Текст книги "Восхождение на гору Невероятности"

Майкл Робинсон, ныне директор вашингтонского Национального зоопарка, и его жена Барбара нашли в джунглях Новой Гвинеи необычную паутину (рис. 2.7а). Паутина как паутина, но вниз от основного круга тянулась вертикальная полоса паутины же длиной почти в метр. Паук сидел наверху, в гуще переплетения. Влетев в сеть, мотылек мог бы свободно свалиться вниз. Однако веревочная лестница существенно удлиняет паутину, и мотылек может угодить в эту дополнительную ловушку. Пока он будет там трепыхаться, пыльца израсходуется, к тому же он дольше пробудет в плену, поэтому более вероятно, что паук успеет сбежать по лесенке и нанести последний решающий удар. Вскоре после открытия Робинсона его коллега Уильям Эберхард обнаружил такую же ловчую сеть в Новом Свете, в Колумбии (рис. 2.7b). О том, что оба изобретения, в Новой Гвинее и Колумбии, были сделаны независимо друг от друга, свидетельствует тот факт, что второй паук сплел основную (круговую) часть паутины не на верхушке лестницы, а внизу. Однако эффект тот же, и причина появления такой конструкции, очевидно, тоже общая – оба паука питаются преимущественно мотыльками.

Рис. 2.7. Два случая независимой эволюции паутины-лесенки – в Новой Гвинее (а) и в Колумбии (b).

Впрочем, веревочная лестница – лишь один из возможных способов удержать добычу, который хорошо работает против мотыльков. Некоторые виды пауков применяют другой метод – пружинные ловушки. Паук из рода Hyptiotes вместо полного круга плетет только треугольник с четырьмя осевыми линиями. От вершины треугольника отходит дополнительная нить, которая обеспечивает натяжение всей сети. Но этот канат не крепится к твердой поверхности – его конец держит сам паук. Таким образом, паук – или паучиха – играет роль связующего звена между паутиной и жесткой опорой. Он натягивает канат передними ногами, а третьей парой ног держит свободную петлю ловушки. Притаившись в засаде, самка паука поджидает жертву. Когда в паутину врезается насекомое, она реагирует мгновенно. Отпускает петлю, в результате чего сеть оплетает и обездвиживает насекомое, и одновременно спрыгивает на канате к своей жертве. Далее она может два-три раза подпрыгнуть, качаясь на канате, чтобы подтянуть его и выпустить позади себя еще немного шелка. Итог: насекомое безнадежно увязло в тугой сети. Паучиха опутывает его дополнительными витками шелка и уносит хорошо упакованную добычу. Лишь теперь она укусит беднягу, выпустит ядовитый секрет и через шелковую оболочку высосет разжиженную массу. Треугольная сеть не подлежит восстановлению, придется опять начинать строительство с нулевого цикла.

По-видимому, пауки Hyptiotes таким образом решают следующую проблему: сильно натянутая паутина хороша для поимки насекомых, но при энергичной борьбе сильное натяжение – это скорее минус. Если вы насекомое и вас угораздило влететь в липкую ловушку, вам будет легче выскочить из тугой сетки, чем из провисающей. От слабо натянутых нитей не оттолкнешься, и вы еще больше завязнете в липком шелке. Для захвата насекомого на лету и для того, чтобы потом не позволить ему выпутаться, требуется разное натяжение нитей, подобно тому, как у сверхзвукового самолета оптимальная форма крыла различна в зависимости от приоритетной цели – оторваться от земли или набрать нужную скорость в полете. Форма крыла одних самолетов годится с небольшими компромиссами для обоих режимов, в то время как изменяемая геометрия крыла истребителя позволяет всегда достигать максимальной выгоды, пусть и ценой увеличения затрат на сложную механику. Паук рода Hyptiotes плетет паутину с изменяемым натяжением нитей.

Пауки-крестовики, как правило, натягивают сеть с прицелом на первичный захват насекомого и уповают на то, что успеют добежать по паутине до жертвы и взять ее в плен раньше, чем она улетит. Другие пауки выбирают иной путь и плетут изначально рыхлую паутину (рис. 2.8). Пауки рода Pasilobus делают треугольник с одиночной нитью, рассекающей его надвое. Липкие нити – их всего несколько – не натянуты. Хитрость заключается в том – и это еще одно интересное открытие, которое сделали Майкл и Барбара Робинсон в Новой Гвинее, – что эти нити легко оборвать на одном из концов. Насекомое – скажем, муха, – влетев в паутину и прилипнув к ней, тут же обрывает нить у специально устроенного неустойчивого к обрыву узла, но все равно прилипает к другому концу нити. Дальше она крутится, словно игрушечный самолетик на веревочке. Теперь для паука вытянуть нить и прикончить жертву – дело техники. Такая схема имеет, в частности, все то же преимущество – поскольку конструкция болтается и нет точки опоры, насекомое не в состоянии бороться. А может быть, схема с рвущимися нитями хороша прежде всего тем, что позволяет решить уже известную нам задачу – погасить удар насекомого о сетку, когда оно влетает в нее на высокой скорости, так чтобы сетка не отбросила его, словно батут. Возможно, треугольная ловушка пауков Pasilobus – это сокращенная версия полной круговой паутины. Во всяком случае, пауки другого рода, Poecilohachys, плетут круговую паутину с тем же принципом действия. Их сети, в отличие от типичной круговой паутины, расположены не вертикально, а горизонтально.

Рис. 2.8. Треугольная паутина паука Pasilobus с нитью, легко обрывающейся с одного конца.

Если рассматривать треугольник пауков Pasilobus как уменьшенный вариант этой полноценной круговой ловчей сети, то можно и дальше экстраполировать ряд вплоть до предельного случая – единичной нити с шариком на конце, которую используют пауки-арканщики (боладоры, род Mastophora, рис. 2.9). Болас, или бола, изобретение южноамериканских индейцев, напоминает пращу; нынешние скотоводы испано-индейского происхождения и сейчас его используют – например, чтобы ловить в прерии не умеющих летать нанду. Болас представляет собой веревку с грузом на конце, круглым камнем или каменным шаром. Груз кидают так, чтобы веревка обмотала ноги птицы и она упала. Чарльз Дарвин в молодости упражнялся с боласом, сидя верхом на лошади, и ухитрился ее же и изловить, чем здорово развеселил ковбоев… хотя лошадь вряд ли разделила их радость. На эту паучью удочку неизменно клюют самцы мотыльков-совок, или ночниц, и на то есть причина. Ночницы-самки приманивают партнеров издалека, испуская своеобразный аромат. Пауки выделяют вещество с похожим запахом, который увлекает мотыльков на верную гибель. Паучий “болас” – это увесистый шарик, закрепленный на конце шелковой нити, другой конец которой паук держит одной ногой. Он раскачивает болас, пока не обмотает мотылька, а затем подтягивает добычу к себе. Это гораздо более высокотехнологичное орудие, нежели примитивная ковбойская сумка с камнями. На самом деле это плотно скрученный шелковый канат, помещенный в каплю воды, наподобие клейких капель в круговой паутине. Когда паук забрасывает свой болас, канат разворачивается, словно леска спиннинга. Если он коснется мотылька, тот прилипнет, и шарик будет описывать круги. Далее события развиваются так же, как в сценарии с провисающими нитями. Туго спеленутый мотылек получает инъекцию яда. Пауки с боласами обитают в Южной Америке – кто знает, может индейцы, увидев, как охотятся пауки, взяли их идею на вооружение.

Рис. 2.9. Паук-арканщик (боладор).

Мы рассмотрели различные варианты полных и усеченных круговых паутин. Пора вернуться к собственно круговой паутине. В конце предыдущей главы мы задались вопросом о том, как с помощью программы биоморфов – компьютерной модели искусственного отбора – создать модель естественного отбора, где в роли селекционера выступал бы не человек, а равнодушная природа. Выяснилось, что биоморфы имеют существенный недостаток – у них нет ничего общего с реальным физическим миром, в котором надо выжить и либо победить, либо проиграть. Мы можем условиться, что какие‐то биоморфы будут хищниками, охотящимися на другие биоморфы – жертвы. Но непонятно, как естественным путем, без дополнительных условий догадаться, какие свойства биоморфов помогают или мешают им охотиться и уходить от преследования. У одного из биоморфов с рис. 1.16 (стр. 48) можно при желании различить страшные клыки, с которых капает хищническая слюна. Но его разверстая пасть неподвижна и не функционирует в живой природе, где клыки могли бы прокусить панцирь или шкуру, поэтому, как ни фантазируй, наяву этот кошмар не увидишь. Клыки и шкура – всего лишь комбинация пикселей на плоском светящемся экране. Острота зубов, сила, хрупкость и ядовитость – на экране монитора все эти параметры без придуманных описаний, которые программист произвольно облек бы в цифры, не имеют смысла. Можно протестировать ходилку-стрелялку типа “цифры против цифр”, но рисованное воплощение цифровых значений будет носить чисто косметический, не нужный для действия характер. Понятно, что придуманные описания и произвольные цифры в реальности ничего не означают. Вот на этом самом месте в конце предыдущей главы мы, вздохнув с облегчением, вернулись к теме паутины. Паутина – это природный объект, который можно воспроизвести без произвольных допущений.

В живой природе работающая круговая паутина плоская. Сквозь крупноячеистую сеть муха пролетит беспрепятственно. Если ячейки слишком мелкие, пауки-конкуренты добьются примерно тех же результатов при меньших затратах на шелк, а следовательно, оставят после себя больше потомства и передадут ему свои рационализаторские варианты генов. Естественный отбор приводит к разумному компромиссу. Нарисованная в компьютере паутина взаимодействует с такими же нарисованными мухами, причем ее свойства таковы, что взаимодействия отнюдь не произвольны. Размер ячеек – величина, вовсе не бессмысленная по сравнению с размерами компьютерной “мухи”. Столь же значимый параметр – суммарная длина линий (“затраты на шелк”). Сделав небольшую скидку на искусственность модели, можно рассчитать эффективность ловчей сети как соотношение этих величин. Можно даже учесть в компьютерной модели чуть более сложную физику – впервые это сделали Фриц Фольрат, у которого я и почерпнул многое из того, что здесь написал, и его коллеги, физики Лоррен Лин и Дональд Эдмондс. Гораздо проще описать “упругость” и “остаточную деформацию” компьютерной “паутины”, чем, скажем, “проворство” “убегающей” от цифрового “хищника” “жертвы” или ее “бдительность” при “определении его местонахождения”. Однако в этой главе нас больше интересует имитация процесса создания паутины.

Программист может записать правила для компьютерной модели паука, используя результаты полевых наблюдений – знания о повадках живых пауков и о критических моментах, которые определяют их линию поведения. Профессор Фольрат и его интернациональная исследовательская группа – бесспорные лидеры в этой области, и у них была прекрасная возможность подытожить свой опыт в компьютерной программе. Компьютерная программа действительно дает шанс систематизировать накопленные сведения о любом наборе правил. Собрать в компьютере имеющийся пул информации о зафиксированных наблюдателями движениях паука, который плетет паутину, вызывался Сэм Чокке, один из членов команды. Он назвал свою программу MoveWatch. Питер Фукс и Тимо Кринк, опираясь на работы Ника Готта и Алуна ап Ришарта, сосредоточились на обратной задаче – создании виртуальных “пауков”, которые ловят виртуальных “мух”. Эта программа получила название NetSpinner.

На рис. 2.10 показано, как в программе MoveWatch выглядят передвижения самки Araneus diadematus в процессе плетения паутины. Заметьте, что, несмотря на бросающееся в глаза сходство с сетью, это не изображение паутины. Мы видим хронологическую картину передвижений самки паука. Паучиху, занятую строительством ловчей сети, снимали на видеокамеру. Информацию о ее положении в различные последовательные моменты времени вводили в компьютер как пару прямоугольных координат. Затем компьютер последовательно соединил точки линиями. Так, линии “липких спиралей” (рис. 2.10е) отражают траекторию самки на этапе создания липких спиралей. Положение самих липких спиралей эти линии не отражают. В противном случае они выглядели бы ровнее. Те волнистые сгущения, которые мы видим, говорят о том, что паучиха в процессе укладывания липких витков опиралась на временные вспомогательные спиральные нити (рис. 2.10d).

Рис. 2.10. Хроника перемещения паука Araneus diadematus в процессе плетения паутины, отраженная на компьютере в программе Сэма Чокке MoveWatch: (a) и (b) подготовка; (с) радиальные линии; (d) вспомогательные нити; (е) липкие нити; (f) наложение всех стадий.

Эти картинки – не модели поведения компьютерных пауков. Наоборот – это компьютерное описание поведения живого паука. Теперь обратимся к дополняющей программе NetSpinner – к поведению некоей идеальной вымышленной особи. Можно было создать модель поведения любого гипотетического паука. NetSpinner воспроизводит действия ненастоящего паука точно так же, как программа с биоморфами моделирует анатомию насекомоподобных форм. Паутина на экране рисуется по правилам поведения, которые меняются под влиянием “генов”. Гены – как и у биоморфов, просто цифры, записанные в памяти компьютера, – передаются из поколения в поколение. В каждом поколении “поведение” вымышленного паука и, следовательно, геометрия “паутины” зависят от генов. Так, один из генов может влиять на угол между радиальными нитями: мутация, то есть изменение для компьютерного паука цифрового значения соответственно какому‐то правилу поведения, приведет к изменению количества радиальных нитей. Как и в программе с биоморфами, при переходе от одного поколения к другому цифровые значения генов могут незначительно меняться. Эти мутации становятся заметны по изменению формы паутины, а значит, являются объектом для селекции.

Шесть изображений паутины, показанные на рис. 2.11, можно рассматривать как биоморфы (точки пока во внимание не принимаем). Паутина вверху слева будет родителем. Остальные пять – мутировавшие отпрыски. Конечно, в жизни паутина не дает потомства, то есть “дочерние паутины” – это пауки, которые плетут паутину, рождают других пауков, которые тоже плетут паутину. Но в этих моих словах о паутинах кроется важная информация, применимая к организмам. У людей гены, определяющие особенности детей, возникают из генов, определяющих особенности родителей. В компьютерной модели те варианты генов, которые, меняя поведение не видимого на экране воображаемого паука, определяют вид родительской паутины (вверху слева), мутировали, и в результате появились другие варианты генов, определившие вид дочерних паутин на остальных пяти картинках.

Рис. 2.11. Сгенерированные в компьютере паутины под градом компьютерных мух. Программу NetSpinner создали Питер Фукс и Тимо Кринк.

Мы, конечно, могли бы, взглянув на все шесть паутин, выбрать одну для дальнейшего разведения, как мы выбирали биоморфов. Это означало бы, что при наличии мутации мы выбрали варианты генов этой паутины для передачи по наследству. Но это был бы искусственный отбор. Мы отказались от биоморфов и перешли к паутине ради возможности создать модель естественного отбора, когда критерием служит не эстетская блажь человека, а поддающийся измерению параметр – эффективность ловли мух.

Давайте посмотрим на картинки. Компьютер хаотически рассеивает по паутинам мух. Если приглядеться, можно заметить, что во все шесть паутин была вброшена одна и та же комбинация мух. В отличие от живой природы, в компьютерном мире так будет всегда, если только вы не смените тактику и не дадите другую команду. В данном случае это не важно, так даже удобнее сравнивать разные паутины. Сравнивать – в частности значит с помощью программы подсчитывать количество мух, “пойманных” каждой паутиной. Если бы больше ничего не требовалось, лучшей следовало бы признать паутину внизу справа, так как к ее спиральным нитям прилипло больше всего мух. Но мушиная кучка – не единственный значимый параметр. Необходимо учесть и затраты на шелк. Меньше всего шелка ушло на паутину вверху в середине, и в отсутствие других критериев она победила бы. На самом деле лучшая паутина – та, что улавливает больше всего мух за вычетом затрат на шелк, которые рассчитываются как функция длины нитей. По результатам такого уточненного расчета наиболее выигрышной является паутина, изображенная внизу в середине. Она‐то и будет выбрана для продолжения рода и передачи определяющих ее вариантов генов следующему поколению. Как и в программе с биоморфами, производство потомства от лучшей особи в течение многих поколений поддерживает устойчивость эволюционного тренда. Но если эволюцию биоморфов направляет в нужное русло исключительно воля человека, то в программе NetSpinner эволюция автоматически идет в сторону повышения КПД паутины. Мы получили то, что хотели – модель естественного отбора, а не искусственного. К чему приведет эволюция при таких условиях? Поразительно, насколько правдоподобно выглядят паутины, за одну ночь проскочившие сорок поколений эволюции (рис. 2.12).

Те картинки, что я здесь привожу, получены в программе NetSpinner II, над которой в основном работал Питер Фукс (NetSpinner I – это черновая версия, и ее мы обсуждать не будем). Разработанные Тимо Кринком более поздние версии этой программы составляют конкуренцию биоморфам еще в одном важном вопросе. В NetSpinner III добавлено размножение половым путем. Биоморфы и объекты программы NetSpinner II размножаются только бесполым путем. Что мы имеем в виду, когда говорим о половом способе размножения компьютерных пауков? Вы не увидите на экране акта спаривания с вероятным каннибалистическим финалом, хотя, очевидно, это можно было бы устроить. Просто в программе происходят характерные для полового размножения взаимодействия – рекомбинация половины генов одного родителя с половиной генов другого родителя.

Рис. 2.12. Последовательные превращения паутины, смоделированной в программе NetSpinner, с интервалом в пять поколений. На каждое превращение потребовалась примерно одна ночь.

Вот как это работает. В каждом поколении имеется особая группа в полдюжины пауков, каждый из которых плетет свою ловчую сеть; это локальная популяция, или дем. Геометрия паутины зависит от хромосомы, то есть цепочки генов. Как мы уже знаем, роль гена такова, что он оказывает влияние на специфический “закон” строительства ловушки. Затем в паутину вбрасывают мух. Качество паутины все так же определяется по функции количества пойманных “мух” с вычетом затрат на использованный шелк. В каждом поколении погибает определенный процент пауков – тех, чьи ловчие сети работают хуже всего. Выжившие пауки спариваются в произвольном порядке и дают жизнь новому поколению. Под спариванием подразумевается, что хромосомы двух пауков выравниваются относительно друг друга и обмениваются своими участками. Казалось бы, странная, надуманная схема, если не вспомнить, что при размножении половым путем живые хромосомы – и наши, и паучьи – именно так себя и ведут.

Процесс продолжается, популяция развивается от поколения к поколению, но с одним дополнительным плюсом. Это уже не один дем, в который входят шесть пауков, а, допустим, три полунезависимых дема (рис. 2.13). Эволюция каждого из трех демов протекает независимо, но отдельные особи периодически мигрируют из своего дема в другой и переносят свои варианты генов. В четвертой главе мы поговорим о теоретическом обосновании такой миграции. Сейчас мы можем лишь отметить, что все три группы эволюционируют с повышением качества паутины – в сторону более эффективной ловли мух. Иногда популяция встает на тупиковый путь развития. Варианты генов пауков-мигрантов сродни притоку свежей крови в жилах другой популяции. Можно сказать, сильная подгруппа отдает свои варианты той, что послабее, тем самым подсказывая ей более выгодный способ создания ловчей сети.

Во всех трех популяциях первое поколение включает в себя паутины разных форм, в большинстве своем с невысоким КПД. Мы видим, что по мере смены поколений, как и в случае неполового размножения (рис. 2.12), происходит постепенный переход к более качественным и эффективным вариантам. Но теперь “свежая кровь” распределяется за счет полового размножения, поэтому отдельные экземпляры в деме довольно похожи друг на друга. С другой стороны, генетически они являются отпрысками других демов, так что и различия достаточно заметны. На какой‐то стадии в одиннадцатом поколении гены двух паутин из дема 3 мигрировали в дем 2, то есть “инфицировали” дем 2 “кровью” дема 3. К пятидесятому поколению, а в некоторых случаях гораздо раньше, паутины превратились в прочные, надежные и экономичные ловушки.

Итак, можно воссоздать на компьютере некое подобие естественного отбора и получить искусственные ловчие сети, которые захватывают мух эффективнее, чем исходные. Это еще не подлинный естественный отбор, но существенный шаг вперед, больше приближающий нас к цели, чем полностью искусственная селекция биоморфов. Однако даже NetSpinner не воссоздает природный естественный отбор. Для того чтобы с помощью программы найти достаточно экономичные ловчие сети и выбрать наиболее пригодные для воспроизводства, требуется выполнить расчет. Программист должен сам определить стоимость “шелка” для данной паутины, причем в тех же единицах, что и ценность “мухи”. Он может, если захочет, изменить обменный курс. Например, удвоить “цену на шелк”. Тогда паутина большей площади или более плотная, на которую потратили больше шелка ради того, чтобы поймать больше мух, окажется менее пригодной для воспроизводства. Программист должен сам выбрать коэффициент пересчета. Это лишь один, самый очевидный пример конвертации. Коэффициент соответствия “мушиного мяса” вновь рожденным паучкам тоже должен задать программист. Он может быть любым. Сколько пауков погибает по разным причинам, не связанным с качеством паутины, также решает программист. Эволюция вида зависит от его волюнтаризма.

Рис. 2.13. (на стр. 86 и 87) Пятьдесят поколений эволюции трех демов компьютерных паутин, полученных половым размножением и выведенных “естественным отбором” в программе NetSpinner. В одиннадцатом поколении два генотипа из третьего дема мигрировали во второй дем, и теперь их можно использовать для перекрестного скрещивания (пути миграции показаны на рисунке стрелками).

В жизни ни одно из этих решений не принимается по чьей-либо воле. Это и не решения как таковые, и здесь не применяются компьютерные технологии. Просто так происходит, само собой и без лишнего шума. Плоть мух действительно превращается в плоть маленьких паучков с уже существующим коэффициентом перевода. Если нам хочется рассчитать его – имеем право. Превращение идет независимо от того, опишет ли кто‐нибудь этот процесс в математическом виде или нет. Точно так же происходит преобразование мушиного “мяса” в паутинный шелк. В сущности, для NetSpinner все мухи равны. В живой природе иногда возникают – тоже сами собой и без шума – всякие непредвиденные трудности и неприятности. Помимо того, что одни насекомые крупнее других, есть еще и качественные различия. Предположим, для выработки паутинного шелка нужна какая‐то аминокислота, и ее мало. Разные виды насекомых способны поставлять определенное количество этой аминокислоты. В таком случае истинную ценность насекомого следует рассчитывать с учетом его вида и массы. NetSpinner позволяет выполнить подобный расчет, но это будет очередное волевое решение. В природе это естественный процесс, не требующий специальных условий. Вот еще пример. Наверное, если запасы белка у паучихи почти восполнены, лишняя муха ей не так дорога, как если белка почти нет. Программа это игнорирует, а природа – нет. Можно было бы ввести в программу и поправку на насыщение. В жизни это делается автоматически. Никакие расчеты для этого не нужны.

К чему я клоню, настолько очевидно, что едва ли надо об этом говорить, но вместе с тем настолько важно, что нельзя не сказать. Всякий раз, когда в программу вносится новая реперная точка, которая усложняет расчет, квалифицированный программист должен добавить еще сколько‐то страниц с кодами команд. В жизни, напротив, бросается в глаза отсутствие расчетов. Коэффициент перевода мушиного белка в белок паутины уже заложен в природе. Безо всяких вычислений ясно, что для голодного паука муха дороже, чем для сытого. Было бы странно, если бы для голодного паука пища значила бы меньше. Мы привыкли рассматривать компьютерную модель как упрощение реальной жизни. Но в некотором смысле компьютерная модель естественного отбора отнюдь не упрощает, а только усложняет реальные природные процессы.

Естественный отбор – предельно простой процесс в том смысле, что он идет при минимальном использовании технических средств. Безусловно, эффекты, которые он производит, и его конечные результаты чрезвычайно непросты. Однако чтобы на живой планете пошел процесс естественного отбора, не нужно ничего, кроме информации о наследственности. Чтобы заработала компьютерная модель естественного отбора, надо иметь эквивалент такой информации и еще много всего. Потребуется умная техника для расчета всевозможных затрат и бонусов, а также надо будет выработать систему их конвертации.

Кроме того, придется создать целый искусственный физический мир. Мы выбрали в качестве примера паутину, потому что из всех природных “устройств” она лучше всего поддается описанию в терминах программирования. В принципе можно оцифровать что угодно – крылья, позвоночники, зубы, челюсти, плавники и перья – и написать программу для оценки эффективности их разновидностей. Но программисту придется изрядно поломать голову. Оценить крылья, плавники или перья можно только в реальной физической среде (в воде или воздухе) с присущими ей свойствами, такими как сила сопротивления, упругость и турбулентность. Воссоздать все эти условия очень трудно. Вне реальной ситуации, где действуют напряжение, рычаги и сила трения, нельзя понять, насколько хорошо функционируют позвоночник и кости конечностей. Жесткость, хрупкость, упругость при изгибе и сжатии – все это надо будет отобразить в программе. Моделирование динамических взаимодействий множества костей, соединенных связками и сухожилиями под разными углами, – сложнейшая математическая задача, и человек постоянно должен решать, какой ход сделать дальше. Воспроизвести турбулентный воздушный поток, омывающий крыло, до такой степени нелегко, что авиаконструкторы часто даже не пытаются сделать это с помощью компьютера – проще поставить эксперимент в аэродинамической трубе.

Впрочем, не стоит недооценивать работу специалистов по компьютерному моделированию. В 1987 году в Лос-Аламосе, где когда‐то ученые разрабатывали атомную бомбу, а ныне занимаются более созидательным трудом, прошла презентация нового направления в науке, получившего название “искусственная жизнь”, и я имел честь присутствовать на церемонии. Кристофер Лэнгтон, инициатор и руководитель той, первой, конференции 1987 года и тех, что состоялись потом, основал одноименный журнал. Опубликованные там статьи развеяли пессимизм предыдущего абзаца. Так, трио ученых из Северной Америки – Деметрий Терцопулос, Сяоюань Ту и Радек Гжещук – описали великолепную модель виртуальных рыб, которые ведут себя совсем как настоящие и взаимодействуют друг с другом в виртуальном водоеме. В компьютерном мире, где обитают эти рыбы, действуют свои физические законы, основанные на физике настоящей воды. Как правило, программисты стараются адекватно воспроизвести поведение одной, отдельно взятой, рыбы. Затем эту правильную рыбу многократно воспроизводят с некоторыми изменениями и всю стаю выпускают в “водоем”, где рыбы “встречаются” и вступают в контакт друг с другом. Например, уходят от столкновений и объединяются в “школе”.

Каждая компьютерная рыба состоит из 23 узлов, соединенных с соседними узлами 29 пружинами в виртуальном трехмерном пространстве (рис. 2.14). Двенадцать пружин могут сжиматься и растягиваться – это “мышцы” искусственной рыбы. По “мышцам” волной прокатываются контролируемые сокращения, которые имитируют игру и виляние живой плывущей рыбы. Исходя из личного опыта, рыба может научиться лучше управлять работой мышц, чтобы плавать, поворачивать и преследовать добычу. Три “переменные ментального статуса” рыбы – “голод”, “либидо” и “страх” – в совокупности формируют “инстинкты” (состояние “побуждения”). Имеется в виду побуждение к “еде”, “спариванию”, “рысканью”, “убеганию” и “уходу от столкновения”. У рыбы есть два органа чувств, один из которых нужен для “восприятия” температуры воды, а другой служит как бы глазом и помогает ей различать положение, цвета и размеры окружающих ее объектов. Для красоты состоящий из узлов и связок скелет помещен в цветное поле, раскрашенное в цвета настоящих рыб. Разные виды рыб – скажем, хищники и жертвы – отличаются не только внешне, но и по повадкам (рис. 2.15). Помимо размеров, хищники и жертвы отличаются “поведенческой предрасположенностью” и разными “инстинктами”, а из‐за влияния переменных ментального статуса они вырастают в разной степени. Надо сказать, что даже на современных быстродействующих машинах такого рода модели требуют столько компьютерного времени, что искусственный мир, населенный множеством взаимодействующих рыб, не дает правдоподобной картины в реальном времени. Рыбы плавают, преследуют одна другую, удирают друг от друга и отправляют брачные ритуалы в замедленном масштабе времени по отношению к реальному, поэтому если мы хотим сохранить жизненный темп игры, нам придется прибегнуть к аналогу покадровой фотосъемки (съемки с интервалами). Но это мелочи, не имеющие существенного теоретического значения; в будущем, когда появятся компьютеры следующих поколений, эта проблема исчезнет.

Рис. 2.14. Искусственная рыба с пружинным скелетом.

Рис. 2.15. Искусственная акула в погоне за стайкой рыб.

Искусственный подводный мир Терцопулоса, Ту и Гжещука достаточно богат, чтобы на его примере можно было изучать эволюцию. В настоящее время “спаривание”, хотя и имеет место быть, сводится к ритуалу “ухаживания”, так как на самом деле “рыбы” не размножаются. Далее – и авторы работают над этой задачей – необходимо будет добавить “гены” для развития различных поведенческих функций, управляющих мышечными связками, так чтобы эффект удалось оценить количественно, а в идеале – еще и для развития функции ментального состояния и инстинктов. В процессе спаривания гены самцов и самок могли рекомбинировать с генами, несущими случайные мутации, так что потомство имело бы новую генетическую конституцию. Тогда эволюция пошла бы по пути естественного отбора, пусть даже в полностью искусственном виртуальном мире. Вероятно, нет необходимости выделять две отдельные категории рыб – хищников и жертв. Можно начать с двух видов, различающихся не по поведению, а только по размерам и совместимости при спаривании, и в результате естественного отбора через много поколений у более крупных особей сформируется потребность пожирать мелких. Кто знает, свидетелями каких неожиданных поворотов искусственной естественной истории суждено нам стать?