scholar_vit (scholar_vit) wrote,
scholar_vit
scholar_vit

Эволюция, оптимальность и Илзилла

Если не ошибаюсь, Гельмгольц как-то заметил, что если бы он проектировал человеческий глаз, он бы сделал оптический инструмент получше, чем то, что у нас есть. С тех пор биологи с этим утверждением попеременно то соглашались, то спорили. Глаз, конечно, удивительный прибор - но нельзя не заметить, что целый ряд неудачных "хардверных" решений приходится "компенсировать в софтвере". Наиболее известный пример - слепое пятно, область на сетчатке, где нет светочувствительных клеток. Мозг компенсирует этот недостаток, хитроумно интерпретируя информацию от обоих глаз - или от одного глаза в разные моменты времени. Причина тут том, что нервы "заходят" в клетки сетчатки не снаружи яблока, а изнутри. Представьте себе, что вы делаете "разводку" экрана, но провода подключаете не с изнанки, как любой разумный инженер, а с лицевой стороны. Понятно, что вам понадобится "дырка" в экране, чтобы протянуть через неё кабель. Это странное решение, похоже, вызвано тем, что глаз развился из примитивных светочувствительных органов с низкой плотностью рецепторов, которые были устроены именно так - с разводкой по лицевой стороне. Понятно также, что эволюции проще двигаться постепенными шажочками, добавляя очередной "патч" в обработку данных и заставляя каждый глаз всё время слегка двигаться, чтобы получать разные картинки, - чем "вывернуть глаз наизнанку".

Собственно, если мы уж заговорили на компьютерном языке - в любой "выросшей" системе легко найти такие патчи, компенсирующие ранние неудачные проектные решения. Впрочем, вроде бы у каких-то животных, например, головоногих, глаз устроен "правильно". Я не знаю, является ли это результатом независимой эволюции - или какой-то совершенно невероятной мутации.

Я вспомнил об этом на семинаре, где Джин Шу рассказывал о своей недавней работе (Jian Xu and David A. Lavan, Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient, Nature Nanotech., published online Sep 21, 2008, doi:10.1038/nnano.2008.274). В этой работе моделировалась работа клеток, вырабатывающий электричество у электрического угря. Оказалось, что классические уравнения Ходжкина-Хаксли хорошо описывают работу таких клеток - и in vivo, и модельных "искусственных клеток", хитроумно выращенных на специальной подложке. Но дальше начинается самое интересное. В эту модель входит масса параметров - ну там размеры канальцев, потенциалы и т.п. С ними можно "поиграть в Гельмгольца": попробовать подобрать их так, чтобы оптимизировать, например, плотность энергии. Или эффективность преобразования энергии. В общем, такие понятные инженерные вещи.

Результат оказывается поразителен. Оказывается, можно увеличить плотность энергии на три порядка! Создать этакую Илзиллу, наводящую ужас на все живое вокруг. Эффективность тоже неплохо увеличивается.

Почему же эволюция не додумалась до того, до чего додумались Шу и Лаван? Аналогия с конструкцией глаза тут вряд ли подходит: в данном случае не нужно радикально менять конструкцию - достаточно подогнать параметры. Поэтому нужно искать другое объяснение.

Можно предположить, что эволюция ещё не успела оптимизировать электроциты. Вообще эти клетки - сильно изменившиеся мускульные, и система ещё "помнит", как была предназначена для совсем других целей.

Но мне больше нравится другое объяснение. Инженер оптимизирует плотность энергии, потому что именно это свойство его интересует в приложениях - ну там на Марс полететь или в автомобиль вставить бионические аккумуляторы. А эволюция оптимизирует угрей в целом. Какие преимущества будут у Илзиллы в экологической нише, которую занимает угорь? Зачем в самом деле угрю глушить медведей? Возможно, что для того, для чего угрю нужно электричество, ему хватает того, что есть.

Для того, чтобы рассуждать об оптимальности эволюционного процесса, следует понять, какая функция оптимизируется.

Tags: biology, evolution, science
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 45 comments