Два этапа – доставка сообщения, а затем вербовка случайных встречных – объясняют, каким образом достигается оптимальное решение задачи коммивояжера при помощи метода виртуальных муравьев. Поместите пригоршню муравьев на каждое из виртуальных мест кормежки; каждый муравей случайным образом выберет маршрут, предполагающий однократное посещение всех остальных кормовых участков, а в процессе будет оставлять за собой феромонный след[155]. Каким образом лучшее качество транслируется в усиленный сигнал? Чем короче маршрут, тем сильнее феромонный след, который оставляет за собой разведчик; феромонам свойственно испаряться, и поэтому более короткий и густой след сохраняется дольше. Появляется второе поколение муравьев: они бесцельно бродят, соблюдая следующее правило: наткнувшись на феромонный след, иди по нему и добавляй свои феромоны к уже имеющимся. В результате чем гуще и, следовательно, долговечнее след, тем выше вероятность, что по нему пойдет еще один муравей, обновляя и усиливая сигнал. Вскоре менее эффективные маршруты исчезают, и остается одно оптимизированное решение. Нет необходимости собирать информацию о длине каждого из возможных маршрутов, чтобы некий центральный орган сравнивал их и направлял муравьев к лучшему решению. Нечто близкое к оптимальному решению возникает само собой[156].
(Вот о чем еще следует сказать: как мы увидим далее, алгоритмы прироста по принципу «деньги к деньгам» объясняют оптимизированное поведение и у людей, и у других биологических видов. Но «оптимальное» еще не означает «хорошее» с моральной точки зрения. В буквальных сценариях «деньги к деньгам» благодаря усиливающемуся сигналу экономического неравенства только богатые и богатеют.)
Теперь давайте посмотрим, как эмерджентность помогает слизевикам решать задачи.
Слизевики – это такие простейшие слизистые организмы, то ли плесень, то ли гриб, то ли амеба, которые существуют как будто только для того, чтобы запутать биологов, пытающихся их как-то классифицировать. Слизевики растут и, подобно ковру, распластываются по поверхностям в поисках микроорганизмов, которыми питаются.
Собственно, слизевик – это миллионы одноклеточных амеб, объединивших свои усилия, чтобы слиться в гигантскую многоядерную клетку, которая расползается по поверхностям в поисках пищи – по всей видимости, это эффективная стратегия охоты[157] (намек на эмерджентность: одна клетка слизевика может расползаться не лучше, чем одна-единственная молекула воды может быть мокрой). Некогда отдельные клетки соединены между собой тяжами, которые растягиваются или сжимаются в зависимости от направления движения слизевика (см. рис.).
Вот эта-то сплоченность и наделяет слизевика умением решать задачи. Поместите каплю слизевика в маленький пластиковый колодец, к которому примыкают два коридора: первый ведет к одной крошке овсяных хлопьев (слизевики их обожают), а в конце другого их две. Слизевик не посылает разведчиков: он расползается в оба коридора и находит оба источника пищи. Но уже через несколько часов слизевик ретируется из коридора с одной крошкой и весь целиком скапливается вокруг двух крошек. Если к одному и тому же источнику пищи ведут два коридора разной протяженности, слизевик сначала распространится в оба, но в итоге выберет тот, что короче. Так же он ведет себя в лабиринтах со множеством коридоров и тупиков[158]{193}.
Сначала слизевик заполняет все пути (панель а); затем он начинает уходить из лишних (панель b), пока не найдет оптимального решения (панель с) (не обращайте внимания на технические пометки)
Ацуши Теро из Университета Хоккайдо продемонстрировал интеллектуальные возможности слизевика, высадив его на ограниченную причудливо изломанным краем поверхность и разложив в ее определенных точках овсяные хлопья. Поначалу слизевик расползся по поверхности, образовав нити, множеством путей соединившие друг с другом все источники пищи. Но по прошествии времени бо́льшая часть нитей втянулась, оставив на поверхности что-то близкое к наикратчайшему пути, соединяющему все источники пищи. Задача о бродячем слизевике. И вот вам факт, который заставляет аудиторию умолять о продолжении, – изломанный край повторял береговую линию в районе Токио; слизевика высадили в точку, соответствующую японской столице, а овсяные хлопья символизировали собой пригородные станции Токийской железной дороги. Схема, созданная нитями слизевика, повторяла схему реальных железных дорог, соединяющих эти станции. Слизевик без единого нейрона против команды инженеров путей сообщения{194}.
Как слизевик это делает? Примерно как муравьи и пчелы. В опыте с двумя коридорами, ведущими к разному количеству пищи, слизевик сначала растекается по обоим, но, когда находит еду, внутренние тяжи сокращаются в направлении большего количества пищи, подтягивая к ней остальную часть слизевика. Важно, что чем лучше источник пищи, тем с большим усилием сокращаются тяжи. Затем тяжи, расположенные чуть дальше в теле слизевика, передают усилие, сокращаясь в том же направлении и увеличивая силу притяжения, которая распространяется все дальше по телу слизевика, пока весь он не перетечет на оптимальный маршрут. Слизевику нечем сравнивать опции и принимать решения. Просто нити слизевика, расползающиеся по двум коридорам, выступают в роли разведчиков, передающих информацию о наилучшем маршруте таким образом, что «деньги притягиваются к деньгам» при помощи механических сил{195}.
Теперь посмотрим на растущий нейрон. Он посылает проекцию, которая разветвляется на два побега-разведчика («конуса роста»), направляющиеся к двум другим нейронам. Если свести формирование мозга к одному простому механизму, можно сказать, что каждый целевой нейрон притягивает к себе конус роста, выделяя в его сторону молекулы-аттрактанты. Один из двух нейронов-мишеней «лучше» другого, он выделяет больше аттрактанта, и в результате конус роста добирается до него быстрее, что заставляет микротрубочку внутри терминала аксона изгибаться в ту же сторону и притягиваться к тому же целевому нейрону. Потом соединенная с ней параллельная микротрубочка, скорее всего, сделает то же самое. Это увеличит механическую силу, разворачивающую в нужную сторону все больше и больше микротрубочек. Второй побег-разведчик втягивается, и растущий нейрон образует синапс с лучшей целью[159]{196}.
Давайте изучим муравьиный/пчелиный/слизевиковый мотив в применении к развивающемуся мозгу, формирующему кору, – самую интересную и эволюционно молодую его часть.
Кора представляет собой шестислойный пласт, покрывающий поверхность мозга; на поперечном срезе видно, что каждый ее слой состоит из нейронов нескольких разных типов (см. рис. ниже).
Многослойная архитектура имеет непосредственное отношение к корковым функциям. Глядя на рисунок, представьте, что изображенный на нем участок коры разделен на шесть вертикальных колонок (лучше всего они видны как шесть плотных скоплений нейронов на уровне стрелки). Нейроны внутри каждой из этих мини-колонок посылают массу вертикальных проекций (то есть аксонов) друг к другу, работая как единое целое; например, в зрительной коре одна мини-колонка может реагировать на свет, падающий на один участок сетчатки, а соседняя мини-колонка обрабатывает свет, падающий на соседний участок[160].
Это муравьиный метод формирования коры. На первом этапе слой клеток в основании коры посылает длинные прямые проекции к ее поверхности – они послужат вертикальным каркасом. Это наши муравьи-разведчики, их называют радиальной глией (не обращайте внимания на буквы на рис. ниже). Изначально их количество избыточно, и те, что проложили не оптимальные, не прямые маршруты, удаляются (с помощью контролируемой гибели клеток). Теперь у нас есть первое поколение исследователей, и те из них, что отыскали оптимальное решение, сохраняются дольше{197}.
Радиальная глия распространяется вовне из центра участка в основании коры
Вы уже знаете, что будет дальше. Новорожденные нейроны беспорядочно суетятся в основании коры, пока не наткнутся на радиальную глию, после чего мигрируют вверх вдоль глиальной направляющей, оставляя за собой след из хемоаттрактантов, которые привлекают других новичков, готовых присоединиться к тому, что вскоре станет мини-колонкой[161]{198}.
Разведчики, сила сигнала в зависимости от качества ресурса и сценарии «деньги к деньгам» – повсюду, от насекомых и слизевиков до человеческого мозга. И все это без генерального плана, без необходимости отдельным элементам системы знать о каких-то вещах кроме тех, что непосредственно их окружают, без того, чтобы какой-то элемент сравнивал варианты и выбирал лучший. Биолог Томас Гексли еще в 1874 г., непостижимым образом предвосхитив эти идеи, писал о механической природе организмов, о том, что они «лишь имитируют интеллект, как пчела имитирует математика»{199}.
Пора перейти к следующему мотиву, свойственному эмерджентным системам.