Терри Пратчетт - Наука Плоского Мира II: Земной шар

Фазовое пространство геномов, или ДНК-пространство, состоит из всех возможных последовательностей заданной длины. Если мы имеем в виду людей, то соответствующее ДНК-пространство содержит все последовательности, которые можно составить из трех миллиардов букв C, G, A, T. Насколько велико такое пространство? С математической точки зрения, мы имеем дело с такой же задачей, как и в вопросе о машинах на парковке, поэтому ответ выглядит как 4 × 4 × 4 ×… × 4 три миллиарда раз. Проще говоря, 43 000 000 000. Это число намного больше, чем 70-значное число, которое мы получили в задаче о парковке. Оно даже больше, чем Б-пространство книг обычного размера. Собственно говоря, запись этого числа состоит примерно из 1 800 000 000 цифр. Если бы вы записали это число, отводя по 3 000 цифр на страницу, вам бы потребовалась книга из 600 000 страниц, чтобы уместить его целиком.

Представление о ДНК-пространстве оказывается очень полезным для специалистов по генетике, изучающих вероятные изменения в цепочках ДНК, например, «точечные мутации», при которых изменяется одна буква кода — скажем, в результате ошибки копирования. Или воздействия высокоэнергетических космических лучей. Вирусы, к примеру, мутируют настолько часто, что говорить о конкретных вирусных видах просто бессмысленно. Вместо них биологи используют квази-виды, графически представленные в виде скоплений близких последовательностей в ДНК-пространстве. С течением времени эти скопления перемещаются с места на место, но не теряют целостности — тем самым вирус сохраняет свою индивидуальность.

За всю человеческую историю общее количество людей не превысило десяти миллиардов. Это всего лишь 11-значное число, составляющее крошечную долю всех упомянутых возможностей. Таким образом, люди по сути исследовали лишь незначительную часть ДНК-пространства, точно так же, как все написанные книги занимают незначительную часть пространства библиотек. Конечно же, интересные вопросы вовсе не так просты. Большая часть буквенных последовательностей не составляет осмысленной книги, а большая часть последовательностей ДНК не соответствует никакому жизнеспособному организму, не говоря уже о человеке.

Итак, мы подошли к слабому месту фазовых пространств. В физике вполне разумно предположить, что интересующее нас фазовое пространство может быть «предопределено» — то есть описано еще до того, как мы начнем задавать вопросы о самой системе. В этом вымышленном фазовом пространстве мы можем представить любое расположение тел Солнечной системы. Мы не обладаем технологией, которая позволила бы нам это сделать, но вполне может представить себе конечный результат и не видим никаких физических причин, по которым конкретную конфигурацию следовало бы исключить из рассмотрения.

Однако в случае ДНК-пространства интересные вопросы касаются не всего гигантского множества возможных цепочек. Подавляющая их часть не соответствует никакому, даже мертвому организму. На самом деле нам нужно «пространство жизнеспособных ДНК», то есть пространство тех цепочек, которые могут существовать внутри живого организма. Это невероятно сложная, хотя и весьма тонкая прослойка ДНК-пространства, но мы не знаем, что она собой представляет. Мы не имеем ни малейшего представления, как по гипотетической цепочке ДНК можно определить, соответствует ли ей какой-нибудь жизнеспособный организм.

В Б-пространстве наблюдается та же самая проблема, хотя одно отличие все же есть. Грамотный человек, взглянув на последовательность букв и пробелов, может определить, составляют ли они историю; он знает, как нужно «прочитать» код, чтобы понять его значение — при условии, что владеет языком, на котором написан текст. Мы можем даже попытаться решить, хорошая это книга или нет. Тем не менее, мы не знаем, как передать эту способность компьютеру. Правила, которыми руководствуется наш разум, пытаясь понять, читаем ли мы историю или просто набор символов, неявным образом закодированы в нейронных сетях нашего мозга. И пока что никто не смог выразить эти правила в явном виде. Поэтому мы не знаем, как описать в Б-пространстве подмножество «осмысленных книг».

В случае ДНК проблема осложняется тем, что нет никакого фиксированного правила «перевода», превращающего код ДНК в живой организм. Раньше биологи считали, что однажды нам удастся найти такое правило, и возлагали большие надежды на соответствующий «язык». В таком случае ДНК настоящего (потенциального) организма представляла бы собой последовательность кодов, рассказывающих связную историю о развитии организма, а все остальные цепочки ДНК были бы бессмысленными. Проще говоря, биологи ожидали, что когда-нибудь они смогут, взглянув на ДНК тигра, увидеть фрагмент, отвечающий за полоски, фрагмент, отвечающий за когти и так далее.

Эта точка зрения была довольно оптимистичной. На данный момент возможности биологии позволяют нам увидеть фрагмент ДНК, обозначающий белок, из которого состоят когти, или фрагменты, которые соответствуют оранжевому, черному и белому пигментам, придающим меху полосатую раскраску, но это практически предел нашего понимания истории ДНК. Теперь становится понятно, что многие факторы, оказывающие влияние на развитие организма, не имеют отношения к генетике, поэтому, вполне вероятно, язык, который сопоставляет коды ДНК живым организмам, не существует даже в теории. Например, ДНК тигра становится тигренком только при наличии яйцеклетки, принадлежащей матери-тигрице. Та же самая ДНК в присутствии яйцеклетки мангуста тигром не станет.

Возможно, это всего лишь техническая проблема, и для каждого кода ДНК существует уникальная разновидность материнского организма, который превращает этот код в живое существо, так что вид этого существа все равно неявным образом присутствует в коде. Однако один и тот же код ДНК — теоретически, по крайней мере, — может породить на свет двух совершенно разных существ. В книге «The Collapse of Chaos» [25] «The Collapse of Chaos: Discovering Simplicity in a Complex World» («Падение хаоса: поиски простоты в сложном мире») — прим. пер. мы приводим такой пример, где развивающийся организм вначале «определяет» вид своей матери, и далее в зависимости от этого выбирает тот или иной путь развития.

Стюарт Кауффман, гуру в области сложных систем, поднял эту проблему на более высокий уровень. Он отмечает, что если в физике мы еще можем рассчитывать на предопределение фазового пространства системы, то в биологии это невозможно. По сравнению с физическими системами, биологические отличаются большей креативностью: организация материи в живых существах находится на совершенно ином качественном уровне, нежели организация, которую мы можем обнаружить в неорганической природе. В частности, организмы способны эволюционировать, в результате чего они нередко приобретают большую сложность. К примеру, рыбообразные предки человека были устроены проще, чем современные люди. (Хотя мы и не указали точную меру сложности, это утверждение остается справедливым с точки зрения большинства рациональных подходов к измерению сложности, поэтому беспокоиться об определениях в данном случае не стоит). Эволюция не всегда приводит к увеличению сложности, но когда это происходит, ее поведение озадачивает нас сильнее всего.