Модульные системы выигрывают из-за экономичности

Разгадана самая сложная загадка эволюции

Недавно американские ученые разгадали одну из самых сложных и интересных загадок эволюции — каким образом живые организмы приобрели модульное строение? Они выяснили, что модульность развивалась не потому, что она расширяла возможности эволюции, а потому, что позволяла снизить энергетические затраты на самоподдержание целостности всей системы.

Фото:

Что и говорить, работать с модульными системами куда удобнее. Представьте себе, как трудно было бы чинить, например, компьютер, если бы он был монолитом. А так, стоит только выяснить, какая часть повреждена (жесткий диск, видеокарта, блок питания), после чего остается лишь вынуть ее и заменить на соответствующий исправный модуль. Именно поэтому люди предпочитают любую систему по возможности делать модульной — ее куда проще чинить или приспосабливать под конкретные нужды.

Однако следует заметить, что модульные системы придумали вовсе не люди. Точнее говоря, люди вообще подсмотрели эту идею организации систем у природы, в частности, у живой. Дело в том, что практически все биологические системы, как правило, модульные — от биомолекул до биосферы. Хотя, конечно, детали строения и организации модулей у них несколько различаются.

Читайте также: Крабы учат людей строить компьютеры

Так, с точки зрения теории систем, некоторые части нашего организма можно рассматривать как модульные сети. Напомню, что таковыми называются сети, состоящие из тесно связанных друг с другом скоплений узлов, которые при этом с другими кластерами связаны весьма слабо. Исходя из данного определения, к модульным сетям можно отнести кровеносную, нервную, мышечную, выделительные системы, а если спуститься на клеточный уровень, то геном, ферментативные системы и т.п.

Как видите, мы все действительно состоим из сплошных модульных сетей. Причем, судя по всему, способность их образовывать появилась у живых организмов с самого зарождения жизни на Земле. Однако до сих пор ученые не могут однозначно ответить на вопрос: каким образом биологические сети приобрели такое свойство? Или, если выражаться точнее, почему в процессе эволюции естественный отбор начал покровительствовать именно модульным сетям?

Сложность данной задачи проистекает еще и от того, что до сих пор не понятно, а в чем, собственно говоря, преимущества модульных сетей? То есть, конечно же, очевидно, что эти системы лучше сохраняют свою целостность и стабильность в случае изменения окружающих условий. Поскольку какие-то нарушения, например, мутации, влияют обычно только на один модуль, то всю систему они повредить не могут — в отличие от монолитного организма. Но дело в том, что это преимущество может быть реализовано лишь тогда, когда система уже приобрела модульное строение, и никак не раньше.

И вот недавно группа исследователей из Корнеллского университета (США), которой руководил доктор Ход Липсон, предложила весьма оригинальную гипотезу, объясняющую возникновение модульной организации. Ученые предположили, что модульность развивалась не потому, что она расширяла возможности эволюции, а как побочный продукт снижения стоимости подключения к сети. "Многочисленные исследования сосудистой и нервной систем (в том числе, головного мозга) показали, чтосуммарная длина схемы сведена к минимуму", — так объясняют свое предположение сами авторы работы.

Для проверки своей идеи доктор Липсон и коллеги разработали компьютерную среду для измерения способности различных сетей приспосабливаться к тем или иным обстоятельствам. Поначалу сети были случайными и ни одна из них не показала хороших результатов. Но некоторые были чуть лучше других, и именно они чаще давали "потомство". Следующее поколение не являлось точной копией предыдущего, ибо содержало случайные изменения. То есть процесс весьма точно воспроизводил ход биологической эволюции.

Следует заметить, что в эксперименте сети оценивались по двум критериям. Первый был очень простым — ученые смотрели, насколько хорошо система распознавала некий набор входных данных. А вот второй был более сложным — он требовал принять во внимание затраты на поддержание сети. Исходя из сочетания этих двух критериев и оценивалась устойчивость системы как в пространстве (целостность и нормальное функционирование), так и во времени (способность давать нормальное потомство).

В результате выяснилось, что те сети, которые демонстрировали лучшие показатели по первому критерию, через 25 тысяч поколений совершенно точно идентифицировали входящие сигналы (то есть были устойчивы в пространстве). Но только те, которые набирали больше баллов по второму критерию, были модульными и при этом демонстрировали устойчивость во времени (все их потомки работали практически без сбоев). Таким образом было установлено, что модульность делает систему более гибкой (что немаловажно в мире ограниченных ресурсов, где минимум затрат — важное преимущество) и способствует ее более быстрому и качественному самокопированию. Однако, как и предполагали ученые, дело было вовсе не в стремлении к модульности как таковой, а в необходимости свести к минимуму расходы по поддержанию системы.

Если приложить эту схему к первым живым организмам, то, видимо, те, кто в процессе накопления мутаций случайно приобретал модульное строение, при минимальном потреблении ресурсов воспроизводили большее количество полноценных потомков. В итоге они просто вытесняли монолитные организмы из экологических ниш, поскольку размножались "с опережением". Но только тогда, когда это наконец-то произошло, модульность как полезное свойство было "одобрено" естественным отбором, и никак не раньше.

Исследования группы доктора Липсона, помимо решения одной из важных проблем теоретической биологии, могут иметь и большое практическое значение. Дело в том, что в настоящее время так называемые "эволюционные вычисления" используются все чаще и чаще и причем в самых разных сферах науки и техники (например, при анализе рентгеновских и космических снимков, в работе с наборами данных для проектирования, при составлении долгосрочных прогнозов). Однако до сих пор перед учеными стояла неразрешимая проблема — как заставить разрабатываемую или рассчитываемую систему стать модульной? Теперь же совершенно очевидно, что нужно делать для этого…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"