Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Остается непонятным, каким образом могут заключать гоббсовски соглашения лишенные зрения и слуха одноклеточные организмы. Счі тается, что подобно всем другим одноклеточным организмам бактери Dictyostelium сообщаются друг с другом по механизму, напоминающем процесс распространения запахов. Находящиеся в стрессовом состояни клетки выделяют особые химические вещества, воздействующие на други клетки подобно тому, например, как молекулы пахучих веществ — аттраі тантов — позволяют самцам и самкам многих видов находить друг друг, При этом некоторые клетки Dictyostelium начинают «задавать темп» и< пускания аттрактантов, создавая подобие «волн запаха», под воздействие которых остальные клетки начинают смещаться в сторону их источник; Такой химически индуцированный механизм движения клеток получи название хемотаксиса.

На стадии образования своих кластеров-убежищ клетки Dictyosteliuі формируют уже знакомые нам вращающиеся кольца, напоминающие виз ревые морфотипы бактерий вида Bacillus (рис. 6.2, а). Интересно, что такой тип движения уже давно наблюдался биологами, но у совершенно иного класса живых существ. Вихревые массовые образования весьма характерны для косяков разных видов рыб (рис. 6.2, б), однако, конечно, это движение регулируется не хемотаксисом, а зрением, позволяющим рыбам видеть друг друга и подражать общему поведению. Кроме того, нельзя забывать, что рыбы обладают мозгом, который при всей его ограниченности обеспечивает им гораздо более сложное поведение и гораздо более сложную систему приспособления к условиям окружающей среды. Поэтому возникает вопрос: не является ли наблюдаемое сходство структур массового движения клеток плесени и косяков рыбы простым совпадением?

Известны разнообразные примеры стадного или группового поведения у многих видов животных, включая высших, причем цели такого поведения часто понятны. Например, во многих случаях такое групповое поведение явно представляет собой механизм защиты молодняка и обеспечения совместной обороны. Собираясь вместе и используя тепло собственных тел, пчелы могут регулировать температуру внутри улья, а группу муравьев, совместно волокущих крупную добычу, читатель наверняка не раз видел собственными глазами. Но, как отмечают биологи Джулия Парриш и Лия Эдельштейн-Кешет, «нельзя утверждать, что все объединения животных связаны с функциональными целями... паттерны и структуры могут возникать... и за счет нелинейных взаимодействий, общих для живых и неживых систем»3. Иными словами, объясняя объединение и коллективное поведение животных только биологическими (т. е. адаптивными) механизмами, мы рискуем ошибиться, так как многие биологические системы могут управляться всего лишь «физическими» факторами конкретных ситуаций.

Помимо сложнейшей проблемы объяснения целесообразности такого поведения перед учеными вставала совсем не простая задача объяснения конкретных механизмов, как животные могут координировать свое поведение и движения? Кажется чудом, насколько согласованно стая перелетных скворцов в сумерках вдруг пикирует на вершину какого-то дерева и занимает места, действуя как единый организм. И вновь наблюдателя поражает, что он не может выделить движение отдельных особей — у стаи нет лидера, птицы одновременно принимают одинаковые решения. Точно так же ведут себя пчелы, в результате пчелиный рой двигается как единое целое. Эти простые наблюдения лишь дополнительно убеждают нас, что наука о массовом поведении сталкивается с какой-то очень глубокой и важной загадкой природы.

Вплоть до конца 1980-х годов не существовало приемлемого объяснения поведения птичьих стай, если не считать попытки (в 1930-х годах) связать его со столь же неясной концепцией передачи мысли. Первая серьезная научная теория возникла лишь в 1984 году, когда Уэйн Поттс из университета штата Юта предположил, что действия стаи инициируются отдельными особя- ми-«подстрекателями», движениям которых подражают остальные птицы, в результате чего возникает сигнал, распространяющийся по стае в виде некоторой «волны поведения». Поттс основывал свои выводы на анализе киносъемки стаи птиц (чернозобиков) в местечке Пиджет-Саунд и утверждал, что irfицы следят за распространением такой волны и согласуют с ней сво* действия, подобно тому как отдельные певцы согласуют свои партии прі- исполнении сложного произведения для хора. Однако это объяснение представляется малоубедительным хотя бы потому, что предлагаемые Поттсом волны должны, по теории, распространяться очень быстро, вследствие чегс каждая птица должна замечать и учитывать поведение не только ближайших но и удаленных членов стаи. Это представляется невозможным вследствие ограниченных умственных возможностей птиц, которых, по мненик специалистов, совершенно недостаточно для обеспечения согласованных действий. Вот и хоровое пение основано на сложной музыкальной теории понятной далеко не каждому. Научное описание коллективного поведение живых особей настойчиво требовало новых идей, и они были предложены но не биологами, а физиками!

Ученые разных специальностей стремятся описывать явления в рамка? терминов и понятий, характерных для собственной науки, вследствие чегс поведение животных зоолог будет описывать в терминах индивидуальных особенностей, молекулярный биолог предпочтет начать описание с генетических факторов и т.д. С другой стороны, для физиков естественж описывать любую систему с точки зрения взаимодействий составляющих е< элементов, в качестве которых могут выступать атомы, электроны, кварю- или молекулы газа. Впрочем, одно утверждение представляется заведомс разумным: поведение птиц в стае является настолько сложным, что не мо жет быть сведено к генетической программе, заложенной в каждую из ни> при рождении.

Строго говоря, Крейг Рейнольдс не был физиком — он работал специалистом по программному обеспечению в калифорнийской фирме Symbolics В 1987 году Рейнольдс заинтересовался проблемой коллективного поведение птиц и начал решать ее не на основе феноменологического подхода, харак терного для биологии, а исходя из строгих физических и математическиз аксиом и представлений. Наблюдая за поведением стаи птиц на местнол кладбище, он попытался выявить его закономерности. Позднее он писал < своих наблюдениях: «Все свидетельствовало о том, что поведение стаи яв ляется просто следствием действий отдельных особей, каждая из которы: вела себя индивидуально, но с учетом локального восприятия окружающей мира»4. В этой фразе содержится ключ к решению проблемы, сводящийся к словам локальное восприятие. Отдельная птица действительно не може проследить и проанализировать поведение всех других птиц в стае, но он вполне способна очень быстро реагировать на любые изменения в ближай шем окружении.

Основываясь на этой идее, Рейнольдс составил компьютерную программу, описывающую поведение системы, каждый частица которой в своих действиях подчинялась лишь трем простым правилам, связанным с информацией о поведении ближайших частиц. Ему даже показалось несправедливым называть создаваемые чувствительные и восприимчивые элементы простым термином «частица», поэтому он придумал для них специальное имя «бойд», как бы объединяющее птиц (bird) с дройдами (droid), персонажами из научной фантастики. Каждый бойд взаимодействует только с бойдами из ближайшего окружения (это окружение логично именуется локальной сферой). Правила движения бойдов очень просты: каждый из них подгоняет значение своей скорости к средней скорости движения бойдов в локальной сфере, избегает при этом столкновений и пытается сместиться в сторону центра масс сферы[55]. Приведенные условия регулирования скорости и направления движения эквивалентны правилам когезии (слипания), поскольку они способствуют постепенному сближению траекторий полета соседних бойдов. Особо отметим, что ни одно из условий никоим образом не задает общего поведения всей стаи бойдов, т. е. в правила не встроена тенденция к формированию согласованного движения стаи.