Огарок во тьме. Моя жизнь в науке

Я проверил эту методику во вторых главах книг “Слепой часовщик” (пример эхолокации у летучих мышей) и “Восхождение на гору Невероятности” (пример паутины) и для наглядности повторю здесь эти примеры. Начнем с летучих мышей. Задача летучих мышей – находить путь в темноте. Дневную охоту в воздухе присвоили птицы, так что летучим мышам пришлось охотиться по ночам. Здесь возникла проблема. Ночью темно. Инженер мог бы придумать несколько решений, у каждого из которых были бы свои недостатки: испускать собственный свет, как некоторые глубоководные рыбы; ощупывать дорогу длинными усиками, как телифоны; развить острый слух, как совы, – чтобы малейший шорох выдавал добычу, – или острое обоняние, как кроты, или острое осязание, как звездоносы, или, наконец, эхолокацию: издавать громкие звуки и ориентироваться по эху. Из всех этих решений летучие мыши избрали эхолокацию. Они замеряют время, через которое слышат эхо собственного ультразвукового писка, и вычисляют положение (и скорость изменения положения) препятствий и добычи.
Но такое решение рождает новые проблемы. Измерять время от звука до эха выходит точнее, если звук короче. Но чем более краток и отрывист звук, тем труднее сделать его громким, а громким он быть должен, поскольку эхо весьма слабо. Удастся ли инженеру найти оптимальное решение? Один из вариантов – не делать звук отрывистым. Пусть звук длится дольше, но меняется его высота: за каждый писк можно проехаться на октаву вверх (или вниз). Писк оказывается достаточно долгим, а значит, может звучать громко. Кратким остается лишь время звучания каждой частоты. Когда отдается эхо, мозг “знает”: звуки повыше относятся к ранней части писка, пониже – к поздней. Физик Артур Кук (который возглавлял мой оксфордский колледж, когда я писал книгу “Слепой часовщик”) во Вторую мировую войну работал над сверхсекретным британским проектом радара (тогда он назывался не radar, a RDF), и как-то за ужином он рассказал мне, что проектировщики радаров использовали тот же метод для “чирикающего” радара (радара с внутриимпульсной частотной линейной модуляцией). Другой вариант инженерного решения – воспользоваться эффектом Доплера (тем самым, из-за которого кажется, что сирена уезжающей вдаль скорой помощи звучит все ниже). И некоторые летучие мыши пользуются им для отслеживания движущейся цели, например, насекомых.
Переходим к следующей инженерной задаче. Повторюсь, эхо неизбежно оказывается намного тише исходного звука, и есть опасность его не расслышать. Возможные решения: до предела повысить громкость писка и/или чувствительность ушей. Но эти решения мешают друг другу. Чрезвычайно чувствительное ухо легко оглушить чрезвычайно громким звуком. С той же проблемой сталкивались и проектировщики радаров в начале Второй мировой, и снова Артур Кук рассказал мне за ужином о том, какое решение нашли инженеры: они разработали приемо-передающий радар. И – вы не поверите – некоторые летучие мыши применили точно такое же решение. При помощи специальных мускулов, отводящих косточки, по которым звук идет от барабанной перепонки, вы временно отключаете уши непосредственно перед тем, как запищать. Сразу после писка расслабьте эти мускулы, чтобы ухо восстановило полную чувствительность к тому времени, как раздастся эхо. Цикл – напрячь мышцы, запищать, расслабить, слушать эхо, напрячь снова – должен повториться для каждого сигнала, а когда летучая мышь вот-вот настигнет добычу, скорость повторения может достигать невероятных пятидесяти раз в секунду: быстрее пулемета.
Педагогическое преимущество подхода инженера-дарвиниста в том, что факты не приходится заучивать поодиночке: они оказываются объединены в цельную историю. Вполне вероятно даже, что студентам удастся предвосхитить факты раньше, чем услышать, а это отличная тренировка для того, как формулировать плодотворные гипотезы, заслуживающие экспериментальной проверки.
К примеру, летучие мыши часто летают в обществе сотен других летучих мышей. Как им справиться с тем, что их эхо могут заглушить крики и эхо остальных? Вот мысль, что могла бы прийти в голову студенту, размышляющему как инженер-дарвинист. Представьте себе, что вы разрезали кинопленку на отдельные кадры, перемешали в шляпе и заново склеили в случайном порядке. Сюжет потеряет весь смысл – сюжета, цельной истории как таковой больше не будет. Так и для конкретной летучей мыши чужие эхо звучат как аналог моего фильма из кадров в случайном порядке: ими легко пренебречь в силу их непредсказуемости относительно уже имеющегося сюжета. Только собственное эхо конкретной летучей мыши будет иметь для нее смысл и содержание в сочетании со своими предшественниками в последовательности сигналов и эхо. Экспериментальные психологи объясняют тем же самым “феномен коктейльной вечеринки”: на вечеринке нам удается следить за одной беседой, хоть наши уши и подвергаются бомбардировке из десятков других разговоров вокруг.
 
Ту же методику инженера-дарвиниста я применил во второй главе “Восхождения на гору Невероятности”, на этот раз на примере паутины. Мы вновь начнем с задачи: как пауку распространить подальше действие своих орудий охоты – конечностей? И вновь предложим разнообразные возможные решения, пока не дойдем до изящного и экономичного решения, к которому пришел естественный отбор: шелковая паутина. Повторим этот процесс для подзадач и подподзадач, которые вытекают из этого решения. В одной из следующих глав той же книги, под названием “Сорокаполосный путь к просветлению”, я следовал той же формуле, повествуя об устройстве глаз. Здесь я довел подход инженера-проектировщика до того, что некоторым может показаться абсурдным пределом – но надеюсь, что это было поучительно. Линза устроена просто, но она решает удивительно сложную вычислительную задачу. Я решил сгустить краски и предложил представить компьютер, который собирает лучи света и подбирает углы преломления так, чтобы на экране появилось сфокусированное изображение. Это было бы до нелепого сложно, и тем не менее эту задачу с легкостью решает линза – устройство настолько простое, что его можно (как я продемонстрировал в Рождественских лекциях Королевского института) приблизительно сымитировать с помощью подвешенного прозрачного пакета с водой: получаемое сквозь него нерезкое изображение можно постепенно улучшать, шаг за шагом поднимаясь на гору Невероятности. Эта метафора показывает, как просто на практике может эволюционировать нечто, казавшееся неописуемо сложным в теории. Глаз, который считали главным аргументом против Дарвина еще его современники, эволюционировал легко и даже возник несколько раз в независимых друг от друга закоулках животного царства.
Насколько ценен подход инженера-дарвиниста, меня осенило намного раньше – еще когда я вдохновлялся (независимо друг от друга) двумя кембриджскими специалистами по физиологии глаза: то были Уильям Альберт Хью Раштон и Хорас Бэзил Барлоу. С Раштоном я познакомился еще в школьные годы: двое его сыновей учились в Аундле, один из них был мой ровесник. Мы вместе играли на кларнете в школьном оркестре, и, как сообщает Google (что неудивительно), потом он стал ученым-музыковедом. Знаменитый профессор Раштон согласился выступить перед группой биологов-шестиклассников, видимо, ровно потому, что у него были двое сыновей в этой школе.
Раштон провел любопытное различие между аналоговыми и цифровыми сигнальными системами. В аналоговом телефоне звук речи, постоянно меняющася волна давления, преобразуется в параллельную волну напряжения, передается по проводу и преобразуется обратно в звук в телефонной трубке на другом конце. Проблема в том, что при достаточной длине провода электрический сигнал затухает, и для него требуется усилитель. А усиление неизбежно добавляет случайного шума. Это неважно, если на линии всего несколько усилительных станций. Но при достаточном числе усилительных станций накопившийся шум станет преобладать над сигналом и речь превратится в нечленораздельное шипение. Вот почему нервы, по крайней мере длинные, не могут действовать как (аналоговые) телефонные провода.