Эмерджентность: Связанная жизнь муравьев, мозга, городов и компьютерных программ - Стивен Джонсон

Другие мои книги расходились более крупными тиражами. Какие-то привлекали больше внимания и вызывали более бурные общественные дискуссии. Но ни одна моя книга не отбрасывала столь странной и эклектичной тени влияния. И я с нетерпением жду возможности увидеть, какими удивительными путями это новое цифровое издание Эмерджентности удлинит эту тень.

Стивен Джонсон

Август 2012 года

Округ Марин, Калифорния

В августе 2000 года японский ученый по имени Тосиюки Накагаки объявил, что обучил амебообразный организм под названием слизевик находить кратчайший путь в лабиринте. Накагаки поместил слизевика в небольшой лабиринт с четырьмя возможными маршрутами и разложил кусочки пищи у двух выходов. Несмотря на то что это невероятно примитивный организм (близкий родственник обычных грибов), у которого полностью отсутствует централизованный мозг, слизевику удалось проложить наиболее эффективный путь к пище, растянув свое тело по лабиринту так, чтобы напрямую соединить оба источника питания. Не имея никаких видимых когнитивных ресурсов, слизевик «разгадал» загадку лабиринта.

Для столь простого организма слизевик обладает внушительной интеллектуальной родословной. Заявление Накагаки было лишь последним звеном в длинной цепи исследований тонкостей его поведения. Для ученых, пытающихся понять системы, которые используют относительно простые компоненты для создания интеллекта более высокого уровня, слизевик когда-нибудь может стать тем же, чем стали вьюрки и черепахи, которых Дарвин наблюдал на Галапагосских островах.

Как столь невзрачный организм стал играть столь важную роль в науке? Эта история начинается в конце шестидесятых годов в Нью-Йорке с ученой по имени Эвелин Фокс Келлер. Доктор физики Гарвардского университета, Келлер написала диссертацию по молекулярной биологии и некоторое время занималась изучением зарождавшейся области «неравновесной термодинамики», которая в последующие годы станет ассоциироваться с теорией сложности. К 1968 году она работала научным сотрудником в Слоун-Кеттеринге на Манхэттене, размышляя о применении математики к биологическим проблемам. Математика сыграла колоссальную роль в расширении нашего понимания физики, думала Келлер, так почему бы ей не оказаться полезной и для понимания живых систем?

Весной 1968 года Келлер познакомилась с приглашенным ученым по имени Ли Сегель, прикладным математиком, разделявшим ее интересы. Именно Сегель впервые рассказал ей о причудливом поведении слизевика, и вместе они начали серию исследований, которые помогли изменить не только наше понимание биологического развития, но и такие далекие друг от друга области, как наука о мозге, разработка программного обеспечения и урбанистика.

Если вы читаете эти строки летом, находясь в пригороде или в сельской местности, то велика вероятность, что где-то поблизости растет слизевик. Прогуляйтесь в сухой и солнечный день по обычно прохладному и влажному участку леса или разгребите мульчу из коры в саду, и вы вполне можете обнаружить причудливую субстанцию, покрывающую несколько дюймов гниющей древесины. На первый взгляд эта красновато-оранжевая масса наводит на мысль, что соседская собака съела что-то не то, но если понаблюдать за слизевиком несколько дней — или, еще лучше, снять его с помощью покадровой съемки, — вы обнаружите, что он медленно, едва заметно, ползет по почве. Если погода станет более влажной и прохладной, вы можете вернуться на то же место и обнаружить, что существо полностью исчезло. Неужели оно уползло в другую часть леса? Или каким-то образом растаяло в воздухе, словно испарившаяся лужица воды?

Как выяснилось, слизевик (Dictyostelium discoideum) проделал нечто куда более загадочное — биологический трюк, который ставил ученых в тупик на протяжении веков, пока Келлер и Сегель не начали совместную работу. Поведение слизевика было настолько странным, что для его понимания требовалось выйти за рамки традиционных дисциплин — возможно, именно поэтому для разгадки тайны слизевика потребовался молекулярный биолог с интуицией доктора физических наук. Ведь это вовсе не фокус с исчезновением на садовой земле. Большую часть своей жизни слизевик проводит в виде тысяч отдельных одноклеточных организмов, каждый из которых движется независимо от остальных собратьев. При подходящих условиях эти бесчисленные клетки вновь сливаются в единый, более крупный организм, который затем начинает свое неторопливое движение по саду, поглощая по пути гниющие листья и древесину. В менее гостеприимной среде слизевик ведет себя как единый организм; когда же погода становится прохладнее и у слизевика появляется много пищи, «он» превращается в «они». Слизевик колеблется между состоянием одиночного существа и роя.

Хотя клетки слизевика относительно просты, они привлекли несоразмерно большое внимание со стороны самых разных дисциплин — эмбриологии, математики, компьютерных наук, — поскольку представляют собой интригующий пример скоординированного группового поведения. Любой, кто когда-либо размышлял над великой тайной человеческой физиологии — как всем моим клеткам удается так слаженно работать вместе? — найдет нечто созвучное в роении слизевика. Если бы мы только могли понять, как Dictyostelium это удается, мы, возможно, приблизились бы к разгадке нашей собственной поразительной сплоченности.

— Я работала в отделе биоматематики в Слоун-Кеттеринге, и это был крошечный отдел, — со смехом вспоминает сегодня Келлер. Хотя в конце шестидесятых годов область математической биологии была относительно новой, у нее был интригующий, пусть и загадочный прецедент — малоизвестная в то время статья Алана Тьюринга, блестящего английского дешифровщика времен Второй мировой войны, который также помог создать цифровой компьютер. В одной из своих последних опубликованных работ, написанной перед смертью в 1954 году, Тьюринг исследовал загадку «морфогенеза» — способности всех форм жизни развивать все более причудливые тела из невероятно простых начал. Статья Тьюринга в большей степени фокусировалась на повторяющихся числовых закономерностях у цветов, однако с помощью математических инструментов она демонстрировала, как сложный организм может формироваться сам по себе, без какого-либо главного планировщика, отдающего команды.

— Я рассматривала агрегацию слизевика как модель для осмысления процесса развития и наткнулась на статью Тьюринга, — рассказывает Келлер сейчас из своего кабинета в Массачусетском технологическом институте. — И я подумала: «Бинго!»

Уже некоторое время исследователи понимали, что клетки слизевика выделяют некое общее вещество под названием акразин (также известное как циклический АМФ (цАМФ)), которое каким-то образом участвовало в процессе агрегации. Но до того как Келлер начала свои изыскания, общепринятым было мнение, что рои слизевиков формируются по команде клеток-«пейсмейкеров», которые приказывают остальным клеткам начинать объединение. В 1962 году Б. М. Шафер из Гарварда показал, как пейсмейкеры могли использовать циклический АМФ (цАМФ) в качестве своего рода сигнала для сбора войск; генералы слизевика выделяли эти соединения в нужные моменты, запуская волны циклического АМФ (цАМФ), которые прокатывались по всей колонии, поскольку каждая отдельная клетка передавала сигнал своим соседям. Агрегация