Компьютерра
Инженерам давно известно, что лучше всего собирать систему из модулей. Если один из компонентов перестанет работать, достаточно его заменить, будь то видеокарта компьютера, генератор автомобиля или камера космического телескопа.
Напротив, если проблемы начнутся у монолитного комплекса - экономики, финансовых рынков - их будет очень трудно исправить.
Как ни странно, это правило действует и в природе. Биологические системы, как правило, модульны - в частности те, которые могут рассматриваться как сети: мозг, генетические регуляторные сети, метаболические пути. Сети являются модульными, если они содержат сильно связанные друг с другом скопления узлов, которые с другими кластерами соединены очень слабо.
Здесь возникает важный вопрос: каким образом биологические сети приобрели такое свойство? Должно быть какое-то эволюционное давление, но какое?
Тайна усугубляется преимуществами, которые даёт модульность. Это делает системы более способными к развитию в случае изменения окружающих условий. Поскольку мутации влияют обычно на один модуль, они приводят к конкретным небольшим изменениям приспособляемости системы. Эволюция с лёгкостью выбирает между «за» и «против» этих изменений.
Немодульным системам развиваться сложнее, потому что мутации в них обычно влияют на всю систему и далеко не всегда оказываются полезными, о чём свидетельствуют различные эксперименты.
Но модульность, само собой, даёт явное преимущество, когда она уже существует. Это не объясняет, как и почему она развивается.
Недостатка в гипотезах нет. Одна из точек зрения гласит, что модульность возникает в быстро меняющейся среде, в которой существуют общие подзадачи, но различные проблемы первого уровня. Однако реальных доказательств в пользу этого мнения пока не найдено.
По этим причинам появление модульности остаётся одним из наиболее важных открытых вопросов в биологии.
Ход Липсон из Корнеллского университета Соединённых Штатов Америки и его коллеги предлагают ещё одно объяснение. По их словам, недооценивается такой ключевой фактор, как стоимость создания и поддержки сети. «Модульность развивается не потому, что она расширяет возможности эволюции, а в качестве побочного продукта снижения стоимости подключения к сети», - говорят исследователи.
Речь идёт о расходах на изготовление соединений и их содержание, об энергии, необходимой для передачи информации по ним и для сдерживания сигналов. Стоимость растёт с увеличением числа соединений и их длины.
«Действительно, многочисленные исследования сосудистой и нервной систем, в том числе головного мозга, показали, что суммарная длина схемы сведена к минимуму», - подчёркивают авторы гипотезы.
Очевидно, что у таких сетей есть важные преимущества.
Для проверки идеи господин Липсон и коллеги разработали компьютерную среду для измерения способности различных сетей приспосабливаться к тем или иным обстоятельствам. Поначалу сети были случайными, и ни одна из них не показала хороших результатов. Но некоторые были чуть лучше других, и именно они чаще давали «потомство». Следующее поколение не являлось точной копией предыдущего, ибо содержало случайные изменения. Таким образом и происходит биологическая эволюция.
Компьютер измерял сети по двум критериям. Первый был очень простым: насколько хорошо система распознавала некий набор входных данных. А второй требовал принять во внимание затраты на поддержание сети.
Так вот, сети, которые демонстрировали лучшие показатели по первому критерию, через 25000 поколений точно идентифицировали входящие сигналы. Но только те, что набирали больше баллов по второму критерию, были модульными. То есть модульность делает систему более гибкой. В мире ограниченных ресурсов минимум затрат - важное преимущество. Но дело не в стремлении к модульности, а в необходимости свести к минимуму расходы.
Результаты исследования, опубликованные на сайте arXiv, могут иметь большое практическое значение. В последние годы так называемые эволюционные вычисления используются всё чаще - и в анализе рентгеновских снимков, и в работе с наборами данных для проектирования - например, деталей для сверхзвуковых самолётов. При этом инженеры никак не могли понять, как заставить систему стать модульной. Быть может, теперь научно-техническое развитие пойдёт ещё немного быстрее?