Революция растений - Стефано Манкузо

Корневая система, без преувеличения, играет решающую роль в жизни растения. Это сеть, новые ячейки которой постоянно растут и продвигаются вперед. Она состоит из бесчисленных микроскопических командных центров, каждый из которых обрабатывает информацию, собранную в процессе роста корня, и принимает решение о направлении этого роста. Таким образом, вся корневая система решает, как жить растению. Она выступает в роли коллективного разума или, вернее, интеллекта, распределенного по поверхности. В процессе роста и развития каждый корень собирает фундаментальную информацию о питании и выживании растения. Система, разрастаясь, может достичь по-настоящему впечатляющих размеров. Одно-единственное растение ржи способно создать корневую систему из сотен миллионов отдельных корешков. Впечатляющее количество, но не сравнимое с корневой системой взрослого дерева: мы не обладаем точными данными, но речь идет о миллиардах ответвлений. Известно, что в одном кубическом сантиметре лесной почвы может насчитываться до нескольких тысяч корней. Для взрослого дерева в естественной среде обитания нет даже приблизительных оценок. Отсутствие точных данных показывает, с какими трудностями биологам приходится сталкиваться при изучении этой скрытой части растения. Сегодня отсутствие методов или инструментов, которые могли бы записывать движения корней, – главное препятствие, тормозящее исследования поведения растений. Для получения информации необходимы неинвазивные системы непрерывного анализа трехмерной съемки всей корневой системы. Эти системы еще только предстоит создать.

Несмотря на технические ограничения, в последние годы изучение корневых систем позволило выявить неожиданные аспекты их деятельности, в частности механизмы и способы, используемые корнями для исследования почв. Этот процесс оказался настолько эффективным, что вполне может лечь в основу создания нового робота. Он мог бы использовать методы растений в условиях отсутствия карты или опорных пунктов для ориентации, для освоения незнакомых пространств – это далеко не простая задача для централизованных инструментальных систем. Однако децентрализованная система, состоящая из множества маленьких «исследователей», действующих параллельно, может собрать данные о почве гораздо быстрее и успешнее, чем самый хитроумный, но одиночный аппарат.

Как я уже упоминал в других главах, в последние годы мы все больше опираемся на уже существующие в природе системы, чтобы создавать новые технологические решения. Я не имею в виду только растительный мир. Большие перспективы открываются в области исследования сообществ, способных осваивать новые места обитания – например, сообществ социальных насекомых. Они могут служить источником вдохновения для конструкторов.

Корневая система растения – типичный пример децентрализованной, распределенной системы, состоящей из миллионов отдельных центров (корни), взаимодействующих между собой.

Многие животные, действуя в группе, демонстрируют особые формы поведения. Например, можно вспомнить случаи нашествий насекомых или птичьи стаи. Благодаря определенному типу взаимодействия птиц друг с другом, вся стая действует как единый организм. Подобное коллективное поведение стало важным объектом исследования ученых – не только с целью понять базовые принципы поведения группы, но и для получения знаний, позволивших бы применять их на практике, используя одни и те же организационные принципы для различных технологических решений. У таких сообществ есть целый ряд преимуществ. С одной стороны, они демонстрируют чрезвычайно прочные связи (на самом деле, отсутствие единого центра контроля и коммуникаций позволяет успешно встречать самые разные вызовы), с другой – их легко воспроизвести и задействовать, пусть даже в самом примитивном виде, поскольку в самом начале развития правила взаимодействия и обмена информацией совсем просты. Биологи долгое время полагали, что подобные группы существуют только в животном мире (рои, стаи, стада и т. п.). Однако, по идее, любое сообщество, состоящее из единичных агентов (каждый из которых принимает самостоятельное решение, не связанное единым командным центром) и использующее простые правила коммуникации, должно быть похоже на вышеописанные. Существуют и растения, чья модульная структура позволяет сравнить их с роем насекомых.

Трактовка растения, как колонии отдельных модулей, не нова. Еще в античной Греции философ и ботаник Теофраст (372–287 гг. до н.э.) отмечал, что «повторение – сущность растения». В XVIII веке Эразм Дарвин и Иоганн Вольфганг Гете (да, тот самый автор «Фауста») рассуждали, можно ли рассматривать деревья, как колонии повторяющихся модулей. Уже в наше время французский ботаник Франсис Алле описал растения, как метамерические организмы, тело которых состоит из повторяющихся одинаковых частей, при этом рекурсия отдельных модулей и повторение иерархических уровней корневой системы позволяют применять методы фрактального анализа для их описания.

Птичья стая может служить классическим примером появления у группы свойств, которых нет у единичной особи. При этом для получения сложных результатов достаточно простых правил.

Таким образом, наблюдая рост корневой системы, исследующей почву, можно обнаружить, что, несмотря на отсутствие центральной нервной системы, ее действия вовсе не хаотичны. Наоборот, они весьма структурированы и отлично скоординированы для достижения стоящих перед ними целей. Корни обладают, к примеру, потрясающей способностью ощущать малейшие изменения содержания кислорода и воды, колебания температуры и концентраций питательных веществ. При этом они определяют источник изменений в окружающей среде с потрясающей точностью. Как они умудряются это делать и не путаться в локальных отклонениях от искомых параметров, остается загадкой.

Несколько лет назад мы вместе с моим коллегой Франтишеком Балушкой решили изучить корни растения с точки зрения коллективного организма, рассматривая их, как своего рода стаю птиц или колонию муравьев. Этот подход оказался очень эффективным и позволил подтвердить гипотезу о том, что корневая система, способы ее поведения в почве и освоения ею ресурсов могут быть описаны с помощью моделей поведения стаи, аналогичных тем, что биологи применяют для исследования сообществ насекомых. Для одного-единственного муравья навигация в пространстве по градиентам характеристик среды[18] – задача невыполнимая. Муравей, столкнувшись с малейшими изменениями данных, просто потеряется в пространстве без каких-либо шансов понять, где он. Однако, действуя вместе с остальными, в составе колонии, муравьи прекрасно справляются со многими трудностями. Вместе они становятся огромной интегрированной матрицей, оснащенной многочисленными датчиками, которые постоянно снабжают их данными о состоянии окружающей среды. Так мы открыли, что корневая система растения, подобно колонии муравьев, действует как коллектив. И тем самым минимизирует воздействие локальных флуктуаций параметров среды. И, как и в колонии насекомых, принципы передачи информации от одного корня к другому, то есть между разными автономными агентами, весьма вероятно, строятся на основе стигмергии.