Терри Пратчетт - Наука Плоского мира. Книга 2. Глобус
Насыщена фазовыми пространствами и биология. Первым широкое распространение получило ДНК-пространство. Связанное с каждым живым организмом, оно является его геномом, цепочкой химических молекул, называющихся ДНК. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, то есть представляет собой две спирали, закрученные вокруг общего ядра. Каждая спираль состоит из цепочек «оснований», или «нуклеотидов», которые могут быть четырех видов: цитозин, гуанин, аденин, тимин. Как правило, они обозначаются буквами Ц, Г, А и Т, соответственно. Последовательности двух цепочек комплеменарны: если Ц оказывается в одной спирали, то во второй обязательно будет Г, и то же самое с А и Т. То есть ДНК содержит две копии последовательностей, так сказать, одну положительную и одну отрицательную. Говоря абстрактно, геном можно представить последовательностью этих четырех букв типа ААТГГЦЦТЦАГ… которая может быть достаточно длинной. Геном человека, к примеру, содержит порядка трех миллиардов букв.
Фазовое пространство для геномов, или ДНК-пространство, состоит из всех возможных последовательностей заданной длины. Если говорить о человеке, то ДНК-пространство будет включать в себя все возможные последовательности из трех миллиардов букв Ц, Г, А и Т. Насколько оно велико? Выражаясь математическим языком и по аналогии со случаем с машинами на парковке, ответ таков: 4×4×4 × … ×4, с тремя миллиардами четверок. То есть 43000000000. Это число гораздо больше того 70-значного, что мы получили в задаче о парковке. И гораздо больше количества стандартных книг в Б-пространстве. В нем около 1 800 000 000 цифр. Если вы запишете его, помещая на каждой странице по 3000 цифр, вам понадобится тетрадь с 600 000 листами, чтобы все это вместить.
Представление о ДНК-пространстве весьма полезно для генетиков, занимающихся изучением возможных изменений в последовательностях ДНК, таких как «точечные мутации», при которых меняется всего одна буква кода, скажем, в результате ошибки при копировании. Или воздействия высокоэнергетического космического луча. В частности, вирусы мутируют так стремительно, что нет смысла говорить о зараженных особях как о чем-то постоянном. Вместо этого биологи называют их квазивидами и представляют их как группы родственных последовательностей в ДНК-пространстве. Эти группы по прошествии времени перемещаются, но держатся вместе, что позволяет вирусу сохранить свою индивидуальность.
За всю историю человечества жило не более десяти миллиардов людей – всего лишь 11-значное число. Это неимоверно крошечная часть от всех тех возможностей. То есть люди использовали лишь крупинку ДНК-пространства, как и книги использовали лишь крупинку Б-пространства. Разумеется, самые интересные вопросы не столь просты. Большинство буквенных последовательностей не складывается в книгу, начиненную смыслом, а большинство цепочек ДНК не подходят для жизнеспособного организма, не говоря уже о человеке.
Вот мы и подошли к критической точке фазовых пространств. В физике разумно допускать, что имеющее смысл фазовое пространство можно «предопределить», прежде чем задаваться вопросом, насколько оно отвечает системе. В воображаемом фазовом пространстве мы можем представить себе любую расстановку небесных тел в Солнечной системе. У нас нет технической возможности, чтобы это осуществить, но представить такое нам не составляет труда, к тому же у нас нет физических причин, чтобы исключать какую-либо расстановку из нашего рассмотрения.
Когда дело касается ДНК, важнейший вопрос заключается не в этом огромном пространстве всех возможных последовательностей. Почти все они не подходят какому-либо организму, пусть даже мертвому. Что нам действительно нужно рассмотреть, это «жизнеспособное ДНК-пространство», то есть пространство всех цепочек ДНК, которые могут принадлежать жизнеспособным организмам. Это невероятно сложная, но очень маленькая часть ДНК-пространства, и нам не известно, что она из себя представляет. Мы понятия не имеем, как можно рассмотреть гипотетическую последовательность ДНК и определить, подходит ли она для жизнеспособного организма или нет.
Та же проблема возникает в отношении Б-пространства, но здесь одна особенность. Грамотный человек, взглянув на последовательность букв и пробелов, может определить, содержит ли она историю или нет; он знает, как «прочитать» код и понять заключенный в нем смысл, если владеет языком, на котором тот написан. Он даже может попытаться решить, хорошая она или плохая. Однако мы не знаем, как развить эту способность для компьютеров. Правила, которыми руководствуется наш разум, чтобы распознавать истории, заложены в сети нервных клеток в наших мозгах. Никому еще не удавалось эти правила выразить. Мы не знаем, как охарактеризовать параметры читаемых книг в Б-пространстве.
В случае с ДНК проблема усугубляется еще и тем, что нет никакого определенного правила, которое «переводило» бы код ДНК в организм. Раньше биологи считали, что такой должен существовать, и возлагали большие надежды на изучение этого «языка». Тогда ДНК реального (потенциального) организма представляла бы собой закодированную последовательность, сообщавшую связную историю о биологическом развитии, а все остальные последовательности были бы просто тарабарщиной. В действительности же биологи предполагали, что смогут посмотреть на цепочку ДНК тигра и увидеть в ней фрагменты, отвечающие за полоски, когти и так далее.
Это было довольно оптимистично. На данный момент мы можем увидеть кусок ДНК, отвечающий за белки, из которого сделаны когти, или кусок, отвечающий за оранжевые, черные и белые пигменты, которые окрашивают шерсть полосками – но все это очень далеко от нашего понимания истории ДНК. Сейчас становится ясно, что в развитии организма также участвуют многие факторы, не имеющие отношения к генетике, поэтому «языка», который переводил бы ДНК в живые создания, не может существовать в принципе. К примеру, ДНК тигра превращается в тигренка только при наличии яйцеклетки матери. При такой же ДНК и яйцеклетке мангуста никакого тигра не получится.
Хотя, возможно, это лишь техническая проблема: что для каждого кода ДНК существует уникальный вид материнского организма, который превращает его в живое создание, поэтому форма этого создания все же заложена в коде. Но теоретически, по крайней мере, один и тот же код ДНК может создать два абсолютно разных организма. Пример этого мы приводим в книге «Гибель хаоса», в которой развивающийся организм впервые «видит», в чреве какой матери находится, а затем выбирает путь развития в зависимости от увиденного.
Гуру сложных задач Стюарт Кауффман поставил эту проблему еще на один уровень выше. Он указывает, что если в физике мы можем предопределить фазовое пространство системы, то в биологии этого никогда не будет возможным. Биологические системы более креативны, чем физические: организация материи внутри живых созданий имеет иную качественную природу, чем в неорганических материях. В частности, организмы способны эволюционировать, после чего, как правило, они становятся еще более сложными. Например, рыбоподобные предки людей были гораздо проще, чем мы. (Мы не устанавливали мер сложности, но это утверждение верно в случаях с большинством таких разумных мер, поэтому давайте не будем углубляться в понятия.) Эволюция не всегда сопровождается повышением сложности, но когда так случается, это совсем сбивает нас с толку.
Кауффман противопоставляет две системы. Первая – традиционная для физики термодинамическая модель, состоящая из N молекул газа (имеющих вид жестких сфер), перемещающихся в 6N-мерном фазовом пространстве. Это пространство известно нам заранее, и мы можем точно определить его динамику и вывести основные законы. Среди них присутствует и второй закон термодинамики, который утверждает, что с высочайшей долей вероятности по прошествии времени система станет менее упорядоченной и молекулы равномерно распространятся по вмещающему их пространству.
Вторая система – это «биосфера», или эволюционирующая экология. В этом случае с используемым фазовым пространством не все ясно. Потенциальные возможности либо слишком велики, либо слишком ограниченны. Допустим на мгновение, что давняя мечта биологов сбылась и язык ДНК живых организмов оказался правдой. Тогда мы могли бы использовать пространство ДНК как наше фазовое пространство.
Однако, как мы только что увидели, лишь крошечная и запутанная часть этого пространства представляет реальный интерес – правда, нам не известно, какая именно это часть. Если сюда добавить то, что такого языка, возможно, и не существует вовсе, то весь этот метод рассыпается в прах. С другой стороны, если фазовое пространство слишком мало, то обоснованные изменения могли бы вообще вывести организмы за его пределы. Например, пространство тигра можно было определить по количеству полосок на теле большой кошечки. Но если котик однажды эволюционирует и вместо полосок у него появятся пятна, для этого не останется места в тигрином фазовом пространстве. Конечно, это уже не тигр… хотя его мать и была тигрицей. Мы не можем разумно исключать такие новшества, если хотим понять реальную биологию.
