Плевать или не плевать – вот вопрос

Сказанное наверняка заставит вдумчивого читателя погрузиться в глубокие размышления. С этими рыбками что-то явно не в порядке. Либо же что-то не в порядке с нашими представлениями о работе мозга. Действительно, как пишут Шустер и его коллеги, «существует мнение, что когнитивные способности, необходимые для принятия сложных решений, требуют участия огромного количества нейронов, связанных между собой огромным множеством связей, но вот перед нами пример позвоночного животного, которое решает в высшей степени сложные задачи с помощью поразительно компактной нейронной системы».

Шустер – это немецкий зоолог, ведущий автор опубликованной несколько лет назад в журнале Science статьи под названием «Маленькая система для больших задач, или быстрое принятие точных решений у рыб-брызгунов». Читая это название, нельзя не подумать с тоской: нашим бы политикам такие бы системы! Судите сами: охотясь за жертвой, брызгуну нужно прежде всего точно направить свой водяной залп; затем, пользуясь всего тремя данными: скоростью, направлением и высотой полета - рассчитать (в уме), где упадет добыча; и наконец, не прибегая больше к наблюдениям, немедленно развернуться и поплыть в нужное место. И заметьте – она практически не ошибается. Оно и понятно: если бы ошибалась, мы бы сейчас о ней не рассуждали.

Как же это происходит? Для выяснения этого вопроса Шустер и его коллеги предприняли поистине героические усилия, всячески затрудняя брызгуну его охоту. Они выпускали в воздух крохотные подобия мотыльков в самых неожиданных направлениях, скрывали от рыбы момент попадания ее струи в жертву, ограничивали ее поле видения и запускали искусственных мотыльков с платформ, находившихся на разной высоте над водой, т.е. под разными углами к полю зрения рыбы. Результат был один и тот же: «минимальная и средняя скорость принятия точного решения всегда оставались такими же, как в контрольной группе». В одном из самых хитрых опытов ученые выпустили двух «мотыльков» в две противоположные стороны с примерно равной скоростью, причем самый момент и место их запуска были невидимы для рыбки; и тем не менее, «рыбка немедленно и весьма избирательно решала, какой из двух конфликтующих сигналов принять во внимание».

Во всех таких опытах, разумеется, были и ошибки, но их число не превышало 10% и, главное, точность охоты оставалась одинаковой как в случае одного мотылька, так и в случае двух. Более того, время принятия решения в обоих случаях тоже было одинаковым, , то есть не зависело от сложности задачи. И последний замечательный сюрприз – выбор рыбки не был случайным: в подавляющем большинстве случаев она из двух сбитых мотыльков предпочитала того, который упадет ближе к ее местонахождению. Иными словами, ее выбор диктовался соображениями энергии.

Опыты Шустера и компании показали, что минимальное время принятия решения у брызгуна составляет 40 миллисекунд. За это время срабатывает та систему нейронов, которая приводит в движение рыбье тело. Из опытов с другими рыбками, золотыми, известно, что свет, попадающий в их глаз, проходит от сетчатки к мозгу за 30-35 миллисекунд. Но золотые рыбки не занимаются решениями таких задач, как брызгун. Выходит, на обработку сигнала в мозгу у брызгуна остается порядка 5-10 миллисекунд. Сравнив это время с известными данными о рыбьем мозге и его нейронах, исследователи пришли к выводу, что расчет задачи, видимо начинается уже в нейронах сетчатки, а когда обработанный там сигнал поступает в мозг, решение завершают несколько нейронов, которые а) собирают сигналы от обоих глаз вкупе с сигналами о пространственном расположении самой рыбки, б) рассчитывают направление на будущую добычу и в) задают это направление моторным нейронам. Всю эту работу, судя по времени обработки, выполняют (по оценкам авторов) не более шести нейронов!

Оставим точное число нейронов брызгуна на совести авторов. В любом случае из этих опытов ясно, что нейронные системы, занимающиеся принятием решений, могут быть куда меньше и куда эффективнее, чем считалось ранее и все равно будут способны вполне эффективно решить задачу, которую раньше ученые полагали требующей сотен и тысяч, если не миллионов нейронов. Это, кстати, помогает глубже понять, какими поистине могучими способностями наделен наш, человеческий мозг. У него ведь не шесть, а миллиарды нейронов, соединенных в фантастически сложные сети. Остается лишь в очередной раз подивиться: как же это мы, люди, порой не можем предвидеть, учесть и рассчитать даже то, что так точно и быстро предвидит маленький, полосатый, веселый и смышленый брызгун?

Но вернемся к гамлетовскому вопросу. После Шустера за брызгуна взялись ученые из Оксфордского университета Ньюпорт и коллеги, которых заинтересовал вопрос: какими еще способностями обладает мозг брызгуна. К примеру – различает ли он, что именно над ним появилось? Каковы пределы этого различения? Отличает ли он, скажем, мотылька от человека? Это не были досужие вопросы. Все они были направлены на более глубокого понимание того, что в науке называется Animal cognition или, грубо говоря, «Пределы разума животных» Взять хотя бы тех же рыб. Уже установлено, что если показывать им – через стенку аквариума, на экране – изображение морды другой рыбы, то они дольше смотрят (и отодвигаются при этом от экрана) на большее расстояние, если морда незнакомая. Что и понятно – а вдруг это незнакомый хищник.

Так вот, оксфордские ученые решили выявить пределы такого рыбьего распознавания, показывая брызгуну с его прославленным мозгом изображения человеческих лиц. Сначала они показывали ему два разных лица и бросали мотылька при показе только одного из них. Когда брызгун научился плевать своей струйкой только в это изображение, ему начали предъявлять множество изображений разных лиц, лишь одно из которых было ему уже знакомо. И всякий раз брызгун оказывался в ситуации «плевать или не плевать» на данное изображение.

О результатах этих экспериментов ученые сообщили в начале нынешнего года в журнале Scientific Reports. Оказалось, что крохотный брызгун способен отличать знакомое лицо среди 44-х (!) предъявленных с точностью 81%. А когда эти изображения стандартизовали, лишив их таких дополнительных особенностей, как окраска кожи или форма черепа, точность распознавания увеличилась до 86%. И заметьте – у рыб нет никаких эволюционных причин обзаводиться специальным мозговым участком для распознавания человеческих лиц, какой есть в наших мозгах. Рыбий мозг вообще лишен многих участков, имеющихся в мозгу более развитых животных. Поэтому он, конечно, не способен к «разумному познанию», как мы это понимаем. Но он несомненно способен выполнять «познавательные функции», необходимые для выживания, - и наш брызгун это снова блестяще доказал. Так что я не очень удивлюсь, если завтра какой-нибудь новый Ньюпорт обнаружит, что рыбы способны еще и немножко считать.

****************************************************************************************************************

Планеты умирают молодыми

Как известно, т.н. «Пояс обитаемости» вокруг звезды лежит между орбитами, на которых ее планеты могут сохранять воду в жидком состоянии (что необходимо для появления и существования жизни). В нашей системе это расстояние – по самой благожелательной (хотя и спорной) оценке – составляет от 0.5 до 3.0 дистанции между Землей и Солнцем. Почему же тогда жизни нет ни на Венере, ни на Марсе?

Убедительный ответ на этот вопрос помог бы точнее оценить шансы на существование жизни на тех миллиардах землеподобных планет, которые, согласно нынешним расчетам, имеются в одной только нашей галактике. До сих пор, однако, этот вопрос ставится редко – куда чаще появляются разного рода гипотезы, расширяющие возможности жизни, - например, о существовании жидкой воды не на поверхности, а в глубинах планет, или в виде растворов, остающихся жидкими при более низких или высоких температурах и т.д.

Тем более интересен первый пессимистический подход ко всей этой проблеме, изложенный в статье, появившейся в начале 2016 г. в журнале Astrobiology. Австралийские ученые Чопра и Лайнвивер утверждают в ней, что существованию жизни на этих миллиардах пригодных к ней планетах может препятствовать явление, которое они называют «Гайя-барьер». «Гайя» - это термин, предложенный когда-то астрохимиком Лавлоком для обозначения общепланетарных (в т.ч. и биологических) механизмов, обеспечивающих стабильность жизненных условий на планете.

Грубо говоря, Гайя – это планета, которая сама поддерживает свой гомеостаз. Так вот, - говорят авторы. – расчеты показывают, что в огромном, может быть - подавляющем большинстве случаев этот самоподдерживающийся механизм почему-либо не срабатывает. Процессы на планете выходят из-под ее контроля и начинается безудержный крен в одну какую-либо сторону. Так, в начале своего существования Земля, Венера и Марс имели одинаковые шансы на развитие жизни. Однако уцелела эта жизнь лишь на Земле: на Венере начался безудержный рост температур, на Марсе – безудержное похолодание.

По мнению авторов, благотворным для Земли оказалось какое-то особенно бурное развитие ранней микробиальной жизни. Не случайно все важнейшие (для сохранения «правильных» температур) газы (водород, водяной пар, метан, СО2) являются продуктами микробиального метаболизма. Видимо, на Земле сложились уникальные условия, когда самая ранняя жизнь сразу создала возможность избежать тех процессов с положительной обратной связью, которые на Венере и Марсе привели к безудержному нагреву или охлаждению. Благополучно пройдя этот Гайя-барьер, Земля затем обрела те циклические геохимические процессы, которые сегодня обеспечивают ее температурное равновесие (например, т.н. «геохимический цикл углерода»).

По мнению авторов, это был уникальный случай прорыва через Гайя-барьер. Как правило, утверждают они, даже если жизнь на какой-то планете возникает, она крайне редко развивается достаточно быстро и мощно, чтобы начать регулировать тепличные процессы и тем самым удерживать условия, благоприятствующие сохранению жидкой воды и обитаемости. Поэтому неправильно рассуждать о распространенности жизни в галактике, принимая во внимание только физические факторы («Пояс обитаемости») и игнорируя факторы биологические. А с учетом этих последних оказывается, что благоприятные условия для жизни сохраняются на землеподобных планетах лишь в течение первых 0.5-1.0 миллиарда лет их существования; потом подавляющее большинство из них становятся жертвами процессов с положительной обратной связью и «умирают» в биологическом смысле этого слова. «Галактика может содержать миллиарды потенциально обитаемых планет, но почти все они сегодня уже мертвы». На такой меланхолической ноте завершают Чопра и Лайнвивер этот уникальный в своем роде сценарий.

Посмотрим, что скажут их оппоненты.

Рафаил Нудельман
"Окна", 7.7.2016