Від біології речей до біології процесів

Понад півмільярда років тому, під час едіакарського періоду, сюрреалістичний світ життя захопив дно океану. Дивні тварини з м'яким тілом мали фізичні форми, що кидали виклик уяві: фантастичні краплі та ребристі диски, сегментовані трубки та перевернуті дзвіночки, конічні веретена та тонкі конуси.

Можливо, вони були першими великими багатоклітинними організмами планети, але невдовзі вони вимерли, не залишивши по собі більш досконалих форм; сліди скам'янілостей у стародавніх плитах із пісковика та кварциту - все, з чим мають справу палеонтологи.

Через цю дивакуватість учені досі сперечаються про базові речі: як вони розвивалися, як харчувалися та розмножувалися, чому одні види представлені ширше, а інші - ні, чи можна вважати ці живі організми окремими особинами або колоніями дрібніших мешканців, де закінчуються їхні желеподібні тіла й починається "соціальне" або природне оточення?

Завдання розрізнення живих істот може бути ускладнене, і не тільки для експертів, які прагнуть зрозуміти фрагментовані записи скам'янілостей. Чітких критеріїв того, що є живим, біологічним життям, немає. Природа зневажливо ставиться до своїх кордонів: наприклад, віруси покладаються на клітини-господарі, щоб відтворювати самих себе.

Бактерії розділяють і змінюють гени, тоді як види вищого порядку гібридизуються. Тисячі амеб збираються у вежі, щоб поширити спори. Робочі мурахи та бджоли можуть бути непродуктивними членами соціал-колонії "суперорганізмів".

Лишайники є симбіотичними композиціями грибів і водоростей або ціанобактерій. Навіть люди містять принаймні стільки ж бактеріальних клітин, скільки "я" клітин, а мікроорганізми в кишечнику нерозривно пов'язані з нашим розвитком, фізіологією та виживанням.

За словами Джона Дюпре, філософа науки в Університеті Ексетера і директора Центру вивчення природничих наук Egenis, мікроорганізми іноді так тісно взаємопов'язані, що незрозуміло, чи слід їх класифікувати якимось чином.

Проте, можливість виробляти видові відмінності надзвичайно важлива для вчених. Навіть екологи розподіляють людей щодо компонентних симбіозів і відносин, які визначають спільноту. Еволюціоністи, які вивчають механізми природного добору, мають розуміти, за якими критеріями та чому обирають ті чи інші особини.

Те саме стосується галузей біології, які мають справу з більш абстрактними поняттями - сутностями/категоріями, що з'являються як окремі моделі у більших схемах поведінки або діяльності. Наприклад, нейробіологи "працюють" із кластерами нейронів у мозку, що діють як єдине ціле під час формування системи "стимул-реакція".

Проте розуміння того, що означає бути людиною, для науки вельми затуманене. Деякі біологи навіть кажуть, що не можна виділити людину як індивіда. Як у ситуації з гіркою піску. Ми знаємо, що це "гірка" або "пісок", але окрема піщинка для нас чи то нецікава, чи то ми не здатні її класифікувати за об'єктивними показниками.

Таке фундаментальне визначення частково відсутнє тому, що біологія залишається емпірично керованою дисципліною. Вона не має широкої теоретичної бази. Утім, думається, це біда практично всіх наук з операційною моделлю "дані-гіпотеза-докази-теорія". За класикою: що первинно - яйце чи курка?

Тепер кілька груп учених збираються змінити традиційний підхід - і вони починають з формалізації концепції індивідуальності, одиничності відповідно до набору принципів і вимірювань, які, як вони сподіваються, приведуть біологію в нову еру.

Що вимірювати?

Коли справа доходить до визначення біологічного одиничного (істот, індивідів), ми схильні покладатися на те, як ми можемо спостерігати і вимірювати. Клітини обмежені оболонками, тварини - своєю шкірою; ми можемо впорядкувати ДНК і розмежувати гени в певних послідовностях. Далі, переглянути наше розуміння організму та пов'язаних із ним характеристик: сутності, яка фізично відокремлена від довкілля, має ДНК і може розмножуватися.

Але це не єдиний спосіб описати живі істоти - і при цьому це не завжди найкращий. Спрощено кажучи, якби Дарвін був мікробіологом, то він би не вибрав виживаність індивідів як чи не єдиний механізм еволюції. Працюють зовсім інші механізми, а теорія британця безтурботно застаріла і не відповідає реаліям накопичених даних і теоретичним знанням.

Крім того, дарвінізм не задає об'єктивного способу ідентифікації біологічних одиниць, операційних критеріїв для кількісного оцінювання індивідуальності, що ґрунтуються на внутрішній динаміці системи, яку вивчають, без зсувів або обмежень, що накладаються зовнішніми обставинами.

Джессіка Флек, експерт із вивчення колективних явищ, узагалі говорить про довільність концепцій індивідуальності під час вивчення біологічних процесів. Спільно з іншими вченими вона запропонувала альтернативне фундаментальне визначення "живого". У його основі лежить ідея про те, що індивід слід розглядати не в просторовій, а в тимчасовій концепції: як щось, що зберігається стабільно, але динамічно в часі.

Ще на початку 1800-х років французький зоолог Жорж Кюв'є описав життя як молекулярний вихор, свого роду броунівський рух, динамічний у часі. На його думку, форма живого тіла важливіша, ніж матерія. Це інший підхід, за якого біологічні системи існують не як фіксовані об'єкти або матеріали, а як поточні моделі та відносини в загальному потоці.

Однак генна теорія сплутала всі методологічні карти. Ситуація починає потихеньку змінюватися, біологія речей трансформується в біологію процесів.

Вчені зараз розробляють новий інструментарій формалізації даних і методів вивчення. По суті, йдеться про створення нового наукового дискурсу в біології, а також визначаються межі статистичної мови.

Індивідуальність із багатьма ступенями свободи
Кракауер і Флек у співпраці з Ніхат Ай з Інституту математики ім. Макса Планка припустили, що індивідуальність з багатьма ступенями свободи. Макса Планка припустили, що теорія інформації - методичний ключ, здатний формалізувати принцип індивідуального в новому прочитанні.

Тому вони виходили з визначення індивіда як сукупності, що "зберігала міру часової цілісності", поширюючи майже максимальну кількість інформації в часі.

Таким чином, новітній біологічний формалізм ґрунтується на трьох аксіомах.

По-перше, індивідуальність може існувати на будь-якому рівні біологічної організації, від субклітинного до соціального.
По-друге, індивідуальність може бути вкладеною - одна людина може існувати всередині іншої.
По-третє, індивідуальність існує в континуумі, і сутності можуть мати вимірні ступені свободи.
Це означає, що в майбутніх дослідженнях робитиметься акцент на кількісних методиках, а не на категоризації, як було досі. Саме з такого погляду визначається, чи є вірус живою істотою. Тобто: як живе вірус? Скільки в нього індивідуальностей, проявів у світі?

Кракауер і Флек стверджують, що вони описали математичну структуру, яка розбиває інформаційні потоки на частини й оцінює індивідуальність на основі того, як різні комбінації впливів довкілля та внутрішньої динаміки можуть передбачити майбутні ймовірнісні стани системи.

Ґрунтуючись на цих градієнтах потоку інформації, команда виділяє два типи індивідуальності.

• Перший - це індивідуальний організм, суб'єкт, який формується факторами довкілля, але має свободу самоорганізації. Майже вся інформація, яка визначає життя одиничного, є внутрішньою і ґрунтується на його власних попередніх станах.
• Другий тип індивідуальності - це колоніальна форма, що включає більш складні відносини між внутрішніми та зовнішніми факторами. У цю категорію можуть входити колонія мурах або розподілені по павутині системи, які "частково захищені" своїм середовищем, але водночас зберігають деяку самостійну структуру.

Такий підхід дає змогу перевірити, як різні граничні умови здатні впливати на ступінь свободи індивідуальності об'єкта і його ставлення до навколишнього середовища. Наприклад, як "індивід" перетворюється на екосистему? Що відбувається з екосистемою, якщо вид зникає або змінюється найважливіший фактор довкілля? Що станеться, якщо межа проживання організму проведена не навколо його шкіри, а простягається далі, щоб охопити частину оточуючого його середовища? Відповіді залежать від нашого розуміння взаємозалежності організмів, видів та їхнього фізичного оточення.

Збереження індивідуальності

Низка вчених, загалом погоджуючись з ідеями Кракауера-Флек, все ж таки стверджують, що в їхньому підході не враховується, як індивід підтримує межі проживання навколо себе. Неясно, як "зовнішня" інформація стає "внутрішньою". Структура Кракауера і Флек необов'язкова "зрозуміла" для організму. Немає гарантії того, що отримана ззовні інформація використовується для підтримки "внутрішнього" життя.

Як альтернативу пропонується теорія біологічної самоорганізації на основі "принципу вільної енергії" Фрістона. Цей підхід сумісний із формалізмом Кракауера і Флека, але обмежує опис біологічних сутностей. Підтримка власної індивідуальності перестає бути чинником розвитку.

Принцип вільної енергії стверджує, що будь-яка система, що самоорганізується, матиме такий вигляд, як вона генерує прогнози щодо свого оточення і мінімізує помилки прогнозів. Для організмів це частково означає, що вони постійно порівнюють свої чуттєві та перцептивні переживання з їхніми очікуваннями.

Джерело: Quantum Magazine