Экология: биология взаимодействия. 1.12. (дополнение) Модели, их ограничения и опасности

Українська / Русский

1.11. (дополнение) Универсальные свойства биосистем

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает

1.13. (дополнение) В чем искать причины особенностей биосистем?

1.12. (дополнение) Модели, их ограничения и опасности

Некоторые объекты невозможно или сложно исследовать непосредственно. Что будет, если из рыборазводного пруда выловить всех рыб, превышающих определенный размер? Как отреагирует биосфера на атомную войну? Провести соответствующий эксперимент зачастую затруднительно или невозможно, а узнать ответ на такой вопрос важно. В этих и во множестве других случаев используются модели. Модель — система, созданная для изучения системы-оригинала; она должна иметь сходный характер взаимодействия частей и благодаря этому обладать подобными эмергентными свойствами. Модель может иметь весьма различную природу. Физическая модель состоит из физических тел, имитирующих части системы, понятийная — из определенных абстракций, аналитическая — из взаимосвязанных математических функций, а имитационная — из программных процессов, которые происходят в компьютерной среде.

Например, для изучения биосферы можно создать ее математическую модель. Для этого следует определить, из каких компонентов состоит биосфера, и предположить, как они влияют друг на друга. Затем следует создать систему уравнений, переменные в которой будут описывать взаимодействие частей биосферы. Внося в эту модель определенные изменения, мы сможем предположить, как реагировала бы на них система-оригинал!

Однако пользуясь моделями, важно никогда не забывать о том, что они — приближения, пригодные лишь для оценки определенного диапазона явлений. Разделим совокупность состояний системы-оригинала и описывающей ее модели на две области: ту, в которой оригинал удалось наблюдать в действительности, и ту, о которой мы судим только по модели. Если модель не соответствует оригиналу в изученной области, от нее нужно отказываться или, как минимум, существенно ее корректировать. А вот в неизученной области доказать адекватность модели нельзя.

Тем ценнее ситуации расширения той области состояний оригинала, где его поведение было изучено. Приведем пример, относящийся реакции организмов и экосистем на изменения факторов среды. Относительно недавно выяснилось, что большинство климатических моделей неверно прогнозируют реакцию лесов на недостаток влаги.

Рассмотрим вначале логику, по которой строилась бы любая здравая модель. Как узнать реакцию леса на засуху? Подвергнуть экспериментальные растения действию недостатка воды  в климатической камере. Все понятно! Стремясь ограничить испарение воды, такие растения закроют устьица, уменьшат газообмен с окружающей средой и снизят интенсивность фотосинтеза. Значит, и привыкший к влажности дождевой тропический лес отреагирует таким же образом…

В июле-сентябре 2005 года в Амазонии наблюдалась небывалая засуха. За регионом велись наблюдения из космоса. Интенсивность фотосинтеза оценивалась по тому, насколько из отраженного лесами света изымались частоты спектра поглощения хлорофилла. После обработки полученных данных удалось зарегистрировать парадоксальное явление! На подавляющей части территории засуха вызвала усиление фотосинтеза; он снижался только на участках, измененных вследствие человеческой деятельности.

Как экологи могли не заметить механизм, усиливающий фотосинтез при засухе? Вероятно, вследствие того, что в экспериментальных климатических камерах не бывает облаков. Снижение влажности воздуха над лесами привело к уменьшению облачности, увеличению освещенности листьев и возрастанию интенсивности фотосинтеза. А вода? А воду деревья откуда-то взяли. Почва в дождевом тропическом лесу весьма скудна, но, как получается, некий минимум влаги, необходимый для жизни леса в течение засухи, она удерживает. А если засуха будет долгой? Увы, ответ на этот вопрос лежит в той области состояния системы-оригинала, о которой мы не имеем достаточно надежных экспериментальных данных.

Итак, модели — важный инструмент исследования, но далеко не панацея от всех бед. Более того, иногда использование моделей становится способом самообмана исследователей. Для доказательства этого утверждения можно было бы привести множество примеров, но здесь будет рассмотрен один — парадоксальным образом, затронувший самого Чарльза Дарвина. Речь идет об издании «Происхождения видов» Дарвина, выпущенном в 1987 году с комментариями двух известных советских и российских эволюционистов: А.В. Яблокова и Б.М. Медникова. Те места, где Дарвин сомневался или осторожно нащупывал мысль, выкинуты бестрепетной рукой комментаторов-составителей. Оставленный дарвиновский текст изрядно улучшен комментариями и вставками публикаторов.

«Чтобы показать связь идей Дарвина с современными достижениями биологии, мы решили рядом с текстом автора «Происхождения видов» дать современные иллюстрации, подтверждающие или развивающие его мысли. <...> Для большей доступности изложения труда Дарвина мы убрали некоторые разделы его, на наш взгляд, второстепенные или излишне сложные для учителя» (А. В. Яблоков, Б. М. Медников, 1987; в книге: Ч. Дарвин. Происхождение видов путем естественного отбора: Кн. для учителя. — М.: Просвещение, 1987)

Кроме многого другого, в «Происхождение видов» добавлено описание машинного эксперимента, выполненного В.В. Меншуткиным совместно с самим Медниковым (рис. 1.12.1).

Рис. 1.12.1. Иллюстрации, поясняющие эксперимент Меншуткина-Медникова (источник: Дарвин (!), 1987)

«В машинную память заложили описание прототипа хордовых животных, аналогичного дожившему до наших дней ланцетнику (А), цифры внизу — «генотип», машинное описание 24 признаков «вида». Этот исходный вид мог преобразовываться в другие, причем изменчивость была неопределенной, по Дарвину. Прогрессивные (усложняющиеся) и регрессивные (упрощающиеся) изменения были равновероятными. Исключались крупные скачки, например, внезапное возникновение хорошо развитого органа (головного мозга и т.д.).
После каждого временного шага, приблизительно соответствовавшего 1 млн. лет палеонтологической летописи, машина производила перебор получившихся вариантов, оценивая их по степени приспособленности. При этом аутсайдеры стирались из памяти ЭВМ («вымирали»), а их ячейки занимали новые, «приспособленные». Так моделировалась борьба за существование и естественный отбор
» (А. В. Яблоков, Б. М. Медников, 1987)

В результате этого эксперимента, якобы, удалось «доказать», что ход эволюции предопределен и неизбежно ведет к появлению разума. В эксперименте Меншуткина-Медникова «ланцетники» дали разнообразных «рыб», имевших три пары парных плавников, а затем вышли на сушу в виде шестиногих существ. В результате эволюции наземной жизни возникли животные, которые напоминали кентавров — перемещавшиеся на четырех ногах организмы с освободившимися для труда передними конечностями. У них был крупный мозг и способствующая развитию разума социальная жизнь.

Достигнув этого этапа, экспериментаторы «отмотали» машинное время назад и населили сушу четвероногими существами. О, чудо! Теперь возникший в ходе эволюции разум оказался двуног. Итак, «удалось доказать», что в эволюции есть определенная свобода, но в целом ее ход предрешен.

Авторы данного учебника предполагают, что эволюция в значительной степени направлена, но думают так не благодаря эксперименту Меншуткина-Медникова, а вопреки ему. И дело не в том, что позвоночные не могли быть шестиногими. Дело в том, как в данном эксперименте оценивалась приспособленность «организмов».

Посвященная попыткам управлять экономикой из одного центра книга нобелевского лауреата Фридриха фон Хайека называется «Пагубная самонадеянность». Никакой план не может предусмотреть то, что определяется множеством людей в их конкретных рыночных взаимодействиях. Еще пагубнее самонадеянная вера, что можно заранее знать, что выберет, а что отбракует естественный отбор. Модельная биосфера, которая сможет это предсказать, должна быть столь же сложна, как и настоящая. А в модели Меншуткина-Медникова был лишь один способ отделять удачи от неудач — ввести априорную оценку, в которой приспособленным считалось то, что восторжествовало в ходе действительной земной эволюции. Программе задали, что самое приспособленное существо — это разумное существо. Для разума нужны свободные конечности, большой мозг и социальная жизнь. Иными словами, модели задали конечное состояние и способ его достижения (с использованием случайных ошибок, приближающих к цели). Кого-то удивляет, что модель пришла туда, куда ее направили с самого начала?

Интересно, что экспериментаторы «выключали» эволюцию, когда у них возникало разумное существо. Они понимали, что дальнейшее развитие модели будет топтанием на месте? Ответ на этот вопрос позволил бы оценить соотношение обмана и самообмана в мотивации описываемого эксперимента. Возможно, Меншуткин и Медников могли бы обосновать такое решение тем, что после появления разума биологическую эволюцию вытесняет социальная. Но неужели им не захотелось посмотреть, что будет дальше? То, что они не стали этого делать, позволяет предположить, что к самообману была примешана и определенная порция обмана... Так или иначе, эта смесь оказалась достаточно успешной; многие читатели «Происхождения видов» поверили, что предопределенность эволюции удалось доказать.

Дарвинизм обвиняют в логическом круге: приспособленность объясняют как способность выживать, а выживание считают следствием приспособленности. Все же можно предположить, что склонный к осторожным и всесторонним размышлениям Дарвин не попался бы в ту ловушку, куда заманили себя и читателей Меншуткин и Медников. Кстати, по мнению авторов, причина определенного кризиса эволюционной биологии, наблюдаемого в наши дни, связана не с недостатками работ Дарвина (которые в любом случае принадлежали своему времени, позапрошлому веку), а с догматизмом современных «дарвинистов».

 

Дополнительные материалы:

Конспект курса «Имитационное моделирование в экологии (на базе Microsoft Excel)». Основные понятия

Учебные модели по экологии

Українська / Русский

1.11. (дополнение) Универсальные свойства биосистем

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает

1.13. (дополнение) В чем искать причины особенностей биосистем?