Биология в новом свете: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Форма живых организмов в системе координат

В предыдущей главе мы говорили о величинах и измерениях. Теперь мы обратим свое внимание на форму и внешний вид растений и животных. Пригодятся ли нам и здесь математика и физика?

Анализ проблемы формы в биологии приводит нас к вопросам эстетики. Достаточно вспомнить, например, книгу Эрнста Геккеля "Красота форм в природе". Однако мы не будем заниматься эстетикой, а останемся на твердой почве естествознания. Тем не менее факт остается фактом — эстетика и проблемы формы в биологии тесно связаны. Эстетика и целесообразность в живой природе, очевидно, взаимозависимы. В повседневной жизни целесообразное отнюдь не всегда можно назвать "прекрасным". В технике целесообразность и красоту часто даже рассматривают как две противоположности. Биологическим же объектам свойственна совершенно особая целесообразность, и она представляется нам прекрасной.

Форма и целесообразность в биологии связаны с третьим понятием — приспособленностью. Более столетия назад мир познакомился с работой Чарлза Дарвина "Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение — благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь". Эволюционная теория Дарвина является одной из составляющих частей современного научного мировоззрения, и каждому из нас знакомо выражение "борьба за существование". Эволюционное развитие определяется совокупностью двух процессов — вариабельности и селекции, или, проще говоря, случайной изменчивости и отбора.

Целесообразность той или иной формы в биологии неразрывно связана с красотой. Красивы ли симметричные организмы? Сейчас нам кажется забавным, что Эрнст Геккель в своей книге 'Красота форм в природе' относит к миру прекрасного даже ленточного червя

Изменчивость и отбор обусловливают процесс приспособления, а приспособление есть не что иное, как повышение целесообразности в соответствии с определенным образом жизни. Ласточка целесообразна в качестве изящного летуна, приспособленного к поиску пищи в воздухе; лебедь и нырок приспособлены для жизни в тихих водах. Таким образом, целесообразность не есть нечто абсолютное: она проявляется лишь во взаимоотношениях между организмом и окружающей его средой.

Можно ли "подсчитать" целесообразность? Вероятно, привлечение математики к такому сугубо биологическому вопросу вызовет недоумение. Но так ли это бессмысленно? Разве человек не старается всегда принимать в расчет вопросы целесообразности? Во многом, что касается нашей повседневной жизни, целесообразность представляется нам само собой разумеющейся; мы с недоумением качаем головой, когда некоторые хитрецы пытаются доказывать то, что кажется нам совершенно очевидным. Еще Евклид говорил в своей геометрии: самый короткий путь между двумя точками — прямая.

Рыбы (плавающие организмы) имеют различные формы. Какая из них наиболее целесообразна? Ответить на этот вопрос нельзя без учета образа жизни данного вида. Можно ли рассчитать целесообразность? А — линь; Б — красная крылатка; В — сом; Г — камбала

Эмпирический факт, тривиальность! Но доказать его математически довольно сложно. И вероятно, вначале попытка доказать это давно известное положение казалась не чем иным, как проявлением излишней педантичности. Но очень скоро выяснилось, что найденный метод позволяет доказать и нечто другое, ранее не известное. В результате в математике возникло новое направление: теория оптимальных процессов. Это довольно сложная область математики, первоначально разработанная лишь для простейших процессов. В наш век, когда в экономике и технике расчеты осуществляются с помощью электронных вычислительных устройств, эта теория приобрела большое значение. Посмотрим, в состоянии ли теория оптимальных процессов объяснять и обосновывать целесообразность в мире организмов.

Прямая — самая 'целесообразная' линия, если мы хотим найти кратчайший путь между А и Б. Эта древнейшая проблема оптимизации занимала еще Евклида

Нельзя забывать, что процессы оптимизации в технике и биологии совершенно различны. Сначала обратимся к технике. Предположим, инженер проектирует мост, который должен быть надежным, легким, дешевым и пропускать в единицу времени определенное количество машин и пешеходов. Эти требования противоречат друг другу. Самый надежный мост всегда тяжелый и дорогой, а самый дешевый — легкий, но ненадежный. Оптимизация заключается в том, чтобы найти такую конструкцию моста, которая, обеспечивая достаточно большую надежность, требовала бы минимум затрат.

У природы возможности несравненно богаче. Она находит оптимальные решения не путем предварительного расчета, а через изменение и селекцию, т. е. отбор. Сначала появляется большое количество различных вариантов, но из них остаются только те, которые выдержали борьбу за существование. Неподходящие образцы "отбрасываются". В действительности это как бы движение на ощупь, медленное изменение того или иного свойства в том или ином направлении. Оптимизация биологической структуры возможна только тогда, когда при неизменных условиях в окружающей среде развитие этой структуры совершается достаточно медленно. В противном случае оптимизация невозможна. Таким образом, не каждое приспособление является совершенным, т. е. оптимальным.

Очевидно, такие величины, как вес, стоимость, допустимая нагрузка и т. д., характеризующие конструкцию моста, могут быть выражены количественно и оптимизированы математическими методами. А можно ли осуществить математическую "обработку" формы живого организма? Да, конечно, только не будем забегать вперед! Такой обработке должна предшествовать определенная "математизация". Иными словами, сначала надо ответить на вопрос: как с помощью цифр описать внешний вид организма?

Для этого есть несколько способов различной степени сложности. Простейший и самый наглядный из них — сравнение числовых характеристик: количества ног, крыльев, глаз, члеников на усиках и т. п. у животных или количества тычинок, цветков, лепестков, компонентов листа и т. п. у растений. Существуют двуногие, шестиногие (насекомые), десятиногие (высшие ракообразные), двукрылые (мухи и комары). Вспомним божьих коровок, их обычные виды — семиточечная (Coccinella septempunctata) и двухточечная (Coccinella bipunctata). Живые организмы можно сравнивать и по геометрическим размерам. Так, в справочниках растений мы часто встречаем такое сопоставление: растение маленькое, не больше 10-15 см в высоту, и растение выше 20 см. Можно проводить сравнения и в относительных единицах: например, у лани хвост длиннее уха, а у благородного оленя хвост по длине равен уху. Анализируя форму живых организмов, мы можем осуществлять различные измерения и получать числовые значения, пригодные для дальнейшей математической обработки.

С чего же начать обработку полученных чисел? Математики уже давно научились объединять множество измеряемых величин, или, проще говоря, чисел, таким образом, чтобы получалась некая цельная картина. Если какой-то предмет характеризуется двумя параметрами, то в соответствии с их значениями его можно представить точкой на плоскости. Возьмем пример из биологии: маргаритку, в частности, можно охарактеризовать количеством цветолистиков и высотой соцветия, измеренной в сантиметрах. Обе величины могут изменяться, но только в определенных границах. Итак, мы срываем маргаритку (кому это действие кажется слишком простым, тот пусть попытается отделить соцветие вида Bellis perennis L. от розетки листьев), считаем цветолистики, измеряем длину цветоноса и отмечаем оба значения в системе координат, по осям которой откладываются соответствующие единицы. На том же лугу растет множество других маргариток; мы многократно повторяем наш опыт, и каждый раз на бумаге появляется еще одна точка. При некотором усердии мы получим целое облачко точек.

Числа (А), размеры (Б) и математические функции (В) — основа для точного сопоставления биологических форм

Почему мы выбрали именно эти два параметра? Может быть, они наиболее характерны? Ничего подобного! С таким же успехом мы могли бы взять число листьев в розетке, длину листьев, диаметр головки соцветия и т. д. После того как нам удалось свести два параметра к одной точке, многообразие живой природы снова озадачивает нас, Если к двум параметрам добавить третий, то для каждой конкретной маргаритки мы получим точку уже не на плоскости, а в пространстве, и для всех маргариток, растущих на этом лугу, — объемное облако точек, которое характеризует целый вид. А что дальше?

Выбранные параметры маргаритки отложены по осям системы координат. В результате измерений этих параметров для различных растений исследуемого вида мы получаем в фазовом пространстве облачко точек, характерное для данного вида. Каждому из растений соответствует одна точка в этом облачке

Такой вопрос может возникнуть только у человека, далекого от математики, который убежден в том, что все существующее можно представить зрительно. Математик думает иначе, он живет в мире абстрактного. Если трех измерений не хватает, то пусть будет 4, 5, 6, 10 или, наконец, n измерений, то есть сколь угодно много. И хотя с каждым новым измерением расчеты усложняются, в принципе можно рассчитать любое многомерное пространство. Но теперь слово "пространство" обозначает нечто совершенно отличное от того, что мы обычно изображаем в виде трехмерной структуры. Многомерные пространства используют в своих расчетах также физики-теоретики и называют их фазовыми пространствами. У нас нет причин искать какое-либо другое название. Итак, биологический вид есть облако точек в n-мерном фазовом пространстве.

Математическое обоснование тривиального — что это? Опять игра? Отнюдь нет! То, чем мы здесь занимаемся, относится к области бурно развивающейся сейчас нумерической таксономии. Облако точек вытягивается в длину и разделяется — возникает новый вид. Облако плывет — вид изменяется. Облака находятся близко или далеко друг от друга — это характеризует степень родства различных видов. В принципе все эти процессы можно рассчитать. Но здесь не обойтись, конечно, без быстродействующих электронных вычислительных машин.

Измерение плюс вычисление — это только один из возможных путей, ведущих к пониманию формы живого. Сколько нужно цифр чтобы правильно отобразить форму листа, контуры лягушки или панцирь рака? Конечно, с помощью числового метода мы можем охарактеризовать эти формы с большей или меньшей точностью, в зависимости от числа измеряемых параметров. Но это недостойно истинного математика; к тому же каждое новое измерение увеличивает степень многомерности фазового пространства, что делает расчеты неоправданно сложными. Значительно удобнее выявлять формы не по цифрам, а по аналогии. Это значит, что мы ищем математическую кривую, которая соответствует интересующей нас форме, т. е. аналогична ей, и может быть выражена формулой с возможно меньшим количеством постоянных величин, или констант.

Математикам известна такая универсальная формула, или, точнее, функция, которая позволяет математически выразить почти любую кривую, — это так называемый полином. Он записывается в виде ряда, который можно продолжать сколь угодно долго, но математик ограничивается лишь действительно необходимым числом членов, ибо с каждым новым членом полином все усложняется. Уравнение этого ряда выглядит так:

Оно показывает, как изменяется величина у в зависимости от изменения независимо меняющейся величины x. Обычно говорят, что y есть функция от x. Если значения x и у откладывать по осям системы координат, то мы получим кривую. Буквы a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6,... обозначают константы, они могут быть положительными и отрицательными, большими, малыми и даже равными нулю. Меняя значения этих констант, математик "изгибает" кривую до тех пор, пока она не примет желаемую форму. Для описания простых кривых достаточно ограничиться малым количеством членов такого полинома. Сколько нужно сделать отдельных измерений, чтобы получить изображенный на рисунке полином четвертой степени, т. е. полином, содержащий член a4x4? Чтобы записать точную формулу, требуется только пять значений, а именно константы a0, a1, a2, a3 и a4. Собственно говоря, можно даже обойтись без первого значения, т. е. положить a0 = 0, тогда ось симметрии листа будет скользить по оси абсцисс. Мы видим, что с каждым новым членом наш полином описывает форму листа несколько точнее. Таким образом, с помощью полинома мы можем описать формы любых объектов независимо от их размеров, а также сравнивать их между собой.