Текст книги "О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний"

В эволюционной биологии есть и другие важные нерешенные вопросы, которые могут претендовать на непознаваемость. Например, почему 542 миллиона лет назад, в начале кембрийского периода, на Земле произошло взрывное увеличение биологического разнообразия? До этого момента жизнь сводилась к одиночным клеткам, собиравшимся в колонии. Но в течение следующих 25 миллионов лет, сравнительно короткого по меркам эволюции периода, произошла быстрая диверсификация многоклеточной жизни, результатом которой было разнообразие, сходное с наблюдаемым ныне. У нас по-прежнему нет объяснений такой исключительно высокой скорости эволюции. Отчасти это связано с недостатком данных этого периода. Сможем ли мы когда-нибудь получить такие данные, или же эта тайна так и останется нераскрытой?

Как правило, теория хаоса ограничивает то, что мы можем узнать о будущем. Но она может накладывать ограничения и на то, что мы можем знать о прошлом. Мы видим результаты, но, чтобы вывести из них причины, нужно было бы решить уравнения в обратную сторону. В отсутствие полных данных один и тот же принцип действует как в прямом, так и в обратном направлении. Мы можем обнаружить две существенно различающиеся начальные точки, способные привести к очень сходным результатам. Но мы не сможем узнать, из которой из таких отправных точек мы произошли.

Одна из величайших загадок эволюционной биологии касается самого начала развития жизни. Возможно, игра жизни благоприятствует выпадению шестерок на игральных костях эволюции, но как появилась сама эта игра? Была оценена вероятность случайного образования условий, необходимых для возникновения самовоспроизводящихся клеток. В некоторых моделях получается, что возникновение жизни эквивалентно 36 броскам игральной кости, в каждом из которых выпадает 6. Некоторые видят в этом доказательство необходимости существования создателя, подтасовавшего результаты игры. Однако они не сознают, о каком гигантском временном масштабе тут идет речь.

Чудеса бывают… если ждать их достаточно долго. На самом деле было бы удивительнее, если бы такие странные аномалии не случались. Дело в том, что аномалии часто бывают более видны. Их замечают, а на менее необычные результаты зачастую никто не обращает внимания.

Появление чудес в случайном процессе удобно рассмотреть на примере лотереи. 6 сентября 2009 г. в болгарской государственной лотерее выиграли следующие номера:

4, 15, 23, 24, 35, 42.

Четыре дня спустя выпали те же шесть номеров. Казалось бы, невероятное событие. Болгарское правительство тоже так решило и немедленно назначило расследование возможной коррупции. Однако правительство не учло того, что по всей планете каждую неделю проводится множество разных лотерей. Их проводят многие десятилетия. Если посчитать, получится, что удивляться скорее следует отсутствию таких поразительных на первый взгляд результатов.

Тот же принцип действует и в отношении условий возникновения самовоспроизводящихся молекул в первичном бульоне, из которого состояла Земля до появления жизни. Стоит смешать достаточно большое количество водорода, воды, углекислого газа и некоторых других органических газов и подвергнуть их воздействию молний и электромагнитного излучения – и даже в лабораторном опыте можно наблюдать возникновение органических материалов, встречающихся только в живых существах. Никому не удалось добиться самопроизвольного возникновения в лабораторных условиях чего-либо столь необыкновенного, как ДНК. Вероятность такого явления крайне мала.

Но в том-то и дело, потому что с учетом существования во Вселенной миллиарда миллиардов – или около того – планет, пригодных для проведения такого эксперимента, и наличия приблизительно миллиарда лет на его проведение было бы более удивительно, если бы такая предельно малая вероятность возникновения чего-то подобного ДНК не осуществилась. Бросая 36 игральных костей в течение миллиарда лет на миллиарде миллиардов разных планет, наверняка можно получить один бросок, в котором на всех 36 костях выпадут шестерки. А уж дальше полученная самовоспроизводящаяся молекула будет способна размножаться самостоятельно, так что для запуска эволюции необходима всего одна счастливая случайность.

Проблема человека в отношении оценки вероятности чудес – таких как возникновение жизни – состоит в том, что наш разум плохо приспособлен для обращения с очень большими числами. Поэтому наши интуитивные представления о вероятности хромают.

Однако в эволюции действует не только математика вероятностей. Дерево эволюции само по себе обладает одним интересным качеством, делающим его сходным с формами, возникающими в теории хаоса; это качество называется фрактальностью.

Дерево эволюции дает картину развития жизни на Земле. Продвижение по нему соответствует продвижению во времени. Каждое ответвление дерева означает развитие нового вида. Если ветвь заканчивается, это означает вымирание данного вида. Природа дерева такова, что его общая форма, как кажется, повторяется все в меньшем и меньшем масштабе. В этом и состоит характерная черта объектов, которые математики называют фракталами. В увеличенном виде любая малая часть дерева выглядит поразительно похожей на более крупные его структуры. Такое самоподобие означает, что понять, на каком масштабе мы рассматриваем дерево, очень трудно. Такова классическая особенность фрактала.

Фрактальное дерево эволюции

Фракталы обычно бывают геометрической визитной карточкой хаотических систем, так что наличие такой структуры говорит о том, что в эволюции работает динамика хаоса: малые изменения генетического кода могут порождать огромные расхождения результатов эволюции. Такая модель не обязательно противоречит идее конвергенции, поскольку даже в хаотической системе остаются точки, к которым стремится развитие модели. Такие точки называются аттракторами. Но она несомненно ставит под вопрос возможность воспроизведения того, что мы имеем сейчас на Земле, в случае повторного проведения эволюции. Биолог-эволюционист Стивен Джей Гулд утверждает, что, если заново проиграть ленту эволюции, результаты ее будут сильно отличаться от существующих. Этого обычно и ожидаешь от хаотической системы. Как и в случае погоды, чрезвычайно малые изменения начальных условий могут привести к разительно отличающемуся исходу.

Кроме того, Гулд ввел в оборот идею прерывистого равновесия, которая отражает тот факт, что биологические виды, судя по всему, остаются неизменными в течение долгих периодов, после чего с ними происходят кажущиеся чрезвычайно быстрыми эволюционные изменения. Было показано, что эта черта также характерна для хаотических систем. Наличие влияния хаоса на эволюцию выражается в том, что многие вопросы эволюционной биологии вполне могут оказаться среди того, чего мы не можем познать, из-за их связи с математикой хаоса.

Например, узнаем ли мы когда-нибудь, было ли развитие человека неизбежным в действующей модели эволюции? Анализ ДНК различных животных дает нам исключительно обширную информацию о том, как животные развивались в прошлом. Палеонтологическая летопись, несмотря на существующие в ней пробелы, также позволяет нам узнать о нашем происхождении. Но с учетом того временного масштаба, на котором происходит эволюция, мы не можем поставить эксперимент и заново прокрутить пленку развития жизни на Земле, чтобы посмотреть, не получится ли чего-нибудь другого. Когда мы найдем жизнь на других планетах (и если мы ее найдем), то получим новые наборы образцов для анализа. Но и до тех пор не все потеряно. Подобно тому как метеорологическая служба может составлять свои прогнозы, не имея возможности управлять реальной погодой, компьютерные модели могут проиллюстрировать различные возможные результаты работы эволюционного механизма, ускоряя время. Однако никакая модель не может быть лучше, чем гипотеза, положенная в ее основу. Если сама модель построена неправильно, она ничего не скажет нам о том, что на самом деле происходит в природе.

Именно на таких компьютерных моделях основываются попытки ответить на вопрос, над которым бился Пуанкаре, когда он открыл хаос: будет ли вообще существовать стабильная Земля, обращающаяся вокруг Солнца, на которой эволюция сможет продолжить свои азартные игры? Является ли наша Солнечная система устойчивой и периодичной, или же нам нужно бояться, что какой-нибудь кузнечик однажды разрушит нашу орбиту вращения вокруг Солнца?

Пуанкаре не смог ответить на вопрос о Солнечной системе, заданный королем Швеции, и выяснить, останется ли она в устойчивом равновесном состоянии или может разлететься в стороны в катастрофическом проявлении хаотического движения. Из его открытия, согласно которому некоторые динамические системы могут быть чувствительны к малым изменениям данных, следовало, что мы, судя по всему, не сможем точно узнать, какая судьба ожидает Солнечную систему, задолго до наступления каких-либо потенциально катастрофических событий.

Вполне возможно, что Солнечная система находится в безопасной, предсказуемой динамической области, подобной динамике численности популяции с низким коэффициентом воспроизводства. К сожалению, имеются данные, согласно которым мы не можем полагаться на эту утешительную математическую надежду. Новые компьютерные модели позволили получить новую информацию, в соответствии с которой Солнечная система все-таки находится в области, в которой господствует математика хаоса.

Измерить масштабы влияния малых изменений на результат можно, используя так называемый показатель Ляпунова. Например, в случае игры в бильярд на столах необычной формы с их помощью можно определить, насколько катастрофичным будет влияние малых изменений на развитие траектории шара. Если система имеет положительный показатель Ляпунова, это означает, что малое изменение начальных условий порождает экспоненциальное расхождение траекторий. Этот показатель можно использовать в качестве определения хаоса.

Используя этот критерий, несколько групп ученых смогли подтвердить, что наша Солнечная система действительно хаотична. Они рассчитали, что расстояние между двумя изначально близкими орбитальными решениями возрастает в 10 раз каждые 10 миллионов лет. Этот временной масштаб, конечно, отличается от того, на котором мы не в состоянии предсказать погоду. Тем не менее это означает, что мы не можем получить определенных знаний о том, что случится с Солнечной системой за следующие 5 миллиардов лет.

Если вы теперь в отчаянии недоумеваете, можем ли мы знать хоть что-нибудь о будущем, вас, возможно, утешит то обстоятельство, что математика не вполне безнадежна в том, что касается предсказаний. Есть одно событие, наступление которого через 5 миллиардов лет уравнения могут гарантировать, но событие это не радостное. Математические расчеты утверждают, что к этому моменту Солнце исчерпает запасы топлива и превратится в красного гиганта, поглотив в процессе Землю и другие планеты Солнечной системы. Но до тех пор, пока взрыв Солнца не поглотит Солнечную систему, мы обречены на попытки решить хаотические уравнения, чтобы узнать, какие планеты к моменту возникновения этого красного гиганта все еще останутся на своем месте.

А значит, если мы хотим узнать, что произойдет, то, как и в случае прогнозов погоды, мы вынуждены обсчитывать модели, варьируя точные значения положений и скоростей планет. Иногда такие прогнозы бывают довольно пугающими. В 2009 г. французские астрономы Жак Ласкар и Микаэль Гастино обработали несколько тысяч моделей будущего развития Солнечной системы. Их эксперименты выявили потенциальную бабочку: ею оказался Меркурий.

Моделирование развития начинают с ввода имеющихся у нас данных о положениях и скоростях планет до настоящего времени. Но определить эти данные со стопроцентной точностью трудно. Поэтому каждый раз, когда они запускали модель, они вносили в данные небольшие изменения. Вследствие влияния теории хаоса даже малые изменения могут породить существенные расхождения результатов.

Например, размеры эллиптической орбиты Меркурия известны астрономам с точностью до нескольких метров. Ласкар и Гастино обсчитали 2501 модель, изменяя эти размеры в диапазоне величиной менее сантиметра. Даже такие малые возмущения привели к потрясающим различиям в будущей судьбе Солнечной системы.

Можно было бы ожидать, что, если уж Солнечная система и будет разорвана на части, виновником этого окажется одна из больших планет, скажем Юпитер или Сатурн. Однако орбиты газовых гигантов чрезвычайно стабильны. Неприятностей следует ожидать от скалистых планет земного типа. В 1 % проведенных ими имитационных экспериментов наибольшая опасность была связана именно с маленьким Меркурием. Модели показывают, что орбита Меркурия может начать расширяться в результате некоего резонанса с Юпитером, причем существует возможность столкновения Меркурия с его ближайшим соседом, Венерой. В одной из имитаций чуть было не случившегося столкновения оказалось достаточно, чтобы вывести Венеру из равновесия, в результате чего Венера столкнулась с Землей. Даже прохождение вблизи других планет может привести к возникновению таких приливных сил, воздействие которых будет катастрофично для жизни на нашей планете.

Речь тут не идет о простом случае абстрактных математических рассуждений. Свидетельства таких столкновений наблюдались на планетах, обращающихся вокруг двойной звезды Ипсилон Андромеды. Странность их нынешних орбит можно объяснить только выбросом какой-то невезучей планеты, произошедшим когда-то в прошлом этой звезды. Но не спешите убегать и прятаться: согласно этим моделям, момент, в который Меркурий может начать свои шалости, наступит еще через несколько миллиардов лет.

Каковы же наши шансы предсказать результаты броска кости, лежащей передо мной? Лаплас сказал бы, что если мне известны размеры кубика, распределение его атомов, скорость, с которой он брошен, и его взаимодействие с окружающей средой, то вычисление точки его остановки теоретически возможно.

Открытия Пуанкаре и тех, кто пришел после него, обнаружили, что различия в нескольких знаках после запятой могут определить, упадет ли кость шестеркой или двойкой. Хотя возможных исходов броска игральной кости существует всего шесть, начальные данные могут варьироваться в потенциально непрерывном диапазоне значений. Тогда, очевидно, должны существовать точки, в которых чрезвычайно малое изменение переключает результат броска с шестерки на двойку. Но какова природа таких переходов?

Компьютерные модели могут производить прекрасные визуальные представления, позволяющие составить понятие о чувствительности различных систем к начальным условиям. Рядом с игральной костью из Лас-Вегаса у меня стоит классическая настольная игрушка, в которую я могу играть часами. Она состоит из металлического маятника, который притягивают три магнита, выкрашенные в белый, черный и серый цвет. Анализ динамики этой игрушки дает картинку, которая отражает конечное положение маятника при движении из всех точек квадратного основания игрушки. Покрасим точку белым, если маятник, запущенный из этой точки, в конце концов оказывается притянут к белому магниту. Точно так же покрасим серым или черным точки, из которых маятник попадает на серый или черный магнит. Получится вот такая картинка:

Как и в случае популяционной динамики, тут есть совершенно предсказуемые области. Если движение маятника начинается вблизи одного из магнитов, к этому магниту маятник и притягивается. Но по мере приближения к краям картинки мы оказываемся на гораздо менее предсказуемой почве. И действительно, такая картинка дает нам пример фрактала.

На ней есть участки, на которых не существует простого перехода от черного к белому. Если увеличивать изображение, картинка никогда не станет областью, заполненной одним цветом. Сложность рисунка сохраняется на всех масштабах.

Одномерный пример такой картинки можно соорудить следующим образом. Начертим отрезок единичной длины и для начала закрасим одну его половину черным, а другую – белым. Затем возьмем половинный участок между точками 0,25 и 0,75 и перевернем его. Теперь возьмем половину перевернутого участка, расположенную в его середине, и перевернем ее еще раз. Если повторять эту операцию до бесконечности, предсказанное поведение вокруг точки 0,5 становится чрезвычайно чувствительно к малым изменениям. Не существует такого участка, содержащего точку 0,5, который был бы закрашен одним цветом.

Существует более замысловатый вариант этой картинки. Возьмем снова отрезок единичной длины. Сотрем центральную треть отрезка. У нас остались два черных отрезка, разделенные белым промежутком. Сотрем теперь центральную треть каждого из черных отрезков. Получаем черный отрезок длиной 1/9, белый отрезок длиной 1/9, черный отрезок длиной 1/9, затем белый отрезок длиной 1/3, который был стерт на первом шаге, а потом опять: белый – черный – белый.

Вы, наверное, уже догадались, что нужно сделать дальше. На каждом шаге мы стираем центральную треть всех черных отрезков. И так до бесконечности. Полученная картинка называется канторовым множеством по имени немецкого математика Георга Кантора, с которым мы еще встретимся на последнем «рубеже», когда будем рассматривать то, что мы знаем о бесконечности. Предположим, что такое канторово множество определяет конечное положение маятника в моей настольной игрушке. Перемещая маятник вдоль этой линии, я выясняю, что на некоторых участках такая картинка предсказывает чрезвычайно сложное поведение.

Довольно странный расчет показывает, что суммарная длина стертой линии равна 1. Но внутри отрезка по-прежнему остаются черные точки: точка с координатой 1/4 не будет стерта никогда, так же как и точка 3/10. Однако такие черные точки не изолированы. На любом участке, окружающем черную точку, всегда находится бесконечно много черных и белых точек.

Как выглядит динамика игральной кости? Фрактальна ли она и, следовательно, непознаваема? Сначала я предположил, что поведение кости должно быть хаотичным. Однако недавние исследования обнаружили нечто неожиданное.

Недавно группа польских исследователей проанализировала бросок игральной кости с математической точки зрения и, используя высокоскоростную киносъемку, выяснила, что наша кость может быть не столь хаотичной и непредсказуемой, как мы опасались. В эту исследовательскую группу, работающую в Лодзи, входят отец с сыном Томаш и Марцин Капитаняки, а также Ярослав Стржалко и Юлиуш Грабский. В своей статье, опубликованной в журнале Chaos в 2012 г.[30]30
  Chaos 22 (4), 2012: 047504.


[Закрыть], группа приводит картинки, сходные с полученной для магнитного маятника, но с более сложными начальными положениями, которые учитывают угол, под которым был брошен кубик, а также его скорость. Поведение кости можно считать предсказуемым, если в большинстве точек получившейся картинки кость падает той же стороной при малом изменении начальных условий. Такую картинку, например, можно раскрасить в шесть цветов, соответствующих шести граням кубика. Картинку можно считать фрактальной, если при любом увеличении масштаба по-прежнему можно видеть области, содержащие по меньшей мере два цвета. Если таких признаков фрактальности не видно, то поведение кости предсказуемо.

Модель, которую использовала польская группа, предполагала, что кость идеально уравновешена – так же, как та кость, которую я привез из Лас-Вегаса. Оказалось, что сопротивлением воздуха можно пренебречь, так как оно крайне мало влияет на полет кубика. Когда кость ударяется об стол, некоторая часть ее энергии рассеивается и после достаточного числа соударений кость теряет всю свою кинетическую энергию и останавливается.

Трение кубика об стол также играет важную роль, поскольку в первых нескольких соударениях кость с высокой вероятностью скользит по столу, а при последующих отскоках скольжение прекращается. Однако в модели, которую изучала польская группа, поверхность стола считалась лишенной трения, так как наличие трения делает динамику слишком сложной для расчетов. Таким образом, можно представить себе игральную кость, которую бросают на лед.

Я уже выписал уравнения движения кости во время ее полета в воздухе, основанные на законах движения Ньютона. В представлении польской группы они оказались не слишком сложными. А вот уравнения изменения динамики после соударения со столом выглядят довольно пугающе: они занимают в ее статье целых десять строк.

Исследователи выяснили, что, если количество энергии, рассеиваемой при соударении со столом, достаточно велико, распределение исходов бросков кости не обладает фрактальными свойствами. Это означает, что при достаточно высокой точности установления начальных условий результаты броска игральной кости предсказуемы и воспроизводимы. Можно предсказать, например, что зачастую кость будет останавливаться на той грани, которая была нижней в момент броска. То есть поведение игральной кости, геометрически правильной в статическом состоянии, может оказаться отличным от чисто случайного, если учесть ее динамику.

Однако при увеличении жесткости стола, которое приводит к уменьшению рассеяния энергии и, следовательно, к росту числа отскоков кубика, можно увидеть появление фрактальных свойств.

На этих картинках рассматриваются изменения двух параметров: высоты, с которой бросают кость, и вариаций угловой скорости вращения вокруг одной из осей. Чем меньше энергии рассеивается при соударении со столом, тем более хаотичным получается поведение кости и тем больше кажется, что судьбу моей игральной кости все-таки определяет воля богов.

По мере продвижения от (a) к (d) рассеяние энергии на столе уменьшается, что приводит к усилению фрактальных свойств результатов броска игральной кости