Екологія: біологія взаємодії. 1.12. (доповнення) Моделі, їх обмеження та небезпеки

1.12. (доповнення) Моделі, їх обмеження та небезпеки

Деякі об'єкти неможливо або складно досліджувати безпосередньо. Що буде, якщо з риборозплідного ставка виловити всіх риб, які перевищують певний розмір? Як відреагує біосфера на атомну війну? Провести відповідний експеримент часто важко або неможливо, а дізнатися відповідь на таке питання важливо. В цих і в безлічі інших випадків використовуються моделі. Модель — система, створена для вивчення системи-оригіналу; вона повинна мати подібний характер взаємодії частин і завдяки цьому може мати подібні емергентні властивості. Моделі можуть мати надзвичайно різноманітну природу. Фізична модель складається з фізичних тіл, що імітують частини системи, поняттєва — з певних абстракцій, математична — з взаємопов'язаних математичних функцій, а імітаційна – з програмних процесів, що виконуються у комп’ютерному середовищі.

Наприклад, для вивчення біосфери можна створити її математичну модель. Для цього слід визначити, з яких компонентів складається біосфера, і припустити, як вони впливають один на одного. Потім слід створити систему рівнянь, змінні в якій будуть описувати взаємодію частин біосфери. Вносячи в цю модель певні зміни, ми зможемо передбачити, як реагувала б на них система-оригінал!

Однак користуючись моделями, важливо ніколи не забувати про те, що вони — наближення, придатні тільки для оцінки певного діапазону явищ. Розділимо сукупність станів системи-оригіналу і моделі, що її описує, на дві області: ту, в якій оригінал вдалося спостерігати в дійсності, і ту, про яку ми судимо лише за моделлю. Якщо модель не відповідає оригіналу в вивченій області, від неї треба відмовлятися або, як мінімум, істотно її коригувати. А ось в невивченій області довести адекватність моделі неможливо.

Тим цінніше ситуації розширення тієї області станів оригіналу, де його поведінка була вивчена. Наведемо приклад, що стосується реакції організмів та екосистем на зміни факторів середовища. Відносно недавно з'ясувалося, що більшість кліматичних моделей невірно прогнозують реакцію лісів на брак вологи.

Розглянемо спочатку логіку, за якою будувалася б будь-яка здорова модель. Як дізнатися реакцію лісу на посуху? Піддати експериментальні рослини дії нестачі води в кліматичній камері. Все зрозуміло! Прагнучи обмежити випаровування води, такі рослини закриють продихи, зменшать газообмін з навколишнім середовищем і знизять інтенсивність фотосинтезу. Значить, і звиклий до вологості дощовий тропічний ліс відреагує таким же чином...

У липні-вересні 2005 року в Амазонії спостерігалася небувала засуха. За регіоном велися спостереження з космосу. Інтенсивність фотосинтезу оцінювалася за тим, наскільки з відбитого лісами світла вилучалися частоти спектра поглинання хлорофілу. Після обробки отриманих даних вдалося зареєструвати парадоксальне явище! На переважній частині території засуха викликала посилення фотосинтезу; він знижувався лише на ділянках, змінених внаслідок людської діяльності.

Як екологи могли не помітити механізм, що підсилює фотосинтез під час посухи? Імовірно, внаслідок того, що в експериментальних кліматичних камерах не буває хмар. Зниження вологості повітря над лісами призвело до зменшення хмарності, збільшенню освітленості листя і зростанню інтенсивності фотосинтезу. А вода? А воду дерева звідкись взяли. Ґрунт в дощовому тропічному лісі бідний, але, як виходить, якийсь мінімум вологи, необхідний для життя лісу протягом посухи, він утримує. А якщо посуха буде довгою? На жаль, відповідь на це питання лежить в тій області стану системи-оригіналу, про яку ми не маємо достатньо надійних експериментальних даних.

Отже, моделі — важливий інструмент дослідження, але далеко не панацея від усіх бід. Мало того, іноді використання моделей стає способом самообману дослідників. Для доказу цього твердження можна було б навести безліч прикладів, але тут буде розглянуто один — такий, що парадоксальним чином торкнувся самого Чарльза Дарвіна. Йдеться про видання «Походження видів» Дарвіна, випущеному в 1987 році з коментарями двох відомих радянських і російських еволюціоністів: О. В. Яблокова і Б. М. Мєднікова. Ті місця, де Дарвін сумнівався або обережно намацував думки, викинуті безтрепетною рукою коментаторів-укладачів. Залишений дарвінівський текст неабияк поліпшено коментарями і вставками публікаторів.

«Щоб показати зв'язок ідей Дарвіна з сучасними досягненнями біології, ми вирішили поряд з текстом автора «Походження видів» дати сучасні ілюстрації, що підтверджують або розвивають його думки. <...> Для більшої доступності викладу праці Дарвіна ми прибрали деякі розділи його, на наш погляд, другорядні або надмірно складні для вчителя» (О. В. Яблоков, Б. М. Мєдніков, 1987; в книзі: Ч. Дарвин. Происхождение видов путем естественного отбора: Кн. для учителя. —- М.: Просвещение, 1987)

Крім багато чого іншого, в «Походження видів» додано опис машинного експерименту, який виконав В.В. Мєншуткін спільно з самим Мєдніковим (рис. 1.12.1).

Рис. 1.12.1. Ілюстрації, що пояснюють експеримент Мєншуткіна-Мєднікова (джерело: Дарвін (!), 1987)

«У машинну пам'ять заклали опис прототипу хордових тварин, аналогічного ланцетнику, що дожив до наших днів (А), цифри внизу — «генотип», машинний опис 24 ознак «виду». Цей вихідний вид міг перетворюватися в інші, причому мінливість була невизначеною, за Дарвіном. Прогресивні (ускладнюючі) і регресивні (спрощуючі) зміни були рівноймовірними. Виключалися великі стрибки, наприклад, раптове виникнення добре розвиненого органу (головного мозку і таке інше).

Після кожного кроку часу, що приблизно відповідав 1 млн. років палеонтологічного літопису, машина робила перебір одержаних варіантів, оцінюючи їх за ступенем пристосованості. При цьому аутсайдери стиралися з пам'яті ЕОМ («вимирали»), а їх осередки займали нові, «пристосовані». Так моделювалася боротьба за існування і природний добір» (О. В. Яблоков, Б. М. Мєдніков, 1987)

У результаті цього експерименту, нібито, вдалося «довести», що хід еволюції зумовлений і неминуче веде до появи розуму. В експерименті Мєншуткіна-Мєднікова «ланцетники» дали різноманітних «риб», що мали три пари парних плавців, а потім вийшли на сушу у вигляді шестиногих істот. В результаті еволюції наземного життя виникли тварини, що нагадували кентаврів. Це були організми, що переміщувалися на чотирьох ногах та мали звільнені для праці передні кінцівки. У них був великий мозок і соціальне життя, що сприяє розвитку розуму.

Досягнувши цього етапу, експериментатори «відмотали» машинний час назад і населили сушу чотириногими істотами. Чудо! Тепер розум, що виник в ході еволюції, виявився двоногим. Отже, «вдалося довести», що в еволюції є певна свобода, але в цілому її хід вирішений наперед.

Автори даного підручника вважають, що еволюція значною мірою спрямована, але думають так не завдяки експерименту Мєншуткіна-Мєднікова, а всупереч йому. Справа не в тому, що хребетні не могли бути шестиногими. Річ у тому, як в даному експерименті оцінювалася пристосованість «організмів».

Присвячена спробам керувати економікою з одного центру книга нобелівського лауреата Фрідріха фон Хайєка називається «Згубна самовпевненість». Ніякий план, ніякий геніальний людський або штучний мозок не може передбачити те, що визначається безліччю людей в їх конкретних ринкових взаємодіях. Ще гіршою є самовпевнена віра, що можна заздалегідь знати, що вибере, а що відбракує природний добір. Модельна біосфера, яка зможе це передбачити, повинна бути настільки ж складною, як і справжня. А в моделі Мєншуткіна-Мєднікова був лише один спосіб відокремлювати удачі від невдач — ввести апріорну оцінку, в якій пристосованим вважалося те, що перемогло в ході дійсної земної еволюції. Програмі задали, що найпристосованіша істота — це розумна істота. Для розуму потрібні вільні кінцівки, великий мозок і соціальне життя. Іншими словами, моделі задано кінцевий стан і спосіб його досягнення (з використанням випадкових помилок, що наближають до цілі). Когось дивує, що модель прийшла туди, куди її направили з самого початку?

Цікаво, що експериментатори «вимикали» еволюцію, коли у них виникала розумна істота. Вони розуміли, що подальший розвиток моделі буде топтання на місці? Відповідь на це питання дозволила б оцінити співвідношення обману і самообману в мотивації описуваного експерименту. Можливо, Мєншуткін і Мєдніков могли б обґрунтувати таке рішення тим, що після появи розуму біологічну еволюцію витісняє соціальна. Але невже їм не захотілося подивитися, що буде далі? Те, що вони не стали цього робити, дозволяє припустити, що до самообману була домішана й певна порція обману ... Так чи інакше, ця суміш виявилася досить успішною; багато читачів «Походження видів» повірили, що обумовленість еволюції вдалося довести.

Дарвінізм звинувачують в логічному колі: пристосованість пояснюють як здатність виживати, а виживання вважають наслідком пристосованості. Все ж таки можна припустити, що схильний до обережних і всебічних роздумів Дарвін не попався б у ту пастку, куди заманили себе і читачів Мєншуткін і Мєдніков. До речі, на думку авторів, причина певної кризи еволюційної біології, що спостерігається в наші дні, пов'язана не з вадами робіт Дарвіна (які у будь-якому разі належали до свого часу, позаминулого століття), а з догматизмом сучасних «дарвіністів».

Додаткові матеріали:

Вступ до курсу імітаційного моделювання