Меню

К общей теории относительности в биологии

Недавний рост исследований эпигенетических механизмов, описанных в ряде публикаций 2014 года (Noble et al., 2014), позволил расширить понятие неодарвинистского синтеза.

На наш взгляд, нужно говорить о замене категориального аппарата современной теории эволюции. Причина в том, что существование надежных механизмов трансгенного наследования, независимых от последовательностей ДНК, полностью противоречит духу модернового синтеза. Некоторые новые особенности экспериментальных данных по наследованию и механизмам эволюционной изменчивости несовместимы с базовыми теоретическими положениями.

На рис. 1 продемонстрированы дефиниции и взаимосвязи между различными признаками дарвинизма, современного синтеза и предлагаемого нового интегративного синтеза. Диаграмма основана на логике, предложенной Пинлиуччи и Миллером в 2010 году, поясняющей идею расширенного современного синтеза.

Категориальный аппарат неодарвинизмаПереход к новому синтезу в эволюционной биологии также можно рассматривать как часть более общего сдвига точки зрения в сторону более системных подходов. Редукционистский подход (который понимается как генно-центрированная теория эволюции) был очень продуктивным, но его всегда нужно дополнять интегративным подходом, в том числе новой теорией причинности в биологии.

Некоторые исследователи даже заговорили о возникновении теории биологической относительности по аналогии с эйнштейновской концепцией. Современный подход может быть назван интегративным синтезом, так как он основан на интеграции различных механизмов эволюционных изменений, а не на вере, постулируемой неодарвинистской логикой. То есть речь идет о N-элементной теории эволюции, которая, что интересно, ближе к некоторым идеям Дарвина, чем к неодарвинизму. В частности, речь идет о признании других, кроме естественного отбора, механизмов эволюции, - например, наследование приобретенных признаков.

Язык неодарвинизма

Многие из проблем современного синтеза, которые заключаются в аккомодации новых экспериментальных данных, происходят из неодарвинистского представления, а не из самой экспериментальной базы. Эти формы репрезентации выражают институциональные особенности биологии 20-го века в академической науке. Следовательно, мы должны рассмотреть методы интерпретации фиксируемых опытов. А также учитывать то обстоятельство, что язык неодарвинизма отражает крайне редукционистские взгляды, не требующие научных открытий как таковых.

Особенно это заметно на примере операционализации таких понятий, как «эгоистичные гены» или «генетическая программа». Концепции обретают предвзятую интерпретационную оболочку, которая способна скрывать открытия в сети нагроможденных интерпретаций.

Смутные толкования в неодарвинизме производят поток спекуляций, оторванных от экспериментальной науки. Точнее даже так: не всякая теория требует подтверждения, но каждый опыт порождает несколько одновременно существующих истин, в вероятностном порядке, разумеется.

Поскольку современный синтез доминировал в биологической науке на протяжении более полувека, его методологические позиции настолько встроены в научную литературу, включая стандартные школьные и университетские учебники, что многие ученые-биологи могут не осознавать концептуальной природы науки, которой они занимаются. Сомневаться в теории для ученого означает поддаться грехопадению. Часто академические протесты заканчиваются изгнанием из научной среды.

Поэтому на выходе мы видим лишь описание экспериментов; вы редко дождетесь анализа, обобщения, а тем более теоретизирования проблемы.

К примеру: гены кодируют белки, которые формируют организмы с помощью генетической программы, унаследованной от предыдущих поколений, и которые определяют, как будут «организованы» их потомки. Что не так с этим положением?

'Ген'

Неодарвинизм - это генно-центрированная теория эволюции. Тем не менее, его центральное понятие, «ген», является нестабильной категорией. Как ни удивительно, единого согласованного определения данного понятия не существует. Более того, различные определения имеют несовместимые последствия для теории.

Слово «ген» было введено Вильгельмом Йоханнсеном для определения наследственного фактора. Но сама концепция уже существовала во времена Менделя и касалась опытов на гибридных растениях. Концепция основывалась на «молчаливом предположении» того, что существует связь 1:1 между наследованием и анализируемыми характеристиками. Конечно, сейчас никто не считает реальным соотношение 1:1, но логика прямой причинно-следственной связи была сохранена. Оставим неизменным определение гена Менделя-Йоханнсена (ген J), хотя уточним, что речь идет о логической категории, факторе эволюции, но не более того.

С тех пор концепция гена принципиально изменилась. Добавились ряд феннотипических признаков, которые передаются из поколения в поколение: цвет глаз, волос, кожи, форма и масса тела, количество ног/рук/крыльев, интеллект, индивидуальнность/личность и сексуальность.

Молекулярно-биологическое определение гена очень отличается от логического. После открытия того факта, что ДНК образует шаблоны для белков, определение перешло к локализованным последовательностям ДНК с идентифицируемыми началами и окончаниями. Сложность в дефиниции возникла после открытия регуляторных элементов (по сути, переключателей), но основной причиной фенотипических характеристик все еще считалась последовательность ДНК, поскольку она формирует матрицу для определения того, какой белок вырабатывается, который, в свою очередь, взаимодействует с остальными организмами, чтобы произвести фенотип. Назовем это геном типа М.

Отношения между генами и окружающей средойНо если все фенотип-характеристики не могут быть соотнесены исключительно к ДНК -последовательностям (ДНК не действует вне контекста полной клетки), то ген М не является таким же, как ген J. Согласно первоначальному представлению, гены J - обязательная причина наследственных фенотипов, потому что именно так они были определены: как и то, что в организме является причиной этого фенотипа. Йоханссен даже настаивал на том, что ген может быть расплывчатым неопределенным, без связи с хромосомами. Докинз также использует определение «всеохватывающего» как «наследуемую единицу». Не имеет значения, была ли это ДНК или что-то еще, или любая комбинация факторов. Ни один эксперимент не подтверждает, не опровергает «истинность» определения гена М и/или гена J. Таким образом, в настоящее время мы не можем утверждать, что «ген» - это научная категория.

Вопрос о причинно-следственной связи — это проблема эмпирики преимущественно из-за современного определения гена М, где идентифицирующими критериями считаются только последовательности ДНК и игнорирование других факторов.

Чтобы понять, о чем идет речь, рассмотрим эксперименты Менделя, показывающие конкретные фенотипы, такие как гладкие или морщинистые поверхности гороха. Ген J делает горох гладким или морщинистым. Не имеет смысла спрашивать, является ли ген J причиной или следствием. Вот как все было определено.

Вместо этого следует задать другой вопрос: отвечает ли конкретная последовательность ДНК, ген М, за определение фенотипа? Четкого ответа до сих пор нет. Больше того, ген J мог быть таким же, как ген М, если ДНК определяет фенотип.

Разница между геном J (который относится к неопределенным объектам, которые обязательно являются причиной) и геном M (причина которого открыта для экспериментов) является ключевой и фактически не изученной. Особенно если учесть, что большинство изменений в ДНК не обязательно вызывают изменение фенотипа. Организмы очень хорошо себя защищают от геномных изменений.

Поэтому исходная концепция гена была принята, но затем значительно изменена молекулярной биологией. Это привело к более детальному описанию молекулярных механизмов. Однако философским следствием такого шага стало то, что глубокие теоретические обобщения в биологии стали фактически неуместными, малоэффективными.

Как результат, некоторые ученые-биологи даже отказались от использования понятия «ген», прописывая данное слово исключительно в кавычках. По их мнению ,ферменты клетки способны активно манипулировать ДНК, а геном в основном состоит из полустабильных генетических элементов. Тем самым изменяется информационное содержание ДНК. Эта точка зрения в значительной степени подтверждается тем фактом, что экспрессия генов является стохастической, что само по себе открывает путь к обширному двустороннему взаимодействию между функциональными сетями организма, структурой и функцией хроматина.

Причина того, что первоначальные и молекулярно-биологические определения имеют несовместимые последствия для неодарвинизма, заключается в том, что оно подразумевает строгое разделением между «репликатором» и «проводником».

Неодарвинизм

Как показано н арис. 2, определение в терминах наследуемых фенотипических признаков (то есть гена J) обязательно включает в себя гораздо больше, чем ДНК, так что различие между репликатором и носителем более не является реальным. Изменение определения гена является более фундаментальным, чем некоторые другие изменения, которые актуализировались после недавних открытий в области геномики. Возникает эмпирический вопрос: являются ли эти транскрипции функциональными РНК? Это расширило бы понимание гена М. Разница между ним и геном J будет по-прежнему иметь решающее значение, потому что сохраняется разница в эмпирически определяемых последовательностей.

«Эгоист»

Не существует биологического эксперимента, который мог бы провести различие между эгоистичной теорией генов и ее противоположностями, такими как «заключенные в тюрьму» или «кооперативные гены». Эту точку зрения давно признал Ричард Докинз в своей книге «Расширенный фенотип» : «Я сомневаюсь, что существует какой-либо эксперимент, который мог бы доказать мое утверждение».

'Код'

После открытия двойной спиральной структуры ДНК было обнаружено, что каждая последовательность из трех оснований в ДНК или РНК соответствует одной аминокислоте в последовательности белка. Эти триплетные паттерны формируются из любой комбинации четырех оснований U, C, A и G в РНК и T, C, A и G в ДНК. Их часто называют генетическим «кодом», но важно понимать, что такое толкование несет в себе обертоны, которые могут сбивать с толку.

Код изначально был преднамеренным шифрованием, используемым людьми для общения. Генетический «код» не является намеренным в этом смысле. К сожалению, слово «код» подкрепило идею о том, что гены являются активными и даже полными причинами, во многом так же, как компьютер заставляет следовать инструкциям заложенной программы. Более точно использовать категорию «шаблон», который используется только при необходимости; сам по себе он не являются активным процессом или стимулом. Дело в том, что сами клетки определяют паттерны экспрессии для различных состояний. Эти паттерны передаются в ДНК с помощью факторов транскрипции, паттернов метилирования и связывания с хвостами гистонов, которые влияют на паттерн и скорость транскрипции различных частей генома. Если слово «инструкция» вообще полезно, то,скорее, клетка инструктирует геном. Как сказала лауреат Нобелевской премии Барбара МакКлинток, геном - это «орган клетки», а не наоборот.

Неправильное представление о причинности в биологии сбивает с толку и имеет далеко идущие последствия. Причинность является круговой, действуя в обоих направлениях: пассивная причинность с помощью последовательностей ДНК, действующих как инертные матрицы в ином случае, а также активная причинность с помощью функциональных сетей взаимодействий, которые определяют, как активируется геном.

«Программа»

Идея «генетической программы» была предложена французскими нобелевскими лауреатами Жаком Моно и Франсуа Жакобом. Они ссылались на то, как первые компьютеры программировались на бумажных или магнитных лентах. Генетический материал «работает» как магнитная лента компьютера. Аналогия состояла в том, что ДНК «программирует» клетки, ткани и органы тела так же, как скрипт производит функционал компьютера.

В принципе, код не зависит от машины, которая его реализует. Самого кода достаточно, чтобы указать, что произойдет, когда инструкции будут выполнены. Программа задает математическое вычисление, например, оно будет содержать спецификацию вычисления, которое должно быть выполнено в форме полных алгоритмов. Проблема в том, что в последовательностях ДНК не могут быть найдены полные алгоритмы. То, что мы находим, лучше охарактеризовать как смесь шаблонов и переключателей. «Шаблоны» - это триплетные последовательности, которые определяют аминокислотные последовательности или последовательности РНК. «Переключатели» - это места на ДНК или гистонах, где факторы транскрипции, метилирование и другие контролирующие процессы вызывают их влияние. Скрипт, но не совсем.

Где же тогда лежит полная алгоритмическая логика программы? Где мы находим эквивалент инструкции типа «IF-THEN-ELSE»? Ответ - в клетке или организме в целом, а не только в геноме.

Возьмите в качестве примера циркадный ритм. Простейшая версия этого процесса зависит от периода последовательности ДНК, используемой в качестве матрицы для продуцирования белка PER, концентрация которого затем увеличивается в цитоплазме. Он диффундирует через ядерную мембрану и, по мере увеличения ядерного уровня, ингибирует транскрипцию периода. Это цикл с отрицательной обратной связью, который можно представить как реализацию «программы», например, ЕСЛИ УРОВЕНЬ X ПРЕВЫШАЕТ Y ОСТАНОВИТЬ ПРОИЗВОДСТВО X, НО ЕСЛИ УРОВЕНЬ X МЕНЬШЕ, ЧЕМ Y ПРОДОЛЖАТЬ ПРОИЗВОДИТЬ X.

Важно отметить, что реализация этой «программы» для создания 24-часового ритма зависит от скорости продуцирования белка рибосомами, скорости изменения концентраций в цитоплазме, скорости транспортировки через ядерную мембрану и взаимодействия с сайтом контроля транскрипции гена (переключатель). Все это необходимо для создания цепи обратной связи, которая зависит не только от генома, но и от сложных клеточных, тканевых и органных структур, которые не определяются последовательностями ДНК, - самошаблонирование.

Такая логика верна для всех «программ». Называть их «генетическими программами» или «генными сетями» означает создавать неправильное представление о том, что все активное причинное определение заключается в одномерных последовательностях ДНК. Это не так. Особенно с учетом трехмерных статических и динамических структур клеток, тканей и органов.

Постулат «генетической программы» привел к мысли, что организм полностью определяется своим геномом, тогда как на самом деле наследование клеточной структуры одинаково важно. Более того, эта структура специфична для разных видов. Межвидовые клоны обычно не работают. Более того, результат определяется цитоплазматическими структурами и паттернами экспрессии, а также ДНК. В связи с этим стоит отметить, что основные черты структурной организации как клеток, так и многоклеточных организмов должны были быть определены физическими ограничениями до того, как была разработана соответствующая геномная информация.

Традиционное понимание «программы» означает возможность ее использования с различными целями и различными способами. Тпкая «программа» заключается не только в ДНК. Это также причина, по которой программная концепция не поддается проверке. Всегда есть элементы, не относящиеся к ДНК, поэтому любые выводы в логике исследования - сомнительны. Уже очевидно: организмы не просто производятся в соответствии с набором инструкций. Нет простого способа отделить инструкции от процесса их выполнения, чтобы отличить план от исполнения.

'План'

«План» - это вариант идеи программы. Сами термины похожи, поэтому и пробелы теории почти что одинаковы. Например, предположение, что вся информация, необходимая для построения организма, находится в ДНК. Это не совсем так. Требуется полная ячейка, ее сложные структуры наследуются автоматическими шаблонами. «План», следовательно, является ячейкой в целом. Но такая интерпретация разрушает всю идею генома, являющегося полной спецификацией. Это также размывает и в значительной степени сводит на нет различие между репликатором и проводником в эгоистичной теории генов.

«Книга жизни»

Геном часто называют «книгой жизни». Это была одна из красочных метафор, использованных при проектировании идеи секвенирования полного человеческого генома. Это был блестящий пиар-ход. Все мы заинтересованы прочитать «книгу жизни» и разгадать секреты нашего бытия. Если так произойдет, то через десятилетие мы научимся, как лечить рак, болезни сердца, нервные заболевания, диабет. Словом, откроется новая эра фармацевтических целей.

Как мы все знаем, этого не произошло. Просто потому, что на активность генов влияют многие вещи, которые явно не кодируются в геноме. Например, «упаковка» хромосомного материала и его «маркировка» химическими маркерами. Даже для таких болезней, как диабет, который имеет явно наследованный компонент, участвующие гены, по-видимому, составляют лишь небольшую часть наследования. После того, как Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон в 1953 году раскрыли загадку молекулярной структуры ДНК, генетики не удержались, предполагая «тотальный» характер ДНК. Но нуклеиновые кислоты это не руководство по эксплуатации. Теперь кажется, что геном меньше похож на список частей и больше похож на прогноз погоды.

Язык неодарвинизма в целом

Все части неодарвинистских форм поощряют использование и принятие других представлений. Как только человек принимает идею, что шаблоны ДНК и РНК образуют «код», идея «генетической программы» позникает естественным образом. Это приводит к высказываниям Докинза типа «они [гены] создали нас телом и разумом», где категория причинности обесценивает биологическую науку. Во-первых, Докинз представляет гены как активные причины, тогда как они являются пассивными шаблонами. Во-вторых, он игнорирует многочисленные отзывы о геноме, которые способствуют круговой причинности, в которой она протекает в обоих направлениях. Эти ошибки порождают различение между репликаторами и транспортировщиками. Проблема заключается в принятии первого шага, идеи о том, что существует «код», формирующий законченную программу.

Различие между репликатором и проводником можно рассматривать как кульминацию неодарвинистского мышления. Если все алгоритмы жизненных процессов лежат в геноме, тогда остальная часть организма кажется одноразовым средством. Только геном должен копироваться, оставляя любой старый носитель для его переноса.

Отсюда, кстати, возникает феномен веры и сектантства в дарвинистской традиции. Теологически «ген» подменил «душу», но оставил тело как временное хранилище данных. При этом религиозный способ мышления, дискурсивные практики, восходящие англо-франкским спорам 9-13 веков, остались неизменными. Произошел перенос в науку, и все. А что вы хотите от священника Дарвина, - его так научили мыслить. По другому он не умел.

Различие, однако, является лингвистической путаницей, и оно экспериментально неадекватно. ДНК, передаваемая из поколения в поколение, основана на копиях (хотя и не всегда идеальных). Клетка, которая несет ДНК, также является копией, и тоже не всегда идеальной. Чтобы она породила дочерние клетки, необходимо скопировать как ДНК, так и саму клетку. Единственное различие между копированием клетки и копированием ДНК состоит в том, что клетка копирует себя в рамках самошаблонирования, а затем разделяется, создавая аналоговые структуры. Копирование ДНК с целью наследования происходит только тогда, когда клетка делится. Причем сложность конструкции в каждом конкретном случае сопоставима. Точная репликация генома также зависит от предшествующей способности клетки реплицироваться, поскольку именно эта клетка содержит необходимые структуры и процессы, позволяющие исправить ошибки в репликации ДНК. Самовоспроизводство, таким образом, должно быть до разработки соответствующей ДНК.

Поэтому клетки зародышевой линии так же «бессмертны» (или нет), как и их ДНК. Те, которые выживают, то есть половые клетки и ДНК, помогают сформировать следующее поколение. ДНК не работает без клетки. Это просто неверная игра со словами, чтобы выделить ДНК как уникальное бессмертное.

Одна ДНК ничего не делает. Напротив, клетки могут продолжать функционировать в течение некоторого времени без ДНК. Некоторые клетки делают это естественно, например, эритроциты, которые живут около 100 дней. Другие, такие как изолированные нервные аксоны, фибробласты или любой другой тип энуклеированных клеток, могут относительно спокойно «участвовать» в экспериментах.

Поэтому гены М лучше всего рассматривать как причины в пассивном смысле. Они ничего не делают, пока не активированы. Активизация связана с белками, мембранами, метаболитами, органеллами и т. д., а также с динамическими функциональными сетями, которые они образуют при взаимодействии с окружающей средой.

Альтернативная форма представления

Альтернативная форма представления зависит от двух основных понятий. Первая - это различие между активными и пассивными причинами. Гены М являются пассивными причинами; они шаблоны, ожидающие активации.

Вторая концепция заключается в том, что нет привилегированного уровня причинности. В сетях это обязательно верно, и это центральная особенность того, что называется теорией биологической относительности.

Литература

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.

Добавил:Денис Нобл Дата:2020-07-28 Раздел:Биология