О происхождении социального порядка
- -
- 100%
- +
Координация может касаться не только передвижения. Любые действия, выполняемые обеими клетками одного организма и служащие одной и той же цели, могут быть функционально объединены одним триггером. Например, при попадании в агрессивную среду клеткам надлежит синхронно перекрыть отверстия в своей оболочке, не допустив попадания опасных веществ внутрь. Ограничив доступ только в одной клетке, организм в целом рискует получить их через оболочку других, ещё не перекрытых клеток. Подобных примеров, где координация функционально необходима, можно привести множество — более детально мы поговорим об этом инструменте в отдельной главе.
Следующим сопровождающим усложнение инструментом является внутренний обмен ресурсами. Его важность может теряться из-за того, что обмен веществ кажется нам практически неотъемлемым свойством любого сложного организма. В нашем гипотетическом примере такой инструмент в самом простом виде может проявляться в отсутствии жёсткой мембраны между двумя составляющими сложного организма — ресурсы одной клетки свободно перемещаются посредством диффузии, делая возможным совместное использование того, что добыла каждая из них. Такой механизм позволил бы избежать конкуренции между клетками, поскольку выгода от действий каждой из них пропорционально разделялась бы между ними.
Тем не менее, как и с любыми другими мутациями, появление и закрепление такого инструмента изначально не было идеальным. Разделение ресурсов могло происходить избирательно: одна клетка пользуется ресурсами второй, но не наоборот. Такой регулярный дисбаланс только ускорял бы момент, когда одна из клеток перестаёт справляться с поддержанием жизни, рискуя погибнуть и утянуть за собой совокупный организм. Пропорциональный же обмен позволил бы двум клеткам уравнять шансы на выживание вне зависимости от того, сколько ресурсов потребила каждая по отдельности. Такая диверсификация рисков существенно могла бы повысить вероятность системы на выживание — о конкретных цифрах я буду рассуждать в соответствующей главе.
Из первых двух сопроводительных инструментов плавно вытекает третий — более всеобъемлющий. Он настолько прочно ассоциируется со сложными системами, что стал своего рода аксиомой для описания причин сложности. На самом деле такое понимание не учитывает то огромное время, которое потребовалось на его появление и закрепление, и может ошибочно приводить к ложным причинно-следственным связям. Об этой ловушке стоит помнить, прежде чем я скажу, в чём заключается суть данного инструмента.
Координация действий в совокупности с равномерным распределением ресурсов является благодатной почвой для появления функционального разделения между клетками. На сегодняшний день очевидно, что каждый тип ткани в организме выполняет свою особую функцию, от которой зависят все остальные клетки. Тем не менее процесс появления функционального разделения не является чем-то естественным, системно имманентным или существующим априори. Это наблюдаемое явление — результат миллионов итераций отбора случайных вариаций, в которых изначально это разделение практически наверняка не было настолько выраженным.
Вернёмся к нашей гипотетической ситуации. Взглянув на сложный организм, состоящий из двух идентичных клеток, а после на организм, две клетки которого выполняют определённую функцию, интуитивно мы отдали бы приоритет второму в плане эффективности. Поведение такого организма полностью бы совпадало с поведением простого — в его действиях нет противоречия или несогласованности, среди его составных частей нет конкуренции за ресурсы, а каждая из них делает строго отведённую ей работу. Такой организм можно справедливо сравнить с многоядерным процессором: он может более эффективно выполнять свой алгоритм жизнедеятельности, разделив выполнение разных его фрагментов на отдельные клетки и допустив их параллельное выполнение. Так, одна из клеток может сосредоточиться на перемещении, другая — на наблюдении окружающего пространства, третья — на переработке поступающих ресурсов, четвёртая — на выведении отходов, пятая — на репликации. Координация между выполнением всех этих действий также выносится на отдельную клетку, которая соединяется с другими как ресурсными, так и информационными каналами. Такой организм с системной точки зрения слабо отличается от простых организмов в плане внутреннего устройства — функции, которые раньше выполнялись отдельными элементами клетки, теперь могут выполняться специфической группой клеток на уровне организма. Это снижает издержки от переналадки и увеличивает эффект масштаба: клетки в такой конфигурации начинают отказываться от выполнения огромного числа действий в пользу одной конкретной функциональной задачи. Подключённые к общей ресурсной и информационной сети, они становятся частью обмена результатами своей деятельности. Отбор поощрял те мутации, которые вызывали отказ клеток от сравнительно неэффективных действий и интенсификацию тех, что приносили больше выгод для выживания всего организма. Об этом инструменте детально я также поговорю в отдельной главе.
В отличие от первых сложных организмов, высокая функциональная взаимосвязанность клеток внутри организма сильно увеличивает степень их взаимозависимости. Теперь, если одна из функций выходит из строя, под удар попадает весь организм целиком. Тем не менее совокупный эффект масштаба от функционального разделения и все связанные с ним эволюционные преимущества окупают эти риски. Существующие многоклеточные организмы практически всегда обладают всеми тремя перечисленными инструментами в той или иной форме, и их выживание не находится под угрозой — если судить по тому, что многоклеточность в той или иной форме, по разным оценкам, существует от 600 миллионов до более чем миллиарда лет.
Кроме того, никто не отменяет вероятности дальнейших мутаций внутри сложных организмов, прописывающих алгоритмы на случай сбоев отдельных подсистем. Такие инструменты, как иммунитет, клеточная регенерация, развитая память, способны дополнительно увеличивать приспособленность сложных систем к окружающей среде. Их можно отнести к четвёртой группе инструментов — не менее важной, но скорее производной от трёх основных и их дополняющей.
Пройдя эти этапы вооружения инструментами сопровождения усложнения, сложные организмы получили возможность на равных конкурировать с простейшими. Так, общая биомасса всех бактерий, архей и протистов составляет, по подсчётам учёных, порядка 15% от совокупной биомассы. Лидерами являются растения с 82%. Все животные едва ли дотягивают до 0,5%, а человек — лишь 0,01% от совокупной земной биомассы. Тем не менее наблюдателю сложно усомниться, что сложная многоклеточная жизнь на планете укоренилась давно и надёжно.
Резюмируя данную главу, можно сказать, что сложность, однажды появившись случайным образом и привнеся с собой новые трудности для выживания организма, смогла в результате долгого и постепенного естественного отбора приобрести системные преимущества, эти трудности окупающие. Эти преимущества стали результатом появления сопровождающих инструментов: прежде всего инструментов координации и управления (1), инструментов внутреннего обмена (2) и функционального разделения (3).
Глава 8: Инструменты управления и координации
С системной точки зрения, одним из недостатков первых появившихся сложных организмов может являться несогласованность действий их составных частей. Если ранее действия организма и шансы на его выживание зависели от выполнения одного алгоритма, то теперь таких центров выполнения алгоритмов могло быть несколько — в силу того, что теперь он состоит из двух частей, которые ранее существовали независимо. Клетки, находясь рядом, в основном находятся в схожих условиях, но, тем не менее, их независимая перспектива и небольшие отличия могли приводить к тому, что клетки либо запускали выполнение инструкций неодновременно, либо вообще не запускали одинаковые инструкции, действуя по-разному. В то время как одна часть сложного организма запускала некоторый процесс, получив информацию о том, что она находится под солнечным светом, вторая часть организма могла пространственно находиться в тени. Чтобы запустить тот же процесс, этой клетке нужно было бы переместиться в более освещённое место, что сделать в одиночку уже труднее. Если результатом двигательных действий клетки в тени могло бы стать освещение сразу двух частей организма, это был бы наилучший вариант. Однако, действуя в одиночку, вторая часть могла с определённой вероятностью ненамеренно сместить первую часть в тень. Тогда уже первая часть, попав в тень, запустила бы действия перемещения в сторону света. Достижение ситуации, когда обе клетки окажутся под светом, потребует в среднем бо́льшее число действий. С системной точки зрения в результате отсутствия кооперации потери энергии превысили бы их возможный минимум, который обычно затрачивали организмы, будучи простыми.
Для наглядности я привёл лишь одну из возможных ситуаций, с которыми первые сложные организмы могли бы сталкиваться. На самом деле число действий, в которых кооперация могла бы быть способом решения проблемы несогласованности, может быть огромным. В качестве другого примера можно попробовать представить себя привязанным по рукам и ногам к другому человеку. Чтобы двигаться и действовать, необходима хотя бы минимальная координация — иначе двое попросту упадут, не согласовав свои действия. Такой пример хорош ещё и тем, что показывает: эволюция буквально вынуждает первых появившихся сложных организмов искать и отбирать новые мутации и преадаптации, которые дали бы связанным частям такие выгоды, которые позволили бы им жить и существовать не хуже, чем не связанным организмам. Другими словами, если вас связали без возможности развязаться, то единственным надёжным вариантом выжить было бы научиться делать что-то такое, что получалось бы у вас двоих лучше, чем у тех, кто не связан. И лучше ровно настолько, насколько сложнее вам стало сосуществовать вдвоём.
Данные примеры достаточно условны, но они показательно демонстрируют: обменивайся две части информацией друг с другом и координируй они движения между собой, расход времени и ресурсов был бы существенно ниже. Такие сложности взаимодействия могли встречаться в ряде других ситуаций. Например, если организм вместо тактики «побега» использует тактику «изоляции» — перекрывая оболочку от обмена с внешним миром, — то в случае опасности только одна его часть смогла бы отреагировать вовремя. Вторая же часть либо выполнила этот алгоритм позже, либо не успела бы отреагировать и погибла бы. Как я уже предполагал в рамках модели, сложные организмы с «мёртвым нахлебником» на боку теряли шансы на выживание, не имея преимуществ ни в сравнении с «быстрыми и простыми», ни с другими целыми «медленными и сложными».
При этом наличие координации и обмена информацией могло бы давать дополнительные преимущества в тех случаях, когда по каким-то причинам исправно сработать мог только один «детектор опасности» внутри только одной части из нескольких — другие были бы либо неисправны, либо не считали сигнал опасным. Либо, сканируя разные области пространства, один из сенсоров мог раньше засекать угрозу с того направления, куда второй сенсор даже не смотрел. Обмен такой информацией теоретически существенно увеличивает шансы системы на выживание, как бы «страхуя» её от просчётов в работе нескольких сканеров, — тем самым делая шансы сложной системы сравнительно более высокими, чем у простых организмов с только одним детектором.
Кроме того, в ходе эволюционного отбора и возрастания функционального разделения у одной из клеток «детектор опасности» мог бы становиться немного более «совершенным» и давать более ранние и надёжные сигналы всему организму в сравнении с детекторами в других клетках. В таком случае для организма достаточным может оказаться наличие только одного, более совершенного детектора у одной клетки. Другие клетки в этом случае могут начать пользоваться всеми теми же преимуществами, как если бы каждая из них обладала таким же, что открывает им возможности безболезненного редуцирования детектора и избыточных связанных с ним действий.
Совершенствование инструментов координации можно схематически расположить вдоль оси полезности для организма. Изначально они могут отсутствовать. Впервые появившись, они попадают на левый край оси, отвечая критерию «хотя бы не мешать» частям организма существовать и выполнять определённые действия. Дальнейший сдвиг вправо может происходить, когда благодаря инструменту координации части организма не просто не мешают друг другу, а могут достигать синергии и эмерджентности — когда выгода от синхронного использования некоторых алгоритмов всеми частями организма может давать ему новые свойства, которых не было прежде. Исключительно в качестве примера можно привести бинокулярность: используя два и более глаза и скоординировав их использование, организм способен не просто считывать информацию об окружении, но и оценивать дистанцию до объектов. Такое свойство не проистекает из способностей глаз по отдельности, а возникает на этапе обработки и сопоставления информации, полученной с двух сенсоров. Чем меньше рассинхронизации в действиях частей организма, тем совершеннее должны быть инструменты координации.
Для того чтобы организм мог скоординировать свои действия, ему необходимо как-то распространять информацию, получаемую всеми его частями, внутри себя. Только тогда каждая из клеток сможет обладать полным набором информации со всех рецепторов и реагировать на входящие сигналы одновременно и схожим образом. Для этого организму необходима возможность связи между клетками, которая зачастую реализуется с помощью нервной системы или её подобия. Нервная система буквально служит системой кабелей, передающих информацию по организму в обе стороны.
В своей эволюции нервная система может принимать разные формы у разных живых организмов — диффузная, стволовая, узловая, трубчатая — однако объединяет их всех интеграционный характер. Нервная система объединяет все входящие данные о состоянии внешней и внутренней среды организма, координирует двигательную активность, а также является неотъемлемым условием для использования двух других типов инструментов сопровождения усложнения — обмена веществ и функционального разделения.
Третий инструмент сопровождения усложнения — функциональное разделение — может по мере естественного отбора привести к такой оптимизации нервной системы, когда многочисленные нервные связи «всех со всеми» будут заменены на менее многочисленные связи «всех» с определённым центром вычислений — некое подобие мозга. Функция по принятию решений, требующих скоординированных действий нескольких частей организма, может возлагаться на специфическую часть этого организма, которая получает все входящие сигналы, анализирует их и отправляет команды обратно. Такая координация через общий центр, с одной стороны, снижает необходимость во всесторонней коммуникации («все с одним» проще и экономнее, чем «все со всеми»), а с другой — убирает риск случайной рассинхронизации. Наличие одного центра может в целом системно ускорять принятие решений и выполнение действий целым организмом, создавая дополнительную синергию на уровне всей системы.
Глава 9: Инструменты внутреннего обмена ресурсами
С системной точки зрения выгоды от внутреннего обмена ресурсами можно продемонстрировать в простой матрице возможных комбинаций. Представим, что в некотором пространстве существуют простые и сложные репликаторы, а также некоторое доступное для потребления количество ресурсов. Для того чтобы выжить и дать потомство, простому репликатору необходимо потребить как минимум одну единицу ресурса. Сложному репликатору, соответственно, необходимо потребить две единицы, поскольку в данной модели он состоит из двух простых частей. Если репликатор не потребляет достаточное количество ресурсов, он вымирает, не оставив потомства. Для простоты модели будут показаны в статике — рассматривается только однократный период потребления и вымирания.
Если репликатору удастся потребить ресурсов больше, чем необходимо, то он ощутит дополнительное удовлетворение, которое я назову «удовольствием» — это избыток, сам по себе не несущий сильной адаптивной ценности, но воспринимаемый организмом как нечто более приятное.
В первом сценарии сравниваются шансы на выживание у простых репликаторов, каждый из которых сам добывает себе ресурсы, с шансами у сложного репликатора, части которого не обмениваются ресурсами внутри организма. Сложный организм представлен в таблице слева, два простых — справа. В строчках представлены все возможные ситуации распределения ресурсов. Например, в первых пяти строчках — все варианты при четырёх доступных единицах ресурса.
В данных таблицах предлагаются все возможные сценарии, в которых могут оказаться организмы с одинаковыми потребностями — два простых, один сложный без внутреннего обмена и один сложный с внутренним обменом. Допускается, что все доступные ресурсы будут потреблены клетками без остатков, и что у всех клеток равные способности к поиску и потреблению пищи.
Если просуммировать вероятности так, как будто в случайном периоде с одинаковой вероятностью может появиться от 0 до 4 единиц ресурсов, то результатом будет картина шансов на выживание, представленная на графике «Вероятность выживания».
Усложнение само по себе, как можно видеть в нашей гипотетической модели на организме без внутреннего обмена, не является самодостаточным преимуществом и приносит организму исключительно ухудшение вероятности к выживанию. Вероятность голодной смерти одноклеточного организма составляет 46% в нашей матрице ситуаций, в то время как сложный двухклеточный организм без обмена умирает от голода в 71% случаев. Но если представить, что у сложного организма появляется способность «делиться» ресурсами внутри себя, вероятность смерти такого организма снижается с 71% до 40%. Вероятность выживания такого сложного организма уже становится более высокой, чем у отдельного простого организма.
Если смотреть на разницу между вероятностями выживания видов, то одноклеточные организмы как вид будут всегда на шаг опережать любой сложный, даже более совершенный организм. Они нуждаются в меньшем количестве ресурсов для выживания и репликации выживать тогда, когда даже при оптимальном распределении ресурсов для репликации одного большого организма будет не хватать. В нашем примере вероятность вымирания простых организмов как вида равна 20%, в то время как у сложных организмов она составляет 71% без обмена и 40% с обменом. Эти 20% и 40% соответствуют пониманию, что одноклеточные организмы вымрут полностью только если ресурсов будет меньше 1 (20% от возможных ситуаций), в то время как 40% у сложных организмов соответствуют ситуациям, когда ресурсов меньше 2.
При этом с точки зрения отдельного организма вероятность выживания одного простого организма будет ниже, чем у одного сложного организма с разделением ресурсов — двойное усилие по поиску ресурсов и разделение выгод поровну увеличивают шансы выжить (40% против 46%).
Интересно понаблюдать за изменением вероятности испытать «удовольствие» во всех трёх выборках. Заметно, что низкая вероятность вымирания простых организмов как вида балансируется низкой вероятностью «удовольствия» для всех сразу — лишь в 4% случаев «удовольствие» получат два простых организма одновременно. У сложных организмов с обменом этот индикатор составляет 20%. При этом вероятность для отдельного простого организма получить «удовольствие» выше (29%), однако в большинстве таких случаев второй простой организм умирает от голода.
Резюмируя данную модель: переход от простого к сложному сперва уменьшает приспособленность (смерть одной клетки вызывает смерть всего организма), а затем при появлении возможности разделять ресурсы приспосабливаемость вырастает. Да, она по-прежнему отстаёт от приспосабливаемости простых организмов как вида. Однако для отдельного организма вероятность выживания вырастает с 54% до 60%. Преадаптация в виде внутреннего распределения ресурсов не только нивелирует упадок приспособленности в результате возросшей сложности, но и даёт сложным организмам сравнительные преимущества.
Такие цифры обнадёживают — системные выгоды от внутреннего разделения ресурсов существенно увеличивают шансы сложного организма и его отдельных клеток на выживание, что означает рост вероятности закрепления такой мутации в популяции.
Каким образом распределение ресурсов реализовано в природе?
Самым простым способом может быть избирательная проницаемость межклеточных стенок. Под воздействием диффузии потреблённый ресурс стремится равномерно распространиться по внутренней цитоплазме нескольких клеток, делая возможным совместное использование того, что добыла каждая из них. Такой обмен можно назвать пассивным и наименее «эволюционно затратным». Однако по мере роста организма простой диффузии начинает не хватать — питательные вещества могут попросту не доходить до дальних клеток, будучи поглощены теми, что расположены ближе к источнику. Представьте, что вы сыплете корм в аквариум: активные рыбки схватят его у поверхности, а донным достанутся лишь случайные несъеденные хлопья. В таких случаях организму нужна более совершенная система распределения ресурсов — способная доставлять их ко всем клеткам исходя из их индивидуальных потребностей.
Зачастую подобный инструмент должен заниматься как доставкой полезных ресурсов, так и отводом «отработанных» остатков, которые как минимум уже не нужны, а как максимум могут быть токсичны. Помимо этого, ресурсы попадают в организм в форме, непригодной для непосредственного усваивания, и должны быть сначала обработаны. В итоге инструменты распределения ресурсов могут превращаться в целые «пищевые тракты»: поступление ресурсов, их транспортировка, измельчение, обработка, распределение полезных веществ по организму, сбор и вывод ненужных остатков. К таким необходимым ресурсам в нашем мире можно отнести и кислород — клеточное питание напрямую связано с дыханием, что требует постоянного притока кислорода через кровеносные сосуды и отдельного конвейера входа и выхода в организм — дыхательной системы.
Так, кровеносная система, дыхательная система и пищеварительный тракт в теле животных можно отнести ко второй группе инструментов сопровождения усложнения. С системной точки зрения они являются высокоразвитыми инструментами, появление которых было вызвано эволюционной необходимостью равномерно питать каждый уголок сложных организмов, число клеток которых со временем могло увеличиваться и образовывать всё более сложные формы.
Мы постепенно подходим к третьей группе инструментов, сопровождающих усложнение, черты которых уже упоминались среди первых двух. Совершенствование любых существующих в организме инструментов — будь то нервная система или пищеварительный тракт — было бы возможно только при условии, что отдельные клетки со временем будут склонны выполнять наиболее эффективные функции на уровне всего организма. Функциональное разделение между клетками и тканями является настолько устоявшимся наблюдением, что легко поддаться соблазну отойти от системной эволюционной логики и не заметить, что такое устройство стало результатом многих лет естественного отбора. Тем не менее, как утверждается в этой книге, нельзя уходить и в обратную крайность — движение к усложнению является лишь возможным развитием сложных организмов. Сложный организм не имеет имманентных стимулов к дальнейшему усложнению — оно может происходить лишь в результате случайных мутаций, которые, если окажутся эффективны, увеличат шансы организма на выживание и закрепятся в популяции. И такое усложнение вполне может не происходить — в долгосрочной перспективе возможно формирование локальных равновесий без стимулов к упрощению или усложнению.
Глава 10: Функциональное разделение внутри организма
По своей сути функциональное разделение внутри сложных организмов скорее является принципом, чем инструментом сопровождения усложнения, поскольку пронизывает устройство таких организмов целиком. В главах о предыдущих инструментах я уже упоминал, что функциональное усложнение характерно и для двух первых инструментов. Я не берусь утверждать, каким конкретно путём данный принцип появился и закрепился в природе, — однако, рассуждая из системной логики и держа в уме тот факт, что всё живое является результатом выполнения определённого генетического кода, рискну предполагать, какими могли быть системные преимущества от функционального разделения с точки зрения непосредственно кодирования.