О происхождении социального порядка

Глава 1: Энергия, живое и неживое

Чтобы подойти к объяснению предлагаемой теории, мне кажется логичным начать с физико-химических основ, на которых могла возникнуть жизнь. Это — необходимый контекст, без которого системный подход будет неполным. На нашей планете сосуществуют условия, при которых вещество может находиться в разных агрегатных состояниях. Снаружи на неё постоянно воздействуют метеориты, кометы, различные виды излучения и, прежде всего, солнечный свет — главный внешний источник света, тепла и энергии. Различные комбинации времени суток, состава атмосферы и сезонов формируют климат, который отличается от региона к региону. В разных условиях химические вещества могут взаимодействовать по-разному, что создаёт бесконечное множество возможных комбинаций.

Чтобы описать даже небольшой участок реального пространства на нашей планете, требуется знание многих разделов физики и химии. И это с учётом того, что наши современные знания могут быть неполными. Я не претендую на научную объективность и точность, однако надеюсь, что профильные специалисты, знакомые с предметом гораздо менее поверхностно, согласятся, что в общих чертах такое описание примерно соответствует действительности. Я намеренно избегаю подробного упоминания конкретных веществ или биологических видов, поскольку буду сосредотачиваться на их системных свойствах.

В условиях большого разнообразия возможных физических и химических взаимодействий, огромных пространств и длительных временных промежутков могли возникнуть практически бесконечные комбинации веществ и условий. Согласно современным гипотезам возникновения жизни, в одном из участков пространства могли сложиться такие специфические обстоятельства, при которых смог образоваться первый репликатор — вещество, способное создавать свои копии, используя окружающее его вещество. Теории пока не имеют однозначных догадок и деталей, какая именно молекула могла появиться первой и в каких условиях. Экспериментальное подтверждение этой гипотезы принесло бы её автору мировую славу.

Наиболее развитой теорией, получающей всё больше подтверждений, является гипотеза мира РНК. Впервые идея была предложена американским микробиологом Карлом Вёзе в 1968 году, затем развита британским химиком Лесли Орджелом и американским физиком и молекулярным биологом Уолтером Гильбертом в 1986 году. Теория предполагает, что первой самовоспроизводящейся молекулой стала рибонуклеиновая кислота (РНК), ранее считавшаяся исключительно частью ДНК.

Допустим, в нашей гипотетической среде могли сложиться такие специфические условия, которые привели бы к возникновению такой молекулы-репликатора. Однако это не означало бы, что она мгновенно заполнила бы всё пространство. Скорее всего, вокруг неё не хватало бы необходимых веществ, и со временем она просто разрушилась бы под влиянием окружающей среды прежде, чем могла бы создать даже единственную копию. Тем не менее, если жизнь существует сегодня, значит, условия для появления её первого предка могли возникать в прошлом не один десяток или не одну сотню раз.

В одном из таких случаев — о чудо — репликатору наверняка удалось создать несколько своих копий (если судить по тому, что жизнь существует и по сей день). Поскольку он ещё не является в привычном смысле живым организмом, процесс его репликации происходил неосознанно и нецеленаправленно, а исключительно вследствие химических реакций. Пока в окружающем пространстве было достаточно необходимых веществ, репликатор воспроизводил себя с максимальной возможной для такой реакции скоростью. Каждая его копия также могла начать создавать новые копии параллельно с оригиналом, что приводило к экспоненциальному росту их общего числа, и он продолжался бы до тех пор, пока ресурсы вокруг окончательно не будут исчерпаны.

Однако пространство, в котором существуют репликаторы — наша планета — ограничено и неоднородно. Например, в какой-то момент или в каком-то месте условия менялись: наступала ночь (если для стабильности молекулы требовался солнечный свет), падала или повышалась температура, возрастала концентрация агрессивных химических веществ. Это означало, что репликаторы неизбежно сталкивались бы со своим первым вызовом — окружающей средой, которая могла бы препятствовать их теоретически бесконечному воспроизведению.

Тем не менее, раз жизнь существует, это значит, что нашему далёкому предку удалось преодолеть все препятствия среды и успешно воспроизвести себя хотя бы один раз. Кажется, что выполнить такую задачу невозможно, если не знать заранее все возможные будущие изменения среды. Ключ к решению такой задачи — в несовершенстве самого процесса репликации, который приводит к фундаментальному явлению — эволюции и естественному отбору.

Глава 2: Генетика, размножение и естественный отбор

Для знакомых с биологией и генетикой в этих главах вряд ли найдётся что-то новое, что противоречило бы теоретическим основам дарвинистской эволюции. Назначение этих глав, теоретически вытекающих из достижений современной генетики, — показать ключевые её элементы из определённой перспективы так, чтобы можно было вычленить те отдельные её стороны, которые найдут своё место в объяснении процессов формирования социального порядка.

Способность к самокопированию как химической реакции, вероятно, не является чем-то бинарным в отношении результата. Было бы крайне грубо допускать, что наше вещество-репликатор либо «может создавать точные копии себя», либо «вообще не способно к самокопированию». Точность их репликации, вероятно, располагается на многомерной шкале вероятностей возможных итогов. Например, репликация в даже немного отличающихся условиях среды либо при отличающемся количестве входящих в реакцию веществ может быть более или менее ресурсо- или энергозатратной, более или менее точной, более или менее быстрой. Неопределённые или отличающиеся условия могут привести к появлению неопределённой или отличающейся молекулы, которая далеко не факт что вообще будет способна к следующей репликации.

Исходя из возможного разнообразия условий, свойство репликации, однажды впервые проявившись, вероятно, изначально не было совершенным или оптимальным. Я думаю, что для первого репликатора было бы достаточно, если хотя бы одна его репликация увенчается успехом в виде нового репликатора, хотя перед этой попыткой или после неё таких попыток могло бы быть сотни или тысячи. Даже воспроизведясь один раз, такая молекула могла бы считаться успешным репликатором, запустившим цепную реакцию репликации живого, которая происходит по сегодняшний день.

Из-за несомненной сложности такого процесса репликации, а также его изначальной неоптимальности, в результате репликации может случиться так, что созданная копия, также способная к репликации, будет немного отличаться от своего оригинала. Так, результатом репликации одного вещества-репликатора может стать другое вещество, несомненно, похожее на предыдущее, но новое по своей сути. Главным критерием, который будет определять, насколько данная найденная вариация перспективна, будет ответ на вопрос: насколько она способствует процессу дальнейшей репликации? В одном случае цепочка репликаций ускорится, в другом — новосозданное вещество, неспособное к репликации, обречено на распад без создания своих потомков. Поиск ответа на этот вопрос запускает естественный отбор — явление, в ходе которого численная доминация отходит тем, чей механизм саморепликации сравнительно более совершенен, чем у предков или сородичей.

Рассмотрим гипотетическую упрощённую ситуацию, повысив вероятность вариаций, тем самым как бы перемотав процесс репликации. Так, в случае если в какой-то момент одному репликатору удалось сделать так, что в одно время на одном пространстве стали существовать несколько его потомков-репликаторов, можно предполагать, что их свойства самокопирования будут также незначительно отличаться.

Например, если у одного из «сыновей» алгоритм дальнейшего копирования может случайно избавиться от «лишних строк» (что не влияло бы на его способность к репликации), то он получил бы преимущество в потенциально возможном количестве своих будущих копий. Ведь чем быстрее репликация, тем больше потомков — такая оптимизация означала бы ускорение репликации. В другом случае ускорение репликации могло бы происходить посредством избавления от «лишних строк» в целях снижения количества необходимых на репликацию ресурсов. Если бы для скульпторов, например, камни для изваяния головы статуи сразу поступали в форме шара или эллипсоида вместо куба, то их обработка означала бы более эффективное использование доступных ресурсов с меньшим коэффициентом потерь. Рост глубины использования доступных ресурсов при прочих равных, точно так же как и ускорение репликации, мог бы увеличивать число будущих потомков, что для эволюции жизни является ключевым индикатором приспособленности.

У другого «сына», к примеру, в результате репликации могли бы, напротив, появиться лишние строки, которые если и не поломали бы способность к репликации, то могли бы её случайным образом замедлить либо снизить ресурсоэффективность имеющегося алгоритма репликации.

Представим, что наше вещество-оригинал смогло до текущего момента успешно самокопироваться лишь дважды — остальные его потомки оказались неспособны к дальнейшему самокопированию. Таким образом, одновременно в нашей модели существуют три вещества с немного отличающимися алгоритмами репликации: оригинал со средней скоростью, первый потомок с более быстрой и ресурсоэффективной репликацией, и второй потомок с более медленной. По истечении какого-то времени наибольшим станет число потомков первого — того, чей алгоритм оказался сравнительно совершеннее. Имея это преимущество, именно он получает более высокую вероятность дальнейшего выживания своего алгоритма внутри потомков.

Как я уже упоминал, доступные пространство и ресурсы в нашей модели ограничены. Помимо прочего, окружающая среда в данном пространстве является нестабильной, поэтому для любого вещества существует риск наступления таких событий или условий (например, излучения, токсичные вещества, изменение температуры), которые могут случайно лишить наше вещество-репликатор свойств к копированию. Попадание в неблагоприятные условия будет означать неизбежный «распад» репликаторов («смерть»), что будет вести к обрыву цепочки репликации.

Поэтому если учитывать ограниченность ресурсов, спустя определённое время в нашем пространстве наибольшим станет число потомков того репликатора, чей алгоритм копирования сравнительно совершеннее. Вместо экспоненциального роста числа всех молекул, в таких условиях мы получим более медленный, но всё же рост численности репликаторов — сначала всех (рост через общее расширение), а по мере заполнения пространства — в сторону увеличения численности носителей сравнительно более совершенных алгоритмов (вытесняющий рост). Носители более совершенных алгоритмов, способные к более быстрой репликации, с каждым следующим шагом будут увеличивать свою численность относительно других. Со временем вымрут сначала потомки с наименее совершенным алгоритмом, а вскоре за ними — и потомки оригинала. Кто успел, как говорится, тот и съел.

Как можно видеть из такой модели, естественный отбор возникает в результате появления даже небольшого отличия между алгоритмами репликаторов. В реальности возможные изменения внутри репликационной инструкции, которые могут возникать в результате случайных мутаций, происходят постоянно, создавая бесконечное разнообразие возможного поведения их носителей. Нет предела тому, каким может быть итоговый алгоритм в результате мутаций — важен лишь ответ на вопрос, закрепится ли он во всей популяции репликаторов, что будет зависеть только от того, насколько быстрее остальных он будет способен преобразовывать окружающие его ресурсы в себеподобные копии. Единственный верный способ узнать, кто окажется «оптимальным», — это ждать окончания выбранного наблюдаемого периода. Те, кто в конце периода прирастут большим числом копий, и окажутся сравнительно более приспособленными к существующим окружающим условиям.

Глава 3: Код распаковки и алгоритмы поведения

Окружающий нас мир состоит из миллионов разновидностей живых организмов. Это является результатом работы случайно происходящих мутаций и их последующего отбора в течение миллионов лет. В генетике считается, что все мы, живые существа, являемся потомками давно существовавшего общего предка всех живых — LUCA (Last Universal Common Ancestor, или «последнего универсального общего предка»). Теоретически, существование такого простейшего репликатора подразумевает, что на земле не существует потомков других древних репликаторов — все цепочки, не вытекшие из LUCA, вымерли. Есть гипотеза, что предком LUCA мог быть FUCA — первый универсальный общий предок, который так же, как и LUCA, является родственником всего ныне живого на земле. Однако, помимо LUCA, FUCA мог создать множество других потомков, носители гена которых в других ветках вымерли до нашего времени1.

В основе жизни на Земле лежит удивительная молекула — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Это длинная цепь, состоящая из четырёх простых «букв» — нуклеотидов: аденина, тимина, гуанина и цитозина. Их последовательность — это своего рода программный код, физический носитель информации, который несёт в себе инструкции по созданию и функционированию всего организма. ДНК присутствует в каждой клетке живого существа, и именно через неё, как правило, передаётся основная часть генетической информации из поколения в поколение. В некотором смысле ДНК можно буквально сравнить с бинарным кодом компьютерных программ и найти в этом сравнении их функциональное единство в качестве носителя информации.

Чтобы уместить этот огромный массив информации в крошечное ядро клетки, ДНК компактно свёрнута в хромосомы — структуры, напоминающие плотно упакованные архивы данных. У человека таких хромосом 46, и в них содержится около 3 миллиардов «букв», или пар оснований. Если всю ДНК из одной клетки развернуть в линию, её длина составит примерно два метра. И это при том, что сама клетка настолько мала, что её можно разглядеть только под микроскопом.

Несмотря на всё многообразие форм жизни, ДНК разных организмов существенно совпадают. Геном человека совпадает с геномом шимпанзе почти на 99%, с мышью — на 85%, а даже с бананом у нас есть около 60% общих генов. Это свидетельствует о том, что жизнь как таковая, изначально ветвясь от общих предков, строится по единым принципам, а эволюция не изобретает каждый организм с нуля — она продолжает модифицировать уже существующие фрагменты кода.

Можно сравнить этот процесс с тем, как если бы сотрудники компании для решения своих задач не создавали новый чистый файл, а брали за основу уже существующую копию, использованную в прошлом, — со всеми её рабочими фрагментами, накопленными ошибками и особенностями архитектуры. Начать с нуля было бы соблазнительно, однако это невозможно: наука пока не понимает в полной мере, за что именно отвечает каждый участок ДНК и какие цепочки функций он поддерживает. Удалив кажущееся лишним, можно нарушить то, что незаметно, но критически важно. Поэтому гораздо надёжнее работать с тем, что уже существует, внося небольшие точечные правки.

ДНК можно рассматривать не просто как чертёж или набор инструкций, а как главный алгоритм всего организма — как он формируется (инструкция по «распаковке» в ходе репликации и формирования), как функционирует (что он делает между своей репликацией и созданием своих копий), а также как размножается (как он создаёт новые копии).

ДНК управляет внутренними процессами клетки — синтезом белков, регуляцией обмена веществ, механизмами роста и деления. Эти процессы идут автоматически, как фоновые системные задачи, не требуя никаких внешних данных. Однако организм не существует в вакууме. На примерах из прошлой главы репликатор существует в окружающей среде: он окружён веществами, условиями, другими репликаторами, и вынужден постоянно реагировать на эту среду (благодаря случайно появляющимся в ходе эволюции инструментам). Здесь на сцену выходят «интерфейсы» — инструментальные каналы, через которые организм получает сигналы извне: к примеру, воспринимает свет и звук, чувствует температуру или химический состав окружающей среды, тактильно ощупывает поверхности и прочее. ДНК в этом смысле содержит в себе информацию о том, как сформировать данные «интерфейсы», а также как использовать входящую через них информацию, предоставляя перечень определённых алгоритмичных действий «если…, то…» (например, «если холодно, то беги»). По сути, ДНК, помимо инструкций к репликации, распаковке и поддержанию жизни, предоставляет организму набор интерфейсов и драйверов к ним, обеспечивающих связь с внешним миром, а также вместе с ним и книгу с детальными инструкциями «на все случаи жизни».

Таким образом, алгоритм ДНК можно представить как многоуровневую динамическую программу, которая одновременно управляет внутренними автономными процессами, обрабатывает сигналы от внешней среды и внутренние данные о состоянии самого организма. Некоторые учёные называют ДНК «поваренной книгой» с рецептами, которая распространена по всем клеткам организма и представляет собой набор инструкций к действиям этих клеток («какое блюдо нужно приготовить») в зависимости от поступающих в неё сигналов или веществ.

Под алгоритмом точнее будет понимать не просто статичную последовательность заранее запрограммированных действий организма, а скорее сложную самонастраивающуюся и адаптивную систему параллельных вычислений, основанную на входящих в неё сигналах и существующих внутри ДНК чек-листах, как поступать в данных условиях. Такой алгоритм способен выдавать поведение, подходящее в данный момент времени в существующем контексте, при этом не выходя за пределы скриптов, заложенных в генетический алгоритм.

Комбинации вариантов действий могут быть разными в зависимости от уникальных ситуаций, в которые организм попадает, однако отдельно взятые действия всегда известны и прописаны в существующем коде — выполнить другое действие, не прописанное внутри алгоритма, чисто физически невозможно. О появлении памяти и о том, как она позволяет обойти это ограничение, будет описано в нескольких главах позже.

Глава 4: Что является единицей эволюции?

С момента возникновения молекул-репликаторов процесс эволюции был запущен, представляя собой формирование цепочек неидеально самокопирующихся репликаторов, в результате чего возник естественный отбор. Со временем этот процесс привёл к появлению огромного разнообразия живых систем — от простейших бактерий до сложных многоклеточных организмов. Все эти организмы различаются размерами, формами, уровнями организации, а также стратегиями поведения и выживания.