Я возьму вашу мысль в путешествие. Это будет путешествие познания, путешествие на край пространства, времени и понимания. В нём я докажу, что в мире нет ничего, что невозможно понять, нет ничего, что было бы невозможно объяснить, и что всё в мире — необычно просто… много чего во Вселенной не нуждается в каком-то объяснении. Например, слоны. Раз уж молекулы научились конкурировать и создавать другие молекулы по своему образу и подобию, то слоны, и им подобные создания, неизбежно окажутся бродящим по саванне.
Аткинс принимает эволюцию сложных вещей (предмет нашей книги) неизбежной, раз уж создались соответствующие физические условия. Он интересуется, какими должны быть минимально необходимые физические условия, и каков должен быть минимум креативной деятельности очень ленивого творца, чтобы увидеть эту Вселенную, и позже — как однажды появились слоны и другие сложные вещи. Его ответ, ответ учёного-физика состоит в том, Творец мог бы быть абсолютно ленив. Чтобы понять начало существования всего сущего, нам необходимо постулировать некие фундаментальные первозданные единицы, представляющие собой или (по мнению некоторых физиков) буквально ничто, или (по мнению других физиков) единицы предельно простые — настолько, чтобы не нуждаться в чём-то столь грандиозном, как преднамеренное творение. Аткинс утверждает, что слоны и другие сложные вещи не нуждаются в каком-то объяснении. Но он говорит это потому, что он — учёный-физик, полагающий эволюционную теорию биологов данностью, не нуждающейся в доказательствах. На деле он не думает, что появление слонов не нуждается в объяснении, но имеет в виду, что он удовлетворён объяснениями биологов, которые могут объяснить происхождение слонов, если им дозволено использовать некоторые физические факты как данность. Его задача как физика, следовательно состоит в том, чтобы доказать законность использования этих фактов как данностей. И ему это удаётся. Моя позиция дополняет его позицию. Я — биолог. Я использую физические факты, факты изначальной простоты мира, как данность. Если меж физиками нет согласия о том, достаточно ли поняты те простые факты, то это не моя проблема. Моя задача состоит в объяснении существования слонов, и мира других сложных вещей, в терминах простых данностей, которые физики или уже понимают, или работают над выяснением. Проблема физиков — проблема происхождения первозданных сущностей и базовых законов природы. Проблема биолога — проблема сложности. Биолог старается объяснять функционирование и появление сложных вещей в понятиях вещей более простых. Он может считать свою задачу выполненной, когда он дошёл до объектов настолько простых, что их можно благополучно передавать физикам.
Я осознаю, что моя характеризация сложного объекта, как статистически невероятного в заранее заданном направлении, может выглядеть только моей новацией. Аналогично может выглядеть моя характеризация физики, как изучающей простые объекты. Если вы предпочитаете какое-то другое определение сложности — на здоровье, я был бы счастлив использовать и ваше определение для дискуссии. Но что для меня принципиально — независимо от того, что мы хотим называть статистически-невероятным-в-заранее-заданном-направлении, это — важное свойство, нуждающееся в особых усилиях по объяснению. Это — как раз то свойство, которое характеризует биологические объекты в противопоставлении физическим. Объяснение, которое мы предложим, не должно противоречить законам физики. И в самом деле, оно использует законы физики и ничего кроме законов физики. Но оно трактует эти законы особым образом, который обычно не обсуждается в учебниках физики. Этот особый способ — способ Дарвина. Я вознакомлю вас с его сущностью в третьей главе под заголовком «Нарастающая селекция».
А пока я хочу взять пример с Пали и подчеркнуть величие проблемы, на объяснение которой мы осмелились, неимоверность биологической сложности, красоты и элегантности биологического замысла. Во второй главе расширенно обсуждается конкретный пример — ультразвуковой «радар» летучих мышей, открытый у них намного позже эпохи Пали. А здесь, в этой главе, я покажу иллюстрацию (рис. 1) (жаль, что у Пали не было электронного микроскопа! Он бы ему понравился) глаза с двумя последовательными увеличенными детализациями. В верхней части рисунка — разрез самого глаза. Этот уровень увеличения показывает глаз оптическим прибором — подобие его фотокамере очевидно. Ирисовая диафрагма отвечает за постоянное изменение апертуры (входного отверстия).
Рис. 1
Хрусталик, являющийся только частью сложной оптической системы глаза, отвечает за переменную часть фокусировки. Фокус меняется посредством сжатия хрусталика мышцами (у хамелеонов мышцы перемещают хрусталик вперёд или назад, совсем как в нашей фотокамере). Изображение рисуется на сетчатке, находящейся на задней стенке глаза, где оно воздействует на светочувствительные клетки.
В средней части рисунка 1 увеличенно показана маленькая секция сетчатки. Свет падает слева. Светочувствительные клетки находятся не на поверхности сетчатки, а заглублены в толщу тканей в ней и прикрыты от света. Об этой странной особенности я упомяну позже ещё раз. Путь света сначала проходит через слой клеток ганглиев, которые являются «электронным интерфейсом» между светочувствительными клетками и мозгом. Клетки ганглия ответствены за хитроумную предварительную обработку информации до её передачи в мозг, и поэтому слово «интерфейс» применительно к ним не вполне справедливо. Обозначение «периферийный компьютер» — было бы по отношению к ним правильнее. «Провода» от клеток ганглия, проходящие по поверхности сетчатки к «слепому пятну», где они проходят сквозь неё, формируют «магистральный кабель» в мозг — зрительный нерв. В сетчатке имеется около трёх миллионов клеток ганглия в «электронном интерфейсе», собирющем данные с примерно 125 миллионов светочувствительных клеток.
В нижней части рисунка — одна светочувствительная клетка, палочка. Глядя на изящную архитектуру этой клетки, вспомните тот факт, что эта прекрасная сложность повторена 125 миллионов раз в каждой сетчатке. И сопоставимая сложность повторена триллионы раз в других местах всего тела. 125 миллионов светочувствительных клеток примерно в 5000 раз превышают количество раздельно различимых точек на журнальной фотографии хорошего качества. Сложенные мембраны в правой части показанной палочки — это собственно собирающие свет структуры. Их слоистое строение увеличивает эффективность поглощения фотонов, элементарных частиц — переносчиков света. Если фотон не пойман первой мембраной, он может быть пойман второй, и так далее. Поэтому некоторые глаза способны обнаружить единственный фотон. Самые светочувствительные эмульсии фотоплёнок, доступные фотографам, требуют примерно в 25 раз больше фотонов, чтобы детектировать световую точку. Объекты, похожие на таблетки в средней части клетки, это, главным образом митохондрии. Митохондрии есть не только в светочувствительных клетках, но и в большинстве других клеток тела. Каждую митохондрию можно сравнить с химической фабрикой, которая, вырабатывая энергию, годную для потребления другими структурами, перерабатывает более 700 различных химических субстанций на своих длинных, переплетённых «сборочных конвейерах», натянутых на поверхности её запутанно свёрнутых внутренних мембран. Круглый шарик в левой части рисунка 1 — ядро. Наличие клеточного ядра тоже характерно из всех животных и растительных клеток. Как мы увидим в главе 5, каждое ядро содержит большую, дискретно закодированную базу данных, объём информации в которой превышает таковой во всех 30 томах «Британской энциклопедии» вместе взятых. И это — для каждой клетки, а не всех клеток тела, вместе взятых!
Клетка-палочка в нижней части рисунка — это одна единственная клетка. Общее количество клеток в теле (человека) — примерно 10 триллионов. И когда вы кушаете бифштекс, вы разрушаете информацию, эквивалентную по объёму более чем 100 миллиардам копий «Британской энциклопедии».
Глава 2. Удачный проект
Естественный отбор — это слепой часовщик. Он слеп, ибо не смотрит вперёд, не планирует результатов и не имеет никакой цели. Тем не менее, живые результаты естественного отбора несказанно впечатляют нас ощущением задуманности как бы высококвалифицированным часовщиком, впечатляют иллюзией запроектированности и запланированности.
Цель этой книги — разрешить этот парадокс к удовлетворению читателя, а цель этой главы — ещё более впечатлить читателя силой этой иллюзии задуманности. Мы рассмотрим конкретный пример и сделаем вывод, что Пали лишь прикоснулся к этой теме, настолько велика его сложность и красота замысла.
Глава 2. Удачный проект
Естественный отбор — это слепой часовщик. Он слеп, ибо не смотрит вперёд, не планирует результатов и не имеет никакой цели. Тем не менее, живые результаты естественного отбора несказанно впечатляют нас ощущением задуманности как бы высококвалифицированным часовщиком, впечатляют иллюзией запроектированности и запланированности.
Цель этой книги — разрешить этот парадокс к удовлетворению читателя, а цель этой главы — ещё более впечатлить читателя силой этой иллюзии задуманности. Мы рассмотрим конкретный пример и сделаем вывод, что Пали лишь прикоснулся к этой теме, настолько велика его сложность и красота замысла.
Мы можем говорить, что живое тело или орган хорошо разработаны, если они обладают особенностями, которые умный и опытный инженер мог встроить в них для достижения определённой разумной цели — такой, как полёт, плавание, видение, питание, размножение — или, говоря шире, для поддержки своего выживания и репликации генов организма. Нет необходимости предполагать, что замысел данного тела или органа — это лучшее из того, до чего инженер мог бы додуматься. Часто бывает, что лучшее достижение одного инженера, может быть в общем случае превзойдено лучшим достижением другого инженера, особенно если второй живёт позже в технологической истории. Но любой инженер может понять цель разработки объекта, даже если он разработан плохо, и обычно он может понять эту цель, изучая его структуру. В первой главе мы интересовались главным образом философскими аспектами. В этой главе я буду рассматривать конкретный пример, который, полагаю, произвёл бы впечатление на любого инженера — а именно сонар («радар») летучих мышей. Объясняя каждый пункт, я буду начинать с изложения проблемы, стоящей перед живой машиной; затем я буду рассматривать возможные решения этой проблемы, которые мог бы рассмотреть разумный инженер; и наконец — к решению, фактически принятому природой. Разумеется, наш пример для ллюстрации выбран почти произвольно. Если инженера увлечёт функционирование летучих мышей, его столь же увлекут другие бесчисленные примеры живых проектов.
Перед летучими мышами стоит проблема: как находить путь в темноте? Они охотятся ночью и не могут использовать свет для поисков добычи и избегания препятствий. Вы могли бы здесь заметить, что если это проблема, то это проблема их привычек, и этой проблемы они могли бы избежать, просто изменив эти привычки и перейдя к охоте днём. Но дневная экономическая ниша уже плотно занята другими существами, такими, как птицы. Учитывая, что ночью есть возможность изыскать средства к существованию, а также учитывая, что альтернативные дневные экономические ниши полностью заняты, естественный отбор одобрил летучих мышей, которые практикуют экономику ночной охоты. Кстати, вероятно, что ночной образ жизни вели предки всех ныне существующих млекопитающих. В эпоху, когда динозавры доминировали в дневной экономике, наши млекопитающие предки, возможно, именно потому сумели вообще выжить, что нашли способы бороться за существование[2] ночью. И только после таинственного массового исчезновения динозавров примерно 65 миллионов лет назад, наши предки получили возможность выйти на дневной свет в каких-то существенных количествах.
Итак, у летучих мышей есть техническая проблема: как находить путь и искать добычу при отсутствии света. Летучие мыши — не единственные существа, стоящие перед этой трудностью сегодня. Очевидно, что летающие ночью насекомые, на которых летучие мыши охотятся, также должны как-то находить свой путь. Глубоководных рыб и китов тоже окружает полная или почти полная темнота — и днём, и ночью, потому что лучи солнца не могут проникать глубоко в воду. Рыбы и дельфины, которые живут в чрезвычайно мутной воде, также не могут видеть — несмотря на наличие света, так как свет рассеивается загрязнениями. Многие другие современные животные живут в условиях, в которых использование зрения затруднено или невозможно.
Какие решения мог бы рассмотреть инженер, поставленный перед проблемой маневрирования в темноте? Первое, что могло бы придти к нему в голову, так это идея выработки света — какого-нибудь фонаря или прожектора. Светлячки и некоторые рыбы (обычно с помощью бактерий) имеют возможность излучать собственный свет, но этот процесс, похоже, потребляет много энергии. Светлячки используют свой свет для привлечения самок. Для этого не требуется непомерно большой энергии: самка может заметить тёмной ночью крошечную светящуюся точка самца с довольно большого расстояния, поскольку на её глаза действует прямой свет самого источника. Использование света для освещения своего пути требует значительно большей энергии, так как глаза должны при этом уловить крошечную долю излучённого света, рассеянного предметами окружающей сцены. Поэтому, если мы хотим использовать свет для освещения пути, то источник этого света должен быть намного ярче, чем сигнальный источник для информирования кого-то другого. Ну так или иначе, действительно ли причина в расходе энергии или нет, но похоже, что это факт — за возможным исключением одной таинственной глубоководной рыбы, никакое другое животное, кроме человека, не использует продуцированный свет для освещения пути своего передвижения. О чём ещё инженер мог бы подумать? Вроде бы слепые люди иногда демонстрируют сверхъествественное чутьё препятствий на их пути. Этому явлению дали название «лицевого зрения», потому что слепые сообщали об ощущениях, подобных лёгкому прикосновению к лицу. Одно сообщение описывает полностью слепого мальчика, который мог ездить на хорошей скорости на своём трёхколесном велосипеде вокруг квартала близ своего дома, пользуясь «лицевым зрением». Эксперименты показали, что на деле «лицевое зрение» не имеет ничего общего с прикосновениями к лицу, хотя ощущения при этом могут быть описаны именно так, и, видимо, подобны фантомной боли ампутированной конечности. Оказалось, что ощущение «лицевого зрения», на деле приходит через уши. Слепые люди, даже не осознавая этого факта, на деле используют эхо звука своих собственных шагов и других звуков, ощущая наличие препятствий. Инженеры построили приборы, использующие этот принцип, например — для замера глубины моря под судном, ещё до обнаружения этого факта. Как только эта техника была изобретена, то адаптация ее разработчиками оружия для обнаружения субмарин была лишь вопросом времени. Обе стороны во второй мировой войне активно использовали эти устройства под наименованиями «Асдик» (в Британии) и «сонар» (в США). Подобная технология была использована в «радарах» (в США) или «RDF» (в Британии), где использовалось эхо не звуковой, а радиоволны. Разработчики первых сонаров и радаров ещё не знали про летучих мышей, но сейчас весь мир знает, что летучие мыши или, скорее, естественный отбор, работавший на летучих мышах, усовершенствовал эту систему на десятки миллионов лет раньше, и их «радары» творят такие подвиги детектирования и навигации, от каких инженер онемел бы от восторга. Будет технически неправильным говорить, что летучие мыши пользуются «радаром», так как они не используют радиоволны. Это сонар. Но теоретические принципы работы радара и сонара очень близки, и большая часть научного осмысления подробностей работы сонара летучих мышей появилась благодаря приложению к ним теории радаров. Американский зоолог Дональд Гриффин, внёсший значительный вклад в открытие сонара у летучих мышей, предложил термин «эхолокация», охватывающий как звуковую, так и радиолокацию, и применимый как эхолокаторам животных, так и рукотворным человеческим приборам. Впрочем, на практике это слово в основном относиться к сонарам животных.
Неправильно говорить о летучих мышах как об совершенно однородной группе. Ну это примерно как если бы мы говорили про собак, львов, ласок, медведей, гиен, панд и других в одном духе — только потому, что все они — плотоядные животные. Различные группы летучих мышей используют сонар совершенно по-разному, и, похоже, «изобрели» его независимо друг от друга — подобно тому, как англичане, немцы и американцы независимо друг от друга изобрели радар. Не все летучие мыши используют эхолокацию. У тропических растительноядных летучих мышей Старого Света хорошее зрение, и они в основном используют для ориентации только свои глаза. Однако один или два вида плодовых летучих мышей, например Rousettus, способны ориентироваться в полной темноте, где глаза, даже хорошие, бессильны. Они используют сонар, но более примитивный, чем тот, что используется более мелкими летучими мышами умеренных широт, с который мы знакомы. Rousettus в полёте громко и ритмично щёлкает языком, и ориентируется, измеряя интервал времени между каждым щелчком его эхо. Rousettus издают ясно слышимые для нас щелчки (т. е. издают, по определению, звуки, а не ультразвуки: ультразвук — это то же самое, что и звук, только слишком высокого тона, чтобы люди могли его слышать).