?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

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.

Comments

( 45 comments — Leave a comment )
shvarz
Nov. 4th, 2008 04:06 am (UTC)
Возможно, что для того, для чего угрю нужно электричество, ему хватает того, что есть.

Именно так. Эволюции не важны некие абстрактные идеалы, достаточно того, чтобы конкретное решение выполняло возложенные функции - не больше и не меньше. Любая оптимизация сверх необходимого - это лишние ресурсы потраченные на неиспользуемый потенциал, то есть выброшенные на ветер.
spamsink
Nov. 4th, 2008 04:08 am (UTC)
Ну да. Основной принцип работы эволюции - good enough. Как только параметр достигает кондиции "сойдет для сельской местности", так давление отбора ослабевает.

Естественно, если в каком параметре сельская местность предпочитает эксцесс - как, например, в красоте охвостья у павлинов - то давление отбора продолжается, пока не сделается красиво.
cheeha
Nov. 4th, 2008 05:22 am (UTC)
Нет в мире совершенства!
(Deleted comment)
(Anonymous)
Nov. 4th, 2008 10:07 am (UTC)
Oh, it IS funny. "Note that God uses 3-space tabs". Yeah. Rolled on the floor laughing.
Pitiful impostors.

God uses 4-space tabs.
(no subject) - (Anonymous) - Nov. 4th, 2008 01:40 pm (UTC) - Expand
(no subject) - scholar_vit - Nov. 4th, 2008 05:35 pm (UTC) - Expand
anton_solovyev
Nov. 4th, 2008 05:27 am (UTC)
Я забыл от кого это недавно слышал. Просто эволюция, стартовав с неудачным дизайном находит один из локальных, а не глобальный минимум. Человеческий глаз -- самый удачный из кривых дизайнов, где нервы заходят не с той стороны.

Программисткая аналогия -- рефакторинг кривого дизайна.
ivanov_petrov
Nov. 4th, 2008 07:14 am (UTC)
да, наверное. Но зарпас - занятно. То есть коли припрет и начнут появляться естественные враги... медведи перейдут на питание угрями... Тем есть куда расти и чем ответить
scholar_vit
Nov. 4th, 2008 05:36 pm (UTC)
С другой стороны, мы же не знаем, что в запасе у медведей. Вдруг там асимметричный ответ имеется?
(no subject) - rioman - Nov. 5th, 2008 08:58 pm (UTC) - Expand
olegy
Nov. 4th, 2008 07:17 am (UTC)
Вот всегда так. Рассуждают о кривости дизайна. А попробовали бы в сжатые сроки (7 дней) хотя бы повторить проект ;-)
breqwas
Nov. 4th, 2008 02:40 pm (UTC)
Ну, о сроках есть и другие мнения :)
(no subject) - scholar_vit - Nov. 4th, 2008 05:38 pm (UTC) - Expand
anatol_olegych
Nov. 4th, 2008 07:56 am (UTC)
Хм. А что имеется в виду под эффективностью? Если КПД, то это должна бы быть прямо отбираемая xарактеристика, и при этом с непрерывно возрастающей "премией". Поскольку количество еды -- главный лимитирующий фактор.
scholar_vit
Nov. 4th, 2008 05:51 pm (UTC)
Это если электроциты забирают много энергии в общем балансе. А если основная энергия тратится на что-то другое - на локомоцию, например, - то кпд неважен.

К тому же помимо расходов на преобразование энергии есть расходы на выращивание электроцитов и т.п.
(no subject) - anatol_olegych - Nov. 4th, 2008 07:02 pm (UTC) - Expand
gena_t
Nov. 4th, 2008 08:56 am (UTC)
Интересно, а как у змей идет эволюция? Судя по всяким тропическим гадам, гадюкам есть куда развиваться. Есть какие-то данные, что сейчас они более ядовитые, чем в прошлом?
scholar_vit
Nov. 4th, 2008 05:52 pm (UTC)
Про это у нас семинаров не было
(no subject) - dr_tambowsky - Nov. 5th, 2008 02:34 am (UTC) - Expand
(no subject) - alex_levitas - Jan. 20th, 2009 09:56 pm (UTC) - Expand
bgmt
Nov. 4th, 2008 09:52 am (UTC)
1) совершенно прав anton_solovyev про локальный оптимум. Дело просто в том, что пространство параметров невообразимо огромно, найти в нём глобальный оптимум невозможно - его не обшарить. Эволюция обшаривает окрестность путём случайных блужданий (мутаций), и как только находит оптимум, дело в шляпе, до следующего случайного нахождения ещё одного оптимума.

2) у моллюсков глаз развился совершенно независимо (у устриц нет глаз!), это изумительный пример конвергенции. Есть, насколько я понимаю, только две модели глаза: наша с моллюсками (разница не очень велика, всё равно принцип сетчатки, хрусталика и настройки на резкость - у нас путём изменения формы хрусталика, у них путём движения его взад-вперёд) и насекомых.
scholar_vit
Nov. 4th, 2008 05:53 pm (UTC)
Спасибо
(no subject) - faceted_jacinth - Nov. 4th, 2008 07:54 pm (UTC) - Expand
(no subject) - shkrobius - Nov. 4th, 2008 10:40 pm (UTC) - Expand
(no subject) - al_zatv - Nov. 5th, 2008 08:18 am (UTC) - Expand
(no subject) - shkrobius - Nov. 5th, 2008 03:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - scholar_vit - Nov. 5th, 2008 03:40 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bgmt - Nov. 6th, 2008 10:44 pm (UTC) - Expand
(no subject) - shkrobius - Nov. 7th, 2008 12:34 am (UTC) - Expand
(no subject) - dr_tambowsky - Nov. 5th, 2008 02:39 am (UTC) - Expand
(no subject) - bgmt - Nov. 6th, 2008 10:48 pm (UTC) - Expand
(no subject) - alexcatku - Nov. 5th, 2008 07:45 pm (UTC) - Expand
(no subject) - scholar_vit - Nov. 5th, 2008 09:14 pm (UTC) - Expand
sutasu
Nov. 4th, 2008 01:23 pm (UTC)
а может - угорь мощностью с небольшую АЭС просто перебил бы все живое вокруг, т.е. стал бы опасным и для своей популяции тоже? потому дальше определенных разумных пределов эволюция не пошла..
vryadli
Nov. 4th, 2008 02:26 pm (UTC)
Межуд прочим, я сколько не пробовал, не могу у себя это слепое пятно найти.
scholar_vit
Nov. 4th, 2008 05:54 pm (UTC)
drfinger
Nov. 4th, 2008 03:57 pm (UTC)
А вот интересно, если этого самого Jian Xu назвать, как это положено по русской транскрипции, Цзянь Сюем -- поймет?
scholar_vit
Nov. 4th, 2008 06:08 pm (UTC)
Спасибо за поправку. Я привык, что китайцы друг друга называет "Шу", "Шан" - а правил русской транскрпции просто не знал.
(no subject) - drfinger - Nov. 10th, 2008 12:39 am (UTC) - Expand
lar_1983
Nov. 7th, 2008 02:48 am (UTC)
Нравящееся вам объяснение тоже кажется мне более верным.
Правда с такой точки зрения интересно также расмотреть развитие явно избыточных в эволюционном плане возможностей.
К примеру ядовитость черной мамбы, способной убить человека одним укусом, и так тринадцать раз, без остановки.
scholar_vit
Nov. 7th, 2008 04:26 pm (UTC)
Яд мамбе нужен не для охоты на человека. Она питается птичками и грызунами. Насколько я понимаю, там мало просто убить - надо убить быстро, чтобы жертва не успела перед смертью улететь/ускакать и достаться другому хищнику или падалееду. Возможно, отсюда и повышенная токсичность яда.

Впрочем, это спекуляции - биологи, наверное, знают лучше.
(no subject) - alex_levitas - Jan. 20th, 2009 10:03 pm (UTC) - Expand
v_phi
Dec. 21st, 2008 10:10 am (UTC)
электробатареи
ладно вопрос, зачем электроугорь недобирает кпд (может, он этим повышает устойчивость к сбоям в управлении ростом и ремонтом батареи. Или снижает требования к изоляции, чтобы не убить себя пробоем.)
А почему вы не упоминаете супероткрытие - вероятный эволюционный предшественник боевого электричества? После того, как креационисты сто лет ссылались на батареи как невозможный скачок эволюции. Оказывается, такие рыбы, как гимнарх, используют слабую батарею, почти неотличимую от просто мышечной ткани, для электротоковой локации в темноте или в мутной воде.
scholar_vit
Dec. 21st, 2008 08:27 pm (UTC)
Re: электробатареи
Про гимнарха я не знал - спасибо за интересную информацию.
( 45 comments — Leave a comment )

Profile

knot
scholar_vit
scholar_vit

Latest Month

August 2018
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031 

Tags

Powered by LiveJournal.com
Designed by Paulina Bozek