Другой тип ремонта, плановая замена, также знаком любому автовладельцу. Мы периодически меняем масло, воздушный фильтр и свечи, чтобы устранить слегка изношенные элементы, не дожидаясь, когда машина совсем сломается. В природе подобным образом, по заранее намеченному плану, происходит смена зубов: в течение жизни у человека бывает два комплекта зубов, у слонов - шесть, а у акул - неопределенное число. Нам, людям, приходится всю жизнь довольствоваться тем скелетом, с которым мы родились, но вот у омаров и других членистоногих регулярно сменяется наружный скелет: они сбрасывают старый панцирь, и на его месте вырастает новый. Еще одним весьма показательным примером плановой замены является непрерывный рост наших волос: как бы коротко мы их ни стригли, отстриженная часть будет восстановлена за счет роста.
Плановая замена происходит также на микроскопическом и ультрамикроскопическом уровнях. Мы постоянно заменяем многие наши клетки: те, которые выстилают кишечник, - каждые несколько дней, на внутренней поверхности мочевого пузыря - каждые два месяца, а красные кровяные тельца - каждые четыре месяца. На молекулярном уровне происходит постоянная смена белковых молекул, со скоростью, характерной для конкретного белка; тем самым исключается накопление поврежденных молекул. Если вы сравните то, как ваш любимый человек выглядит сегодня и на фотографии, снятой месяц назад, то выглядеть он, возможно, будет одинаково, но при этом многие молекулы, из которых состоит его тело, будут уже другими. Шалтая-Болтая не могла собрать вся королевская конница и вся королевская рать, а нас природа разбирает на части и собирает вновь каждый день.
Таким образом, значительная часть тела животного может быть восстановлена при необходимости или заменена в плановом порядке, но то, насколько много можно заменить, в большой степени зависит от части тела и от биологического вида. В том, что возможности биологической репарации у человека ограничены, нет ничего физиологически неизбежного. Если у морских звезд отрезанные конечности могут вырасти заново, то почему такой возможности нет у нас? Что мешает нам иметь шесть комплектов зубов, один за другим, как у слона, а не только молочные и постоянные? В этом случае мы могли бы становиться старше, не нуждаясь в пломбах, коронках и вставных зубах. Почему бы нам не защитить себя от артрита? Всего-то и нужно, что регулярно заменять суставы, как это делают крабы. Почему бы нам не исключить возможность сердечных заболеваний, регулярно заменяя сердце, подобно тому, как немертины заменяют свои ядовитые жала? Можно предположить, что естественный отбор был бы на стороне мужчин и женщин, которые не умирали бы от сердечных заболеваний в возрасте около восьмидесяти, а продолжали жить и производить на свет потомство, по меньшей мере, до 200 лет. Почему же при всем том мы не можем восстановить или заменить все части нашего организма?
Ответ, конечно же, будет затрагивать расходы, которые повлечет за собой такая замена. Здесь также полезно провести параллели с ремонтом автомобиля. Если верить заявлениям компании "Даймлер", их машины настолько хорошо сделаны, что даже если вы не будете проводить вообще никакого технического обслуживания - даже смазывать механизмы и менять масло, - то ваш "мерседес" все равно прослужит вам много лет. По окончании этого срока он, конечно же, развалится из-за накопившихся повреждений, которые будут носить непоправимый характер. Поэтому обладатели "мерседесов" все же, как правило, предпочитают регулярно проводить техническое обслуживание своего автомобиля. Друзья, у которых есть "мерседесы", рассказывают, что это обходится очень дорого, и каждая поездка на сервисную станцию стоит сотни долларов. Тем не менее они считают, что такие расходы оправданы. "Мерседес", проходящий техническое обслуживание, прослужит намного дольше того, который никогда не обслуживался, а регулярное обслуживание старого "мерседеса" обойдется намного дешевле, чем если бы вы выбрасывали старый автомобиль и покупали новый каждые несколько лет.
Так рассуждают владельцы "мерседесов" в Германии и в США. Но представим, что вы живете в Порт-Морсби, столице Папуа - Новой Гвинеи и мировой столицы автомобильных столкновений, где всякая машина, весьма вероятно, станет ломом в течение года, независимо от регулярности обслуживания. Многие автовладельцы Новой Гвинеи не тратят денег на техобслуживание автомобиля; вместо этого они откладывают деньги на неизбежную покупку новой машины.
Аналогичным образом и то, сколько животному "полагается" вкладывать в биологическую репарацию, зависит от затрат, требуемых для этого, и от того, насколько больше окажется продолжительность жизни животного при условии проведения ремонта по сравнению с продолжительностью жизни без оного. Но вопросы типа "сколько полагается" относятся к сфере эволюционной биологии, а не физиологии. Естественный отбор направлен на то, чтобы обеспечить особи максимальное воспроизводство потомства, которое доживет до момента, когда также сможет произвести на свет потомство. Таким образом, эволюцию можно считать стратегической игрой, в которой побеждает та особь, чья стратегия позволит оставить после себя наибольшее число потомков. Поэтому для понимания того, как мы стали такими, какими являемся сейчас, полезно рассуждать, как это принято в теории игр.
Вопрос о продолжительности жизни и о вложении ресурсов в биологическую репарацию входит, в свою очередь, в обширную группу эволюционных вопросов, рассматриваемых с помощью теории игр и заключающихся в том, почему для всякой выгодной особенности существует некий максимально возможный уровень. Существует много биологических особенностей, в отношении которых, как и о продолжительности жизни, можно задаться вопросом о том, почему естественный отбор не сделал что-либо у конкретного вида более длинным, или более крупным, или более быстрым, или не дал виду чего-то в большем количестве. Так, например, люди высокого роста, или же умные, или умеющие быстро бегать, обладают очевидным преимуществом перед низкорослыми, глупыми или медленно бегающими, - особенно в течение большей части человеческой эволюции, когда еще приходилось защищаться от львов и гиен. Почему эволюция не сделала нас в среднем более крупными, более умными и более быстрыми, чем мы сейчас есть?
Задачи проектирования, с которыми имеет дело эволюция, оказываются сложнее, чем может показаться на первый взгляд, из-за того, что естественный отбор действует для особи в целом, а не для отдельных частей тела. Выживаете и оставляете после себя потомство или не справляетесь с этими задачами вы в целом, а не ваш крупный мозг или быстрые ноги. Увеличение одной из частей тела животного может быть выгодно ему по некоторым очевидным причинам, но в остальных отношениях окажется вредным. Так, например, эта единственная увеличенная часть может не сочетаться с остальными частями тела того же животного, или же будет забирать себе энергию, предназначенную для других частей.
Специалисты по эволюционной биологии выразят эту сложность одним волшебным словом - "оптимизация". Естественный отбор, как правило, придает каждой детали организма животного такой размер, скорость или количество, которыми будет обеспечено выживание и репродуктивный успех этого животного в целом, с учетом основных особенностей строения организма. Таким образом, сама по себе никакая черта не способна обеспечить максимальную ценность. Напротив, каждая черта стремится к некоему оптимальному, среднему показателю, не слишком большому и не слишком маленькому. Благодаря этому животное в целом добивается большего успеха, чем если бы отдельная черта оказалась увеличена или уменьшена.
Если в отношении животных эти рассуждения кажутся абстрактными, подумайте о технике, которой мы пользуемся каждый день. Те же по сути принципы применяются как в техническом проектировании, то есть в создании людьми машин, так и в эволюционном проектировании, то есть формировании животных путем естественного отбора. Возьмем в качестве примера машину, являющуюся предметом моей гордости, мой "фольксваген жук" 1962 года, кроме которого у меня в жизни автомобилей не было. (Те, кто увлекается машинами, помнят, что именно в 1962 году на "жуках" заднее окно впервые стали делать крупнее.) На гладкой равнинной дороге и при попутном ветре мой "фольксваген" может ехать со скоростью 65 миль в час. Владельцам "BMW" это определенно покажется недостаточным. Почему бы мне не выкинуть на свалку мой крошечный 4-цилиндровый двигатель в 40 лошадиных сил и не поставить вместо него 12-цилиндровый, мощностью в 296 лошадиных сил двигатель с "BMW 750IL", на котором ездит мой сосед, и не промчаться на скорости 180 миль в час по скоростной автостраде?
И даже я, почти совсем не разбираясь в автомобилях, понимаю, что такое решение непригодно. Для начала, огромный двигатель "BMW" не поместится в моторный отсек моего "фольксвагена", так что отсек пришлось бы увеличить. Далее, двигатель "BMW" должен устанавливаться спереди, а у "фольксвагена" моторный отсек сзади, так что мне пришлось бы менять коробку передач, привод и многое другое. Заменить пришлось бы также амортизаторы и тормоза, поскольку в моей машине они рассчитаны на то, чтобы сделать движение плавным и останавливаться со скорости 65, а не 180 миль в час. К тому времени, когда я закончил бы переделку своего "фольксвагена", предназначенную для того, чтобы поставить двигатель "BMW", от моего прежнего "жука" почти ничего не осталось бы, и все эти модификации обошлись бы в огромную сумму денег. Я полагаю, что мой крошечный двигатель в 40 лошадиных сил является оптимальным, в том смысле, что я не мог бы увеличить среднюю эксплуатационную скорость моей машины, не пожертвовав другими ее эксплуатационными характеристиками, - а заодно и другими аспектами собственного стиля жизни, также требующими значительных денежных вложений.
Законы рынка со временем приводят к исчезновению таких технических нелепостей, как "фольксваген" с двигателем "BMW", но все мы можем вспомнить уродливые сооружения, которые просуществовали довольно долго. Для тех, кто разделяет мой интерес к военному флоту, хорошим примером будут британские линейные крейсера. В годы, предшествовавшие Первой мировой войне, и в военные времена британский военно-морской флот спустил на воду тринадцать военных кораблей, так называемых линейных крейсеров, которые конструкторы сделали того же размера и с тем же числом крупнокалиберных орудий, что у линейных кораблей, но с намного большей скоростью движения. Получив максимально возможную скорость и огневую мощь, линейные крейсера сразу же вызвали интерес общественности, а пропаганда преподносила их как сенсацию. И все же, если взять линкор водоизмещением 28 000 тонн, оставить вес крупных орудий почти таким же, и значительно увеличить вес двигателей, при этом сохраняя общий вес около 28 000 тонн, неизбежно придется урезать вес каких-то других частей. В случае с линейными крейсерами особенно урезали броневой пояс, а кроме того, вес малых орудий, внутренних отсеков и зенитных вооружений. Результаты такого субоптимального общего конструкторского решения оказались фатальными. В 1916 году корабли военно-морских сил Великобритании "Индефатигейбл", "Куин Мэри" и "Инвинсибл", участвовавшие в Ютландском сражении, взорвались практически сразу после того, как в них попали снаряды немецких кораблей. Линейный крейсер "Худ" взорвался в 1941 году, всего через восемь минут после начала боя с немецким линкором "Бисмарк". Крейсер "Рипалс" был потоплен японской авиацией несколькими днями позже атаки японцев на Перл-Харбор, тем самым обретя сомнительную славу первого крупного военного корабля, уничтоженного с воздуха в ходе морского сражения. Руководство британского флота получило убедительные доказательства того, что значительное усиление отдельных элементов не приводит к оптимальному функционированию целого, и линейные крейсеры были сняты с производства.
Короче говоря, инженеры не могут совершенствовать отдельные детали в отрыве от машины в целом, поскольку отдельная часть потребует урезания денежных средств и пространства, которые могли бы быть использованы для других деталей, и не позволит увеличить их вес. Вместо этого инженеры ищут ответа на вопрос о том, какое именно сочетание деталей позволит оптимизировать эффективность работы машины. Точно так же и эволюция не может совершенствовать отдельные черты в отрыве от животного в целом, поскольку всякая структура, фермент или фрагмент ДНК потребляет энергию и занимает место, которые могли бы быть использованы на что-то иное. Естественный отбор склоняется к такой комбинации различных черт, которая обеспечит животному максимальные репродуктивные результаты. Следовательно, как инженеры, так и специалисты по эволюционной биологии должны оценивать, какой компромисс потребуется при увеличении чего бы то ни было, то есть, не только преимущества, но и издержки, которые оно за собой повлечет.
Рассуждать подобным образом в отношении нашего жизненного цикла сложно из-за того, что в нем присутствует много черт, которые, как может показаться, сокращают, а не увеличивают, нашу способность производить на свет потомство. Старение и смерть - лишь один из примеров; в качестве других можно назвать менопаузу у женщин, рождение одновременно только одного ребенка, роды не чаще раза в год, начало репродуктивной активности не ранее двенадцати-шестнадцати лет. Разве не оказал бы предпочтение естественный отбор такой женщине, у которой половая зрелость наступала бы в пятилетием возрасте, беременность длилась бы всего три недели, которая регулярно рожала бы по пять близнецов сразу, у которой не наступала бы менопауза, которая вкладывала бы большое количество биологической энергии в восстановление своего организма, доживала бы до 200 лет и, благодаря всему этому, оставляла бы после себя сотни потомков?
Задав этот вопрос в таком виде, мы допустили, что эволюция может менять в нашем организме отдельные детали, не затрагивая остальных, и не принимали в расчет скрытые издержки. Так, например, невозможно сократить срок беременности до трех недель, не меняя ничего ни в организме матери, ни в организме ребенка. Следует помнить, что в нашем распоряжении имеется лишь ограниченное количество энергии. Даже у тех, кто получает большую физическую нагрузку и употребляет высококалорийные продукты - например, у лесорубов, или у марафонских бегунов в период тренировок, - организм может усваивать не более 5000 калорий в день. Каким образом распределить эти калории между восстановлением собственного тела и воспитанием детей, если наша цель состоит в том, чтобы вырастить как можно больше детей?
Одна крайность состоит в том, чтобы вложить всю энергию в детей, не оставив ничего на биологическую репарацию, но тогда наше тело постареет и выйдет из строя еще до того, как мы воспитаем своего первого ребенка. Другой крайностью было бы вложение всей имеющейся в нашем распоряжении энергии в поддержание тела в хорошем состоянии; тогда мы, возможно, прожили бы долгую жизнь, но у нас не хватило бы энергии на рождение и воспитание потомства, поскольку это требует больших усилий. Естественный отбор, однако, должен отрегулировать относительно друг друга затраты энергии на репарацию и на репродукцию так, чтобы обеспечить максимальный репродуктивный результат, рассматриваемый в среднем за всю жизнь особи. Эта задача для разных биологических видов решается по-разному, в зависимости от таких факторов как риск неожиданной смерти, репродуктивные особенности вида и издержки, требуемые для разных типов репарации.
Рассуждая таким образом, можно делать проверяемые на практике предположения о том, как должны различаться животные по механизмам репарации и темпам старения. В 1957 году Джордж Уильямс, специалист по эволюционной биологии, привел некоторые поразительные факты о старении, понять сущность которых можно только с позиций эволюционного подхода. Рассмотрим несколько приводимых Уильямсом примеров и представим их иначе, на языке физиологии, описывающем биологическую репарацию; при этом медленное старение будет показателем хороших механизмов ремонта.
Первый пример касается того, в каком возрасте животное впервые участвует в размножении и производит на свет детенышей. Этот возраст у разных видов сильно различается: у людей крайне редко случается, чтобы у кого-то в возрасте младше двенадцати лет появлялись свои дети, тогда как всякая уважающая себя мышь уже в два месяца способна обзавестись мышатами. Животным, относящимся к тем видам, у которых начало размножения возможно только в достаточно поздние сроки, как у человека, требуется вкладывать много энергии в ремонт, чтобы гарантированно дожить до репродуктивного возраста. Таким образом, мы можем предполагать, что инвестиции в ремонт будут возрастать вместе с возрастом, в котором становится возможным размножение.
Например, более позднему, чем у мышей, возрасту начала размножения у человека соответствует то, что мы, люди, стареем намного медленнее, чем мыши, то есть, как можно предполагать, репарация нашего тела происходит намного эффективнее. Даже при изобилии пищи и самой лучшей медицинской помощи мышь лишь в редких случаях доживает до двух лет, тогда как для человека считается печальным не дожить до семидесяти двух. Эволюционная причина в том, что человек, вложивший в восстановление энергии не более, чем это делает мышь, умер бы задолго до достижения половой зрелости. Таким образом, восстановление человеческого организма более оправдано, чем восстановление организма мыши.
Из чего складываются на практике эти предполагаемые дополнительные затраты энергии? На первый взгляд, возможности репарации у человека производят жалкое впечатление. Ампутированная рука не отрастает заново, и наш скелет не заменяется регулярно, как это происходит у некоторых беспозвоночных, срок жизни которых непродолжителен. Однако, такие внушительные, но не часто происходящие замены целой структуры не обязательно оказываются наиболее весомыми пунктами в списке издержек на ремонт конкретного животного. Самым же затратным пунктом оказывается невидимая глазом замена множества клеток и молекул, происходящая каждый день. Даже если вы каждый день все свое время проводите, валяясь в постели, вам нужно получить с пищей около 1640 калорий, если вы мужчина (для женщин этот показатель составляет 1430 калорий) просто чтобы поддерживать в порядке свое тело. Большая часть энергии, полученной в результате метаболизма и направляемой на обслуживание организма, предназначена именно для этих невидимых плановых замен. Поэтому, как я полагаю, мы ценимся больше мыши, поскольку у человека в самовосстановление вкладывается большая доля энергии, а на другие цели, например, на сохранение температуры тела или на заботу о потомстве, - меньшая.
Второй пример, который я хочу рассмотреть, связан с риском непоправимого ущерба. Некоторые повреждения организма потенциально устраняются репарацией, но возможны и такие, которые гарантированно приводят к гибели (например, если вас съест лев). Если велики шансы, что завтра вас слопает лев, нет смысла сегодня платить стоматологу за начало лечения зубов. И стоит, не переживая из-за порчи зубов, немедленно заняться производством потомства. Но если риск смерти от происшествий с непоправимыми последствиями низок, тогда возможно получить выгоду в виде увеличившейся продолжительности жизни, от вложения энергии в дорогостоящие механизмы репарации, замедляющие старение. Таким же образом рассуждают владельцы "мерседесов", в Германии и в США выделяющие средства на смазку машин, а в Новой Гвинее предпочитают этого не делать.