В 2019 году в Журнале теоретической биологии появилась статья с вопросом: «Действительно ли клетка является машиной?» Автор, Дэниел Николсон из Института исследований эволюции и познания имени Конрада Лоренца, выступает против общепринятого взгляда на клетку как на машину.1 Если не машина, то что? По крайней мере, как мы привыкли думать в наш век ИИ, альтернативой машине является разум. Открывает ли тогда Николсон возможность того, что клетка больше похожа на разум? Он полностью игнорирует эту идею, что иронично, учитывая, что он работает в институте, занимающемся исследованиями познания. Но давайте посмотрим.
Я не в состоянии судить о технических особенностях молекулярной биологии, представленных Николсоном; Я оставляю эту оценку другим. Но если его статья вообще точна с научной точки зрения, язык, который он использует для описания клеточных процессов, пронизан последствиями клеточного познания, выходящими за рамки всего, что предполагала Барбара МакКлинток. В двух постах я проанализирую язык Николсона.
С тех пор как Монод
Николсон прослеживает современный машинный взгляд на клетку до работ Жака Моно и его влиятельной книги «Случайность и необходимость». С тех пор, по словам Николсона, молекулярная биология приняла интерпретационную структуру, согласно которой клетка понимается как:
Сложная часть механизма, организация которой отражает ранее существовавшую конструкцию, чья структура понятна в редукционистских терминах и чья работа управляется детерминистскими законами, что делает ее поведение предсказуемым и контролируемым — по крайней мере, в принципе (108).
Николсон называет это «машинной концепцией клетки» или MCC. Под его влиянием метафорические термины, такие как замки, ключи, ворота, насосы и схемы, стали проникать в язык молекулярной биологии.
Николсон находит это странным, поскольку, по его мнению, современные исследования создали представление о клетке, полностью противоречащее этой машинной концепции. Его анализ вращается вокруг четырех конкретных аспектов клетки: клеточной архитектуры, белковых комплексов, внутриклеточного транспорта и клеточного поведения. В каждом случае Николсон вводит идеи самоорганизации и стохастичности, чтобы подорвать редукционистские и детерминистские представления о клеточном поведении. Но в процессе он, похоже, привносит в картину клеточный интеллект. Я рассмотрю каждый из четырех примеров подробно.
Сотовая архитектура
По словам Николсона, клетки традиционно считались возникающими в результате процесса самосборки, определяемого как:
Физическое объединение молекул в статическую равновесную структуру при отсутствии внешнего источника энергии. Это обусловлено локальными стереоспецифическими взаимодействиями между агрегирующими «строительными блоками», которые остаются неизменными на протяжении всего процесса (110).
Напротив, Николсон предпочитает более динамичную идею самоорганизации, согласно которой совокупность молекул может поддерживать себя в состоянии, далеком от равновесия, «постоянно расходуя энергию и обмениваясь веществом с окружающей средой» (110). С этой более динамичной точки зрения клетку лучше охарактеризовать как «метастабильный поток, динамически реагирующий на изменения в окружающей среде, чем как статическую макромолекулярную структуру» (111).
Метафора машины допускает представление о клетке как о статически структурированной генетической программе, подобно тому, как машины статически структурируются по проекту. Но самоорганизация фундаментально меняет эту концепцию:
Самоорганизующаяся природа клеточной архитектуры имеет далеко идущие теоретические последствия. По сути, это приводит к такому взгляду на ячейку, который полностью противоречит MCC. Во-первых, это развенчивает представление о том, что «информация», определяющая пространственную организацию клетки, каким-то образом закодирована в геноме. Строго говоря, генетической модели клеточной архитектуры не существует. Самоорганизация порождает порядок при отсутствии внешнего шаблона или глобального плана (112).
Итак, по мнению Николсона, клеточная архитектура находится в состоянии постоянного изменения, поскольку клеточные компоненты постоянно взаимодействуют таким образом, чтобы создавать архитектурные структуры, необходимые в каждый момент времени для реагирования на потребности момента, после чего эти структуры распадаются, заменяясь новыми. новые. Но как можно объяснить этот уровень динамизма, не обращаясь к определенному уровню клеточного познания? Если клеточная архитектура не статична и не определяется заранее определенным генетическим планом, а скорее находится в динамическом состоянии изменения, которое всегда соответствующим образом реагирует на сиюминутные потребности клетки, то интеллект, по-видимому, играет центральную роль в клеточном поведении («поведении»). само по себе является когнитивной идеей).
Интересно, что Николсон спрашивает, почему клетки предпочитают самоорганизацию самосборке, подразумевая, что клетки имеют сознательный выбор в этом вопросе! «Разве не было бы разумнее, — спрашивает он, — чтобы клетка строила статичные, равновесные структуры, которые не требуют постоянного расхода энергии для их поддержания?» (112). Признавая, что самосборка была бы более экономичной и эффективной, он заключает, что самоорганизация «позволяет клеткам быстро и адаптивно реагировать на внешние возмущения и другие критические события, которые в противном случае поставили бы под угрозу их системную целостность» (112). Но если клетка может выбрать самоорганизацию ради большей адаптивной гибкости, она должна быть своего рода разумным агентом. Предпочтение одной вещи другой — это деятельность разума, а не материи.
Белковые комплексы
MCC, по мнению Николсона, привел к идее, что белковые комплексы представляют собой фиксированные объекты, структура которых определяется аминокислотными последовательностями, указанными в коде ДНК, и которые выполняют машиноподобные функции в клетке, определяемые их уникальной трехмерной формой. . Но недавние исследования показывают, что белковые комплексы гораздо более подвижны и динамичны.
Николсон указывает на глобулярный белок лимфотактин, который не имеет фиксированной конформации, а скорее претерпевает серьезные структурные изменения, перемещаясь взад и вперед между двумя разными конформациями. Кроме того, недавно были открыты внутренне неупорядоченные белки (IDP), которые не имеют упорядоченной конформации, а вместо этого «бродят по клетке в виде развернутых полипептидных цепей» (114). IDP обеспечивают явное функциональное преимущество, поскольку они способны «взаимодействовать с широким спектром партнеров по связыванию (включая другие белки, мембраны, нуклеиновые кислоты и различные более мелкие молекулы), принимая различные конфигурации» (114). Вместо того, чтобы иметь фиксированную функцию, основанную на фиксированной трехмерной форме, функция этих белков определяется окружающей средой и взаимодействиями, которые они имеют с окружающими их молекулами. «Функциональная распущенность», как ее называет Николсон, по-видимому, является для белков скорее правилом, чем исключением.
К сожалению, Николсон ничего не может сказать о том, как белки выполняют этот трюк. Если нет никакой химической необходимости, управляющей различными функциями, выполняемыми этими жидкими белками, как белки узнают, какую конформацию и функцию принять в любой момент времени? Опять же, это, по-видимому, подразумевает возможность наличия некоторого уровня когнитивных способностей на уровне молекул. Возможно, Сьюэлл Райт был не так уж далек от истины, когда размышлял о том, что значит быть ионом водорода!2 Обладают ли белки внутренней жизнью?
В этом разделе Николсон также поднимает вопрос об использовании электрических схем для изображения сложности сотовых схем. По его мнению, динамическая природа белков делает все фиксированные схемы соединений устаревшими. Возможно, лучшей метафорой будет нейронная, а не электронная схема. Далее мы рассмотрим, что говорит Николсон о внутриклеточном транспорте и клеточном поведении.
Примечания
Дэниел Дж. Николсон, «Является ли клетка действительно машиной?» Журнал теоретической биологии 477 (2019): 108-126.
Сьюэлл Райт, «Ген и организм», American Naturalist 87 (1953): 17.
No comments:
Post a Comment