Автор: Дмитрий Шабанов
Опубликовано 14 июня 2012 года
Как должна быть устроена система, чтобы её функционирование было оптимальным? Этот вопрос весьма непрост. Мы значительно лучше прослеживаем логические цепочки, чем анализируем взаимодействие комплекса факторов. Мир вокруг нас населён системами, раз за разом показывающими контринтуитивное, противоречащее нашим ожиданиям поведение.
Важным свойством многих систем вокруг нас является их иерархичность, "вложенность" друг в друга. Организмы, как системы, состоят из подсистем (клеток) и являются частью надсистем (популяций). Экономика страны (система) состоит из отдельных домохозяйств и предприятий (подсистем) и является частью мировой экономики (надсистемы). На каждом из этих уровней может идти и перебор желаемых состояний всех этих систем, и отбор самих систем.
Не вполне понятна разница между отбором систем и перебором состояний? Неудачные предприятия и даже неудачные национальные экономики могут попросту исчезать. Другие, более успешные системы того же уровня могут поглощать принадлежащие неудачникам ресурсы. А мировая экономика – она одна. Она не заменится другой, но она проходит через ряд сменяющих друг друга состояний. Мы пытаемся удержать её в хороших состояниях и уводить от плохих – если б только она прислушивалась к нашим желаниям.
Представьте себе спящего человека. Пока всё хорошо, он лежит неподвижно. Затекла нога, задралось одеяло, колет бок хлебная крошка, укусил комар – и спящее тело приходит в движение, пытаясь устранить источник беспокойства. О, теперь хорошо...
Между отбором систем и перебором их состояний много общего, хотя они представляют собой два разных уровня оптимизации. Перебор состояний проще. Отбор систем, которые, в свою очередь могут перебирать состояния, – более сложное, двухуровневое явление.
В этой колонке я хочу показать подобие типов иерархических систем, к которым относились многоклеточные системы, возникавшие в ходе биологической эволюции, и экономические системы, результат социальной эволюции. Их эффективность очень зависит от того, как они устроены и как соотносятся цели системы и подсистем. Иногда таким системам помогает Невидимая Рука, открытая Адамом Смитом; иногда ему мешает Невидимая Нога, обнаруженная Германом Дейли.
Носителем всех проявлений феномена жизни является уже одна живая клетка. Происхождение жизни – особая тема, которую мы уже частично затрагивали. Так или иначе, на протяжении большей части земной истории для нашей планеты не были характерны многоклеточные (лучше было бы говорить – многотканевые) организмы, которые столь привычны для нас сегодня. Фанерозой - эон (временной промежуток), для которого характерны многотканевые организмы, занимает всего около 12 процентов всей земной истории (и 17 процентов известной нам истории земной жизни).
Конечно, многотканевые организмы известны и из более ранних пород, которые можно отнести к криптозою (или докембрию, по-старому). Их находки несколько отодвигают изобретение многоклеточности вглубь времён, но качественно ситуацию не меняют. А что было до этого?
Конечно, жизнь существовала не только в виде отдельных клеток. Многие из них объединялись в группы и колонии. Знаете, кто такие стрептококки? Шаровидные бактерии, кокки, живущие цепочками. Клетки в этих цепочках приблизительно одинаковы; разделение функций и обмен ресурсами для них не характерны. Цепочки характерны и для цианобактерий (способных к фотосинтезу организмов, которых раньше называли сине-зелёными водорослями). У цианобактерий встречаются особые специализированные клетки – гетероцисты. Они не делятся и не фотосинтезируют, но зато связывают азот. Хоть гетероцисты и обмениваются веществами с соседними клетками, о настоящей многоклеточности и в этом случае говорить не приходится. Разные клетки таких организмов не образуют ткани, как клетки животных и растений (и сложную структуру гиф, как клетки грибов). Хотя...
Для криптозоя характерны особые горные породы, названные строматолитами (буквально - "каменные ковры" или "каменные подстилки"). Это очень разнообразные слоистые и складчатые структуры. Механизм их происхождения был предметом споров среди геологов, когда вдруг удалось найти "живые" строматолиты (точнее, современные бактериальные экосистемы, формирующие такие осадочные породы). Классическим местом для их изучения стал Залив Акул (Шарк-Бей) в Австралии.
На засоленном мелководье располагаются крупные глыбы. Поверхность каждой глыбы покрыта толстой (с толщиной, измеряемой миллиметрами) плёнкой разнообразных бактерий. Наверху располагается слой фотосинтезирующих цианобактерий, под ним – слой бактерий, которые разлагают органику, используя кислород, ещё глубже – слой микроорганизмов, приспособленных к жизни в бескислородных условиях. Показывая с помощью дефиса, что эта плёнка состоит из цианобактерий и других бактерий, её называют циано-бактериальным матом. Слово "мат" здесь отсылает не к обсценной лексике, а к матрасам и физкультурным матам – толстым мягким структурам. В ходе жизнедеятельности мата образуются нерастворимые вещества. Бактериальный комплекс откладывает такие вещества на свою опору, собственно строматолит. "Каменный ковёр" растёт, иногда на миллиметры в тысячу лет, а иногда и быстрее.
Сейчас известно немало циано-бактериальных матов, которые не образуют строматолиты. Одним из излюбленных мест для их изучения стала коса Арабатская стрелка в залив Сиваш, что с востока ограничивает Крымский перешеек. Вероятно, разнообразие матов в истории Земли было ещё более серьёзным. В их состав входили разные группы бактерий, они откладывали осадки разного состава. Сегодня бактериальные маты не самая распространённая форма сообществ, они во многих случаях проигрывают эволюционно более молодым формам жизни. Тем не менее они оказались самой распространённой формой организации живого сообщества в истории Земли!
Как изучали циано-бактериальные маты? Делали их срезы, выделяли отличающиеся по форме клетки, выращивали виды по отдельности в культуре. Находили, предположим, десяток разных бактерий и говорили о высокой сложности сообщества мата. Удивительные результаты были получены благодаря выделению и распознаванию последовательностей ДНК. Выяснилось, что в матах обитает множество ранее неизвестных, не выращиваемых по отдельности видов. Маты не просто сложны – они экстраординарно сложны и могут состоять из десятков разных клеток – разных, потому что относятся к разным видам.
Маты изменили среду на Земле. Цианобактерии обеспечили кислородную революцию, изменившую характер земной атмосферы с восстановительного на окислительный. В изменившейся среде получили развитие ядерные организмы – простейшие, грибы, растения, животные. Среди растений и животных появились многотканевые организмы, тоже состоящие из многих, иногда десятков, а иногда и сотен разных типов клеток. Однако в многотканевых организмах разные клетки не просто относятся к одному виду, а даже являются клонами (генетическими копиями) той оплодотворённой яйцеклетки, из которой этот организм развивается. В большинстве случаев, как, например, в нашем теле, все клетки генетически одинаковы; их различия – не следствия различий генотипа (унаследованной наследственной программы), а следствие его избирательной экспрессии (включения разных генов).
Многовидовые микробные маты и клональные многотканевые организмы – два типа многоклеточных систем, состоящих из разных типов клеток. Маты древнее, долго доминировали на планете и сохраняются до сих пор. Клональные организмы – "недавнее" изобретение, которое оказалось очень перспективным и позволило создавать очень сложные живые системы.
Сравните наше тело или тело секвойи с самым сложным циано-бактериальным матом. Почему организмы способны создавать более сложные структуры, чем бактериальные сообщества? В них развитие всех клеток идёт под контролем единой программы. Проверенные, лучшие версии таких программ передаются потомкам. Неудачные организмы гибнут как целое, удачные – как целое выживают и размножаются. Организмы эволюционируют на уровне отбора систем.
В бактериальном сообществе много разных программ – своя у каждого вида клеток. Конечно, гены внутри сообщества легко передаются от одного вида бактерий к другому. Тем не менее каждый из его компонентов размножается относительно самостоятельно. Отбор систем действует внутри сообщества мата, а оно в целом лишь претерпевает перебор состояний.
Элементы бактериального сообщества в большой мере независимы друг от друга. На каждый из них действуют свои векторы отбора, многие из входящих в состав сообщества клеточных популяций конкурируют друг с другом. В общем, бактериальное сообщество – вольница в сравнении с организмом.
