Umelý život a problém dlhochvostých pávov

Biologické disciplíny sa v súčasnosti tešia veľkému záujmu zo strany informatikov, ktorí v živej prírode hľadajú nielen inšpiráciu pre tvorbu nových ideí, ale dokonca modelujú vlastnosti živých systémov. Jedným z plodov, ktoré priniesol záujem informatikov o biológiu, je nová oblasť nazývaná umelý život.

Umelý život študuje ľuďmi vytvorené systémy, ktoré sa správajú spôsobom charakteristickým pre živé organizmy v prírode. Na rozdiel od biológie, ktorá študuje výlučne formy života vyskytujúce sa na Zemi, umelý život skúma, aký by život potenciálne mohol byť pri iných podmienkach, abstrahuje od materiálnej realizácie a študuje najvšeobecnejšie vlastnosti živých systémov. Z tohto dôvodu býva umelému životu často vyčítaná odtrhnutosť od problémov reálneho sveta. Snáď sa nám podarí čitateľov presvedčiť, že táto mladá disciplína nie je do seba uzavretou oblasťou, ale môže prispieť k riešeniu otázok prírodných vied. Na základe mnohých nádejných výsledkov získaných v priebehu niekoľkých posledných rokov môžeme očakávať, že postupy umelého života sa stanú účinným prostriedkom tak pre testovanie hypotéz a teórií evolučnej biológie, ako aj v inžinierskej praxi pre návrh optimálnych (alebo prispôsobujúcich sa) zariadení v stálom (alebo meniacom sa) prostredí. Metódy umelého života boli použité aj pri modelovaní problému dlhochvostých pávov. O čo sa jedná?

V prírode nie je neobvyklé, že samice nejakého druhu preferujú pri párení samce, ktoré majú zveličené druhotné pohlavné znaky (t.j. z pohľadu samíc vyzerajú sexy). Klasickým príkladom sú pávy, ktorých samce sú ozdobené dlhými chvostami s nápadnými farebnými okami. Preferencia dlhochvostých samcov je paradoxná, pretože tento druhotný pohlavný znak podstatne znižuje šancu pávích samcov dožiť sa dospelosti.

Už Charles Darwin sa pokúsil o vysvetlenie tohto javu. Uprednostňovanie dlhochvostých samcov samicami pokladal tvorca evolučnej teórie za danosť. Potom na dĺžku chvosta pôsobia dve protichodné tendencie: jeho predlžovanie zvyšuje úspešnosť samcov pri párení, zatiaľ čo jeho skracovanie zvyšuje šancu samcov na prežitie. Skutočná dĺžka je kompromisom medzi týmito protichodnými tendenciami.

Stále však ostáva nezodpovedaná otázka, prečo pávie samice preferujú dlhochvosté samce napriek tomu, že tým znižujú šancu svojich dlhochvostých potomkov na prežitie. Prvé kvalitatívne vysvetlenie tohto paradoxu podal zakladateľ modernej populačnej genetiky Fischer (1930) a neskôr ho detailne analyticky vyjadril Kirkpatrick (1982). Niektoré základné princípy Kirkpatrickovho prístupu použijeme aj pri našich simulačných výpočtoch, ktoré budú uskutočnené pomocou jednoduchého genetického algoritmu.

Uvažujme o populácii pávov. V rámci tejto populácie budeme rozlišovať štyri skupiny zvierat: dlhochvosté samce, krátkochvosté samce, samice preferujúce dlhochvosté samce a konečne samice preferujúce krátkochvosté samce. Dĺžka chvosta u samcov a preferencia u samíc závisí od genetickej informácie uloženej v chromozómoch v jadre každej pávej bunky.

Pre jednoduchosť si predstavme, že chromozóm obsahuje tri gény, ktoré uchovávajú informáciu o pohlaví živočícha, o dĺžke chvosta u samcov a o preferencii samíc pre krátkochvosté alebo dlhochvosté samce (obr. obrázek). Každý živočích je v našom modeli reprezentovaný jedným takýmto chromozómom (bitovým reťazcom). Každá samica z populácie vstupuje do reprodukčného procesu, vyberá si partnera podľa preferencie, pričom dlhochvosté samce sú skôr, než sa stihnú páriť, náhodne čiastočne eliminované z populácie. Predpokladáme, že každý rodičovský pár má dvoch potomkov, jedného samca a jednu samicu. Bitové reťazce (chromozómy), ktoré reprezentujú potomkov, vznikajú skombinovaním rodičovských génov a prípadnou mutáciou (náhodnou zmenou bitu určujúceho dĺžku chvosta alebo preferenciu, ku ktorej dochádza s pravdepodobnosťou 0,0001). Ako sme už spomenuli, pávie samice preferujú buď krátkochvosté, alebo dlhochvosté samce. Ako sa náš model vysporiadal s touto skutočnosťou sa môže hĺbavý čitateľ dozvedieť v rámčeku. Čitatelia, ktorých matematické vzťahy odrádzajú, môžu text v rámčeku bez ujmy preskočiť.

A teraz sa vráťme k pôvodnej otázke: Ako je možné, že počas mnohých generácií pávie samice preferujú dlhochvosté samce, aj keď sa to zdá na prvý pohľad nepraktické? Predstavme si populáciu zloženú z 4 000 samcov a rovnakého počtu samíc. V tejto populácii nie sú zastúpené dlhochvosté samce a samice preferujúce tieto samce. Na základe poznatkov, ktoré sme odvodili na predchádzajúcich riadkoch, môžeme určiť, ako sa bude meniť zloženie populácie počas mnohých generácií. Priebeh relatívnych početností samcov s krátkym a dlhým chvostom a samíc preferujúcich samce s krátkym a dlhým chvostom je znázornený na obrázku. Vidíme, že po 1 000 generáciách populácia obsahuje prevažne dlhochvosté samce a subpopulácia samíc je zložená z približne rovnakého počtu samíc preferujúcich krátkochvosté a dlhochvosté samce.

Nie každá populácia pávov by však po 1 000 generácií trvajúcej evolúcii dospela do rovnakého asymptotického stavu. Vývoj populácie závisí od počiatočných množstiev jednotlivých typov samcov a samíc, od toho, nakoľko dlhý chvost zvýhodňuje samce v boji o priazeň samíc, a naopak, akú nevýhodu predstavuje v boji o prežitie. Pomocou stavového diagramu na obrázku môžeme určiť, aké vlastnosti musí mať populácia, aby po mnohých generáciách evolúcie dospela do požadovaného asymptotického stavu, a naopak, aký asymptotický stav môžeme očakávať od populácie známych vlastností.

Na záver položme si znovu otázku, prečo sa u samcov vyvíjajú druhotné pohlavné znaky zhubných rozmerov, keď je evidentné, že znižujú ich šancu dožiť sa dospelosti a páriť sa? Mohlo by sa jednať o náhodnú mutáciu, ktorá sa vyššie uvedeným spôsobom rozšírila a fixovala v populácii. V súčasnej evolučnej biológii však existujú príklady, že tieto znaky manifestujú dobrú fyzickú kondíciu samcov, a teda umožňujú samiciam lepšie si vybrať partnera pre párenie. Napríklad samice rýb druhu Eucalia inconstans preferujú samce s výrazným červeným zafarbením. Ak sú samce napadnuté parazitmi, červené zafarbenie strácajú a samice sa s nimi nepária. Táto hypotéza bola overovaná tak, že ryby boli chované v akváriu pri zelenom osvetlení. Samice v týchto podmienkach nemohli rozoznať červenú farbu a strácali svoju preferenciu. Zveličené pohlavné znaky u samca znižujú jeho šancu dožiť sa dospelosti a páriť sa, to je cena za to, že je preferovaný samicami. Ako ukazujú simulačné výpočty získané jednoduchou metodikou umelého života, vznik zveličených sexuálnych znakov u samcov je len určité vybočenie, ktoré nebráni uskutočňovaniu hlavného imperatívu darwinovského prirodzeného výberu – aby sa čo najviac množil genotyp s najväčšou silou. Veríme, že umelý život okrem vedeckofantastickej literatúry, robotiky a informatiky nájde svoje miesto aj v evolučnej biológii.