Why sex?

Оригинал взят у в Why sex?

"Зачем нужно половое размножение, если бесполое - проще и эффективнее" - одна из любимых головоломок эволюционистов-теоретиков. Популярно излагать суть проблемы я сейчас не буду, ограничусь парой ссылок:  
1) Заметка на "Элементах" Опыты на червях показали, что самцы  - вещь полезная (там есть еще несколько заметок по теме).
2) Для продвинутых пользователей - один из недавних обзоров, в свободном доступе (англ): de Visser, Elena, 2007. The evolution of sex: empirical insights into the roles of epistasis and drift (скачать pdf)

Полагая, что всё это всем как бы ясно, хочу обратить внимание на два обстоятельства - в общем-то очевидных, но любопытных и часто упускаемых из виду. Я сейчас с моделькой играю, много всего занятного нарыл, но то вещи в основном сложные, как-нибудь потом расскажу. А пока - два довольно простых пункта. 

1. Максимально допустимый размер генома. Чем больше геном (точнее, полезная, необходимая для выживания часть генома, та, что "под отбором" - у млекопитающих это примерно 5% всего генома), тем, при прочих равных, хреновее ваш адаптивный потенциал. С большим геномом отбору труднее и избавляться от вредных мутаций, и накапливать полезные. Для любого набора параметров (таких как темп мутагенеза (на нуклеотид или на ген), соотношение вредных и полезных мутаций, размер популяции, эффективность отбора) существует максимально допустимый размер генома Gmax, при котором не происходит вырождения (необратимого накопления вредных мутаций). При заданных параметрах если у вас геном меньше, чем Gmax, то отбор справится с отбраковкой вредных мутаций, и популяция не будет вырождаться. Если больше - извините, вам крышка. Средняя приспособленность будет неуклонно снижаться из поколения в поколение. И на фиксацию полезных мутаций размер генома влияет аналогичным образом. Чем больше геном, тем больше проблем с этой фиксацией. В итоге, какие параметры в модели ни задай, всегда наблюдаем одно и то же: чем больше геном, тем хуже эволюционные перспективы. Важное ограничение на пути прогрессивной эволюции, однако! Трудно эволюционировать по пути усложнения, если увеличение генома обходится так дорого. (Помните, как все удивились, когда выяснилось, что у человека в геноме всего 20 с небольшим тысяч генов, прямо как у какой-нибудь дрозофилы, а не 100 тысяч, как ожидалось? Может быть, самые сложные животные уже уперлись в потолок Gmax и дальше увеличивать полезную часть генома не могут?) Что касается полового размножения, то оно просто-напросто увеличивает эту самую величину Gmax. Причем увеличивает сильно. При некоторых реалистичных комбинациях параметров - в несколько раз. Резкое разрастание генома имело место при переходе от прокариот к эукариотам (т.к. в ходе симбиогенеза произошло объединение геномов симбионтов). Половое размножение возникло у эукариот очень давно, хотя точно никто не знает, когда. Отсюда мысль: не было ли появление полового размножения необходимой предпосылкой или составной частью эукариогенеза? (а обычно считают, что первые эукариоты были еще бесполыми, и приобрели половое размножение позже).

2. Секс позволяет извлечь пользу из численности. Еще один занятный эффект - различное влияние численности популяции на ее генетическое благополучие при бесполом и при половом размножении. При бесполом размножении рост численности популяции лишь очень слабо, совсем чуть-чуть помогает ей. Зато в половой панмиктической популяции ее генетическое благополучие (т.е. средняя приспособленность через фиксированное число поколений при заданных параметрах) уверенно растет пропорционально логарифму численности. Пример на рисунке. Во всех случаях модельные популяции стартовали из одинаковой позиции (у всех была средняя приспособленность = 100; все параметры одинаковы, кроме наличия или отсутствия обмена генами).

Почему так получается? А потому, что бесполая популяция - это свора конкурирующих клонов, пытающихся вытеснить друг друга. Половая, напротив, это единый генофонд, над которым отбор "трудится", как над единым целым. Представьте себе, например, такую простейшую ситуацию. Вот у нас популяция размером 2000 особей, в которой появилось две полезные мутации А и Б (в разных генах). Эти мутации, разумеется, появились у разных особей, а не у одной и той же. Если популяция бесполая, потомки мутантов размножатся, вытеснят всех не-мутантов, а затем начнут вытеснять друг друга. Если мутация А чуть более полезна, чем мутация Б, то потомки мутанта А в итоге вытеснят к черту потомков мутанта Б. Полезная мутация Б исчезнет из популяции, а средняя приспособленность повысится по сравнению с исходной на величину, равную "пользе" А. Это свинство называется клональная интерференция. Ну а в половой популяции, как только численность потомков обоих мутантов достигнет заметных величин, за счет рекомбинации начнут систематически продуцироваться генотипы, содержащие обе мутации вместе: А Б. (Польза, допустим, суммируется). Именно этот генотип А Б в итоге и зафиксируется. Средняя приспособленность половой популяции, таким образом, вырастет сильнее: она вырастет на пользу А плюс пользу Б. И ценная мутация Б не будет потеряна.
Ну а теперь посмотрим, что будет, если мы увеличим размер исходной популяции с 2000 до 3000 и теперь в ней появятся не 2, а 3 разных полезных мутации! Бесполой популяции это мало что даст: все равно начнется клональная интерференция, и самая полезная из трех мутаций вытеснит две остальные (сначала будут вытеснены все не-мутанты, а потом и носители двух других полезных мутаций). Половая же популяция, не сомневайтесь, скомбинирует все три мутации вместе, и в ней зафиксируется генотип А Б В. Итак, половая популяция поимела от увеличения численности весьма ощутимый выигрыш. А бесполая - почти ничего не поимела, разве что у нее стал выбор больше (можно стало выбирать лучшую из трех полезных мутаций, а не из двух).

Отсутствие матки спровоцировало "восстание пчел"

Ученые установили, что при отсутствии пчелиной матки рабочие пчелы "восстают" против их репродуктивного доминирования. У насекомых развиваются яичники и они становятся способны откладывать яйца самостоятельно. Работа опубликована в журнале Current Biology.

Исследователи изучали развитие личинок в нескольких колониях пчел (пчелиных семьях) после их естественного и экспериментального разделения. При этом ученые обращали внимание на развитие у личинок яичников и специальных желез, предназначенных для производства корма (маточного молочка) для других личинок и матки.

В норме в пчелиной семье яйца откладывает только матка, а ее стерильные дети - рабочие пчелы выполняют все остальные функции, в том числе вырабатывают корм.

Оказалось, что когда во время разделения (как естественного так и экспериментального) в улье отсутствует матка, то у личинок рабочих пчел, растущих в таких условиях, хорошо развиваются яичники, а железы, предназначенные для вырабатывания корма, наоборот, оказываются недоразвитыми. Ситуация возвращается к первоначальному состоянию только когда новая матка созревает и начинает откладывать собственные яйца.

Авторы объясняют это тем, что при делении семьи происходит неизбежное генетическое отдаление рабочих пчел и матки. До разделения семьи рабочие пчелы воспитывают своих братьев и сестер. После того, как матка покидает улей, следующая матка (сестра рабочих пчел) дает потомство, которое в два раза генетически дальше от популяции рабочих. Не желая воспитывать своих племянников, некоторые рабочие пчелы "восстают" и начинают откладывать свои собственные яйца.

Ученые отмечают, что несмотря на известный у социальных насекомых - пчел, муравьев, ос, репродуктивный альтруизм его источником является забота о собственных генах. Когда сообщество становится генетически разнородным, выгоднее оказывается размножаться самостоятельно.

Как моют котов

Оригинал взят у в Как моют котов

http://www.livejournal.ru/themes/id/13125

Видели когда-нибудь мокрого кота? Душераздирающее зрелище!
yaghr
радует своих читателей целой серией фотографий кошачьих водных процедур. Надо, Вася, надо!

Супермозг человечества

Где хранится информация, которая составляет душу цивилизации

2012-03-28 / Виктор Михайлович Луговской - доктор технических наук, профессор (Иерусалим).

В окружающем нас мире много незаметных загадок, феноменов, по которым мы скользим глазом, не замечая их необычных свойств. Свойств, которые поразительным образом не соответствуют нашим привычным представлениям. И особенно ярко это проявляется, когда нам приходится рассматривать поведение целых живых популяций. Так, после войн в странах с большими потерями мужского населения наблюдается внезапный рост уровня рождаемости мальчиков. И объяснения этому явлению нет, есть только название: феномен военных лет.

Психика толпы

В социальной психологии известны особенности поведения личности в толпе: люди, составляющие ее, как бы теряют свою индивидуальность, подпадая под влияние психики толпы. Первое исследование феномена толпы было выполнено еще в конце ХIХ века (Г.Ле Бон), но объяснения механизма этого явления до сих пор нет.

Толпа ведет себя как единое целое: отдельным людям в ней такое поведение часто бывает совсем несвойственно, но они идут за толпой, ведомые какой-то непонятной силой. Беспорядки, происходящие во время демонстраций, часто не планируются заранее, а возникают сами собой, как проявление темного, агрессивного духа «сверхсущества» – толпы. Но во время стихийных бедствий, войн и в других экстремальных ситуациях это «сверхсущество» может проявить себя и как герой, несущий спасение и победу.

Обратившись к истории, мы видим, что человеческие цивилизации возникают, развиваются и умирают. Вся история является последовательностью их возникновения и гибели, и доказывается, что у каждой цивилизации существует набор уникальных черт, который представляет собой как бы усредненную психику этноса, «душу культуры» (О.Шпенглер). Понятно, что никакая личность, входящая в этнос, не может быть носителем всей этой «души»: ее психическая активность – это лишь малая часть «души культуры».

Но сегодня неизвестно, где хранится информация, которая составляет «душу цивилизации» и воспроизводит ее в каждом поколении. Если передавать эту информацию только обучением и воспитанием, то неизбежны потери и постепенное обеднение. А его нет...

Удивительны и также не находят объяснения результаты исследований психиатров и психологов.

Психоаналитики утверждают, что психика человека состоит из сознательной и бессознательной частей; их непрерывное взаимодействие и конфликты, обычно не ощущаемые личностью, и составляют содержание ее психической жизни. Но антагонистическое взаимодействие сознания и подсознания явно снижает потенциал выживания особи, и поэтому такая структура психики не могла бы сохраниться в эволюционной борьбе. Но она все же существует.

Кроме того, психоанализ утверждает, что часть подсознания, в котором хранятся архетипы (К.Юнг), или «душа культуры», передается из поколения в поколение. Отдельный человек не имеет полного набора архетипов данного этноса. Но этот набор сохраняется из поколения в поколение! А ведь он не может храниться целиком в генетической памяти – слишком коротка по временной шкале эволюции жизнь этноса. И нет ответа на вопрос, где хранится этот полный набор, который определяет его лицо в веках.

Гены альтруизма

Популяции животных также задают не менее сложные загадки.

Каждый отдельный термит – это маленькое суетливое существо, которое вне своей семьи быстро погибает. Но семьи из десятков и сотен тысяч термитов возводят величественные здания термитников, по сложности архитектуры соперничающие с величайшими творениями человечества.

Инстинкт самосохранения – самый сильный инстинкт живого существа. Но когда при внезапной вспышке размножения количество полярных мышей, леммингов, стремительно возрастает и они начинают уничтожать растительный покров тундры, происходит нечто невероятное. Лемминги собираются в огромные стаи и, выключив инстинкт самосохранения, кидаются в реки или океан. После гибели избыточной части зверьков остальные возвращаются в привычные места обитания.

Сторожа – птицы или животные, – которые подают сигналы опасности своим стаям, добровольно подвергают себя немалому дополнительному риску. По классической теории естественного отбора они имеют меньшую вероятность дать потомство. Поэтому их гены, «гены альтруизма», должны постепенно уходить из популяции. Но этого нет – альтруисты животного мира существуют, и число их не уменьшается. Предложены разные гипотезы (В.К.Винн-Эдвардс, В.Д.Гамильтон), объясняющие загадку животного альтруизма, но анализ показывает их недостаточность – в неявном виде в них заложено получение «альтруистом» некоторой добавочной информации, источник которой неизвестен.

Где в крошечной нервной системе термита хранится огромный объем информации, необходимый для строительства термитника? Как отдельный лемминг может знать о том, что в тундре произошло «аварийное перепроизводство» зверьков? Что определяет альтруистическое поведение животных и сохранение «генов альтруизма»?

Все эти вопросы уже давно волнуют ученых, но общепринятых объяснений нет. Существуют, правда, околонаучные предположения об интеллектуальной ауре, психополях и космическом разуме... Ниже будет изложена новая гипотеза об особенностях интеллекта популяций, которая основана на последних достижениях информатики и теории управления и без помощи космического разума объясняет особенности поведения популяций. Удобным объектом для описания гипотезы будет муравьиная семья.

Цивилизация муравьев

Вот что говорил о коллективных насекомых известный французский энтомолог Р.Шовен: «По-видимому, первой ставкой жизни на земле был не человек, а насекомые... И они (виды насекомых. – В.Л.) подчинены общему закону развития в сторону повышения уровня психики. Но на этом пути встретилась одна серьезная помеха – размеры насекомых: они так малы, что у них неизбежно должны существовать ограничения в числе нервных элементов. Как обойти это препятствие? И общества насекомых разрешили эту задачу – переплели в одно целое все крошечные индивидуальные мозги способами, в тайну которых мы теперь начинаем проникать. Так создалась основа для головокружительного взлета: возникли земледелие, скотоводство, сбор и запасание продовольствия, возникли войны и рабство».

Цивилизация муравьев соизмерима по сложности с цивилизацией первобытной человеческой орды. Но объем нервной системы муравья в десятки тысяч раз меньше, чем у человека. Где же расположен тот мощный интеллектуальный центр, который управляет муравьиной семьей? В нервной системе муравья его никак не разместить.

Но представим себе, что гипотетический мозг муравейника разбит на большое количество малых сегментов, каждый из которых размещен в нервной системе одного муравья. Десятки и сотни тысяч таких сегментов будут составлять единый распределенный мозг, который уже способен управлять муравейником. Специальные программы будут следить за работой мозга и обеспечивать его сохранность при гибели отдельных муравьев.

Правда, сегодня мирмекологи (ученые, изучающие муравьев) еще не нашли достаточно мощных каналов передачи информации, которые необходимы для работы такого мозга. Но предположение о наличии таких каналов – не очень сильное допущение. Нам, например, неизвестно, как передаются приказы от гипнотизера к пациенту, но это никак не отвергает реальность самого гипноза.

Кроме того, в нервной системе муравья должен находиться небольшой собственный сегмент, который по командам распределенного мозга управляет его простейшими трудовыми операциями. Такой «мозговой центр», распределенный по десяткам и сотням тысяч муравьев, будем называть «супермозгом».

Некоторые нетрадиционно мыслящие энтомологи подходили к идее супермозга уже давно. Еще на заре века компьютеров тот же Шовен отмечал: «Известно, что элементы памяти больших электронных вычислительных машин состоят из ферритовых колец, соединенных между собой чрезвычайно сложным образом. Предположим, что инженер... имеет лишь одно ферритовое кольцо – он ничего не сможет сделать. Будь у него... несколько тысяч, то он сможет, соединив кольца надлежащим образом, создать из них орган машинной памяти. Предположите теперь, что у маленьких ферритовых колец выросли ножки, что они умеют передвигаться и лишь в особых случаях соединяются и образуют единое целое: вы получите машину, во многом сходную с пчелиной семьей. Понятно, что простая аналогия, подобная приведенной выше, не может служить веской аргументацией, но есть в ней некая внутренняя очевидность, которая делает ее в наших глазах довольно правдоподобной».

Конечно, аналогия не может быть доказательством, но если сделать еще один шаг и позволить работать той «внутренней очевидности», о которой говорит Шовен, то мы перейдем к описанной выше схеме супермозга. Надо сказать, что сегодня системы, сходные по структуре с супермозгом, – не новинка. Так, тысячи персональных компьютеров, подключенных к Интернету, часто используются для решения научных задач, требующих больших вычислительных ресурсов.

Концепция супермозга сразу снимает трудности объяснения «разумной деятельности» коллективных насекомых. Так же просто эта концепция объясняет и самоубийства грызунов, и непонятное в рамках теории естественного отбора альтруистическое поведение животных, и многое другое. Объясняет так хорошо, что появляется искушение приложить ее и к загадкам человеческих популяций.

Цивилизация муравьев соизмерима по сложности с цивилизацией первобытной человеческой орды. Фото USDA

Сигналы древних инстинктов

Давайте предположим по аналогии с муравьем, что в нервной системе каждого человека есть и сегмент супермозга, который находится в «кооперативной собственности» этноса, и «собственный сегмент». Сегмент супермозга сознанием человека не воспринимается. Его задача – в составе супермозга оптимизировать поведение популяции в целом. «Собственный сегмент» – это область сознания, определяющая личность и повседневное поведение человека.

В отличие от крошечного «собственного сегмента» муравья мощный собственный сегмент Homo sapiens может без участия супермозга управлять сложной деятельностью человека. Корректирующие сигналы супермозга редки и поведение человека несет все черты самостоятельности, но тем не менее он остается членом некоего единства, составной частью коллективного субъекта. И жизнь этого субъекта направляется супермозгом. Например, он просто определяет недопустимое снижение численности мужчин и перестраивает гормональные системы так, чтобы увеличить количество рождений мальчиков (феномен военных лет).

Разумный собственный сегмент может без помощи супермозга разрабатывать сложные планы поведения личности. Так как цель планирования собственного сегмента – максимальный комфорт личности, а цель планирования супермозга – оптимальное поведение популяции, то неизбежен конфликт между супермозгом и разумным собственным сегментом.

Кроме того, древние инстинкты, хранимые в супермозге, могут требовать от сознания сигналов на выполнение поступков, невозможных для современного человека. Эти конфликты снижают потенциал выживания, и по мере роста интеллекта в психике Homo sapiens сформировался орган согласования, который упрощает совместную работу супермозга и собственного сегмента.

Такая эволюционно сформированная структура психики полностью совпадает с результатами психоаналитиков, которые утверждают, что психика человека состоит из компонента бессознательного – ОНО, области сознания – Я и Супер-Я – области согласования противоречий Я и ОНО.

Проясняется и механизм «организованной толпы».

Вторая оболочка

Обязательным фактором образования толпы является ее «вожак». С точки зрения гипотезы супермозга «вожак» – это личность, которая в отличие от других людей может устанавливать двусторонний контакт со своим сегментом супермозга и транслировать свои приказы в сегменты супермозга других членов толпы. И, возможно, что в обычных условиях эта особенность потенциального лидера держит его психику в состоянии, которое диагностируется как пограничное или даже патологическое.

Подводя итог своим наблюдениям, Ле Бон так описывает «вожака»: «Чаще всего вожаками бывают психически неуравновешенные люди, полупомешанные, находящиеся на грани безумия». На начальном этапе образования толпы приказы лидера принимаются лишь теми находящимися рядом особями, чья психологическая настройка особенно близка настройке психики лидера.

По мере присоединения новых членов к толпе суммарная сила и директивность приказов лидера, ретранслируемых членами толпы, возрастает. Прием этого усиленного сигнала становится доступным для всех членов толпы, а не только психофизически близких к лидеру, и толпа стремительно растет. При устранении лидера агрессивность и активность толпы резко падают и толпа начинает распадаться.

В рамках предлагаемой гипотезы также естественно объясняются загадки сохранения основных характеристик этноса.

Стабильные во времени особенности расы хранятся в генетической памяти, а особенности «души культуры» и другие общие характеристики этноса, темпы изменения которых – столетия, сохраняются в коллективной психике этноса – супермозге.

Также хорошо объясняются причины катастрофически сильного воздействия человечества на окружающую среду – воздействия, несоизмеримого с суммарной массой человечества. По оценкам экспертов, масса человечества составляет менее 0,012–0,015% массы биосферы Земли, но шрамы, оставляемые человечеством на природной среде, глубоки и непоправимы. Почему это происходит?

После достижения каждым собственным сегментом уровня разумности человеческие популяции стали строить вокруг себя искусственную природу, технологическую оболочку, которая позволяет получать от окружающей среды средства существования для растущего населения.

В популяциях животных супермозг получает от членов коллективного субъекта информацию о состоянии окружающей среды и в соответствии с ней регулирует численность популяции. В человеческой популяции супермозг не в состоянии делать это, так как он получает информацию не о состоянии окружающей среды, а о состоянии техносферы – искусственной оболочки, которая является для человечества окружающей средой. А эта оболочка может долгое время обеспечивать за счет чрезмерных нагрузок на природу средства существования для растущего человечества. Долго, но небезгранично.

В отсутствие регулирующего воздействия супермозга уже сейчас человечество превышает количество сравнимых с нами по размерам и способу питания живых существ на пять порядков – в сто тысяч раз! Но с ростом нагрузки на окружающую среду повышается и сложность техносферы, и ее «хрупкость», то есть возможность внезапного разрушения от случайных сбоев и поломок. Эта «хрупкость» хорошо видна на примере мегаполисов – города численностью населения во много миллионов могут существовать только в очень сложном и бесперебойно работающем технологическом окружении.

Так, интеллект человека, наша гордость и слава, отключив регулирующее воздействие супермозга, постепенно ставит человечество на грань катастрофы.

Техногенный супермозг

Однако сегодня человечество параллельно супермозгу, соединяющему в единое целое подсознания всех людей, строит техническую систему, которая должна сходным образом соединить их сознания или «собственные сегменты». Зародышами такого техногенного супермозга являются Интернет, поисковые и социальные сети, а также всемирные базы знаний, которые начинают появляться в структуре Всемирной паутины.

Этот новый супермозг, безусловно, переведет на новый уровень совместное интеллектуальное творчество человечества и, будем надеяться, даст новое понимание как роли человечества на планете, так и необходимости коррекции его, часто разрушительной, деятельности. Сегодня это, видимо, основная надежда человечества.

Существует и более оптимистичный взгляд на эту проблему. По мнению доктора биологических наук Даниэля Вигдоровича, интеллект человека является естественным продуктом эволюции, созданным супермозгом в борьбе за скорость адаптации. «Биологический орган надличностного интеллекта», как Вигдорович называет супермозг, создал в виде интеллекта человека небывалой мощности механизм, развитие которого приведет вовсе не к катастрофе, а к установлению новых принципов работы супермозга. А вместе с тем и к выходу из создавшегося кризиса эволюции.

Подробнее: http://www.ng.ru/science/2012-03-28/14_supermozg.html

Неполноценность генома бактерий объяснили помощью соседей

Биологи из Мичиганского Университета и Университета Теннесси объяснили потерю жизненно важных генов цианобактериями рода Prochlorococcus помощью со стороны соседей и предположили, что подобный механизм редукции генома может лежать в основе образования взаимозависимых бактериальных сообществ. Работа опубликована в журнале BMC Evolution.
Исследователи сравнили геномы Prochlorococcus с родственными микроорганизмами и определили, что все представители рода потеряли в ходе эволюции гены, помогающие разлагать перекись водорода. Поскольку известно, что эти гены свободно обмениваются между разными бактериями, и Prochlorococcus не потеряли возможности их приобрести, авторы решили, что их отсутствие выгодно для бактерий.

С другой стороны, в своей предыдущей работе исследователи установили, что в стерилизованной океанической воде под воздействием солнца происходит образование перекиси в концентрациях, которые являются смертельными для цианобактерий. Prochlorococcus выживают потому, что перекись удаляется из среды другими бактериями сообщества, которые таким образом выполняют “чужую работу” и несут связанные с этим издержки. Поскольку перекись свободно циркулирует между всеми клетками и водной средой, то ее концентрация фактически является общей для всех. Те организмы, которые избавляются от защитных генов, приобретают эволюционное преимущество за счет экономии ресурсов.

Подобное эгоистичное поведение известно для сообществ бактерий, состоящих из одного вида. Оно носит название “проблемы безбилетников”. Многие бактерии выработали механизмы борьбы с таким оппортунистическим поведением, так как большое их число может наносить вред сообществу в целом. В данном случае впервые было показано образование “безбилетников” за счет другого вида. Авторы исследования особо отмечают, что бактерии, экономящие ресурсы за счет соседей, не обязательно им вредят, как это всегда бывает во внутривидовом случае. Дело в том, что разные виды в сообществе конкурируют за разные ресурсы, и здесь скорее наблюдается процесс образования взаимовыгодного сотрудничества, ведь цианобактерии являются основным продуцентом биомассы, которая, в свою очередь, тоже становится ресурсом.

Планктонные цианобактерии Prochlorococcus живут в океане и являются одними из самых распространенных микроорганизмов на Земле. В некоторых частях океана они составляют до половины массы всех цианобактерий.

http://lenta.ru/news/2012/03/27/cheaters/

Сообразим на троих

Версия для печати | PDA/КПК

Слизевик Metatrichia vesparia. Фото с сайта uwlax.edu

Ученые обнаружили на Земле коллективный разум

Несколько дней назад новостные издания сообщили, что японцы создали робота, который двигается точь-в-точь как слизевик. Многие кликали на странное сообщение хотя бы для того, чтобы узнать, что же это за зверь такой - слизевик. Ученых эти непонятные существа - не то грибы, не то амебы, у которых нет мозга и органов чувств - интересуют по многим причинам: например, они умеют находить выход из лабиринтов, решать головоломки, обучаться и даже обманывать друг друга. Уникальные свойства слизевиков даже подвигли некоторых исследователей заняться созданием робота на их основе.

Колонии

Слизевики, или, как их еще называют, миксомицеты, были впервые детально описаны американским биологом Джоном Тайлером Боннером (John Tyler Bonner). Ученый подробно исследовал слизевика Dictyostelium discoides и даже использовал его как простую модель человеческого эмбриона. На первый взгляд, идея проводить параллели между микроскопическим комочком неясного вещества и Homo sapiens кажется странной, однако при более внимательном рассмотрении выясняется, что миксомицеты - это, действительно, весьма сложно организованные системы.

Большую часть своей жизни слизевики существуют не как отдельные организмы, а в виде колонии клеток, объединившихся вместе и действующих сообща - например, слизевики умеют ползать, стремясь добраться до подходящей пищи или избежать воздействия раздражителя. Двигаются миксомицеты не очень быстро - в среднем за минуту они преодолевают от 0,1 до 0,4 миллиметра, но если вспомнить, что размер каждой отдельной клетки не превышает нескольких десятков микрометров (микрометр - это одна миллионная часть метра, или одна тысячная миллиметра), то впечатление о медлительности слизевиков оказывается обманчивым.

Прекрасные фотографии необычных слизевиков можно посмотреть, например, здесь и здесь.

"Коллективный разум" миксомицетов не только решает, куда ползти. Когда вокруг слизевика заканчивается еда, он "принимает решение" размножаться. Чтобы выполнить эту важную функцию, слизевик заползает на пенек или другое место повыше и там с ним происходят удивительные метаморфозы. Амебовидное тело вдруг превращается в самый настоящий гриб со шляпкой и длинной ножкой. Благодаря внешнему сходству готовящихся размножаться слизевиков с грибами их долгое время причисляли именно к этому царству - и в старых учебниках еще можно увидеть статьи о миксомицетах в соответствующих разделах.

Ни то, ни се

Однако слизевики только притворяются грибами - по целому ряду признаков они никак не вписываются в эту группу. Начать с того, что "нормальные" грибы не двигаются: они захватывают пространство, дорастая до него (эту тактику слизевики тоже используют). Любовь к путешествиям - не единственная "неправильная" особенность миксомицетов: с точки зрения грибов, они совершенно непотребным образом питаются. Вместо того чтобы при помощи специальных ферментов расщеплять пищу до простых составляющих и спокойно всасывать их, слизевики заглатывают и переваривают еду, как какие-нибудь амебы. Наконец, в клеточных стенках грибов обязательно есть хитин – специфический углевод, который укрепляет тела грибов и членистоногих. В клетках слизевиков хитина нет.

Учитывая все эти странности, ученые после долгих споров причисли слизевиков к царству Protista (простейших). Другими словами, их признали родственниками известных всем со школы амеб, инфузорий-туфелек и эвглен зеленых. Но в отличие от туфелек и прочих малярийных плазмодиев, ведущих одиночный образ жизни, клетки слизевиков, как уже упоминалось выше, предпочитают объединяться в сложные сообщества, причем нередко одинаковые с виду клетки начинают выполнять совершенно разные функции. Например, шляпка псевдогриба, в который аморфный миксомицет превращается перед размножением, содержит огромное количество спор, начало которым положили клетки, волею случая оказавшиеся в верхней части слизевика. Их более невезучим собратьям достается роль ножки, которая выносит споры максимально высоко над землей. После того, как зачатки будущих слизевиков распространятся вокруг "гриба", ножка погибает.

Недавно ученые выяснили, что такой порядок дел не устраивает некоторые клетки слизевика. Оказалось, что они намеренно стремятся пролезть в ту часть тела миксомицета, которая впоследствии сформирует шляпку. Специалисты пришли к выводу, что способность жульничать заложена в клетках генетически - так как у обманщиков больше шансов выжить, она передается потомкам, и в популяциях сохраняется определенное количество "нечестных" клеток. Как и в человеческом обществе, такая стратегия работает только тогда, когда вокруг есть "честные" особи: если собрать слизевиков, несущих "гены обмана" вместе, то в неблагоприятных условиях часть из них вынуждена будет принести себя в жертву.

Сложный способ взаимодействия клеток и умение образовывать псевдомногоклеточные структуры ("тела" некоторых видов слизевиков вообще представляют собой одну гигантскую - до нескольких десятков сантиметров - клетку со множеством ядер) сформировались за очень долгую эволюционную историю слизевиков. Псевдомногоклеточность дала слизевикам существенные преимущества - относительно крупные по сравнению с отдельными клетками тела перемещались гораздо быстрее и разбрасывали споры куда дальше, чем любой одноклеточный организм.

Генетический анализ показал, что эти существа появились на планете как минимум 600 миллионов лет назад, а общий предок всех миксомицетов и вовсе мог бы отметить свой миллиардный день рождения. То есть слизевики вместе с другими простейшими и бактериями были первыми существами, осваивавшими сушу и создававшими почву, на которой потом смогли прижиться растения.

Море талантов

Здесь можно послушать "написанную" слизевиками музыку: ученые в течение нескольких дней записывали электрическую активность миксомицетов, а затем перекодировали ее в ноты и "впихнули" в 1,5 минуты.

Необычные существа заинтересовали ученых, и они научились выращивать их искусственно - оказалось, что миксомицеты с готовностью селятся на том же агаре, на котором во всех лабораториях мира разводят бактерий, и с большим удовольствием едят овсяные хлопья. Наблюдая за миксомицетами, исследователи обнаружили у них массу удивительных талантов. Например, слизевики умеют находить кратчайшее расстояние между двумя точками: если поместить слизевика на карту, скажем, Португалии, и разместить кусочки его любимой пищи в крупнейших городах, то очень быстро миксомицет при помощи своих отростков доберется до еды, причем выберет кратчайший из возможных маршрутов. В 2010 году ученые из Новой Англии провели ровно такой опыт, и оказалось, что маршруты, проложенные слизевиком, практически полностью повторяют существующую дорожную сеть.

Японские исследователи использовали необычные способности слизевиков для того, чтобы составить оптимальную схему транспортного сообщения в Токио. Они провели такой же опыт, как описано выше, только еду разместили в главных железнодорожных узлах столицы. Будут ли токийские власти использовать найденное слизевиком решение - неизвестно: пока труд миксомицетов и работающих с ними ученых оценил только комитет Шнобелевской премии. Слизевики приносят исследователям альтернативную Нобелевку уже второй раз - первый приз тот же коллектив специалистов получил в 2008 году за доказательство того, что их подопечные умеют решать головоломки.

Стремясь добраться до пищи, миксомицеты умеют не только прокладывать новые дороги, но и находить выходы из лабиринтов. Здесь можно увидеть, как слизевик пророс сквозь все коридоры до заветной горстки хлопьев в центре лабиринта.

Еще более замечательным оказалось то, что слизевики, у которых нет ни мозга, ни нервной системы, способны обучаться. Ученые заметили, что в более сухой атмосфере миксомицеты ползают медленнее, чем когда воздух влажный. Они стали подвергать "подопытных" периодическому воздействию сухого воздуха и выяснили, что через некоторое время слизевики начинают замедляться еще до того, как влажность воздуха упадет. Если ученые прекращали мучить миксомицета, он забывал, что нужно снижать скорость, но при повторном воздействии вновь научался реагировать на него.

Слизевик Lycogala conicum. Фото с сайта uark.edu

Наконец, ученые показали, что в сложных ситуациях выбора слизевики ведут себя точно как люди - то есть ориентируются не на абсолютную, а на сравнительную ценность объектов. Исследователи предлагали миксомицетам выбор: кусочки несъедобного агара с хлопьями, лежащие на свету и в темноте. Слизевики не любят свет и поэтому при прочих равных предпочитали ползти к еде, лежащей в тени. Когда в освещенных кусочках агара было 5 процентов хлопьев, а в затененных - три, слизевики с примерно одинаковой частотой выбирали оба варианта. Но когда ученые уменьшили содержание агара в "темных" кусочках до одного процента, 80 процентов слизевиков стали стремиться именно к этой приманке: при таком раскладе разница между опасным и безопасным вариантом стала куда более очевидной.

В другой серии сходных опытов, дополненных неблагоприятными воздействиями, ученые показали, что в первой ситуации слизевики принимают решение быстрее: в некомфортных условиях разница в содержании хлопьев в освещенных и неосвещенных кусочках становилась непринципиальной, и микосмицеты быстрее определялись с выбором (то есть рисковали).

Выдающиеся способности слизевиков настолько впечатлили исследователей из университета Западной Англии, что они решили создать на их основе робота - авторы назвали его плазмоботом. По задумке ученых, машина будет способна определять тип встретившихся ей объектов, находить кратчайшую дорогу от одного объекта до другого, а также переносить небольшие предметы по заданному маршруту. Впрочем, пока сообщений о прогрессе в создании плазмобота нет.

Все описанные выше удивительные таланты ученые обнаружили, работая, в основном с двумя наиболее изученными видами слизевиков. В ходе глобального исследования Global Eumycetozoan Project биологи удвоили известное количество видов миксомицетов: они обнаружили, что слизевики обитают даже на листьях домашних растений. Так что существа, которых смело можно использовать для написания фантастических романов, на самом деле живут на Земле повсюду. Причем они могут называть себя исконными землянами с куда большим правом, чем люди.

Ирина Якутенко

LENTA.RU

Почему мы не следуем собственным нравственным правилам (inopressa.ru)

февраль 18, 2012, 12:33
Майкл Маршалл | New Scientist

Человек устроен так, что имеет "две параллельных нравственных системы, и они не всегда согласуются", - так интерпретирует The New Scientist исследование по этике, опубликованное в Evolution and Human Behavior.

Размышляя о природе нравственных запретов, многие психологи приходят к выводу, что они являются разновидностью так называемого родственного отбора у животных, суть которого в том, что самопожертвование одной особи повышает шансы на выживание генома данного вида в целом. Однако Роберт Курцбан из Пенсильванского Университета (Филадельфия) полагает, что существует комплекс нравственных правил, развившихся независимо от родственного отбора.

К такому выводу он пришел, слегка изменив условия известного мысленного эксперимента с трамваем, состоящего из двух частей: "Проблема вагонетки" и "Толстый человек". В первой части человеку предлагается решить, переводить ли стрелку, чтобы отвести вагонетку с пути, на котором лежат пять человек, на другую ветку, где к рельсам привязан один. Вторая часть в классическом варианте представляет собой дилемму: столкнуть ли на пути одного человека, который может остановить вагонетку, чтобы спасти пятерых? На первый вопрос большинство отвечает утвердительно, а на второй - отрицательно, и это, как пишет The New Scientist, показывает, что у большинства из нас есть "строгий [внутренний] запрет на неопосредованное убийство людей, пусть и во имя высшего блага".

Дополнение Курцбана - просьба к испытуемым оценить свои действия во второй части эксперимента с нравственной точки зрения. Несмотря на негативную оценку подобных действий, столкнуть незнакомца ради сохранения жизни пятерым другим незнакомцам согласились 28% респондентов, а когда речь шла о шести братьях испытуемого, готовность пожертвовать одним ради пятерых выразили 47%, говорится в статье.

Источник: New Scientist

Tags:архаика, наука, отношение с контекстом, психология, эволюция мозга