Иерархически организованное поведение устроено совсем иначе. Цепи Маркова (любого порядка) к нему неприменимы. Прогнозируемость такого поведения не убывает постепенно с течением времени, а интересным образом подскакивает и падает – как в случае с чистящимися падальными мухами, но еще интереснее. В некоем идеальном случае такое поведение состояло бы из отдельных блоков, в которые были бы вложены другие блоки, в которые, в свою очередь, были бы вложены третьи – и так далее. Именно это и понимается под многоуровневой вложенностью. Самый наглядный пример такой вложенности нам дает синтаксис – основа грамматики человеческого языка. Вспомним написанную мною программу, позволявшую случайным образом генерировать грамматически корректные предложения, и пример такого предложения, который я приводил:
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном существительного, которое глаголилось, наречно глаголилось.
Главное предложение здесь выделено курсивом. Его можно прочитать само по себе, без вложенных придаточных предложений и предложной группы, и убедиться, что оно грамматически корректно. Возможно добавлять в это предложение новые и новые вложенные блоки, причем существенно, что добавлять их можно как непосредственно внутри главного предложения, так и внутри других вложенных в него блоков. Прочитайте про себя выделенные курсивом фрагменты:
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном существительного, которое глаголилось, наречно глаголилось.
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном существительного, которое глаголилось, наречно глаголилось.
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном существительного, которое глаголилось, наречно глаголилось.
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном существительного, которое глаголилось, наречно глаголилось.
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном существительного, которое глаголилось, наречно глаголилось.
Во всех приведенных выше случаях выделенную курсивом часть мы можем прочитать отдельно от всего остального и убедиться, что она грамматически корректна. Все остальное можно удалить, и даже если при этом изменится смысл, на грамматической корректности это не скажется.
Если же добавлять новые блоки просто по порядку, слева направо, то получаемый текст не будет грамматически корректным предложением до тех пор, пока мы не дойдем до самого конца.
Прилагательное существительное [106]
Прилагательное существительное прилагательного существительного [107]
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось [108]
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном [109]
Прилагательное существительное прилагательного существительного, которое наречно наречно глаголилось в существительном существительного, которое глаголилось, наречно глаголилось [110]
Только в самом последнем случае предложение достигает завершения и становится грамматически корректным. Мне хотелось выяснить, устроено ли поведение животных по принципу цепи Маркова или же по принципу многоуровневой вложенности, например как синтаксис, или еще каким-либо способом, предполагающим многоуровневую иерархию. Как вы понимаете, некоторые намеки на идею, стоявшую за этой работой, были получены уже в ходе наших с Мэриан предшествующих исследований, посвященных пьющим цыплятам и особенно чистящимся мухам. Теперь же, в статье, которую я готовил для сборника материалов кембриджской конференции, мне хотелось рассмотреть вопрос иерархической организации обобщенно, в теоретическом плане, но при этом опираясь также на результаты реальных исследований поведения животных.
Определив разные типы иерархии в удобных терминах математической логики, я рассмотрел возможные эволюционные преимущества иерархической организации. Чтобы проиллюстрировать то, что я назвал “преимуществом скорости эволюции”, я воспользовался придуманной лауреатом Нобелевской премии по экономике Гербертом Саймоном притчей о двух часовщиках, которых звали Темпус и Хора [111]. Часы, которые они делали, работали одинаково точно, но Темпус тратил на изготовление часов намного больше времени. Изделия обоих часовщиков состояли из 1000 деталей. Хора, работавший производительнее, пользовался в своей работе иерархическим – модульным – принципом. Вначале он изготавливал из деталей модули, каждый из которых включал 100 деталей, а затем собирал из этих модулей часы. Темпус, в свою очередь, старался соединять друг с другом все 1000 деталей последовательно, в один присест. Если он случайно терял какую-то деталь или отвлекался на телефонный звонок, вся работа шла насмарку, и ему приходилось начинать сначала. Ему очень редко удавалось доделать часы, в то время как Хора, с его иерархическим модульным методом, штамповал их одни за другими. Принцип, иллюстрируемый этой притчей, хорошо знаком всем программистам и вполне приложим также к эволюции и построению любых биологических систем.
Превозносил я и еще одну сильную сторону иерархической организации – “преимущество управления на местах”. Пытаясь управлять империей из Лондона (или, в более давние времена, из Рима), центральные власти никак не могут непосредственно руководить всем, что происходит в дальних ее уголках, потому что каналы связи (в обоих направлениях) работают слишком медленно. Вместо этого они назначают многочисленных наместников, дают им общие указания о политике, которую следует проводить, и оставляют повседневные решения на их усмотрение. Тот же самый принцип приходится применять и при исследовании других планет с помощью автономных модулей. Расстояние между Землей и Марсом радиосигналы преодолевают за несколько минут. Предположим, что марсоход встречается на своем пути с препятствием, например каменной глыбой, и посылает на Землю сообщение, которое достигает центра управления через четыре минуты. Из центра срочно посылают ответ: “Повернуть налево, чтобы избежать столкновения”, – и этот ответ достигает марсохода еще через четыре минуты, когда он давно уже врезался в препятствие. Очевидное решение этой проблемы состоит в том, чтобы передать управление на месте бортовому компьютеру, снабдив его только общими указаниями, например такими: “Исследовать кратер на северо-западе, стараясь избегать столкновений со всеми встречающимися объектами”. Исходя из тех же соображений, если разные части Марса исследуются несколькими марсоходами, разумно передавать с Земли общие указания доставленному на Марс центральному компьютеру, который будет посылать более подробные директивы всем подчиненным ему марсоходам, координируя их деятельность, но оставляя принятие конкретных решений на местах бортовым компьютерам каждого из них. Подобные иерархические уровни используются также в армии, крупных корпорациях и, опять же, биологических системах.
В этой связи особенно радует пример гигантских динозавров, необычайно длинное туловище которых не позволяло головному мозгу быстро обмениваться сигналами с задней частью тела, где располагались огромные задние ноги, игравшие важную роль в передвижении. Естественный отбор решил эту проблему, наделив таких динозавров вторым, задним мозгом (разросшимся участком спинного мозга), расположенным в крестцовом отделе позвоночника:
Вот динозавр: могуч как кит
И справедливо знаменит –
Не только ростом всем на страх,
Но и за умственный размах.
Пусть небольшая голова,
Мозгов имел он целых два:
Один – в коробке черепной,
Другой же – сзади, под спиной.
Умел он мыслить априорно,
Умел и апостериорно.
Он был немного тугодум,
Но в нем был крепок задний ум,
И мысли мудрые вполне
Бежали по его спине.
Когда один был ум без сил,
Другой на помощь приходил.
Один забудет что-нибудь –
Другой всегда напомнит суть.
Без задней мысли или с ней
Он сам себя бывал умней
И, не подумав пару раз,
Не начинал вести рассказ.
Любой вопрос был в силах он
Обдумать сразу с двух сторон.
Но много миллионов лет
Его на свете больше нет.
Берт Лестон Тейлор
(1866–1921)
“Умело он мыслить априорно, / Умел и апостериорно,” – жаль, что не я это придумал. Не так-то много написано стихотворений, где почти каждая строчка искрится таким остроумием!
Обсудив преимущества иерархической организации в целом, я перешел к вопросу о данных, указывающих на такие преимущества в частных случаях, касающихся конкретных форм поведения животных. Заново проанализировав результаты нашего с Мэриан исследования падальных мух, я обратился к сведениям о других формах поведения животных, почерпнутым из раскопанных в библиотеке литературных источников. В числе прочих там была масштабная работа о поведении рифовых рыб, а также публикации о поведении чистящих свои мордочки мышей и об ухаживании у гуппи.
Мне хотелось разработать математические методы, позволяющие выявлять иерархическую вложенность более объективно, независимо от собственных предвзятых представлений исследователя. Один из нескольких компьютерных методов, которые я придумал, описан ниже. Я назвал его “кластерный анализ взаимозаменяемости”. Вначале нужно было подсчитывать частоту встречаемости переходов между разными формами поведения, а после этого особым способом анализировать полученные данные. Я вводил в компьютер таблицу, содержащую сведения о том, насколько часто за каждой формой поведения того или иного животного следует каждая из других свойственных ему форм поведения, а затем компьютер методично анализировал эти данные в поисках