Почему эволюция делает тело? (демонстрация языка)

Загадка многоклеточности на языке метрической среды

Одиночные клетки живут на Земле миллиарды лет. Они умеют питаться, делиться, обмениваться веществом, образовывать колонии. Они прекрасно справляются с жизнью в одиночку. И всё-таки в какой-то момент эволюция начинает собирать их в тела — сложные многоклеточные организмы, где каждая клетка теряет независимость и становится частью целого.

Зачем? Если бактерии и так живут хорошо, зачем природа изобретает тело?

Этот вопрос кажется простым, но ответ на него требует языка, который мог бы говорить и о клетке, и об организме, и о среде вокруг — одними и теми же словами. Такой язык есть. Он состоит из одиннадцати слов, и сейчас мы разберём загадку через каждое из них.

———

  ПАМЯТЬ

Память — это всё, что было до и продолжает действовать сейчас.

До появления многоклеточных уже миллиарды лет существовали одиночные клетки. В этой истории накоплен огромный опыт: как питаться, как делиться, как обмениваться сигналами. И что важно — в этой памяти уже есть зачатки совместной жизни. Клетки умеют держаться вместе в колониях. Умеют чуть-чуть делить работу: одни ближе к кислороду, другие к питанию.

Многоклеточность не возникает на пустом месте. Она вырастает из памяти, в которой уже заложены её первые шаги.

  ГОРИЗОНТ (observer position)

Горизонт — это то, что видно с конкретной точки, и то, что с этой точки можно сделать.

Горизонт одиночной бактерии очень мал. Она «видит» локальные концентрации еды, токсины, ближайших соседей, физические границы. Она не видит далёких ресурсов, долгосрочных изменений среды, крупных структур. Её горизонт — масштаб микрон и секунд.

Это принципиальное ограничение. С таким горизонтом нельзя планировать, нельзя реагировать на медленные изменения, нельзя использовать ресурсы за пределами ближайшего окружения.

  ДИСТАНЦИЯ

Дистанция — это работающее расстояние, на котором узлы влияют друг на друга.

Для клетки работающие дистанции малы. Микрон — контакт с соседями. Десятки микрон — локальный клочок среды. Дальше прямой связи почти нет. Это значит, что любая стратегия одиночной клетки работает только локально. Если меняется среда на больших масштабах — содержание кислорода в океане, глобальная температура — одна клетка ничего не может с этим сделать.

Чтобы влиять на большие масштабы, нужна большая дистанция связи. А для этого нужен другой тип узла.

  УЗЕЛ

Узел — это место, где среда переходит в плотную форму и держит себя сама.

Для бактерии узел — это сама клетка. Следующий уровень узла — колония: группа клеток, физически прикреплённых друг к другу, с частичным разделением труда. Это первый шаг к сложному организму.

Дальше — простейшие многоклеточные: вольвокс, гидра, губки. Это уже не колонии, а узлы более высокого порядка, в которых отдельные клетки потеряли часть самостоятельности ради общей структуры.

  РЕЛЬЕФ

Рельеф — это конкретный рисунок среды вокруг узла: где плотно, где пусто, где течёт, где застаивается.

Для клеток рельеф среды очень разнообразен. Есть зоны с избытком еды, зоны с кислородом и без него, поверхности для закрепления, потоки, уносящие одиночек. Рельеф делает простую вещь: в одних местах выгодно держаться вместе, в других выгодно быть одиночной.

Многоклеточность появляется там, где рельеф даёт преимущество сцепленным узлам перед разрозненными.

  ОБЛАКО

Облако — это переходная форма между разлитой средой и плотным узлом.

Для жизни облако — это популяция клеток, которые ещё не сформировали жёсткий организм, но уже обмениваются сигналами, вырабатывают общий внеклеточный матрикс (слизь, оболочку), иногда жертвуют частью себя ради всех. Биоплёнки, слизевики, ранние колонии — всё это облака клеток.

Это промежуточная форма между разлитой бактериальной популяцией и жёстким телом организма. Из облака рождается узел.

  ФРОНТ

Фронт — это зона, где режим резко меняется.

В эволюции многоклеточности фронт — это граница, где клетки из разрозненных становятся организованной плёнкой, простейшим многоклеточным. Точка, где появляются специализированные клетки: одни прикрепляют, другие двигают, третьи размножаются.

Фронт — это переход от «каждый сам по себе» к «есть тело, в котором роли разделены». Сначала фронт еле заметен, потом становится отчётливым.

  ТАКТ

Такт — это минимальное действие, за которое конфигурация сдвигается.

Эволюция многоклеточности шла тактами. Один такт — колония, где клетки остаются склеенными после деления. Следующий такт — лёгкое разделение труда: внешние клетки одни, внутренние другие. Ещё такт — появление настоящих тканей: устойчивых различий между типами клеток.

Каждый такт сам по себе обратим. Можно потерять часть специализации и вернуться к более простой форме. Но накопление тактов ведёт к необратимости.

  СОБЫТИЕ

Событие — это такт, который меняет картину необратимо.

В эволюции многоклеточности событием становится момент, когда появляется организм, который уже не может жить поодиночке — отдельная клетка не выживает вне тела. Но тело в целом даёт огромный выигрыш: защиту, управление средой, новые горизонты (зрение, движение, нервную систему).

Это необратимый переход. Жизнь научилась делать узел из узлов, и это стало выгоднее, чем быть только узлом-одиночкой.

  ХИМИЯ

Химия — это игра связей, содержание процесса.

Здесь главный ключ к загадке. Одиночная клетка полностью подчинена внешней химии. Что дал океан, то и есть. Многоклеточный организм создаёт внутри себя собственный мини-океан и управляет его химией. Клетки плавают уже не в случайной среде, а во внутренней жидкости с заданным составом, температурой, кислотностью.

Это революция. Появляется гормональная химия, синаптическая химия, иммунная химия — все они работают только потому, что внутренняя среда контролируется.

На языке загадки: тело нужно для того, чтобы вынести управление химией из внешней среды внутрь узла.

  ИНФОСФЕРА

Инфосфера — это слой, на котором события сохраняются как информация и могут быть прочитаны.

У одиночной клетки инфосфера примитивна: рецепторы, простые сигналы. У многоклеточного организма появляется внутренняя инфосфера — сигналы между клетками, нейронные сети, генетические регуляторные сети. А потом и внешняя инфосфера — поведение, обучение, у социальных видов культура.

Многоклеточный организм может строить карты своего горизонта (мозг, чувства), хранить сложную память (нервная система), предсказывать изменения среды и менять рельеф вокруг себя (строительство, миграции, формирование ниш).

———

ОТВЕТ НА ЗАГАДКУ

Почему эволюция делает сложные организмы, если одиночные клетки и так живут?

Потому что среда становится слишком сложной для маленького горизонта.

Когда память среды накапливает разнообразие, когда рельеф усложняется, когда дистанции возрастают — одиночный узел с микронным горизонтом перестаёт справляться. Его горизонт меньше, чем масштаб важных изменений вокруг.

Тогда облака клеток начинают вести себя как один узел. Фронт кооперации переходит в событие многоклеточности. Появляется новый тип узла — тело, которое:

расширяет горизонт (видит дальше, действует дальше), создаёт управляемый рельеф и химию внутри себя (внутренняя среда), резко усиливает инфосферу (сигналы, поведение, обучение).

Короче: многоклеточный организм — это узел более высокого порядка, который берёт на себя часть работы среды. Управляет химией, рельефом и памятью изнутри, а не подчиняется им снаружи.

Когда внешняя среда становится слишком сложной — выигрывают узлы, которые умеют создавать свою собственную среду внутри.

Это и есть закон, по которому эволюция делает тело.