Аннотация: Как эволюция вычисляет жизнь в многомерном фрактальном ландшафте - взгляд на природу без привычных двумерных картинок.
Эволюция как поток в многомерном ландшафте
Как эволюция вычисляет жизнь в многомерном фрактальном ландшафте - взгляд на природу без привычных двумерных картинок.
Когда мы пытаемся представить себе эволюцию, в воображении часто возникает образ "адаптивного ландшафта" - поверхности с холмами и долинами, по которой популяции "поднимаются" к вершинам приспособленности. Эта картинка удобна, но она же и ограничивает наше понимание. Она предполагает, что эволюция - это движение по трёхмерной поверхности, которую можно нарисовать или хотя бы представить. Однако реальная эволюция происходит в пространстве куда более сложном, чем привычная нам геометрия.
Представим себе другой образ. Пусть эволюция - это не альпинист, карабкающийся на вершину, а поток жидкости, текущий по поверхности. В таком представлении впадины становятся устойчивыми состояниями, куда стекает вода; водоразделы - участками, через которые поток не может пройти; а "горы" - зонами низкой приспособленности, которые невозможно пересечь. Жидкость не прыгает через барьеры и не переливается через высокие гребни. Она течёт туда, куда позволяет рельеф, и застревает там, где образуется локальная впадина. Эволюция ведёт себя похожим образом: популяции движутся по направлению к более устойчивым комбинациям признаков, но не могут перескочить через области, где приспособленность резко падает.
Этот образ становится особенно полезным, если отказаться от привычной трёхмерности. Генетическое пространство - это не поверхность с двумя координатами и высотой. Это пространство огромной размерности, где каждая координата соответствует параметру, влияющему на организм: мутации, уровни экспрессии генов, взаимодействия между генами, регуляторные механизмы, особенности развития. Таких параметров не десятки и не сотни - их тысячи и миллионы. В таком пространстве невозможно "увидеть" ландшафт, но можно понять его структуру.
В многомерном пространстве привычные интуиции перестают работать. "Горы" и "долины" превращаются в сложные многообразия, а "потоки" - в траектории, которые проходят через узкие каналы, обходят барьеры и иногда застревают в локальных впадинах. Эволюция не может пройти через область низкой приспособленности, даже если по другую сторону находится более выгодное состояние. Чтобы попасть туда, популяции пришлось бы пройти через "сухое место" - область, где выживаемость падает. Поэтому некоторые эволюционные пути оказываются закрытыми, даже если они теоретически возможны.
Но многомерность - это только часть истории. В реальной биологии параметры не независимы друг от друга. Гены взаимодействуют, экспрессия зависит от контекста, регуляторные сети работают нелинейно. Это означает, что эффективная размерность пространства меняется от точки к точке. В одном регионе оно может вести себя как почти двумерное - когда множество параметров жёстко связаны. В другом - как десятимерное. В третьем - как пространство с сотнями степеней свободы. Такая переменная размерность делает ландшафт фрактальным: его структура меняется в зависимости от масштаба и локального контекста.
И здесь возникает любопытное следствие. Эволюция в таком ландшафте ведёт себя как процесс вычисления. Не в том смысле, что природа "считает" или "решает задачи", а в том, что сама динамика системы напоминает вычислительный алгоритм. Поток популяций обновляет своё состояние шаг за шагом, реагируя на локальные градиенты приспособленности. Мутации, рекомбинации и шум экспрессии играют роль входных данных; отбор - роль нелинейной функции; а распределение генетических вариантов в популяции - роль текущего состояния. На каждом шаге система "вычисляет" новое положение в многомерном пространстве, и это вычисление происходит непрерывно, без внешнего управляющего центра.
Такой взгляд позволяет поновому увидеть многие явления. Он объясняет, почему эволюция часто приходит к локальным, а не глобальным решениям; почему некоторые формы жизни возникают многократно, а другие - никогда; почему сложные органы появляются постепенно, а не скачком; почему некоторые эволюционные пути оказываются закрытыми. И главное - он показывает, что эволюция не движется по заранее заданному маршруту. Она течёт так, как позволяет структура пространства, и эта структура сама по себе является результатом миллионов взаимодействий.
Модель потока в многомерном фрактальном ландшафте не претендует на то, чтобы заменить все другие метафоры. Но она помогает увидеть эволюцию не как движение по картинке от амебы до офисного работника с лэптопом, а как динамику в сложной системе, где множество факторов переплетены, а траектории определяются не только мутациями, но и топологией самого пространства возможностей. Это пространство невозможно нарисовать, но его можно понять - если отказаться от привычных двумерных образов и позволить себе мыслить в терминах структур, потоков и ограничений.