Машина знаний. Как неразумные идеи создали современную науку - Майкл Стревенс
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Шотландский натуралист сэр Д’Арси Вентворт Томпсон (1860–1948) говорил:
«Я знаю, что при изучении материальных вещей число, порядок и положение являются тройным ключом к точному знанию; эти три элемента в руках математика помогут отпереть дверь, за которой скрываются тайны Вселенной».
«Материальные вещи», по мнению Томпсона, включали в себя растения и животных, растущих и размножающихся посредством физических механизмов. Разнообразные биологические формы часто порождаются одним и тем же лежащим в основе причинно-следственным механизмом; в таких случаях в разнообразии можно обнаружить скрытое математическое единство – так утверждал Томпсон в своем великом труде 1917 года On Growth and Form.
Рисунок 10.8. Полиприон (вверху слева) превратился в три других вида рыб. Преобразования представляют собой простое растягивание квадратной сетки, наложенной на полиприона; представьте, что он нарисован на резиновом листе, который затем деформируется при вытягивании в одном или нескольких местах и направлениях
Например, изучение форм, которые принимают мыльные пузыри и снежинки, выявило природу скелетных структур многих видов радиолярий, одноклеточных организмов, составляющих значительную долю океанического планктона. Томпсон писал, что физические принципы, которыми описывается рисунок брызг, от упавшего в стакан с молоком камня, также применимы при описании роста кольца щупалец, окружающего гидроидных полипов (ряд из которых является ветвящимися «зоофитами», вдохновившими авторов квинарианской классификации).
В последней и самой известной главе своего труда Томпсон изложил достаточно изящную теорию – своего рода эстетический силовой прием, – позволяющую выявить глубокое сходство между, казалось бы, различными типами телосложения животных. Он показал, что форму рыб-полиприонов можно подвергнуть простым геометрическим преобразованиям, которые неким чудесным образом превращают ее в каждый из трех родственных видов (рис. 10.8).
Далее Томпсон привел еще более впечатляющий пример, продемонстрировав, как он, использовав простую операцию растяжения, превратил заурядную на вид рыбу фугу в биологически родственную, но физиологически совершенно непохожую на нее и довольно экзотическую луну-рыбу (рис. 10.9). Об этом последнем случае Томпсон писал:
«Это легко объясняет, посредством одной-единственной интегральной трансформации… новый поразительный контур во всех его существенных деталях: округлое тело, увеличенные спинной и брюшной плавники и усеченный хвост».
Томпсон предположил, что превращения рыб во всей их простоте и красоте раскрывают некие глубокие истины об их развитии и росте, указывая на единый физический механизм, лежащий в их основе и действующий на родственные виды – не естественный отбор Дарвина, а некий алгоритм, который предшествует естественному отбору и может быть использован естественным отбором. Действительно, преобразования представляли собой «доказательство» того, что «…всеобъемлющий «закон роста» пронизывал всю структуру целиком, и что перед нами предстала некая более или менее простая и узнаваемая система сил».
Рисунок 10.9. Рыба фугу (слева) превратилась в луну-рыбу (справа)
Томпсон полагал, что то же самое верно и для и математически связанных физических форм, которые он выделил в группах ракообразных, крокодилов, копытных и многих других животных.
В отличие от своих представлений о радиоляриях и гидрозоях, здесь он не предлагал какого-либо конкретного физического механизма в качестве объяснения этих законов роста. Однако его взгляды позволяли ему делать конкретные прогнозы. Он правильно предсказал, что известные в то время предшественники человека – Homo erectus и неандертальцы – не будут образовывать «прямую линию происхождения», а скорее окажутся ответвлениями некоего дерева, в котором современные люди также будут не более чем еще одной ветвью (хотя и единственной сохранившейся до наших дней). Он определил вероятные формы цепочки переходных окаменелостей, связывающих одну из первых птиц, археоптерикса, с его более поздним потомком, а также смог употребить свои математические методы, чтобы предсказать форму отсутствующей части подвздошной кости динозавра камптозавра (верхняя часть таза) путем экстраполяции, использовав еще одно из своих математических преобразований и применив в качестве основы уже известную форму подвздошной кости динозавра стегозавра (рис. 10.10).
Рисунок 10.10. Реконструкция раздробленной подвздошной кости камптозавра. Вверху слева: окаменелая подвздошная кость, проанализированная О. С. Маршем, без передней части. Вверху справа: реконструкция Марша, кость получает острое, зубчатое завершение. Слева внизу: реконструкция Томпсона (нижняя сетка), основанная на математическом преобразовании той же кости у стегозавра (верхняя сетка). Рисунок 10.10 (2-я часть): более полная подвздошная кость камптозавра, демонстрирующая превосходство реконструкции Томпсона над реконструкцией Марша
Рисунок 10.10 (2-я часть)
Теперь мы знаем, что законы роста – это не простые физические принципы, как предполагал Томпсон, а скорее результирующая запутанных механизмов генетики развития. Однако даже в этих рамках преобразования Томпсона, по мнению многих биологов, являются частью решения одной из величайших загадок, возникающих в связи с эволюцией сложной жизни.
Как возникла настолько необычная форма тела, как у обыкновенной луна-рыбы (рис. 10.9)? У нас нет никаких других идей, кроме предположений Томпсона. Начиная с предка, внешне мало отличающегося от рыбы фугу, естественный отбор, должно быть, одновременно корректировал многие крупные черты, чтобы получить в итоге характерное телосложение луна-рыбы (и характерный размер: зрелая луна-рыба может весить до 2,5 тонн). Если бы каждый из этих признаков определялся отдельным набором генов, такая синхронная адаптация была бы чрезвычайно трудной, если не невозможной: поскольку естественный отбор действует на случайные вариации, ему пришлось бы ждать случайного совпадения многих независимых мутаций, чтобы сделать хотя бы один шаг по пути к конечному виду.
Открытия Томпсона, однако, приводят нас к более стройной концепции, согласно которой достаточно разные физиологические особенности, такие как строение тела рыбы фугу и луна-рыбы, являются на самом деле следствием довольно небольших генетических различий, которые, по сути, управляют «кнопками» на «панели управления» ростом, создавая эффект своего рода кривого зеркала. Таким образом, всего одной или пары мутаций может быть достаточно, чтобы чуть-чуть повернуть шкалу в сторону луна-рыбы. Серия же подобных событий в среде, благоприятствующей образу жизни луна-рыб, открывает путь к дальнейшей эволюции этих огромных, странных существ, и здесь проследить влияние естественного отбора не так уж и трудно.
В более общем плане, способность незначительных изменений в генетике
