Неодарвінізм намагається пов’язати дарвінізм і послідовність ДНК

Нещодавнє зростання досліджень епігенетичних механізмів, описаних у низці публікацій 2014 року (Noble et al., 2014), дало змогу розширити поняття неодарвіністського синтезу.

На наш погляд, потрібно говорити про заміну категоріального апарату сучасної теорії еволюції. Причина в тому, що існування надійних механізмів трансгенного успадкування, незалежних від послідовностей ДНК, повністю суперечить духу модернового синтезу. Деякі нові особливості експериментальних даних щодо успадкування та механізмів еволюційної мінливості несумісні з базовими теоретичними положеннями.

Категоріальний апарат неодарвінізмуНа малюнку продемонстровано дефініції та взаємозв'язки між різними ознаками дарвінізму, модернового синтезу і пропонованого нового інтегративного синтезу. Діаграма ґрунтується на логіці, запропонованій Пінліуччі та Міллером у 2010 році, що пояснює ідею розширеного сучасного синтезу.

Перехід до нового синтезу в еволюційній біології також можна розглядати як частину більш загального зсуву точки зору в бік більш системних підходів. Редукціоністський підхід (який розуміється як генно-центрована теорія еволюції) був дуже продуктивним, але його завжди потрібно доповнювати інтегративним підходом, зокрема новою теорією причинності в біології.

Деякі дослідники навіть заговорили про виникнення теорії біологічної відносності за аналогією з ейнштейнівською концепцією. Сучасний підхід можна назвати інтегративним синтезом, оскільки він ґрунтується на інтеграції різних механізмів еволюційних змін, а не на вірі, постульованій неодарвіністською логікою. Тобто йдеться про N-елементну теорію еволюції, яка, що цікаво, ближча до деяких ідей Дарвіна, ніж до неодарвінізму. Зокрема, йдеться про визнання інших, крім природного добору, механізмів еволюції, - наприклад, успадкування набутих ознак.

Мова неодарвінізму

Багато з проблем сучасного синтезу, які полягають в акомодації нових експериментальних даних, походять із неодарвіністського уявлення, а не з самої експериментальної бази.

Ці форми репрезентації виражають інституційні особливості біології 20-го століття в академічній науці. Отже, ми маємо розглянути методи інтерпретації фіксованих дослідів. А також зважати на ту обставину, що мова неодарвінізму відображає вкрай редукціоністські погляди, які не потребують наукових відкриттів як таких.

Егоїстичні гениОсобливо це помітно на прикладі операціоналізації таких понять, як "егоїстичні гени" або "генетична програма". Концепції набувають упередженої інтерпретаційної оболонки, яка здатна приховувати відкриття в мережі нагромаджених інтерпретацій.

Непевні тлумачення в неодарвінізмі продукують потік спекуляцій, відірваних від експериментальної науки. Точніше навіть так: не кожна теорія потребує підтвердження, але кожен досвід породжує кілька істин, що існують одночасно, в імовірнісному порядку, зрозуміло.

Оскільки сучасний синтез домінував у біологічній науці впродовж більш ніж півстоліття, його методологічні позиції настільки вбудовані в наукову літературу, включно зі стандартними шкільними та університетськими підручниками, що багато вчених-біологів можуть не усвідомлювати концептуальної природи науки, якою вони займаються. Сумніватися в теорії для вченого означає піддатися гріхопадінню. Часто академічні протести закінчуються вигнанням із наукового середовища.

Тому на виході ми бачимо лише опис експериментів; ви рідко дочекаєтесь аналізу, узагальнення, а тим паче теоретизування проблеми.

Приміром: гени кодують білки, які формують організми за допомогою генетичної програми, успадкованої від попередніх поколінь, і які визначають, як будуть "організовані" їхні нащадки. Що не так із цим положенням?

Ген

Неодарвінізм - це генно-центрована теорія еволюції. Проте, його центральне поняття, "ген", є нестабільною категорією. Як не дивно, єдиного узгодженого визначення цього поняття не існує. Ба більше, різні визначення мають несумісні наслідки для теорії.

Слово "ген" було введене Вільгельмом Йоганнсеном для визначення спадкового фактора. Але сама концепція вже існувала за часів Менделя і стосувалася дослідів на гібридних рослинах. Концепція ґрунтувалася на "мовчазному припущенні" того, що існує зв'язок 1:1 між успадкуванням і аналізованими характеристиками. Звичайно, зараз ніхто не вважає реальним співвідношення 1:1, але логіка прямого причинно-наслідкового зв'язку була збережена. Залишимо незмінним визначення гена Менделя-Йоханнсена (ген J), хоча уточнимо, що йдеться про логічну категорію, фактор еволюції, але не більше того.

Відтоді концепція гена принципово змінилася. Додалися низка феннотипічних ознак, які передаються з покоління в покоління: колір очей, волосся, шкіри, форма і маса тіла, кількість ніг/рук/крил, інтелект, індивідуальність/особистість і сексуальність.

Молекулярно-біологічне визначення гена дуже відрізняється від логічного. Після відкриття того факту, що ДНК утворює шаблони для білків, визначення перейшло до локалізованих послідовностей ДНК з ідентифікованими початками та закінченнями. Складність у дефініції виникла після відкриття регуляторних елементів (по суті, перемикачів), але основною причиною фенотипових характеристик все ще вважали послідовність ДНК, оскільки вона формує матрицю для визначення того, який білок виробляється, що, зі свого боку, взаємодіє з рештою організмів, щоб виробити фенотип. Назвемо це геном типу М.

Відносини між генами та навколишнім середовищем

Але якщо всі фенотип-характеристики не можуть бути співвіднесені виключно до ДНК-послідовностей (ДНК не діє поза контекстом повної клітини), то ген М не є таким самим, як ген J. Згідно з первісним уявленням, гени J - обов'язкова причина спадкових фенотипів, бо саме так вони були визначені: як і те, що в організмі є причиною цього фенотипу. Йоганссен навіть наполягав на тому, що ген може бути розпливчастим невизначеним, без зв'язку з хромосомами. Докінз також використовує визначення "всеохоплюючого" як "успадковану одиницю". Не має значення, чи була це ДНК, чи щось іще, чи будь-яка комбінація факторів. Жоден експеримент не підтверджує, не спростовує "істинність" визначення гена М та/або гена J. Таким чином, наразі ми не можемо стверджувати, що "ген" - це наукова категорія.

Питання про причинно-наслідковий зв'язок - це проблема емпірики переважно через сучасне визначення гена М, де ідентифікуючими критеріями вважаються лише послідовності ДНК та ігнорування інших факторів.

Щоб зрозуміти, про що йдеться, розгляньмо експерименти Менделя, які показують конкретні фенотипи, як-от гладенькі чи зморшкуваті поверхні гороху. Ген J робить горох гладким або зморшкуватим. Не має сенсу запитувати, чи є ген J причиною або наслідком. Ось як усе було визначено.

Замість цього слід поставити інше запитання: чи відповідає конкретна послідовність ДНК, ген М, за визначення фенотипу? Чіткої відповіді досі немає. Ба більше, ген J міг бути таким самим, як ген М, якщо ДНК визначає фенотип.

Різниця між геном J (який відноситься до невизначених об'єктів, що обов'язково є причиною) та геном M (причина якого відкрита для експериментів) є ключовою і фактично не вивченою. Особливо якщо врахувати, що більшість змін у ДНК не обов'язково спричиняють зміну фенотипу. Організми дуже добре себе захищають від геномних змін.

Тому вихідна концепція гена була прийнята, але потім значно змінена молекулярною біологією. Це призвело до більш детального опису молекулярних механізмів. Однак філософським наслідком такого кроку стало те, що глибокі теоретичні узагальнення в біології стали фактично недоречними, малоефективними.

Як результат, деякі вчені-біологи навіть відмовилися від використання поняття "ген", прописуючи це слово виключно в лапках. На їхню думку, ферменти клітини здатні активно маніпулювати ДНК, а геном в основному складається з напівстабільних генетичних елементів. Тим самим змінюється інформаційний зміст ДНК. Ця точка зору значною мірою підтверджується тим фактом, що експресія генів є стохастичною, що саме по собі відкриває шлях до великої двосторонньої взаємодії між функціональними мережами організму, структурою і функцією хроматину.

Причина того, що початкові та молекулярно-біологічні визначення мають несумісні наслідки для неодарвінізму, полягає в тому, що вони мають на увазі суворий поділ між "реплікатором" і "провідником".

Егоїстичні паттерни

Фото: Час Науки
Егоїстичні паттерни в роботі

 

Як показано на vfk.yre, визначення в термінах успадкованих фенотипових ознак (тобто гена J) обов'язково містить у собі набагато більше, ніж ДНК, так що відмінність між реплікатором і носієм більше не є реальною. Зміна визначення гена є більш фундаментальною, ніж деякі інші зміни, які актуалізувалися після нещодавніх відкриттів у галузі геноміки. Виникає емпіричне питання: чи є ці транскрипції функціональними РНК? Це розширило б розуміння гена М. Різниця між ним і геном J, як і раніше, матиме вирішальне значення, тому що зберігається різниця в емпірично визначуваних послідовностях.

"Егоїст"

Не існує біологічного експерименту, який міг би провести відмінність між егоїстичною теорією генів та її протилежностями, такими як "ув'язнені у в'язницю" або "кооперативні гени". Цю точку зору давно визнав Річард Докінз у своїй книжці "Розширений фенотип": "Я сумніваюся, що існує будь-який експеримент, який міг би довести моє твердження".

Код

Після відкриття подвійної спіральної структури ДНК було виявлено, що кожна послідовність із трьох основ у ДНК або РНК відповідає одній амінокислоті в послідовності білка. Ці триплетні патерни формуються з будь-якої комбінації чотирьох основ U, C, A і G в РНК і T, C, A і G в ДНК. Їх часто називають генетичним "кодом", але важливо розуміти, що таке тлумачення несе в собі обертони, які можуть збивати з пантелику.

G генотипКод спочатку був навмисним шифруванням, використовуваним людьми для спілкування. Генетичний "код" не є навмисним у цьому сенсі. На жаль, слово "код" підкріпило ідею про те, що гени є активними і навіть повними причинами, багато в чому так само, як комп'ютер змушує слідувати інструкціям закладеної програми. Точніше використовувати категорію "шаблон", який використовується тільки за необхідності; сам по собі він не є активним процесом або стимулом.

Річ у тім, що самі клітини визначають патерни експресії для різних станів. Ці патерни передаються в ДНК за допомогою чинників транскрипції, патернів метилювання та зв'язування з хвостами гістонів, що впливають на патерн і швидкість транскрипції різних частин геному. Якщо слово "інструкція" взагалі корисне, то, скоріше, клітина інструктує геном. Як сказала лауреатка Нобелівської премії Барбара МакКлінток, геном - це "орган клітини", а не навпаки.

Неправильне уявлення про причинність у біології збиває з пантелику і має далекосяжні наслідки. Причинність є круговою, діючи в обох напрямках: пасивна причинність за допомогою послідовностей ДНК, що діють як інертні матриці в іншому разі, а також активна причинність за допомогою функціональних мереж взаємодій, які визначають, як активується геном.

"Програма"

Ідея "генетичної програми" була запропонована французькими нобелівськими лауреатами Жаком Моно і Франсуа Жакобом. Вони посилалися на те, як перші комп'ютери програмувалися на паперових або магнітних стрічках. Генетичний матеріал "працює" як магнітна стрічка комп'ютера. Аналогія полягала в тому, що ДНК "програмує" клітини, тканини й органи тіла так само, як скрипт виробляє функціонал комп'ютера.

У принципі, код не залежить від машини, яка його реалізує. Самого коду достатньо, щоб вказати, що станеться, коли інструкції будуть виконані. Програма задає математичне обчислення, наприклад, вона міститиме специфікацію обчислення, яке має бути виконано у формі повних алгоритмів. Проблема в тому, що в послідовностях ДНК не можуть бути знайдені повні алгоритми. Те, що ми знаходимо, краще охарактеризувати як суміш шаблонів і перемикачів. "Шаблони" - це триплетні послідовності, які визначають амінокислотні послідовності або послідовності РНК. "Перемикачі" - це місця на ДНК або гістонах, де фактори транскрипції, метилювання та інші контролюючі процеси спричиняють їхній вплив. Скрипт, але не зовсім.

Де ж тоді лежить повна алгоритмічна логіка програми? Де ми знаходимо еквівалент інструкції типу "IF-THEN-ELSE"? Відповідь - у клітині або організмі в цілому, а не тільки в геномі.

Молекулярні зв'язки між циркадним ритмом та шляхами підтримки геному

Фото: Endocrine-Related Cancer
Молекулярні зв'язки між циркадним ритмом та шляхами підтримки геному

 

Візьміть як приклад циркадний ритм. Найпростіша версія цього процесу залежить від періоду послідовності ДНК, що використовується як матриця для продукування білка PER, концентрація якого потім збільшується в цитоплазмі. Він дифундує через ядерну мембрану і, у міру збільшення ядерного рівня, інгібує транскрипцію періоду. Це цикл з негативним зворотним зв'язком, який можна уявити як реалізацію "програми", наприклад, ЯКЩО РІВЕНЬ X ВИЩАЄ Y ЗУПИНИТИ ВИРОБНИЦТВО X, АЛЕ ЯКЩО РІВЕНЬ X МЕНШЕНІШИЙ, ЧИМ Y ПРОДОВЖУВАТИ ВИРОБНИЦТВО X.

Важливо зазначити, що реалізація цієї "програми" для створення 24-годинного ритму залежить від швидкості продукування білка рибосомами, швидкості зміни концентрацій у цитоплазмі, швидкості транспортування через ядерну мембрану та взаємодії із сайтом контролю транскрипції гена (перемикач). Усе це необхідно для створення ланцюга зворотного зв'язку, який залежить не тільки від геному, а й від складних клітинних, тканинних і органних структур, які не визначаються послідовностями ДНК, - самошаблонування.

Така логіка правильна для всіх "програм". Називати їх "генетичними програмами" або "генними мережами" означає створювати неправильне уявлення про те, що все активне причинне визначення полягає в одновимірних послідовностях ДНК. Це не так. Особливо з урахуванням тривимірних статичних і динамічних структур клітин, тканин і органів.

Постулат "генетичної програми" привів до думки, що організм повністю визначається своїм геномом, тоді як насправді успадкування клітинної структури однаково важливе. Ба більше, ця структура специфічна для різних видів. Міжвидові клони зазвичай не працюють. Ба більше, результат визначається цитоплазматичними структурами і патернами експресії, а також ДНК. У зв'язку з цим варто зазначити, що основні риси структурної організації як клітин, так і багатоклітинних організмів мали бути визначені фізичними обмеженнями до того, як було розроблено відповідну геномну інформацію.

Традиційне розуміння "програми" означає можливість її використання з різними цілями та різними способами. Така "програма" полягає не тільки в ДНК. Це також причина, через яку програмна концепція не піддається перевірці. Завжди є елементи, що не належать до ДНК, тому будь-які висновки в логіці дослідження - сумнівні. Уже очевидно: організми не просто виробляються відповідно до набору інструкцій. Немає простого способу відокремити інструкції від процесу їх виконання, щоб відрізнити план від виконання.

План

"План" - це варіант ідеї програми. Самі терміни схожі, тому й прогалини теорії майже однакові. Наприклад, припущення, що вся інформація, необхідна для побудови організму, міститься в ДНК. Це не зовсім так. Потрібен повний осередок, його складні структури успадковуються автоматичними шаблонами. "План", отже, є осередком у цілому. Але така інтерпретація руйнує всю ідею генома, що є повною специфікацією. Це також розмиває і значною мірою зводить нанівець відмінність між реплікатором і провідником в егоїстичній теорії генів.

"Книга життя"

Геном часто називають "книгою життя". Це була одна з барвистих метафор, використаних під час проєктування ідеї секвенування повного людського геному. Це був блискучий піар-хід. Усі ми зацікавлені прочитати "книгу життя" і розгадати секрети нашого буття.

Науковці визначили гени, потенційно залучені до розвитку діабетичної хвороби нирок, порівнявши геноми фінських пар рідних братів і сестер, які хворіли на діабет понад 15 роківЯкщо так станеться, то через десятиліття ми навчимося, як лікувати рак, хвороби серця, нервові захворювання, діабет. Словом, відкриється нова ера фармацевтичних цілей.

Як ми всі знаємо, цього не сталося. Просто тому, що на активність генів впливають багато речей, які явно не кодуються в геномі. Наприклад, "упаковка" хромосомного матеріалу і його "маркування" хімічними маркерами. Навіть для таких хвороб, як діабет, який має явно успадкований компонент, гени, які беруть участь, мабуть, становлять лише невелику частину успадкування.

Після того, як Френсіс Крік і Джеймс Вотсон 1953 року розкрили загадку молекулярної структури ДНК, генетики не втрималися, припускаючи "тотальний" характер ДНК. Але нуклеїнові кислоти це не керівництво з експлуатації. Тепер здається, що геном менше схожий на список частин і більше схожий на прогноз погоди.

Мова неодарвінізму в цілому

Усі частини неодарвіністських форм заохочують використання і прийняття інших уявлень. Щойно людина приймає ідею, що шаблони ДНК і РНК утворюють "код", ідея "генетичної програми" зникає природним чином. Це призводить до висловлювань Докінза типу "вони [гени] створили нас тілом і розумом", де категорія причинності знецінює біологічну науку.

По-перше, Докінз представляє гени як активні причини, тоді як вони є пасивними шаблонами. По-друге, він ігнорує численні відгуки про геном, які сприяють круговій причинності, в якій вона протікає в обох напрямках. Ці помилки породжують розрізнення між реплікаторами та транспортувальниками. Проблема полягає в прийнятті першого кроку, ідеї про те, що існує "код", який формує закінчену програму.

Відмінність між реплікатором і провідником можна розглядати як кульмінацію неодарвіністського мислення. Якщо всі алгоритми життєвих процесів лежать у геномі, тоді інша частина організму здається одноразовим засобом. Тільки геном має копіюватися, залишаючи будь-який старий носій для його перенесення.

Звідси, до речі, виникає феномен віри і сектантства в дарвіністській традиції. Теологічно "ген" підмінив "душу", але залишив тіло як тимчасове сховище даних.

При цьому релігійний спосіб мислення, дискурсивні практики, що сходять до англо-франкських суперечок 9-13 століть, залишилися незмінними. Відбулося перенесення в науку, і все. А що ви хочете від священика Дарвіна, - його так навчили мислити. По-іншому він не вмів.

Відмінність, однак, є лінгвістичною плутаниною, і вона експериментально неадекватна. ДНК, що передається з покоління в покоління, ґрунтується на копіях (хоча й не завжди ідеальних). Клітина, яка несе ДНК, також є копією, і теж не завжди ідеальною. Щоб вона породила дочірні клітини, необхідно скопіювати як ДНК, так і саму клітину.

Єдина відмінність між копіюванням клітини і копіюванням ДНК полягає в тому, що клітина копіює себе в рамках самошаблонування, а потім розділяється, створюючи аналогові структури. Копіювання ДНК з метою успадкування відбувається тільки тоді, коли клітина ділиться.

Причому складність конструкції в кожному конкретному випадку порівнянна. Точна реплікація геному також залежить від попередньої здатності клітини реплікуватися, оскільки саме ця клітина містить необхідні структури та процеси, що дають змогу виправити помилки в реплікації ДНК. Самовідтворення, таким чином, має бути до розробки відповідної ДНК.

Тому клітини зародкової лінії так само "безсмертні" (або ні), як і їхня ДНК. Ті, які виживають, тобто статеві клітини та ДНК, допомагають сформувати наступне покоління. ДНК не працює без клітини. Це просто невірна гра зі словами, щоб виділити ДНК як унікальне безсмертне.

Одна ДНК нічого не робить. Навпаки, клітини можуть продовжувати функціонувати протягом деякого часу без ДНК. Деякі клітини роблять це природно, наприклад, еритроцити, які живуть близько 100 днів. Інші, такі як ізольовані нервові аксони, фібробласти або будь-який інший тип енуклейованих клітин, можуть відносно спокійно "брати участь" в експериментах.

Тому гени М найкраще розглядати як причини в пасивному сенсі. Вони нічого не роблять, поки не активовані. Активізація пов'язана з білками, мембранами, метаболітами, органелами тощо, а також із динамічними функціональними мережами, які вони утворюють під час взаємодії з навколишнім середовищем.

Альтернативна форма подання

Альтернативна форма представлення залежить від двох основних понять. Перше - це відмінність між активними та пасивними причинами. Гени М є пасивними причинами; вони є шаблонами, що очікують активації.

Друга концепція полягає в тому, що немає привілейованого рівня причинності. У мережах це обов'язково вірно, і це центральна особливість того, що називається теорією біологічної відносності.

Література

Beurton, P. J., Falk, R. and Rheinberger, H.-J. (2008). The Concept of the Gene in Development and Evolution: Historical and Epistemological Perspectives. Cambridge: Cambridge University Press.

Chang, H. H., Hemberg, M., Barahona, M., Ingber, D. E. and Huang, S. (2008). Transcriptome-wide noise controls lineage choice in mammalian progenitor cells. Nature 453, 544-547.

Coen, E. (1999). The Art of Genes. Oxford: Oxford University Press.

Соx, R. P., Krauss, M. R., Balis, M. E. and Dancis, J. (1976). Studies on cell communication with enucleated human fibroblasts. J. Cell Biol. 71, 693-703.

Crick, F. (1970). Central dogma of molecular biology. Nature 227, 561-563.

Danchin, É., Charmantier, A., Champagne, F. A., Mesoudi, A., Pujol, B. and Blanchet, S. (2011). Beyond DNA: integrating inclusive inheritance into an extended theory of evolution. Nat. Rev. Genet. 12, 475-486.

Dawkins, R. (1982). The Extended Phenotype. London: Freeman.

Джерело: Evolution beyond neo-Darwinism: a new conceptual framework

Написати коментар