Слепой часовщик

Ричард Докинз

Слепой часовщик

Об авторе

Ричард Докинз родился в Найроби в 1941 году. Он закончил Оксфордский университет и остался там работать над диссертацией под руководством нобелевского лауреата, этолога Нико Тинбергена. С 1967 по 1969 год он был ассистентом профессора зоологии в Калифорнийском университете в Беркли. С 1970 года он читал лекции по зоологии в Оксфордском университете и был членом совета Нового Колледжа. В 1995 году он стал первым профессором Оксфордского профессората популяризации науки Чарльза Симойи.

Первая книга Ричарда Докинза, «Эгоистичный ген» (1976; второе издание, 1989), сразу стал международным бестселлером и, как и «Слепой часовщик», была переведена на все главные языки мира. В 1982-м году вышло её продолжение — «Расширенный фенотип». Среди других его бестселлеров — «Бегство из рая» (1995) и «Восхождение на пик невероятности» (1996; Пингвин, 1997).

За «Слепого часовщика» Ричард Докинз получил в 1987 году литературную премию Королевского общества поддержки литературы и премию газеты «Лос Анжелес Таймс». Телефильм по этой книге, показанный в серии «Горизонт», получил премию за лучшую научную программу в 1987 году. В 1989-м году он также получил году серебряную медаль Лондонского зоологического общества, а в 1990-м премию имени Майкла Фарадея от Королевского общества содействия популяризации науки; в 1994-м — приз Накаямы за науки о человеке, и был удостоен почётного гонорара Д. Литта университетом св. Эндрю и Австралийским национальным университетом в Канберре.

Предисловие

Замысел этой книги исходит из убеждённости в том, что наше собственное существование, некогда представлявшееся Тайной Всех Тайн, более не тайна. Дарвин и Уоллес её раскрыли для нас, хотя мы и будем какое-то время добавлять примечания к их решению. Написать эту книгу меня побудило удивление тем, что очень много людей, похоже, не только не в курсе наличия изящного и красивого решения этой, самой глубокой из проблем, но, как это ни невероятно, часто не осознающих само наличие проблемы!

Проблема состоит в нашей сложности. Компьютер, на котором я пишу эти слова, обладает памятью для хранения информации ёмкостью около 64 килобайт (один байт используется для хранения одного символа текста). Компьютер был осознанно спроектирован и осознанно изготовлен. Мозг, с помощью которого вы воспринимаете мои слова — есть совокупность примерно десяти миллионов килонейронов. Почти из каждой из этих миллиардов нервных клеток исходят «электрические провода» (которых может быть несколько тысяч), соединяющие её с другими нейронами. Кроме того, на молекулярно-генетическом уровне каждый из этих многих триллионов нейронов хранит примерно в тысячу раз больше дискретно-кодированной информации, чем весь мой компьютер. Сложность живых организмов сочетается с их изящной эффективностью. Если кто-то полагает, что такой уровень сложности не требует объяснений, то я не возражаю. Нет, конечно, поразмыслив, я возражаю, ибо одна из целей моей книги состоят в том, чтобы поделиться с читателем, которому ещё не знакомо это ощущение, чувством неописуемого изумления сложностью биологических систем. Но вводя вас в мир тайны, я не забываю другую, главную свою цель — снять снова её покров, объясняя, как всё устроено.

Объяснять — непростое искусство. Из какого-нибудь вашего объяснения читатель может разве что понять слова; но можно объяснить то же самое так, что читатель прочувствует вашу мысль до мозга костей. Чтобы достичь последнего, иногда бывает недостаточно беспристрастно выкладывать перед читателем доказательства. Требуется быть адвокатом, используя разные хитрости адвокатского ремесла. Эта книга — не бесстрастный научный трактат. Другие книги по дарвинизму именно таковы, и многие из них превосходно информативны и их неплохо читать вместе с этой. Эта книга далеко не беспристрастна! И нужно признать, что отдельные части её написаны со такой страстью, которая, появись она в профессиональном научном журнале, вызывала бы примечание редакции. Конечно, я стремился и информировать, но также я стремился и убеждать, и даже — как без некоторой самонадеянности? — вдохновлять. Я хотел заразить читателя взглядом на наше собственное существование как на жуткую тайну и в то же время наполнить его восторгом от осознания того факта, что эта тайна имеет изящную разгадку, к тому же лежащую в пределах нашего понимания. Более того, я хочу убедить читателя не только в том, что дарвиновское мировоззрение истинно, но и в том, что это единственная известная теория, способная, в принципе, раскрыть тайну нашего существования. Это делает теорию убедительной вдвойне. Было бы здорово, если б подтвердилось, что дарвинизм верен не только на нашей планете, но и везде во Вселенной, где бы удалось найти жизнь. Но выступая в таком духе, я в одном отношении дистанцирую себя от профессиональных адвокатов. Адвокат или политический деятель страстен корыстно, убеждая людей в интересах клиента или дела, которым он на самом деле может не верить. Я никогда так не поступал, и никогда не буду. Возможно, я не всегда прав, но я страстно стремлюсь к истине и никогда не говорю чего-то, в истинность чего я не верю. Однажды меня шокировал один случай, когда я участвовал в университетских дебатах с креационистами. На обеде после дебатов я оказался за одним столиком с молодой женщиной, чья речь в пользу креационизма на этих дебатах была довольно яркой. Она нисколько не была креационистом, и поэтому я попросил её честно сказать, зачем она так сделала. Она спокойно признала, что просто отрабатывала навыки дебатирования и нашла, что защита позиции, в которую она не верит, будет более эффективным тренингом. Очевидно, что это обычная практика в университетских обществах любителей дебатов — когда выступающий защищает ту сторону, какую ему велят. Его собственная вера здесь не участвует. Я проделал длинный путь, чтобы участвовать в сложном публичном выступлении, потому что я верил в искренность пригласившего меня движения. Когда я обнаружил, что члены общества используют это движение как платформу для игры в дебаты, я принял решение впредь отклонять приглашения от обществ любителей дебатов, поощряющих неискреннюю защиту на заседаниях, когда научная правда находится под угрозой.

По каким-то, не до конца ясным мне причинам, дарвинизм представляется более нуждающимися в защите, чем аналогичные истины в других областях науки. Многие из нас не имеют и понятия о квантовой механике или о специальной теории относительности Эйнштейна, но это само по себе не приводит нас к оппозиции этим теориям! Критики дарвинизма, в отличие от эйнштейнизма, полагают себя компетентными для его критики при любом уровне их невежества. Я полагаю, что одна из проблем с дарвинизмом проистекает из того, что, как проницательно отметил Жак Монод, всякий полагает, что разбирается в нём. Это действительно замечательно простая теория; даже, как многие полагают, несерьёзная — в сравнении с почти всей физикой и математикой. В сущности, её можно свести просто к идее о том, что упорядоченное воспроизводство, которое допускает вариации, будет иметь далеко идущие последствия, если есть время для их накопления. Однако имеются веские основания полагать, что эта простота может ввести в заблуждение. Вспомните, что несмотря на кажущуюся простоту теории, до неё никто не додумался до середины 19-го века — до Дарвина и Уоллеса! «Принципы» Ньютона появились почти за 200 лет, а Эратосфен определил размер Земли более чем за 2000 лет до этого — как могла такая простая идея столь долго оставаться не открытой мыслителями такого крупного калибра, как Ньютон, Галилео, Декарт, Лейбниц, Хьюм и Аристотель? Почему ей пришлось ждать двух натуралистов викторианской эпохи? Что было неладно у философов и математиков, проглядевших её? И почему столь мощная идея продолжает и сейчас оставаться в значительной степени невоспринятой массовым сознанием? Ну словно человеческий мозг специально сделан так, чтобы не понимать дарвинизм и с трудом верить в него. Возьмём, к примеру, такое понятие, как «случайность», которое часто драматизированно воспринимают как «слепой шанс». Подавляющее большинство атакующих дарвинизм людей, с почти непристойным рвением хватаются за ошибочную идею о том, будто в мире нет ничего, кроме случайности. Сам факт сложности жизни буквально олицетворяет антитезу случайности, но если вы полагаете, что дарвинизм эквивалентен слепому случаю, то вы очевидно найдете, что опровержение дарвинизма несложно! Одна из моих задач будут состоять в том, чтобы разрушить этот страстно обожаемый миф о том, что дарвинизм — это «теория шанса». Другая возможная причина, по которой мы предрасположены не верить дарвинизму, состоит в том, что наш мозг настроен на обработку событий во временных шкалах, радикально отличных от тех, в которых происходят эволюционные изменения. Мы располагаем способностями оценки процессов, которые длятся секунды, минуты, годы, самое большее — десятилетия. Дарвинизм — теория о нарастающих изменениях, длящихся тысячи и миллионы десятилетий. Все наши интуитивные суждения о вероятности чего-либо могут быть ошибочны на много порядков величины. Наш точно настроенный аппарат скептицизма и субъективной теории вероятности даёт осечки в этих огромных временных просторах, потому что он настроен, иронично говоря, самой эволюцией, на работу в течение одной жизни, длящейся нескольких десятилетий. Потребуется напрячь воображение, чтобы выйти из тюрьмы привычных временных отрезков, чему я буду стараться помогать.

Третья возможная причина, по которой наш мозг предрасположен сопротивляться дарвинизму, проистекает из больших успехов людей-проектировщиков. Наш мир находится во власти креативных достижений инженеров и деятелей искусства. Мы полностью привыкли к мысли о том, что элегантная сложность — признак преднамеренного, продуманного замысла. Это, вероятно, наиболее сильная причина для веры, исповедовавшейся подавляющим большинством когда-либо живших на Земле людей — веры в наличие некоего сверхествественного божества. Дарвину и Уоллесу потребовался очень большой всплеск воображения, чтобы увидеть, вопреки всем интуициям, что есть другой способ, и как только вы поняли это, вы нашли гораздо более правдоподобный путь происхождения «сложной конструкции» из первозданной простоты. Этот потребный всплеск воображения настолько велик, что и по сей день многие люди всё ещё не желают так напрягаться. И главная цель этой книги — помочь читателю делать это.

Естественно, любой автор надеется, что его книга будет жить дольше одного эфемерного соприкосновения с читателем. Но любой адвокат, заботясь о жизни своего случая в веках, должен также реагировать на современных ему оппонентов или оппонирующие точки зрения. И есть риск того, что какие-то из этих аргументов, как бы жгуче они ни полыхали сегодня, будет выглядеть жутко устаревшими по прошествии нескольких десятилетий. Часто отмечается такой парадокс — первое издание «Происхождения видов» лучше шестого. А всё потому, что Дарвин полагал себя обязанным в более поздних изданиях отвечать на текущую критику первого издания, критику, настолько теперь устаревшую, что его реплики просто мешают, a местами даже вводят в заблуждение. Однако, искушению проигнорировать модную сиюминутную критику, когда кто-то предполагает, что через девять дней случится чудо, этому искушению нельзя потворствовать, и не только ради вежливости к критикам, но и потому, что она можеть запутать читателя. И хотя у меня есть несколько собственных частных идей, эфемерность которых в конечном итоге докажут последующие главы этой книги (по той же причине), но пусть читатель — и время — нас рассудят. Я с огорчением обнаружил, что некоторые из моих подружек (по счастью, немногие) трактуют использование мною безличного местоимения мужского рода, как моё намерение не иметь их в виду. Но если бы здесь и имело место какое-то игнорирование такого рода (к счастью, этого нет), то думаю, что скорее имел бы в виду мужчин, но когда я однажды ради эксперимента попробовал обращаться к моему абстрактному читателю как «она», то феминистки осудили меня за высокомерную снисходительность: я должен был писать «он или она» и «его или её». Сделать это нетрудно, если вас не беспокоит литературная правильность языка, но если вас это не беспокоит, то вы демонстритуете неуважение к читателям обеих полов. Тогда я вернулся к нормальным соглашениям по использованию английских местоимений. Я могу обратиться к «читателю» местоимением «он», но полагаю читателя именно мужчиной не больше, чем говорящий по французски думает о столе как о женщине. Фактически, как мне кажется, я чаще думаю о своём читателе, как о женщине, но это — моё личное дело; мне бывает неприятно когда эти соображения вмешиваются в мою практику использования моего родного языка.

Некоторые люди для меня — объекты для благодарности. Те, кому я могу показать себя с лучшей стороны, поймут. Мои издатели не сочли необходимым утаить от меня личности своих рефери (не рецензентов; именно рецензенты, самоуверенные американцы под 40, критикующие книги только после публикации, когда автор уже не может что-либо сделать). Мне были очень полезны предложения Джона Кребса (в который раз!), Джона Дюрана, Грэма Кейнс-Смита, Джеффри Левинтона, Майкла Рас, Энтони Халлам и Дэвид Пи. Ричард Грегори любезно критиковал главу 12, и заключительная версия выиграла от её полного исключения. Марк Ридли и Алан Графен, отныне даже официально более не мои студенты, вместе с Биллом Хамилтоном — путеводные звёзды группы коллег, с которыми я обсуждаю эволюцию, и из чьих идей я извлекаю пользу почти ежедневно. Они, а также Памела Веллс, Питер Аткинс и Джон Докинз любезно критиковали различные главы по моей просьбе. Сара Банни предложила много улучшений, а Джон Гриббин исправил главную ошибку. Алан Графен и Вилл Аткинсон консультировали по компьютерным проблемам, а агенство «Эппл Макинтош» отделения зоологии любезно позволило распечатать биоморфы на их лазерном принтере.

Повторюсь о полезности для меня неослабного динамизма которым Майкл Роджерс, а теперь Лонгман, увлекали всех нас. Он, а также Мэри Кеннан Нортон, умело применяли акселератор (к моей морали) и тормоза (к моему чувству юмора) когда те были необходимы. Часть книги была написана в творческом отпуске, любезно предоставленным отделением зоологии и Новым колледжем. Наконец, упомяну мой долг обеим моим предыдущим книгам — оксфордская система обучения и многие обученные мною ученики все эти годы помогали мне отрабатывать те немногие навыки, что есть у меня в трудном искусстве объяснений.

Ричард Докинз

Оксфорд, 1986

Глава 1. В поисках объяснения невероятного

Животные, и мы в том числе — это самые сложные объекты в известной нам вселенной. Разумеется, вселенная, известная нам — ничтожный фрагмент всей Вселенной, и не исключено, что на других планетах существуют ещё более сложные объекты; некоторые из них могут уже знать про нас. Но это не меняет сути проблемы. Наличие сложных сущностей, где бы они ни были, требует очень специфических объяснений. Мы хотим знать, как они пришли в этот мир, и почему они так сложны. Я постраюсь доказать, что объяснение этого, вероятно, будет универсальным для аналогичных сложных вещей во всей Вселенной — будь то мы с вами, шимпанзе, черви, деревья или космические монстры. С другой стороны, все они будут отличаться от объектов, которые я буду называть «простыми» — камней, облаков, рек, галактик и кварков. Все они — предмет физики. Шимпанзе, собаки, летучие мыши, тараканы, люди, черви, одуванчики, бактерии и галактические пришельцы являются предметом биологии.

Различие между ними — в их сложности. Биология изучает сложные объекты, которые выглядят как бы специально предназначенными для решения какой-то задачи. Физика изучает простые вещи, которые не вызывают у нас соблазна привлечь понятие замысла. На первый взгляд, рукотворные изделия, такие как, компьютеры и автомобили, выглядят исключениями. Они сложны и явно разработаны для некой цели, однако они не живые и сделаны металла и пластика, а не плоти и крови. В этой книге они будут однозначно трактоваться как биологические объекты. Читатель может удивлённо спросить: «Да, но разве это биологические объекты?» Слова — наши слуги, а не хозяева. Мы находим удобным для различных задач использовать слова в различных смыслах. Большинство кулинарных книг относят омаров к рыбам. У зоологов такая классификация может вызвать протест — они могут указать, что у омаров есть больше оснований называть рыбами людей, так как рыбы — гораздо более близкие родственники людям, чем омарам. И рассуждая о правовом статусе омаров, я догадываюсь, что принадлежность омаров к насекомым или «животным» следовало бы узаконить решением суда (что имело бы следствием разрешение людям варить их живьём или нет). С зоологической точки зрения, омары — конечно же, не насекомые. Они относятся к животным, да, но к ним же относятся и насекомые, и мы с вами. Довольно мало смысла в возмущении непривычным использованием людьми разных слов (Хотя в частном порядке я весьма склонен возмущаться людьми, варящими омаров живьём). Поварам и адвокатам следует использовать слова в их профессиональной манере, и я буду поступать так же в этой книге. Не нужно придираться к вопросу о том, в «самом ли деле» автомобили и компьютеры — биологические объекты. Дело в том, что если на некоей планете будет найден какой-нибудь предмет данного уровня сложности, то мы будем должны без колебаний заключить, что на этой планете жизнь существует или когда-то существовала. Машины — непосредственные продукты деятельности живых объектов; они «наследуют» их сложность и замысел, и по ним можно диагностировать существования жизни на этой планете. То же самое справедливо для окаменелостей, скелетов и мёртвых тел.

Я сказал, что физика изучает простые вещи, и это утверждение тоже может поначалу показаться странным. Физика представляется нам сложным предметом, ибо физические идеи трудны в понимании для нас. Наш мозг был предназначен для понимания проблем охоты и собирательства, спаривания и взращивания потомства — для ориентировке в мире с объектами среднего размера, двигающимися в трёх измерениях с умеренными скоростями. Мы плохо подготовлены для постижения чего-то очень большого или малого; процессов, продолжительность которых измеряется в пикосекундах или миллиардах лет; частиц с неопределённым положением в пространстве; сил и полей, которые мы не можем увидеть или ощутить и о котором мы знаем только потому, что они воздействуют на вещи, которые мы можем увидеть или пощупать. Мы полагаем, что физика сложна, потому что её нам бывает трудно понять, и потому, что книги по физике полны трудной математики. Но в сущности, изучаемые физиками объекты, тем не менее, просты. Это облака газов или крошечных частиц, или глыбы однородной материи, такие как кристаллы, с почти бесконечно повторяющейся атомной структурой. У них нет, по крайней мере по биологическим стандартам, замысловатых работающих частей. Даже большие физические объекты, такие как звёзды, состоят из довольно ограниченного множества составных частей, более или менее бессистемно организованных. Поведение физических, небиологических объектов настолько просто, что для описания его возможно использовать существующий математический язык, и именно поэтому в физических книгах так много математики.

Книги по физике могут сложны, но эти книги, подобно автомобилям и компьютерам, являются продуктом биологического объекта — человеческого мозга. Объекты и явления, описанные в книге по физике, проще, чем единственная клетка в теле её автора. А автор состоит из триллионов таких клеток, многие из которых отличаются друг от друга, и соорганизованы посредством замысловатой архитектуры и точной сборки в работающий механизм, способный к написанию книги (я использую американские триллионы, как и все мои единицы; один американский триллион — это миллион миллионов; американский миллиард — тысяча миллионов). Наш мозг не лучше приспособлен для восприятия экстремальной сложности, чем для восприятия экстремальных размеров или других трудных физических экстремумов. Пока никто ещё не изобрёл математику для описания полной структуры и поведения такого объекта, как физик — или даже одной из его клеток. Всё, что мы можем сделать — это понять часть общих принципов функционирования живых существ, и почему они существуют вообще.

Мы вернулись к тому, с чего мы начали. Мы хотели знать, почему мы и все другие сложные вещи существуют. И теперь мы можем в общих чертах ответить на этот вопрос, даже не обладая способностями постигать детали этой сложности. Вот аналогия — большинство из нас не понимает в деталях, как функционирует воздушный лайнер. Возможно, всех этих деталей не понимают и его создатели: двигателисты не понимают тонкостей работы крыльев, а специалисты по крыльям понимают работу двигателей лишь в общих чертах. Собственно говоря, специалисты по крыльям не понимают работу крыльев с полной математической точностью — они могут предсказать поведение крыла в условиях турбулёнтности, лишь исследуя модель в аэродинамической трубе или в ходе компьютерного моделирования — как раз то, что может делать биолог для исследования животного. Но как бы смутно мы ни понимали работу воздушного лайнера, все мы понимаем тот общий процесс, который вызвал воздушный лайнер из небытия. Он был разработан людьми на чертёжных досках. Затем другие люди изготовили детали по этим чертежам, потом большее число людей (при помощи других машин, разработанных людьми) свинтили, склепали, сварили и склеили эти детали между собой, каждую на нужном месте. Процесс, воззвавший воздушный лайнер к существованию, не очень загадочен для нас, потому что его сделали люди. Систематическая сборка деталей в осмысленный проект — это нечто такое, что мы знаем и понимаем, поскольку мы собственноручно это испробовали, пусть даже на детском конструкторе.

Но что можно сказать про наши собственные тела? Каждый из нас — механизм, подобный воздушному лайнеру, только намного более сложный. Были ли мы, как и лайнер, разработаны на чертежной доске, и собирались ли детали, из которых мы состоим, воедино квалифицированным инженером? Нет. Это удивительный ответ; мы узнали и поняли его лишь примерно столетие назад. Когда Чарльз Дарвин впервые дал объяснение, то многие люди не захотели или не смогли принять его. Я сам категорически отказывался верить теории Дарвина, когда впервые услышал о ней в детстве. Практически все люди, на всём протяжении истории до второй половины 19-го века, твёрдо верили нечто обратное — в теорию Сознательного Творения. И многие люди до сих пор продолжают в неё верить, возможно, потому, что истинное, дарвиновское объяснение нашего существования — до сих пор, и это знаменательно, не вошло в обязательную часть учебной программы общего образования. И эта неправильная точка зрения очень широко распространена.

Часовщик, упомянутый в заглавии этой книги, взят из известного трактата богослова 18-го века Уильяма Пали. Его книга «Натуральная теология — или признаки и свидетельства существования бога, видимые в явлениях природы», изданная в 1802 году, является наиболее известным собранием «аргументов в пользу Творения» и с тех пор рассматривается как наиболее убедительное доказательство существования бога. Я восхищаюсь этой книгой, ибо её автор в его время преуспел в решении той задачи, над решением которой я бьюсь сейчас. Он имел чёткое мнение, истово верил в него и не жалел сил для того, чтобы убедить в этом всех. Он питал надлежащее почтение к сложности живого и видел, что оно требует очень специфического объяснения. Он был неправ в одном и, предположительно, очень важном — в сущности своего объяснения. Он дал традиционный религиозный ответ на эту загадку, но сформулировал его яснее и убедительнее любого своего предшественника. Правильное объяснение — совершенно иное, и ему пришлось ждать одного из самых революционных мыслителей всех времён, Чарльза Дарвина.

Пали начинает свою «Натуральную теологию» со знаменитого пассажа:

Предположим, что идя по пустыне, я споткнулся о камень и спросил себя: «Как этот камень здесь оказался»? И я мог бы, не зная ничего иного, возможно ответить, что он тут был всегда; при этом, очевидно было бы нелегко показать абсурдность этого ответа. Но предположим далее, что я нашёл на земле часы, и если бы меня спросили, как на этом месте оказались эти часы, то вряд ли мне бы голову пришёл ответ, который я дал чуть выше — что, насколько я знаю, часы могли быть здесь всегда.

Пали здесь воздаёт должное различию между естественными физическими объектами, такими, как камни, и рукотворными, спроектированными — такими, как часы. Он продолжает разъяснения, указывая на точность, с которой изготовлены их винтики и пружинки, на замысловатость конструкции, в которую они собраны. Если бы мы нашли в предмет, подобный этим часам в пустыне, то даже если бы мы не знали, как они появились, то их точность и сложность замысла вынудили бы нас заключить, что…

…у часов должен быть изготовитель; значит, должно быть существовал — в какое-то время, в том или ином месте — механик или механики, который изготовил Это для цели, которой (как мы находим), Это и в самом деле отвечает, который придумал эту конструкцию и замыслил её использование…

Разумно! Вряд ли кому-то пришло в голову возразить. Пали настаивает далее (так же, как это делает в действительности атеист, когда рассматривает работу природы), что…

…многочисленные проявления изобретательности, признаки замысла, имеющиеся у часов, имеют место и в работах природы — с тем отличием, что у порождений природы их намного больше, и совершенство их превышает все попытки его измерить.

Пали поддерживает свою позицию красивыми и благоговейными описаниями разрезов машин жизни. Первым был приведён человеческий глаз — любимый пример, который позже использовал Дарвин, и который будет регулярно появляться в этой книге далее. Пали сравнивает глаз с задуманным прибором, таким, как телескоп, и заключает, что «можно столь же неопровержимо утверждать, что глаз был сделан для зрения, как и то, что телескоп был сделан для помощи ему». У глаза должен быть разработчик, точно так же, как он был у телескопа.

Аргументация Пали отличается страстной искренностью и базируется на лучших достижениях биологической мысли тех дней, но она неправильна — пусть великолепна, но совершенно ложна. Аналогии между телескопом и глазом, между часами и живым организмом ложны. Всё наоборот, единственный «часовщик» в природе — слепые силы физики, хотя и очень специфически работающие здесь. У настоящего часовщика есть способность предвидеть: он проектирует эти винтики и пружинки, планирует их сочленения, видя их будущую работу перед своим мысленным взором. Открытый Дарвиным естественный отбор — слепой, бессознательный, автоматический процесс, о котором теперь знаем и мы, — объясняет существование и очевидную целеустремленность всех форм жизни, не имея при этом никакой цели в мозгу. У него нет никаких мыслей и никакого мысленного взора. Он не планирует будущее. У него нет ни зрения, ни предвидения вообще. Если и можно роль естественного отбора приравнять к роли часовщика природы, то это — слепой часовщик. Я объясню всё это и много чего сверх этого. Но я не буду делать одного — умалять удивления «живыми часами», которые так вдохновляли Пали. Напротив, я буду стараться подчеркнуть моё ощущение, что Пали мог пойти дальше. По части благоговейного трепета перед «живыми часами» я не уступаю никому. У меня больше общего с преподобным Уильямом Пали, чем с «выдающимся современным философом, известным атеистом», с которым я однажды обсуждал проблему на обеде. Я сказал, что не могу представить себе атеиста в любой момент истории до 1859 года, когда было издано «Происхождение видов» Дарвина. «А как же Хьюм?», спросил философ. Я в свою очередь спросил: «А как Хьюм объяснял организованную сложность живого мира?» Философ ответил: «Никак. А зачем здесь нужно какое-то особое объяснение?»

Пали знал, что здесь нужно особое объяснение; и Дарвин знал, и, я подозреваю, что в глубине души мой компаньон-философ тоже. По крайней мере — именно затем я здесь, чтобы показать его. Что же до самого Девида Хьюма, то иногда говорится, что великий шотландский философ располагал аргументами против «сотворения мира» за столетие до Дарвина. За что Хьюма критикуют, так это за использование логики видимого замысла в природе, как позитивное свидетельство существования бога. Он не предлагал никакого альтернативного объяснения видимости замысла, оставив вопрос открытым. До-Дарвиновский атеист мог бы, вслед за Хьюмом, сказать: «У меня нет никакого объяснения сложности биологического замысла. Бог — не есть хорошее объяснение, и это всё, что я знаю; и нам остаётся ждать и надеяться, что кто-нибудь предложит что-нибудь лучше». Я думаю, что такая позиция, пусть и логически оправданная, оставляла ощущение изрядной неудовлетворённости, и хотя атеизм мог быть логически здравым и до Дарвина, но именно Дарвин дал атеизму возможность быть рационально убедительным. Я с удовольствием думаю, что Хьюм согласился бы с этим, впрочем некоторые из его писем показывают, что он недооценивал сложность и красоту биологического замысла. Мальчик-натуралист Чарльз Дарвин мог бы показать ему на этот счёт пару вещиц, но Хьюм был уже 40 лет как мёртв, когда Дарвин поступил в Эдинбургский университет Хьюма.

Зачем я так многословно рассуждал о сложности и ощущении замысла, хотя смысл этих слов общем-то очевиден? Да, в некотором смысле он очевиден — у большинства людей есть интуитивные понятия о «сложности». Но эти понятия, сложность и замысел — основополагающие понятия этой книги, поэтому мне нужно добиться несколько большей точности этих слов, ощущения, что есть нечто особенное и в сложности, и в замысле.

Итак, что же есть сложный объект? Как мы сможем отличить его от простого? В каком смысл истинно утверждение, что часы, воздушный лайнер, уховертка или человек сложны, а луна проста? Первый признак, который может придти к нам на ум как необходимый признак сложной вещи — это гетерогенность структура объекта. Розовый молочный пудинг или бланманже просты в том смысле, что если мы разрежем их надвое, то эти две порции будут иметь идентичное внутреннее строение — бланманже гомогенен. Автомобиль — гетерогенен; в отличие от бланманже, почти любая его «порция» отличается от других. Две половины автомобиля — не есть два меньших автомобиля. Мы часто будем говорить, что сложный объект, в отличие от простого, имеет много частей, причём частей более чем одного вида. Такая гетерогенность или «многочастность» является необходимым, но недостаточным условием. Довольно большое количество объектов «многочастны» и гетерогенны по внутренней структуре, но не являются сложным в том смысле, в каком я хочу использовать этот термин. Например, Монблан состоит из большого числа различных видов камней, перемешанных так, что если бы вы разрезали гору где-нибудь, то эти две части отличались бы друг от друга по их внутреннему строению. Монблан имеет гетерогенную структуру, какой не обладает бланманже, но это всё ещё не сложность в том смысле, в каком этот термин использует биолог.

Давайте попытаемся подойти с другой стороны к теме определения сложности и применим математическое понятие вероятности. Рассмотрим следующее определение: сложный объект — это нечто, составные части которого устроены так, что этот объект вряд ли мог возникнуть по воле одного счастливого случая. Воспользуемся аналогией одного знаменитого астронома: если вы возьмёте детали воздушного лайнера и будете хаотично соединять их наугад, то вероятность того, что соберёте работоспособный Боинг исчезающе мала. Существуют миллиарды возможных комбинаций, сочетающих части воздушного лайнера, и только одна, или очень немногие из них, будут в самом деле воздушным лайнером. Комбинаций, которыми можно было бы сочетать различные части человеческого тела намного больше!

Этот подход к определению понятия сложности перспективен, но тем не менее необходимо ещё кое-что. Имеются миллиарды вариантов соединения воедино частей Монблана, и можно утверждать, что только один из них — наш Монблан. Так что же делает воздушный лайнер и человека сложными, если Монблан прост? Любая однажды собранная коллекция частей уникальна, и ретроспективно столь же невероятна, как и любая другая. Куча самолётных фрагментов на свалке уникальна. Любые две такие кучи отличны друг от друга. Если вы начнёте хаотично собирать фрагменты самолетов в кучи, то шансы на то, что одна такая куча будет точно такой же, как и другая, примерно столь же низки, как шансы собрать таким образом работоспособный воздушный лайнер. Так почему бы нам не утверждать, что свалка, Монблан или луна есть столь же сложные объекты, как самолет или собака, раз уж во всех этих случаях расположение атомов «невероятно»?

Кодовый замок на моём велосипеде имеет 4096 различных комбинаций. Любая из них одинаково «невероятна» в том смысле, что если вы будете вращать колёсики случайным образом, то каждая из этих 4096 комбинаций вряд ли повторится. Я могу хаотично вращать колёсики, глядеть на любую из получившихся комбинаций и восхищённо восклицать: «Поразительно! Шанс на появление именно этого числа — один из 4096! Прямо маленькое чудо!». На тех же самых основаниях можно трактовать специфическое расположение камней в горе или кусков металла в куче отходов, как признаки «сложности». Но одна из этих 4096 комбинаций колёсиков в самом деле уникальна: комбинация 1207 — единственная комбинация, открывающая замок. Уникальность комбинации 1207 не имеет ничего общего с ретроспективностью — она была заранее задана изготовителем. Если вы принялись вращать колёсики наугад, и оказалось, что вы сразу попали на 1207 и получили возможность украсть велосипед, то это действительно было бы похоже на маленькое чудо. Если на вас снизошла неожиданная удача, и вы набрали одну из многозначных комбинаций кодового замка банковского сейфа, то это бы выглядело очень большим чудом, так как шанс этого события — один из многих миллионов, и вы бы получили возможность украсть целое состояние.

Теперь, пользуясь как аналогией попаданием на единственный номер, открывающий банковский сейф, будем беспорядочно сваливать в кучу металлолом, валяющийся вокруг нас, и случайно соберём Боинг 747. Из всех миллионов уникальных и ретроспективно одинаково невероятных комбинаций кодового замка замок открывает только одна. Точно так же, из всех миллионов уникальных и ретроспективно одинаково невероятных сочетаний кучи хлама только одна (или очень немногие) будут летать. Уникальность комбинации, способной летать или открывать сейф, никак не является ретроспективной. Наоборот, она определена заранее. Изготовитель замка установил открывающую комбинацию и сообщил её менеджеру банка. Способность летать — это свойство воздушного лайнера, которую мы определяем заранее. Если мы видим в воздухе самолет, то мы можем быть уверены в том, что он не был собран посредством беспорядочного соединения металлолома воедино, так как мы знаем — шансы на случайную сборку чего-то, способного летать, слишком низки.

Теперь, если рассмотреть все возможные варианты сваливания воедино камней Монблана, мы можем сказать: да, верно только один из них является Монбланом — таким, каким мы его знаем. Но наш Монблан был определён ретроспективно. Любой из очень многих вариантов сборки камней воедино может быть назван горой и мог бы быть назван Монбланом. Нет ничего особенного в том конкретном Монблане, который мы знаем, ничто в нём не предусмотрено заранее, ничего эквивалентного взлетающему самолёту или открывающейся дверце сейфа с деньгами, с кувырканием вылетающим вслед за ней.

В чём может выражаться сходство открывающейся дверцы сейфа или полёта самолета, с живым телом? Знаете, иногда это сходство почти буквально. Ласточки летают. Мы видели, как нелегко слепить из случайных частей летающую машину. Если бы вы взяли все клетки ласточки и слепляли бы их наугад, то шанс на то, что получившийся объект мог летать, практически не отличался бы от нуля. Не все живые существа летают, но они делают другие невероятные вещи, невероятные в смысле их предзаданности. Киты не летают — они плавают, и плавают так же эффективно, как летают ласточки. Шансы на то, что случайное скопление клеток кита плавало бы, уж не говоря о плавании столь же быстром и эффективном как у настоящего кита, ничтожны.

А вот здесь какой-нибудь философ с орлиным зрением (у орла очень зоркие глаза — вы не смогли бы сделать глаз ястреба, хаотично смешивая вместе хрусталики и ретиноциты!), начнёт бормотать что-нибудь насчёт циркулярного аргумента[1]. Ласточки летают, но не плавают; киты плавают, но не летают. Мы ретроспективно оцениваем успех нашей случайной конгломерации как пловца или как лётчика. Предположим, что мы соглашаемся оценивать его успех как X, оставляя открытым вопрос о том, что именно означает этот X, пока мы не попытались соединить клетки вместе. Наша случайная глыба клеток может оказаться эффективным роющим животным — типа крота, или эффективным лазателем — типа обезьяны. Она могла бы быть очень хороша в виндсерфинге, в выжимании промасляной ветоши или в ходьбе по сходящейся в ноль спирали… Список можно продолжать бесконечно…или нельзя?

Если бы список действительно можно было продолжать бесконечно, то мой гипотетический философ был бы прав. Если, вне зависимости от того, насколько беспорядочно вы разбросали материю где-то, получившуюся конгломерацию можно будет ретроспективно назвать подходящей для чего-нибудь, тогда было бы правомерно утверждать, что я жульничал насчёт ласточки и кита. Но у биологов имеется намного более конкретный взгляд на проблему, чем абстрактное утверждение о «полезности для чего-нибудь». Чтобы признать объект животным или растением, мы должны как минимум потребовать, чтобы оно преуспело в той или иной борьбе за существование (точнее — этот объект или, как минимум — некоторые члены его вида, должны жить достаточно долго, чтобы суметь размножиться). Верно — существует множество способов быть живым — полёт, плавание, раскачивание на деревьях и так далее. Однако, как бы ни было много способов быть живым, без сомнения имеется неизмермо больше способов быть мёртвым или скорее неживым, чем живым. Вы можете снова и снова смешивать клетки наугад в течение миллиарда лет и не раз будете получать конгломерацию, которае летает, или плавает, или роет норы, или бегает, или делает что-нибудь (хотя бы очень плохо), что можно было бы с какой-то натяжкой трактовать как деятельность по поддержанию жизни. В этот вопрос можно было бы углубляться весьма долго, но сейчас самое время напомнить себе, с чего мы начали. Мы искали способ точно выразить то, что мы подразумеваем, когда ссылаемся на нечто, как на сложный объект. Мы пытались точно выяснить, что именно люди, кроты, дождевые черви, воздушные лайнеры и часы имеют общего друг с другом, чего они не имеют с бланманже, Монбланом или луной. И мы пришли к выводу, что сложные объекты обладают неким качеством, заранее предопределённым, которое с крайне малой вероятностью могло быть приобретено благодаря одиночному случайному событию. В случае живого существа, это определённое заранее качество можно в некотором смысле назвать «мастерством»; любое мастерство в конкретной способности — такой как полёт, которым авиаконструктор мог бы восхищаться; или мастерство в кое-чём более общем, таком, как способность избегать смерти или способность распространять свои гены в ходе размножения.

Предотвращение смерти — это цель, над достижением которой требуется работать. Тело, предоставленное самому себе — что происходит после его смерти — стремится вернуться к состоянию равновесия с окружающей его средой. Если вы измерите какой-нибудь параметр — такой, как температуру, кислотность, содержание воды или электрический потенциал в живом теле, то чаще всего вы обнаружите его заметное отличие от соответствующего значения в окружающей среде. Например, наши тела обычно теплее окружающей нас среды, и в холодном климате им приходится упорно работать над поддержанием этой разности. Когда мы умираем, эта работа останавливается, разность температур начинает исчезать, и мы в конце концов обретаем ту же температуру, что и наша среда. Не все животные так же усердно трудятся над избежанием выравнивания температуры своего тела с внешней температурой, но все животные проделывают некую сопоставимую работу. К примеру, в сухом климате животные и растения трудятся над сохранением содержания жидкости в своих клетках, действуя против естественной тенденции воды утекать от них в сухой внешний мир. И если они терпят неудачу в этой деятельности, то они умирают. И вообще, живые существа, не проявляющие активности по предотвращению этого выравнивания, в конечном счёте сливаются со своей средой и прекращают существование как автономные сущности. Именно это происходит, когда они умирают.

За исключением искусственных механизмов, которых мы уже согласились расценивать некими почётными живыми существами, неживые объекты не активны в этом смысле. Они не сопротивляются силам, которые стремятся привести их в равновесие с окружающей их средой. Конечно, Монблан существует уже очень долго, и, вероятно, будет продолжать существовать ещё какое-то время, но он не делает ничего, чтобы продолжить своё существование. Когда камень приходит в состояние покоя под действием силы тяжести, то он в нём и остаётся. Никакой работы не требуется, чтобы продолжать его. Монблан существует и будет продолжать существование, пока эрозия не сотрёт его, или его не разрушит землетрясение. Он не предпринимает шагов по восстановлению износа или трещин или к восстановлению самого себя после разрушения — как раз того, что делают живые тела. Он лишь подчиняется простым законам физики.

Но следует ли из этого, что живые существа не подчиняются законам физики? Конечно, нет. Нет никаких причин полагать, что законы физики нарушаются в живой материи. Не существует ничего сверхествественного, никакой «жизненной силы», конкурирующей с фундаментальными физическими силами. Но если вы попытаетесь использовать законы физики в их банальной форме для понимания поведения всего живого тела, то вы скоро обнаружите, что продвинулись очень мало. Тело — сложный объект, состоящий из многих многокомпонентных частей, и чтобы понять его поведение, вы должны применить законы физики к этим частям, а не к целому. Тогда поведение всего тела проявится как следствие взаимодействия частей.

Возьмём, к примеру, законы движения. Если вы бросите мёртвую птицу в воздух, то она опишет изящную параболу, точно такую, какая должна быть по описаниям в книгах по физике, затем придёт в состояние покоя на земле и останется там. Она поведёт себя так, как должно вести себя твёрдое тело с данной массой и данным аэродинамическим сопротивлением. Но если вы бросите в воздух живую птицу, то она не будет описывать параболу и приходить в состояние покоя на земле. Она улетит и может не коснуться земли по эту сторону от границы графства. А всё потому, что у неё есть мышцы, работающие на противодействие силе тяжести и другим физическим силам, действующим на всё тело. Законам физики подчинется каждая мышечная клетка, в результате чего мышцы двигают крыльями таким образом, что птица остаётся в воздухе. Птица не нарушает закон всемирного тяготения. Её постоянно тянет вниз сила тяжести, но её крылья выполняют активную работу — повинуясь законам физики в своих мышцах — и поддерживают её в воздухе несмотря на силу тяжести. Нам будет казаться, что этот факт бросает вызов физическому закону только в том случае, если мы настолько наивны, что будем трактовать птицу просто как бесструктурную глыбу материи некоторой массы и аэродинамического сопротивления. Только когда мы осознаем, что она имеет множество внутренних частей, каждая из которых повинуется законам физики на своём уровне, то мы поймём поведение всего тела. Конечно, это особенность не только живых существ. Эти соображения применимы ко всем искусственным механизмам и, в принципе, применимы к любому сложному, многочастному объекту.

Так мы подходим к заключительной теме, которую я хочу обсудить в этой, скорее философской главе — проблеме того, что мы подразумеваем под объяснением. Мы выяснили, что следует считать сложной вещью. Но какое объяснение удовлетворит нас, если мы спросим, как действует сложный механизм или живое тело? Ответ на него мы дали в предыдущем абзаце. Если мы желаем понять, как действует механизм или живое тело, то мы рассматриваем его составные части и интересуемся, как они взаимодействуют друг с другом. Если некую сложную вещь мы ещё не понимаем, мы можем попробовать понять её в терминах более простых частей, работу которых мы уже понимаем.

Когда я спрашиваю инженера, как работает паровая машина, то я достаточно правомерно желаю получить общий ответ, который бы меня удовлетворил. Меня, как и Юлиана Хаксли, определённо не обрадует расплывчатое утверждение инженера про движение «силою пара». И если он начнёт занудные рассуждения о том, что целое — это больше, чем сумма слагающих его частей, я его, скорее всего, прерву: «Не углубляйтесь в философию — лучше скажите мне, как это работает». При этом я хотел бы услышать что-нибудь насчёт того, как детали двигателя взаимодействуют друг с другом, чтобы получилось наблюдаемое поведение всего двигателя. При этом я должен быть уже готов к восприятию объяснений в терминах весьма крупного блока, собственная внутренняя структура и поведение которого могли бы быть весьма сложны, и пока что не объяснены. Блоки, работу которых требовалось бы удовлетворительно объяснить в первую очередь, могли бы называться топкой, испарителем, цилиндром, поршнем, золотником. Инженер рассказал бы без предварительных объяснений, что делает каждый из блоков. Я принял бы его объяснения сразу, не расспрашивая далее, как именно этот блок делает свою специфическую работу. Зная, какую именно конкретную работу делают блоки, я смогу тогда понять, как они взаимодействуют, чтобы весь двигатель порождал энергию движения.

Конечно, я волен далее спросить, как работает каждая из деталей. Уже поняв тот факт, что золотник перекючает поток пара, и использовав это знание для понимании поведения всего двигателя, я теперь обращаю моё любопытство на сам золотник. Теперь я хочу понять, как он реализует своё собственное поведение — в терминах его внутренних деталей. То есть, имеется иерархия подблоков в пределах блоков. Можно объяснить поведение компонента на любом данном уровне, в понятиях его взаимодействий с другими подкомпонентами, собственную внутреннюю организацию которых на данный момент можно полагать как данность, некий «чёрный ящик». Мы расчищаем себе путь вниз иерархии, пока не достигаем блоков настолько простых, что более не ощущаем потребность (для наших текущих целей) задавать про них вопросы. Например, правильно это или нет, но большинство людей вполне удовлетворено свойством железных стержней быть твёрдыми; мы готовы использовать это свойство для объяснения более сложных машин, в конструкции которых они применяются.

Конечно, физики не воспринимают железные стержни как данность. Они задаются вопросом, почему они твёрдые, и продолжают расчищать иерархию ещё на несколько слоёв, до элементарных частиц и кварков. Но жизнь слишком коротка, чтобы многие из нас следовали их примеру. Для данного уровня организации сложности, удовлетворительного объяснения обычно можно достичь, углубляясь в иерархию вниз на один или два слоя от нашего исходного, не больше. Поведение автомобиля с двигателем внутреннего сгорания вполне объяснимо в терминах цилиндров, карбюраторов и свечей зажигания. Да, верно — каждый из этих компонентов находится вверху пирамиды объяснений более низких уровней. Но если вы спросите меня, как работает автомобиль, то вы сочтёте меня надменным снобом, если я отвечу вам на уровне законов Ньютона или законов термодинамики, и даже мракобесом, если я отвечу вам на уровне элементарных частиц. То, что в своей основе поведение автомобиля объясняется взаимодействиями между элементарными частицами, несомненно. Но намного полезнее объяснять его на уровне взаимодействий между поршнями, цилиндрами и свечами зажигания.

Поведение компьютера можно объяснять на уровне взаимодействий между полупроводниковыми электронными ключами, а их поведение, в свою очередь, физики объясняют на ещё более низких уровнях. Но в большинстве практических случаев вы бы просто впустую тратили время, если бы попытались понять поведение всего компьютера на любом из названных уровней. Электронных ключей слишком много, и слишком много соединений между ними. Удовлетвительное объяснение возможно лишь на уровне обозримо невеликого количества взаимодействий. Вот почему, когда мы хотим понять работу компьютера, мы предпочитаем обзорное объяснение на уровне примерно полудюжины основных блоков — оперативная память, процессор, долговременная память, блок управления, адаптеры ввода-вывода и т. д. После того, как мы поймём взаимодействие между полудюжиной основных компонентов, у нас может возникнуть желание задавать вопросы насчёт внутренней организации уже их самих. Вероятно, только инженеры узкой специализации углубятся до уровня схем «И» и «НЕ», и только физики углубятся далее, на уровень поведения электронов в кристалле полупроводника.

Люди, любящие приклеивать ярлыки «-измов», вероятно, назовут мой подход к пониманию работы чего-либо «иерархическим редукционизмом». Если вы читаете фешенебельные журналы для интеллектуалов, то вы, возможно, заметили, что «редукционизм» — это одно из тех понятий, которые (как, например, «грех») упоминают только люди, осуждающие его. Объявить себя редукционистом — это примерно то же, что признать себя людоедом (в определённых кругах, конечно). Но поскольку никто из нас не людоед, то никто из нас не является и настоящим редукционистом в каком-то веском смысле этого слова. Редукционист — это некто, которому все возражают, и кто существует только в воображении критиков. Этот мифический редукционист пытается объяснить сложные вещи прямо на уровне мельчайших частиц, и даже, в некоторых экстремальных версиях мифа, как сумму частей! С другой стороны — иерархический редукционизм объясняет сложную сущность на некотором конкретном уровне иерархии сложности, в терминах сущностей, лежащих только на один уровень ниже в иерархии; сущностей, которые сами по себе, вероятно, достаточно сложны, чтобы нуждаться далее в редукции до их собственных составных частей; и так далее. Это само собой разумеется — хотя мифический, людоедский редукционист имеет репутацию отрицателя того факта, что объяснения, адекватные на высоких уровнях в иерархии, весьма отличаются от объяснений, адекватных на низких. Именно это и имеется в виду, когда мы предпочитаем объяснение автомобиля на уровне карбюраторов, но не кварков. Но иерархический редукционист полагает, что карбюраторы можно объяснить в терминах меньших блоков…, которые объясняются в терминах ещё меньших…, которые в конечном счёте объясняются в терминах наименьших из элементарных частиц. Редукционизм, — в этом смысле, есть лишь другое название для честного желания понять, как что работает.

Мы начали этот подраздел вопросом о том, какое объяснение сложных вещей удовлетворило бы нас. Мы только что рассмотрели вопрос с точки зрения механизма: как это работает? Мы заключили, что поведение сложных объектов нужно объяснять в терминах взаимодействий между их составными частями, рассматриваемыми как последовательные слои иерархии. Но есть и вопрос другого вида — как сложная вещь впервые появилась. Этим вопросом вся наша книга интересуется особенно пристально, поэтому я не буду здесь об этом много говорить. Я лишь замечу, что здесь применяется тот же самый общий принцип, что и в понимании работы механизма. Сложная вещь — это вещь, существование которой мы не склонны полагать само собой разумеющимся, потому что она слишком «невероятна». Она не могла появиться в результате одного случайного события. Мы объясним её появление как результат постепенных, нарастающих, пошаговых преобразований более простых вещей, от изначального объекта, достаточно простого, чтобы он мог возникнуть случайно. Точно так же, как «редукционизм больших шагов» не работоспособен для объяснения работы механизма и должен быть заменён на серию маленьких пошаговых погружений вниз по иерархии, так мы не можем объяснить возникновение сложной вещи в единственном акте. Мы должны снова обратиться к серии мелких шагов, только уже разложенных последовательно во времени. Оксфордский физический химик Питер Аткинс свою красиво написанную книгу «Творение» начинает так:

Я возьму вашу мысль в путешествие. Это будет путешествие познания, путешествие на край пространства, времени и понимания. В нём я докажу, что в мире нет ничего, что невозможно понять, нет ничего, что было бы невозможно объяснить, и что всё в мире — необычно просто… много чего во Вселенной не нуждается в каком-то объяснении. Например, слоны. Раз уж молекулы научились конкурировать и создавать другие молекулы по своему образу и подобию, то слоны, и им подобные создания, неизбежно окажутся бродящим по саванне.

Аткинс принимает эволюцию сложных вещей (предмет нашей книги) неизбежной, раз уж создались соответствующие физические условия. Он интересуется, какими должны быть минимально необходимые физические условия, и каков должен быть минимум креативной деятельности очень ленивого творца, чтобы увидеть эту Вселенную, и позже — как однажды появились слоны и другие сложные вещи. Его ответ, ответ учёного-физика состоит в том, Творец мог бы быть абсолютно ленив. Чтобы понять начало существования всего сущего, нам необходимо постулировать некие фундаментальные первозданные единицы, представляющие собой или (по мнению некоторых физиков) буквально ничто, или (по мнению других физиков) единицы предельно простые — настолько, чтобы не нуждаться в чём-то столь грандиозном, как преднамеренное творение. Аткинс утверждает, что слоны и другие сложные вещи не нуждаются в каком-то объяснении. Но он говорит это потому, что он — учёный-физик, полагающий эволюционную теорию биологов данностью, не нуждающейся в доказательствах. На деле он не думает, что появление слонов не нуждается в объяснении, но имеет в виду, что он удовлетворён объяснениями биологов, которые могут объяснить происхождение слонов, если им дозволено использовать некоторые физические факты как данность. Его задача как физика, следовательно состоит в том, чтобы доказать законность использования этих фактов как данностей. И ему это удаётся. Моя позиция дополняет его позицию. Я — биолог. Я использую физические факты, факты изначальной простоты мира, как данность. Если меж физиками нет согласия о том, достаточно ли поняты те простые факты, то это не моя проблема. Моя задача состоит в объяснении существования слонов, и мира других сложных вещей, в терминах простых данностей, которые физики или уже понимают, или работают над выяснением. Проблема физиков — проблема происхождения первозданных сущностей и базовых законов природы. Проблема биолога — проблема сложности. Биолог старается объяснять функционирование и появление сложных вещей в понятиях вещей более простых. Он может считать свою задачу выполненной, когда он дошёл до объектов настолько простых, что их можно благополучно передавать физикам.

Я осознаю, что моя характеризация сложного объекта, как статистически невероятного в заранее заданном направлении, может выглядеть только моей новацией. Аналогично может выглядеть моя характеризация физики, как изучающей простые объекты. Если вы предпочитаете какое-то другое определение сложности — на здоровье, я был бы счастлив использовать и ваше определение для дискуссии. Но что для меня принципиально — независимо от того, что мы хотим называть статистически-невероятным-в заранее-заданном-направлении, это — важное свойство, нуждающееся в особых усилиях по объяснению. Это — как раз то свойство, которое характеризует биологические объекты в противопоставлении физическим. Объяснение, которое мы предложим, не должно противоречить законам физики. И в самом деле, оно использует законы физики и ничего кроме законов физики. Но оно трактует эти законы особым образом, который обычно не обсуждается в учебниках физики. Этот особый способ — способ Дарвина. Я вознакомлю вас с его сущностью в третьей главе под заголовком «Нарастающая селекция».

А пока я хочу взять пример с Пали и подчеркнуть величие проблемы, на объяснение которой мы осмелились, неимоверность биологической сложности, красоты и элегантности биологического замысла. Во второй главе расширенно обсуждается конкретный пример — ультразвуковой «радар» летучих мышей, открытый у них намного позже эпохи Пали. А здесь, в этой главе, я покажу иллюстрацию (рис. 1) (жаль, что у Пали не было электронного микроскопа! Он бы ему понравился) глаза с двумя последовательными увеличенными детализациями. В верхней части рисунка — разрез самого глаза. Этот уровень увеличения показывает глаз оптическим прибором — подобие его фотокамере очевидно. Ирисовая диафрагма отвечает за постоянное изменение апертуры (входного отверстия).

Рис. 1

Хрусталик, являющийся только частью сложной оптической системы глаза, отвечает за переменную часть фокусировки. Фокус меняется посредством сжатия хрусталика мышцами (у хамелеонов мышцы перемещают хрусталик вперёд или назад, совсем как в нашей фотокамере). Изображение рисуется на сетчатке, находящейся на задней стенке глаза, где оно воздействует на светочувствительные клетки.

В средней части рисунка 1 увеличенно показана маленькая секция сетчатки. Свет падает слева. Светочувствительные клетки находятся не на поверхности сетчатки, а заглублены в толщу тканей в ней и прикрыты от света. Об этой странной особенности я упомяну позже ещё раз. Путь света сначала проходит через слой клеток ганглиев, которые являются «электронным интерфейсом» между светочувствительными клетками и мозгом. Клетки ганглия ответствены за хитроумную предварительную обработку информации до её передачи в мозг, и поэтому слово «интерфейс» применительно к ним не вполне справедливо. Обозначение «периферийный компьютер» — было бы по отношению к ним правильнее. «Провода» от клеток ганглия, проходящие по поверхности сетчатки к «слепому пятну», где они проходят сквозь неё, формируют «магистральный кабель» в мозг — зрительный нерв. В сетчатке имеется около трёх миллионов клеток ганглия в «электронном интерфейсе», собирющем данные с примерно 125 миллионов светочувствительных клеток.

В нижней части рисунка — одна светочувствительная клетка, палочка. Глядя на изящную архитектуру этой клетки, вспомните тот факт, что эта прекрасная сложность повторена 125 миллионов раз в каждой сетчатке. И сопоставимая сложность повторена триллионы раз в других местах всего тела. 125 миллионов светочувствительных клеток примерно в 5000 раз превышают количество раздельно различимых точек на журнальной фотографии хорошего качества. Сложенные мембраны в правой части показанной палочки — это собственно собирающие свет структуры. Их слоистое строение увеличивает эффективность поглощения фотонов, элементарных частиц — переносчиков света. Если фотон не пойман первой мембраной, он может быть пойман второй, и так далее. Поэтому некоторые глаза способны обнаружить единственный фотон. Самые светочувствительные эмульсии фотоплёнок, доступные фотографам, требуют примерно в 25 раз больше фотонов, чтобы детектировать световую точку. Объекты, похожие на таблетки в средней части клетки, это, главным образом митохондрии. Митохондрии есть не только в светочувствительных клетках, но и в большинстве других клеток тела. Каждую митохондрию можно сравнить с химической фабрикой, которая, вырабатывая энергию, годную для потребления другими структурами, перерабатывает более 700 различных химических субстанций на своих длинных, переплетённых «сборочных конвейерах», натянутых на поверхности её запутанно свёрнутых внутренних мембран. Круглый шарик в левой части рисунка 1 — ядро. Наличие клеточного ядра тоже характерно из всех животных и растительных клеток. Как мы увидим в главе 5, каждое ядро содержит большую, дискретно закодированную базу данных, объём информации в которой превышает таковой во всех 30 томах «Британской энциклопедии» вместе взятых. И это — для каждой клетки, а не всех клеток тела, вместе взятых!

Клетка-палочка в нижней части рисунка — это одна единственная клетка. Общее количество клеток в теле (человека) — примерно 10 триллионов. И когда вы кушаете бифштекс, вы разрушаете информацию, эквивалентную по объёму более чем 100 миллиардам копий «Британской энциклопедии».

Глава 2. Удачный проект

Естественный отбор — это слепой часовщик. Он слеп, ибо не смотрит вперёд, не планирует результатов и не имеет никакой цели. Тем не менее, живые результаты естественного отбора несказанно впечатляют нас ощущением задуманности как бы высококвалифицированным часовщиком, впечатляют иллюзией запроектированности и запланированности.

Цель этой книги — разрешить этот парадокс к удовлетворению читателя, а цель этой главы — ещё более впечатлить читателя силой этой иллюзии задуманности. Мы рассмотрим конкретный пример и сделаем вывод, что Пали лишь прикоснулся к этой теме, настолько велика его сложность и красота замысла.

Мы можем говорить, что живое тело или орган хорошо разработаны, если они обладают особенностями, которые умный и опытный инженер мог встроить в них для достижения определённой разумной цели — такой, как полёт, плавание, видение, питание, размножение — или, говоря шире, для поддержки своего выживания и репликации генов организма. Нет необходимости предполагать, что замысел данного тела или органа — это лучшее из того, до чего инженер мог бы додуматься. Часто бывает, что лучшее достижение одного инженера, может быть в общем случае превзойдено лучшим достижением другого инженера, особенно если второй живёт позже в технологической истории. Но любой инженер может понять цель разработки объекта, даже если он разработан плохо, и обычно он может понять эту цель, изучая его структуру. В первой главе мы интересовались главным образом философскими аспектами. В этой главе я буду рассматривать конкретный пример, который, полагаю, произвёл бы впечатление на любого инженера — а именно сонар («радар») летучих мышей. Объясняя каждый пункт, я буду начинать с изложения проблемы, стоящей перед живой машиной; затем я буду рассматривать возможные решения этой проблемы, которые мог бы рассмотреть разумный инженер; и наконец — к решению, фактически принятому природой. Разумеется, наш пример для ллюстрации выбран почти произвольно. Если инженера увлечёт функционирование летучих мышей, его столь же увлекут другие бесчисленные примеры живых проектов.

Перед летучими мышами стоит проблема: как находить путь в темноте? Они охотятся ночью и не могут использовать свет для поисков добычи и избегания препятствий. Вы могли бы здесь заметить, что если это проблема, то это проблема их привычек, и этой проблемы они могли бы избежать, просто изменив эти привычки и перейдя к охоте днём. Но дневная экономическая ниша уже плотно занята другими существами, такими, как птицы. Учитывая, что ночью есть возможность изыскать средства к существованию, а также учитывая, что альтернативные дневные экономические ниши полностью заняты, естественный отбор одобрил летучих мышей, которые практикуют экономику ночной охоты. Кстати, вероятно, что ночной образ жизни вели предки всех ныне существующих млекопитающих. В эпоху, когда динозавры доминировали в дневной экономике, наши млекопитающие предки, возможно, именно потому сумели вообще выжить, что нашли способы бороться за существование[2] ночью. И только после таинственного массового исчезновения динозавров примерно 65 миллионов лет назад, наши предки получили возможность выйти на дневной свет в каких-то существенных количествах.

Итак, у летучих мышей есть техническая проблема: как находить путь и искать добычу при отсутствии света. Летучие мыши — не единственные существа, стоящие перед этой трудностью сегодня. Очевидно, что летающие ночью насекомые, на которых летучие мыши охотятся, также должны как-то находить свой путь. Глубоководных рыб и китов тоже окружает полная или почти полная темнота — и днём, и ночью, потому что лучи солнца не могут проникать глубоко в воду. Рыбы и дельфины, которые живут в чрезвычайно мутной воде, также не могут видеть — несмотря на наличие света, так как свет рассеивается загрязнениями. Многие другие современные животные живут в условиях, в которых использование зрения затруднено или невозможно.

Какие решения мог бы рассмотреть инженер, поставленный перед проблемой маневрирования в темноте? Первое, что могло бы придти к нему в голову, так это идея выработки света — какого-нибудь фонаря или прожектора. Светлячки и некоторые рыбы (обычно с помощью бактерий) имеют возможность излучать собственный свет, но этот процесс, похоже, потребляет много энергии. Светлячки используют свой свет для привлечения самок. Для этого не требуется непомерно большой энергии: самка может заметить тёмной ночью крошечную светящуюся точка самца с довольно большого расстояния, поскольку на её глаза действует прямой свет самого источника. Использование света для освещения своего пути требует значительно большей энергии, так как глаза должны при этом уловить крошечную долю излучённого света, рассеянного предметами окружающей сцены. Поэтому, если мы хотим использовать свет для освещения пути, то источник этого света должен быть намного ярче, чем сигнальный источник для информирования кого-то другого. Ну так или иначе, действительно ли причина в расходе энергии или нет, но похоже, что это факт — за возможным исключением одной таинственной глубоководной рыбы, никакое другое животное, кроме человека, не использует продуцированный свет для освещения пути своего передвижения. О чём ещё инженер мог бы подумать? Вроде бы слепые люди иногда демонстрируют сверхъествественное чутьё препятствий на их пути. Этому явлению дали название «лицевого зрения», потому что слепые сообщали об ощущениях, подобных лёгкому прикосновению к лицу. Одно сообщение описывает полностью слепого мальчика, который мог ездить на хорошей скорости на своём трёхколесном велосипеде вокруг квартала близ своего дома, пользуясь «лицевым зрением». Эксперименты показали, что на деле «лицевое зрение» не имеет ничего общего с прикосновениями к лицу, хотя ощущения при этом могут быть описаны именно так, и, видимо, подобны фантомной боли ампутированной конечности. Оказалось, что ощущение «лицевого зрения», на деле приходит через уши. Слепые люди, даже не осознавая этого факта, на деле используют эхо звука своих собственных шагов и других звуков, ощущая наличие препятствий. Инженеры построили приборы, использующие этот принцип, например — для замера глубины моря под судном, ещё до обнаружения этого факта. Как только эта техника была изобретена, то адаптация ее разработчиками оружия для обнаружения субмарин была лишь вопросом времени. Обе стороны во второй мировой войне активно использовали эти устройства под наименованиями «Асдик» (в Британии) и «сонар» (в США). Подобная технология была использована в «радарах» (в США) или «RDF» (в Британии), где использовалось эхо не звуковой, а радиоволны. Разработчики первых сонаров и радаров ещё не знали про летучих мышей, но сейчас весь мир знает, что летучие мыши или, скорее, естественный отбор, работавший на летучих мышах, усовершенствовал эту систему на десятки миллионов лет раньше, и их «радары» творят такие подвиги детектирования и навигации, от каких инженер онемел бы от восторга. Будет технически неправильным говорить, что летучие мыши пользуются «радаром», так как они не используют радиоволны. Это сонар. Но теоретические принципы работы радара и сонара очень близки, и большая часть научного осмысления подробностей работы сонара летучих мышей появилась благодаря приложению к ним теории радаров. Американский зоолог Дональд Гриффин, внёсший значительный вклад в открытие сонара у летучих мышей, предложил термин «эхолокация», охватывающий как звуковую, так и радиолокацию, и применимый как эхолокаторам животных, так и рукотворным человеческим приборам. Впрочем, на практике это слово в основном относиться к сонарам животных.

Неправильно говорить о летучих мышах как об совершенно однородной группе. Ну это примерно как если бы мы говорили про собак, львов, ласок, медведей, гиен, панд и других в одном духе — только потому, что все они — плотоядные животные. Различные группы летучих мышей используют сонар совершенно по-разному, и, похоже, «изобрели» его независимо друг от друга — подобно тому, как англичане, немцы и американцы независимо друг от друга изобрели радар. Не все летучие мыши используют эхолокацию. У тропических растительноядных летучих мышей Старого Света хорошее зрение, и они в основном используют для ориентации только свои глаза. Однако один или два вида плодовых летучих мышей, например Rousettus, способны ориентироваться в полной темноте, где глаза, даже хорошие, бессильны. Они используют сонар, но более примитивный, чем тот, что используется более мелкими летучими мышами умеренных широт, с который мы знакомы. Rousettus в полёте громко и ритмично щёлкает языком, и ориентируется, измеряя интервал времени между каждым щелчком его эхо. Rousettus издают ясно слышимые для нас щелчки (т. е. издают, по определению, звуки, а не ультразвуки: ультразвук — это то же самое, что и звук, только слишком высокого тона, чтобы люди могли его слышать).

По теории, чем выше используется тон звука, тем точнее производится эхолокация — потому, что у звуков низкого тона большая длина волны, которая не позволяет различать близко расположенные объекты.[3] Поэтому летательному снаряду, использующему эхолокацию в системе наведения, при прочих равных условиях было бы целесообразно генерировать очень высокие звуки. И в самом деле — большинство летучих мышей используют чрезвычайно высокие звуки, намного более высокие, чем те, которые люди могут слышать — ультразвуки. В отличие от Rousettus, которые видят очень хорошо, и которые используют неизменяющиеся относительно низкие звуки для своей скромной эхолокации в дополнение к своему хорошему зрению, более мелкие летучие мыши, судя по всему, — технически высокоразвитые механизмы эхолокации. У них крошечные глаза, которые в большинстве случаев не могут увидеть много. Они живут в мире эхо, и, вероятно, их мозг может на основании эхо производить что-то вроде «построения изображений», хотя нам почти невозможно представить, как бы могло выглядеть такое изображение. Шум, который они производят, не просто слегка выше того, что люди могут слышать, вроде своего рода пронзительного визга супер-собаки. В многих случаях он значительно выше того, что какое-либо существо может услышать или вообразить. И кстати, нам очень повезло, что мы не можем их слышать, ибо это очень мощные звуки, и для нас они были бы оглушительно громки — при такой громкости мы вряд ли смогли бы спать.

Эти летучие мыши, как миниатюрные самолёты-разведчики, нашпигованы изощрённой аппаратурой. Их мозг — это тонко настроенный пакет миниатюрных штучек для электронного колдовства, запрограммированных сложным программным обеспечением, необходимым для расшифровки мира эхо в режиме реального времени. Их мордочки часто искривлены в фантастические горгульи, представляющиеся нам отвратительными, — до тех пор, пока мы не видим для чего они нужны — это изысканно скроенные инструменты для излучения ультразвука в нужных направлениях. Хотя мы не можем непосредственно слышать импульсы ультразвука этих летучих мышей, но мы можем понять происходящее посредством аппаратуры перевода или «бат-детектора». Он принимает импульс специальным ультразвуковым микрофоном и преобразует его в слышимый щелчок или тон, который мы уже можем слышать в наушниках. Если мы возьмём такой «бат-детектор» на лесную вырубку, где кормятся летучие мыши, то мы услышим каждый испускаемый ими импульс, хотя мы не можем слышать, как этот импульс в действительности «звучит». Если наши летучие мыши — Myotis, а это одна из обычных у нас небольших коричневых летучих мышей, то мы услышим щелчки с частотой примерно 10 щелчков в секунду (10 Герц), когда она курсирует по своему обычному маршруту. Это примерно частота работы стандартного телетайпа или скорострельного пулемёта.

Возможно, что образ мира, в котором крейсирует летучая мышь, обновляется 10 раз в секунду. Наш с вами визуальный образ мира представляется нам беспрерывно, пока наши глаза открыты, обновляющимся. Мы можем видеть, как мог бы выглядеть дискретно обновляющийся образ мира, включив ночью стробоскоп. Их иногда используют на дискотеках, и он производит довольно впечатляющий эффект. Танцующий человек выглядит последовательностью замороженных статичных поз. Очевидно, что чем чаще следуют импульсы строба, тем ближе полученный образ соответствует нормальному «беспрерывному» зрению. Стробоскопическое видение с частотой крейсерского полёта летучей мыши (примерно 10 образов в секунду) — даёт почти столь же хорошую картину, как и нормальное «непрерывное» зрение — для обычных целей, но не для ловли шарика или насекомого.

Но это «дежурная» частота выборки образов летучей мышью на обычном крейсерском полёте. Когда маленькая коричневая летучая мышь обнаруживает насекомое и ложится на курс его перехвата, то частота щелчков возрастает. Она щелкает при этом быстрее пулемёта, частота может достичь 200 Герц, пока она наконец не достигает свою движущуюся цель. Чтобы достичь того же эффекта, нам придётся ускорить наш стробоскоп настолько, чтобы его вспышки следовали с частотой, вдвое большей, чем полуциклы в нашей электрической сети, хотя даже эта частоту мы уже воспринимаем слитно и не видим мерцания люминесцентных ламп. Обратите внимание, что у нас при этом нет никаких проблем с выполнением наших обычных визуальных задач в их свете — даже при игре в сквош или пинг-понг, хотя наш визуальный мир при этом пульсирует на такой высокой частоте (100 Герц). Если предположить, что мозг летучей мыши строит образ мира, аналогичный нашим визуальным образам при частоте нашей сети, то можно предположить, что образ мира в эхе летучей мыши по меньшей мере столь же детализирован и «беспрерывен», как и наш с вами визуальный образ. Конечно, возможны и другие причины, приводящие к меньшей (чем у нас) детализации образа мира летучей мыши.

Если летучие мыши могут повышать частоту импульсов до 200 Герц, то почему они не поддерживают эту частоту всё время? Так как у них очевидно есть «регулятор частоты», своего «стробоскопа», то почему они не держат его постоянно на максимуме? Ведь тем самым всё время они поддерживают своё восприятие мира в его наиболее отчётливой форме и готовы отреагировать на любую критическую ситуацию? Одна из причин этого может быть в том, что высокие частоты хороши лишь для близких целей. Если импульсы следуют слишком часто, то один излучаемый импульс может слиться с эхом его предшественника от далёкой цели. Даже если это не так, то, вероятно, имеются веские экономические причины для того, чтобы не поддерживать частоту импульсов на максимальном уровне всё время. Должно быть накладно производить громкие сверхзвуковые ипульсы — накладно в смысле и энергии, и износа голоса и слуха, и может быть — в компьютерном времени. Мозг, который обрабатывает 200 раздельных эхокартин в секунду, возможно, уже не имеет запаса производительности для «размышлений» о чём-нибудь ещё. Частота выборки даже в 10 герц, вероятно, также весьма накладна, но намного меньше таковой на максимальной частоте 200 Герц. Конкретная летучая мышь, повысившая частоту своих тиков, заплатит дополнительную цену в энергии и т. д., которая не будет оправдана увеличенной точностью сонара. Когда единственный движущийся объект в округе — сама летучая мышь, то образы видимого мира, отстоящие друг от друга на десятую долю секунды вполне подобны друг другу и не нуждаются в более частой смене. Когда же в обозримой близости наличествует другой движущийся объект, особенно — летящее насекомое, бьющееся и мечущееся в отчаянной попытке избавиться от преследователя, то выгода от увеличения частоты импульсов более чем оправдывает возросшие издержки. Конечно, соображения насчёт издержек и выгод в этом абзаце — это предположение, но что-нибудь вроде этого почти наверняка должно иметь место.

Инженер, приступающий к разработке эффективного сонара или радара скоро сталкивается с проблемой, вытекающей из необходимости производить импульсы максимальной громкости. Они должны быть громкими, потому что волновой фронт излученного звука распространяется по расширяющейся сфере. Интенсивность звука распределяется и, в каком-то смысле, «растворяется» по всей поверхности сферы. Поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому интенсивность звука в любой заданной точке на поверхности сферы уменьшается не прямо пропорционально расстоянию (радиусу), а пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Это означает, что в своём путешествии от источника (в нашем случае — летучей мыши) звук затихает довольно быстро.

Когда этот ослабленный звук достигает цели, скажем — мухи, он от неё отражается. Этот отражённый звук, в свою очередь, также излучается от мухи по расширяющемуся сферическому фронту. Как и в случае первичного импульса, он угасает пропрционально квадрату расстояния от мухи. К тому моменту, когда эхо вновь достигает летучей мыши, угасание его интенсивности оказывается пропорциональным не расстоянию от мухи до летучей мыши и даже не квадрату этого расстояния, а квадрату квадрата — т. е. четвёртой степени расстояния. Это означает, что он будет очень и очень тихим. Проблему возможно частично преодолеть, если летучая мышь будет излучать звук направленно, как из мегафона, но для этого ей нужно уже знать направление на цель. В любом случае, если летучей мыши нужно получить некое внятное эхо от всех отдалённых целей, то писк, исходящий от мыши, должен быть в самом деле очень громким; а инструмент обнаружения отражённого — ухо, должен быть очень чувствителен к слабому звуку эхо. И как мы уже знаем, летучая мышь часто и в самом деле кричит очень громко, а её уши и в самом деле очень чувствительны.

Теперь рассмотрим проблему, которая озадачила бы инженера, если б он попытался спроектировать некое подобие механической летучей мыши. Если микрофон (или ухо) будет столь чувствительным, как это требуется здесь, то он будет подвергаться большой опасности серьёзного повреждения собственным — чрезвычайно громким излученным импульсом звука. Нет смысла бороться с проблемой, снижая громкость излученного звука, ибо тогда эхо будет слишком тихим, чтобы его расслышать. И также нет смысла повышать чувствительность микрофона («уха»), ак как это сделает его более уязвимым для повреждений, путь уже несколько более тихим излученным звуком! Эта дилемма неразрывно связана с радикально различной интенсивности излученного и принятого звука, и различие это неумолимо следует из законов физики.

Какое другое решение мог бы предложить инженер? Когда перед аналогичной проблемой встали проектировщики радара во второй мировой войне, то они натолкнулись на решение, которое они назвали «приёмо-передающим» радаром. Локационные сигналы посылались обязательно в виде очень мощных импульсов, которые могли бы повредить высокочувствительный приёмник, ожидающий слабое отражённое эхо. Приёмо-передающий переключатель временно отсоединяет входные цепи приёмника от антенны непосредственно перед началом излучения исходящего импульса, а затем снова включает их к тому времени, когда нужно будет принимать эхо.

Летучие мыши развили «приёмо-передающее» переключение очень давно, вероятно, за миллионы лет до того, как наши предки спустились с деревьев. Она работает так: в ухе, как и у летучей мыши, так у нас, звук передаётся от барабанной перепонки к «микрофонным», звукочувствительным клеткам посредством моста из трёх крошечных костей, названных (из-за внешнего сходства) молоточком, наковальней и стремечком. Между прочим, расположение и подвеска этих трёх костей очень точно решают задачу, которую квалифицированный инженер назвал бы задачей «согласования импедансов», но это уже другая история. Важно, что у некоторых летучих мышей хорошо развиты мускулы, воздействующие на стремя и молоточек. Когда эти мускулы напряжены, то эти косточки передают звук ослабленно — как если бы вы приглушили микрофон, прижимая палец к вибрирующей мембране. Летучая мышь может использовать эти мускулы, чтобы временно отключать свои уши. Сокращение этих мускулов непосредственно перед выдачей каждого исходящего импульса, тем самым выключает уши, чтобы они не были повреждены громким звуком. Затем они расслабляются, чтобы ухо возвратилось к своей максимальной чувствительности ко времени получения отражённого эха. Эта приёмо-передающая переключательная система работает только тогда, когда обеспечивается точность отслеживания времени в доли секунды. Летучая мышь, называемая Tadarida способна к поочерёдному напряжению и расслаблению переключающих мускулов 50 раз в секунду, соблюдая полную синхрониизацию с механизмом стрельбы ипульсами ультразвука. Это огромное достижение, сопоставимое с хитрым механизмом, использовавшимся в некоторых истребителях времён первой мировой войны. Их пулемёты, стреляющие «сквозь» пропеллер, тщательно выбирали момент выстрела, строго синхронизированный с его вращением, чтобы пули всегда пролетали между лопастями и никогда не отстреливали их.

Следующая проблема, которая могла бы возникнуть у нашего инженера, такова. Раз уж сонар измеряет расстояние до цели, измеряя длительность тишины между излучением звука и вернувшимся от него эхом — а этот метод Rousettus кажется и в самом деле использует, то импульс должен быть при этом очень кратким и отрывистым — эдакое стаккато. Длинный, растянутый импульс всё ещё бы излучался, когда бы уже вернулось эхо, и даже будучи частично приглушенным мускулами «приемо-передатчика», попал бы в механизм распознавания эха. В идеале импульс летучей мыши должен быть очень коротким, и это, похоже, так и есть. Но чем короче импульс, тем труднее сделать его достаточно мощным, чтобы получить удовлетворительное эхо. Здесь имеет место другая неблагоприятная для нас альтернатива, вытекающую из законов физики. Изобретательные инженеры могли бы предложить два решения этой проблемы, что и действительно было предложено ими, опять же применительно к радару. Какое из этих двух решений предпочтительнее — зависит от того, что для нас важнее — измерить удаление объекта от измерителя или измерить скорость перемещения объекта относительно измерителя. Первое решение известно радиоинженерам как «чирикающий радар»[4].

Радарные сигналы представляют собой серию импульсов, но у каждого импульса есть так называемая несущая частота. Представьте себе быстрое включение и выключение звука (или ультразвука). Как мы помним, крики летучей мыши представляют собой импульсы с частотой следования в десятки или сотни штук в секунду (десятки и сотни герц). И каждый из этих импульсов имеет несущую частоту — от десятков до сотен тысяч герц.

Популярно говоря, каждый импульс является коротким и очень высоким взвизгом. Импульс радара точно так же является «взвизгом» радиоволн, с высокой несущей частотой. Специфической особенностью «чирикающего» радара является отсутствие строго фиксированной несущей частоты каждого взвизга. Вместо этого, несущая частота меняется вверх или вниз примерно на октаву. Если вы хотите представить себе звуковой эквивалент его, то каждый такой радарный импульс можно представить как ниспадающий свист удивлённого человека. Преимущество «чирикающего» радара в сравнении с радаром фиксированной несущей частотой состоит в следующем. Для него не имеет большого значения, что исходящий импульс всё ещё не закончился, когда уже пришло эхо. Они не будут перепутаны друг с другом — ведь эхо, получаемое в данный момент времени, будет отражением более ранней части импульса и, следовательно, будет иметь отличающуюся частоту.

Люди-разработчики радаров извлекли много пользы из этой изобретательной техники. Имеются ли какие-нибудь свидетельства того, что летучие мыши тоже это «открыли» — подобно тому, как они открыли приёмо-передающую систему? Да, действительно, многие виды летучих мышей производит крики с ниспадающей несущей частотой, обычно примерно на октаву в каждом крике. Эти посылки «удивлённого свиста» известны как частотная модуляция (FM). Они используются людьми там, где требуется использовать технику «чирикающего радара». Однако, есть свидетельства, пока предположительные, что летучие мыши используют эту технику не для различения сигнала эхо от исходного звука, а для решения более тонкой задачи отличения одного эхо от другого. Летучая мышь живёт в мире многих эхо — близких объектов, далёких объектов и объектов на всех промежуточных расстояниях, и ей нужно отсортировывать эти эхо друг от друга. Если она издаёт ниспадающие «удивлённые свисты», то сортировку можно чётко сделать по тону. Когда эхо от далёкого объекта наконец приходит назад к летучей мыши, оно будет «старше», чем одновременно пришедшее эхо от близкого объекта, и поэтому будет иметь более высокий тон. Когда летучая мышь принимает эхо от нескольких объектов сразу, то она может следовать простому эмпирическому правилу: чем выше тон, тем дальше объект.

Вторая умная идея, которая могла бы придти в голову инженеру, особенно он интересуется измерением скорости перемещающейся цели, заключается в использовании интересного эффекта, называемого физиками допплеровским сдвигом. Его можно также назвать «эффектом санитарной машины», так как самое знакомое его проявление — резкое снижение тона сирены санитарной машины, когда она проносится мимо слушателя. Допплеровский сдвиг случается всякий раз, когда источник звука (или света, а также волн другого вида) и его приёмник двигаются друг относительно друга. Легче всего представить источник звука неподвижным, а слушателя — двигающимся. Допустим, что сирена на крыше фабрики гудит непрерывно и всё время на одной ноте. Звук излучается как ряд волн. Эти волны нельзя увидеть, так как это волны воздушного давления; но если б они были видимы, то выглядели бы как концентрические круги, распространяющиеся вдаль, наподобие волн от камешка, брошенного в спокойный пруд. Представте себе, что непрерывная серия камешков падает в середину пруда так, чтобы волны постоянно исходили из середины. Если мы поставим игрушечный кораблик на якорь в какой-то фиксированной точке пруда, то кораблик будет ритмично качаться на проходящих под ним волнах. Частота, с который раскачивается кораблик, в чём-то подобна звуковому тону. Теперь предположим, что кораблик снялся с якоря и на всех парах двинулся пересекать пруд в примерном направлении центра, от которого и исходят круги волн. Он по прежнему будет раскачиваться, поскольку волны по прежнему будут проходить под ним. Но частота проходящих под корабликом волн будет теперь выше, так как он путешествует к источнику волн и будет качаться с более высокой частотой. На другой стороне от центра пруда, когда кораблик минует источник волн, частота, с которой он будет раскачиваться, очевидно понизится.

Если мы быстро проедем на (предпочтительно малошумном) мотоцикле мимо гудящей фабричной сирены, то по той же причине при приближении к фабрике высота тона будет повышена — наши уши при этом поглощают волны с более высокой частотой, чем когда они бы не двигались. И точно так же, когда наш мотоцикл минует фабрику и будет удаляться от неё, тон будет понижен. Когда мы останавливаем движение, то мы будем слышать тон сирены, средний по высоте между двумя допплер-сдвинутыми тонами. Из этого следует, что если мы знаем точную высоту тона сирены, то мы в принципе можем определить, насколько быстро мы двигаемся к источнику или от него, просто сравнивая слышимый тон с известным «истиным».

Те же самые рассуждения справедливы, когда источник звука перемещается, а слушатель неподвижен. Именно этот случай имеет место при движении санитарной машины мимо нас. Хотя это не слишком правдоподобно, но говорят, сам Христиан Допплер демонстрировал этот эффект, наняв духовой оркестр для исполнения музыки на открытом железнодорожном вагоне-платформе, которая помчалось мимо его изумлённой аудитории. Имеет значение относительное перемещение, и для эффекта Допплера безразлично, источник ли звука перемещается относительно уха, или ухо перемещается мимо источника. Если два поезда двигаются во встречном направлении, каждый — со скоростью 125 миль в час, то пассажир одного поезда будет слышать пронзительный вой другого поезда, мчащегося навстречу, повышенный особенно радикальным допплеровским сдвигом, ибо относительная скорость этих поездов составит 250 миль в час (400 км/ч). Эффект Допплера используется в полицейских радарах — измерителях скорости автомобилей. Неподвижный прибор излучает сигнал радара вдоль дороги. Волны радара отражаются от приближающегося автомобиля и регистрируются приёмной аппаратурой. Чем быстрее двигается автомобиль, тем выше будет допплеровский сдвиг по частоте. Сравнивая излученную частоту с частотой отражённого эха, полиция или, скорее, их автоматический прибор, может вычислять скорость каждого автомобиля. Ну если полиция может использовать этот эффект для измерения скорости лихачей, то смеем ли мы надеяться, что удастся обнаружить использование её летучими мышами для измерения скорости насекомого-добычи? Да, есть такое дело. Давно было известно, что маленькие летучие мыши, известные как «подковки» издают длинные крики стабильного тона — а не стаккато щелчки или ниспадающий «свист удивления». Говоря «долго», я имею в виду, что долго по стандартам летучих мышей. Её «крик» длится менее десятой части секунды. И, как мы далее увидим, часто в конце крика имеется «свист удивления». Представим себе, что вначале подковка издаёт неизменяющийся тон ультразвука, когда быстро летит к неподвижному объекту, например, к дереву. Волны импульса будут падать на дерево с увеличенной частотой, так как мышь летит к дереву. Если бы в дереве был микрофон, то он бы «слышал» повышенный из-за допплер-смещения тон звука этого импульса благодаря движению летучей мыши. Микрофона в дереве кончено нет, но эхо, отражённое назад от него, будет иметь именно такой повышенный тон, какой бы слышал микрофон. Далее волны эха бегут назад от дерева к приближающейся летучей мыши, ибо она всё ещё быстро двигается навстречу к ним. Поэтому происходит дальнейшей допплеровский сдвиг тона эхо вверх при восприятии его летучей мышью. Движение летучей мыши приводит к своего рода двойному допплер-эффекту, величина которого точно характеризует скорость летучей мыши относительно дерева. Сравнивая тон своего крика с тоном эхо, летучая мышь (лучще сказать — её бортовой компьютер в мозгу), может в принципе вычислять, как быстро она приближается к дереву. Этот эффект не сообщает мыши, как далеко это дерево, но тем не менее, это может быть очень полезной информацией.

Если отражающий эхо объект будет не статичным деревом, а двигающимся насекомым, допплер-эффект будет сложнее, но тем не менее — летучая мышь сможет вычислить скорость своего перемещения относительного цели — очевидно, такого рода информация нужна такой сложной «управляемой ракете», как охотящаяся летучая мышь. Некоторые летучие мыши проделывают более интересный трюк, чем просто испускание крика постоянного тона с последующим измерением тона вернувшегося. Они так подстраивают тон исходящих криков, чтобы принимаемый тон был постоянен после его допплеровского сдвига. Так как, бросившись к двигающемуся насекомому, они ускоряются, то тон их криков всё время непрерывно меняется, чтобы эхо возвращалось некоего фиксированного тона. Эта изобретательная хитрость поддерживает эхо такого тона, к которому их уши максимально чувствительны, что важно, так как эхо слабое. При этом они точно так же получают информацию о скорости цели, сравнивая излученный и принятый тон. И хотя в данном случае сдвигается излученный, а не принятый тон, но разность их будет той же самой. Я не знаю, используют ли эту хитрость рукотворные устройства, будь то сонары или радары. В принципе, я бы рискнул держать пари, что наиболее умные идеи в этой сфере первыми изобрели летучие мыши.

Логично предположить, что эти два весьма различных метода — техника допплеровского сдвига и техника «чирикающего радара» — полезны для различных конкретных применений. Одни группы летучих мышей специализируются на одной из них, другие — на другой. Некоторые группы вроде бы даже стараються взать лучшее из обоих миров, прицепляя частотно-модулированный «свист удивления» к концу (или иногда к началу) длинного «крика» с постоянной частотой. Другая любопытная хитрость «подковок» относится к движениям их ушных раковин. В отличие от других летучих мышей, «подковки» быстро двигают своими ушными раковинами, двигая их вперёд и назад. Можно предположить, что эти дополнительные быстрые перемешения звуковоспринимающей поверхности относительно цели порождает полезные модуляции допплеровского сдвига, дающие дополнительную информацию. Когда ухо движется в сторону к цели, то воспринимаетмая скорость движения к цели будет выше. Когда оно двигается от цели, то будет наоборот. Мозг летучей мыши знает направление движения каждого уха и, в принципе, может проделывать необходимые вычисления, чтобы извлекать пользу из этой информации.