового клапана живлення двигуна таким чином, що, коли важелі наближаються до горизонтального положення, пара починає перекриватися. Тому, якщо двигун працює надто швидко, пара буде частково перекриватись, і він поступово сповільнюватиметься. Якщо ж він сповільнюватиметься надто сильно, клапан автоматично пропускатиме до нього більше пари і він пришвидшуватиметься знову. Через різкі прискорення та часові затримки в таких цільових машинах часто виникають коливання, і інженери намагаються вбудувати в них допоміжні пристрої, щоби зменшити ці коливання.

«Бажаним» станом регулятора Ватта є задана швидкість обертів. Очевидно, що це не свідоме його бажання. «Ціль» машини визначається як стан, до якого вона має тенденцію повертатися. В сучасних цілеспрямованих машинах використовується розвиток таких базових принципів, як негативний зворотній зв’язок, щоби досягти значно більш складної поведінки, «схожої на життя». Керовані ракети, наприклад, ведуть активний пошук цілі, а коли захоплять, здається, що переслідують її, враховуючи всі відхилення та повороти, а іноді навіть «випереджаючи» або «передбачаючи» їх. У деталі того, як це робиться, вдаватися не варто. До цього залучається негативний зворотній зв’язок різних типів, прямий зв’язок, а також інші принципи, добре відомі інженерам та, як тепер стало відомо, поширені в роботі живих організмів. Не треба добачати тут чогось схожого на свідомість, навіть якщо нефахівцеві, що спостерігає за вочевидь виваженою і зосередженою поведінкою ракети, й важко повірити, що вона не перебуває під прямим контролем людини-пілота.

Загальною помилкою є вважати, що машина, наприклад, керована ракета, хоч була з самого початку розроблена і створена свідомою людиною, має обов’язково перебувати під безпосереднім контролем такої людини. Інший варіант цієї помилки — стверджувати, що «комп’ютери насправді не грають у шахи, бо можуть робити лише те, що наказує їм оператор». Дуже важливо збагнути, чому такі твердження помилкові, бо вони впливають на наше розуміння сенсу того, що гени «контролюють» поведінку. Комп’ютерні шахи є достатньо хорошим прикладом, щоби вловити суть, тому я принагідно його розгляну.

Комп’ютери поки не грають у шахи з майстерністю гросмейстерів, але вже досягли непоганого любительського рівня. Щоправда, непоганого любительського рівня досягли програми, бо програмі для гри в шахи все одно, на якому саме комп’ютері демонструвати свої можливості. Тоді в чому полягає роль програміста? Перш за все, він аж ніяк не керує комп’ютером хід за ходом, немов смикаючи за мотузки ляльку. Адже це виглядало би шахрайством. Він пише програму, закладає її в комп’ютер, після чого комп’ютер вже діє сам: подальше людське втручання не потрібне, крім того, що суперник вводить свої ходи. Можливо, програміст передбачає всі можливі в шахах комбінації та забезпечує комп’ютер довгим переліком вдалих ходів, по одному на кожну можливу ситуацію? Мабуть, що ні, бо кількість можливих позицій у шахах аж така велика, що повний перелік не був би готовим і до кінця світу. З тієї самої причини комп’ютер неможливо запрограмувати на перебирання «в голові» усіх можливих ходів та їх наслідків, поки він не знайде переможну стратегію. Можливих варіантів шахових партій більше, ніж атомів у галактиці. Тому годі про тривіальні рішення проблеми програмування комп’ютера для гри в шахи. Безперечно, що це надзвичайно складна проблема, а тому досі навіть найкращі програми все ще не можуть досягти майстерності гросмейстерів.

Отож, програміст більше нагадує батька, що навчає свого сина грати в шахи. Він розповідає комп’ютеру про основні ходи цієї гри, і не окремо для кожної можливої стартової позиції, а з огляду на більш лаконічні правила. Він не каже лише щось на кшталт: «слони ходять по діагоналі», а використовує короткий математичний еквівалент, що в перекладі виглядає приблизно так: «Нові координати слона отримуються зі старих додаванням однакової константи, хоча й не обов’язково з тим самим знаком, як до старої координати x, так і до старої координати y». Потім він може запрограмувати якусь «пораду», написану тією самою математичною, або логічною, мовою, що зводиться до підказки, наприклад «не залишай короля без захисту», або корисних прийомів, таких як «виделки» конем. Усі ці деталі напрочуд цікаві, але вони можуть завести нас не туди, куди слід. Сама суть тут проста: безпосередньо під час гри комп’ютер діє самостійно і не може розраховувати на допомогу свого власника. Все, що може зробити програміст, так це заздалегідь налаштувати комп’ютер щонайкраще, з досконалим балансом між переліком спеціальних знань і підказками щодо стратегій та технік.

Гени також контролюють поведінку своїх машин виживання не безпосередньо, немов мотузками ляльковода, а опосередковано, подібно до комп’ютерного програміста. Все, що вони можуть зробити, так це налаштувати їх заздалегідь, після чого машина для виживання діє самостійно, а гени лише пасивно сидять собі всередині. Чому вони так поводяться? Чому не хапаються за віжки і не контролюють кожен рух? Відповідь полягає в тому, що вони не можуть цього зробити через проблеми відставання в часі. Найкраще це демонструє інша аналогія, взята з наукової фантастики. Я маю на увазі чудову книгу Фреда Гойла та Джона Елліота «Андромеда», що, подібно до всієї якісної наукової фантастики, базується на кількох цікавих наукових проблемах. Як не дивно, схоже, що найважливіша з цих проблем у книзі детально не розглядається. Роздуми про неї залишені уяві читача. Сподіваюсь, автори не заперечуватимуть, якщо я візьмуся про неї поговорити.