Генетика. Честно
Разговоры о "суперразвитии медицины", понимании сути "генетических болезней", "системных знаниях, получаемых в медицинских образовательных заведениях" - враньё, о чём я давно пишу.
http://nature-wonder.livejournal.com/196199.html
Ньютон биологии еще не родился. Разговор с эмбриологом
Во всей биологии, пожалуй, развитие организма можно назвать одним из наиболее поразительных и фундаментальных процессов. В нем же, на мой взгляд, находятся ответы на многие вопросы, касающиеся эволюции. В обоих случаях мы имеем дело с «превращением». Мне довелось поговорить со специалистом, непосредственно изучающим и наблюдающим эти вещи.
Ниже интервью, которое я взял у научного сотрудника лаборатории (Германия), специализирующейся на эмбриологии высших позвоночных, в особенности млекопитающих. Моего собеседника зовут Николай. Его отдел занимается вопросами раннего развития (возникновение полярности), движения клеток и возникновения сердца.
Подробнее не сообщаю: инкогнито в данном случае - это возможность свободно высказаться на важные темы, не обдумывая при этом, насколько политкорректным будет ответ. Я заинтересован в максимальной откровенности. Полагаю, засчет этого интервью выиграло. Мы обсудили в числе прочего, работает ли биогенетический закон, почему эмбриологи говорят о «полях», в чем неполнота неодарвинизма, какова роль генов, и другие вопросы, важные для понимания живого.
В 2005 году журнал Science составил список ключевых 125 вопросов, ответы на которые науке не известны, и которые должны служить ориентиром для исследований будущих десятилетий. Среди них из относящихся к развитию организма:
How is asymmetry determined in the embryo?
How do organs and whole organisms know when to stop growing?
How do limbs, fins, and faces develop and evolve?
Why doesn't a pregnant woman reject her fetus?
Вы могли бы обрисовать круг нашего незнания в области эмбриологии - что вам представляется существенным и наиболее трудным. Иными словами, какие важные вещи в этом направлении мы на сегодняшний момент не знаем/не понимаем?
По поводу пунктов приведенных Вами. Первый вопрос связан с разрушением симметрии (возникновением ассиметрии), которое сопровождает развитие. При этом возникает несколько осей. Сегодня особо актуальным является возникновение право-левой ассиметрии. Второй вопрос связан с контролем развития и взрослого состояния (морфостаз). Он важен и с медицинской точки зрения, канцерогенез - это, по сути, нарушенный контроль роста и дифференцировки. Третий вопрос связан непосредственно с причинами формообразования и актуален с точки зрения теории эволюции. Делаются попытки использовать данные эмбриологии для построения модифицированной теории эволюции, так называемой evo-devo.
У нас в руках отдельные нити, что дает надежду выхода из лабиринта, двигаясь вдоль этих нитей. Но ирония в том, что нитей этих все больше и больше, и клубок начинает запутываться все сильнее и сильнее. У нас нет ответа на фундаментальный вопрос: как из нитей возникает одежда, другими словами, как из отдельных процессов возникает стабильная форма организма. Поэтому ответы на отдельные вопросы пока не приближают нас к ответу на главный.
Основная проблема заключается в том, что практически не существует теоретической биологии. Если прорывы в физике в начале 20 века были возможны благодаря взаимодействию экспериментаторов с такими теоретиками как Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, то сегодня структурных предпосылок для таких теоретических величин, по крайней мере, в эмбриологии не видно. Это можно объяснить сложностью проблемы. И, кстати, именно отсутствие теоретической биологии и эмбриологии хорошо демонстрирует мой тезис: от понимания механизмов мы сильно удалены.
Хотя сегодня и говорят о приоритете функциональных исследований над описательными, сами функциональные исследования, в принципе, тоже являются описательными. Например, мы можем различными способами отключать (или стимулировать) гены или их функцию в целом организме у мышей (knock-out, knock-in), у лягушек и рыб инъекцией блокирующих последовательностей (morpholino). Затем изучаем фенотип и описываем результат отключения гена на морфологию. После этого мы можем изучить и влияние на экспрессию других генов. Но сам механизм произведенного эффекта на форму вовсе не ясен. Между молекулярной биологией и эмбриологией зияет огромная пропасть. Показать, что отсутствие функции гена приводит к отсутствию развития структуры или нарушению его формы, не значит показать, что этот ген действительно делает и какую роль он играет в оркестре формообразования. Первый этап молекулярного изучения процессов онтогенеза был чисто описательным: были найдены сотни факторов, участвующих на разных этапах в процессах. Потом научились эти факторы отключать. При этом оказалось, что многие из факторов необязательны, а те, которые обязательны, часто занимаются лишь блокированием своих антиподов. И отключение обоих давало в результате опять норму. И очень важный момент: отключение факторов дает, как правило, целостный эффект.
В целом можно утверждать, что путь от гена к форме еще нехожен. Хотя должен признаться, что и описательные исследования сами по себе не могут не вызывать восхищения. Например, мы можем визуализировать клетки, экспримирующие определенные гены в эмбрионах, и даже наблюдать за их судьбой. Все это красиво и когда-нибудь может помочь нам и в понимании процессов.
Проблема в теории: нет целостного теоретического подхода к вопросу о роли отдельных факторов в полифонии целого. Нет достаточного понимания того, что вопрос формообразования это самостоятельный вопрос, что он связан с развертыванием структур в пространстве и времени и не редуцируется к дифференциальной экспрессии генов и клеточной дифференцировке.
Хотелось бы понять, насколько устойчива форма. В этой связи обычно говорят об эквифинальности, но я бы обратил внимание на разнообразие уродств. Также на ум приходят опыты с возмущением развития, где у животных на ногах вырастали глаза и проч. Как сочетаются подвижность морфологии, с одной стороны, и ее неизменное воспроизводство в ряду поколений, с другой?
Во-первых, неверно думать, что форма всегда найдет путь к правильной реализации. Вполне достаточно того, что одна и та же форма достигается разными процессами. Странно ожидать от организма абсолютной и всегда верной реакции. Эмбрион часто вообще не переживает манипуляции. Зато способ его реакции (в тех случаях, когда нормальная форма все же не возникает) говорит нам о многом: факт существования отклонений и уродств, если быть последовательным, вовсе не сбивает нас с толку, а ведет нас к понятию морфогенетического поля.
Морфогенетическое поле - понятие необходимое в биологии развития. Оно, по сути, привязано к определенной группе клеток, из которой при нормальных условиях возникает определенная структура. Но из этого поля делением (искусственным или естественно-патологическим) могут возникнуть и несколько таких структур. И наоборот, объединением из нескольких полей одна структурa. Именно это свойство в свое время заставило эмбриологов говорить о поле, по аналогии с магнитными полями. Есть поле почки, сердца, глаза, конечностей, но и весь эмбрион до гаструляции - это одно такое поле. Механизмы поля нам еще неизвестны, но существование целостных единиц (или модулей) развития - факт. Части поля реагируют на возмущения как части целого, поэтому именно поле - удобное понятие для классификации и объяснения аномалий (атрофия, гипотрофия, гипертрофия или трансформация). Например, ген eyeless индуцирует возникновения поля глаза, и именно поэтому искусственная неконтролируемая экспрессия ведет к возникновению глаз на ногах у плодовой мушки. То же касается и других известных уродств (гомеотических трансформаций под влиянием гомеобокс генов) - у дрозофилы трансформируется целый сегмент или у позвоночных позвонок (изменяется его идентичность).
Таким образом, уродства помогают нам разглядеть другой принцип развития формы - целостность и связанное с этим существование модулей-полей. Конфронтация с феноменами развития заставила по иному взглянуть как на форму, так и вообще на сущность живого: форма, по всей видимости, играет роль независимого фактора, и ее развитие опосредовано морфогенетическими полями.
Кажется, здесь сразу нужно внести ясность, чтобы избежать возможного недопонимания. Вы говорите о некоем силовом, в физическом смысле, поле, либо это удобный образ, описывающий коллективную активность клеток и клеточных структур? Как я могу предположить, речь идет о чем-то вроде векторного поля, где свойства и поведение клетки есть функция ее [относительного] местоположения. Я в любом случае хотел бы понять следующую вещь: любой многоклеточный более-менее сложный организм будет описываться несколькими полями, однако он изначально возникает из одной клетки. Таким образом, мы должны считать, что поля имеют свойство саморазвертываться друг из друга. И потенциально они все «сидят» в одной зиготе.
Еще один момент - клеточный и молекулярный состав организма непрерывно обновляется. Как может поддерживаться целостность поля?
Действительно, единое поле эмбриона разлагается на множество отдельных полей органов и подструктур. Каким образом это происходит? На этот вопрос не будет ответа, пока не будет ясности о причинах и сущности поля вообще. Эмбриологи, говоря о поле, обычно не имеют в виду поле в силовом смысле, а действительно участок ткани. На кону ведь существование новых физических закономерностей. Объявлять такое себе дороже, но даже если мы наберемся смелости, то существуют и объективные причины для осторожности: источник сил нам неизвестен, математическое описание процессов оставляет желать лучшего. Другими словами, мы не научились в достаточной мере операционализировать это понятие. Если бы это удалось, то осталась бы лишь идеологическая компонента проблемы.
Определение поля как группы клеток неудовлетворительно, так как эта группа все же обладает особенными характеристиками. Она не детерминирована ни количеством клеток, ни их размером, ни механизмами (эквифинальность), размеры поля могут сильно варьировать. Все это чрезвычайно осложняет представление о сущности поля. Сейчас существуют два направления: одно просто использует понятие поля, утверждая, что без этого понятия неясны ни онтогенез, ни развитие патологий, ни эволюция. При этом вопрос причин поля в принципе замалчивается. Другое мнение с моей точки зрения правильнее: утверждается, что поле - это самоорганизующаяся единица. При этом некоторые идут достаточно далеко и говорят что поле - это материальная причина онтогенеза. Другое дело, с моей точки зрения, что смысл понятия самоорганизации в отношении живых систем все же несколько иной.
По поводу поддержания целостности поля: конечно, существуют попытки объяснить это, например, градиентами сигнальных молекул или с помощью моделей типа реакция-диффузия. Эти же объяснения используют и для развития. Но вкратце могу сказать одно - все модели в лучшем случае объясняют один аспект и позорно разваливаются на следующем. Отсутствие однозначного порядка в феноменах развития мешает как тем, кто ищет новых физических принципов типа поля, так и редукционистам, пытающимся собрать эмбрион «снизу». Я знаю, что не скажу Вам ничего оригинального, но мне лично ясно: живое активно и находится в поиске решений. Отсюда отсутствие порядка вещей, так радующего глаз при изучении неживых систем.
Вопрос, который не могу не задать, по поводу т.н. биогенетического закона, что часто используется в эволюционных баталиях. Все-таки, эмбриогенез повторяет филогенез или нет? И в этом же контексте, если смотреть на развитие - можно ли сказать, что природа использует одни и те же приемы для построения организмов; или прослеживаются разные принципы в зависимости от эволюционных линий?
Так называемый биогенетический закон является трансформацией закона Бэра, суть которого сводится к тому, что сначала развиваются общие признаки, а потом специальные. Этот закон, кстати, сформулировал еще Аристотель. Геккель приспособил этот закон к теории Дарвина, ярым сторонником которой он являлся. При этом он исказил его суть. Закон Бэра более нейтральный и работает эффективнее (хотя и он не всегда). Закон же Геккеля, если бы он был верен, должен привести к выводу, что, к примеру, обезьяны возникли из человека, а не наоборот, человек из обезьяноподобных предков. Кстати, еще Бэр заметил такие странности - он подчеркивает, что эмбрионы примитивных животных похожи на взрослые стадии более развитых.
По самому вопросу можно сказать следующее: сравнение эмбрионов поддерживает тезис родственности организмов. Тезис, который проистекает из сравнительной морфологии, из работ Оуэна, Гете и Сен Илера. Ведь эволюционные идеи были и до Дарвина. Надо недвусмысленно сказать: дарвинизм и неодарвинизм (СТЭ) являются теориями, предлагающими механизмы эволюции, но не единственными теориями или представлениями о эволюции как таковой. Эксплуатировать эмбриологические данные с идеологической целью убедить неспециалистов в правоте мейнстримных современных представлений об эволюции нечистоплотно, по сути, это обман. Мне лично очень не понравилась соответствующая глава в русскоязычном сборнике "Доказательства Эволюции". Именно эмбриологи, вплоть до сегодняшнего дня, противятся СТЭ. Об этом авторы умолчали. А ведь это немаловажный факт.
По поводу приемов построения организмов, используемых природой: то, что эти приемы разные, мы обсудили в связи с эквифинальностью. Но закон Бэра все же в определенном смысле работает. Можно сказать, что есть консервативные стадии развития. К таким стадиям относится так называемая филотипическая стадия или фарингула у позвоночных, характеризуемая наличием хорды, нервной трубки, сомитов, трех отделов кишечника, зачатков глоточных складок, вентрально расположенным сердцем и целомом. Помимо морфологических характеристик эта стадия характеризуется и передне-задней упорядоченностью экспрессии хокс-генов. Недавнее исследование (Nature 2010) (http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7325/full/nature09634.html) показало, что подобная стадия у насекомых (на примере Drosophila) характеризуется временным сужением вариации в экспрессии генов. Это сужение вскоре опять релаксирует.
Почему эмбриология традиционно не дружит с СТЭ? Дарвинисты действительно не интересуются развитием, но они могут сказать, что для СТЭ не важно, как устроена связь между генотипом и фенотипом. Единственное, что нужно - чтобы какая-то связь между вариацией генома и организмом была. Этого достаточно для запуска естественного отбора.
Исторически проблемы эмбриологов с дарвинизмом, по-видимому, связаны с тем, что дарвинисты и позже неодарвинисты по идеологическим мотивам зацикливались на случайности, в то время как биологи, связанные с морфологией (из российских достаточно назвать Заварзина или Берга), постоянно конфронтировались с закономерностями. То же касается и эмбриологов. Их интересовали причины развития и роль развития в эволюции, в то время как дарвинистам до синтеза были важны общие, идеологически обоснованные принципы, без всяких механизмов. (В начале 20 века дарвинизм был в кризисе, не только эмбриологи, но и генетики, к примеру, великий Томас Х. Морган, были чрезвычайно скептичны по отношению к идеям Дарвина). Лишь после синтеза дарвинизм приобрел подобие научности благодаря моделям популяционной генетики.
К сегодняшней же ситуации должен сказать следующее. Вы говорите: связи между вариацией генома и организмом «достаточно для запуска естественного отбора». Ho факт отбора абсолютно тривиален. Говоря философским языком, это аналитическая истина. Загадка эволюции не в отборе, а в механизмах, ведущих к вариации, что в свое время понял и Дарвин. Другими словами, без вариации нет отбора. Если же вариация глубоко связана со свойствами варьирующего объекта, то эти свойства игнорировать нельзя. Эффект мутации (независимо от того, случайная она или направленная) зависит от свойств организма. Если эволюционист хочет объяснить наличие структуры, вариация на уровне последовательностей нуклеотидов не является адекватным объяснением. СТЭ игнорирует как закономерности формы, так и активный характер вариации. С точки зрения многих эмбриологов вариация - это следствие поиска креативных онтогенетических решений в пространстве возможного. Сегодня, как и в начале прошлого века, СТЭ опять имеет противников тяжеловесов и в среде исследователей геномов, считающих, что роль адаптации в макроэволюции мала.
Тогда с чем бы вы сравнили роль генов (и их изменений) в процессе эволюции структур и органов? Интересен механизм или принцип, по которому старая форма преобразуется в другой, столь же функциональный, организм с новыми признаками. Откуда берутся работающие структуры, ведь потенциальное пространство вариаций огромно?
Как Вы понимаете Ваш вопрос очень непростой. Есть разные представления на этот счет.
Важным считается, во-первых, модульное устройство организмов. Из этого следует, что морфологическая эволюция происходит на уровне этих модулей, возникающих в ходе онтогенеза из соответствующих полей, как об этом, например, пишут Гильберт, Опитц и Рэфф. То есть способность к эволюции надо искать на этом уровне.
Вторым важным моментом считается так называемая норма реакции - способность системы к изменениям фенотипа в рамках исходного генетического фона. Считают, что эта способность используется в ходе эволюции. Интересный пример - знаменитая датская коза, у которой отсутствовали передние ноги. Она научилась ходить на задних двух, то есть приобрела вторичную бипедальность. Анализ морфологии после гибели козы показал значительные изменения всего скелета, включая форму грудной клетки, костей таза, а также новые мышечные структуры. Можно себе представить, что мутация, касающаяся одной структуры, может привести к глобальным изменениям во всем организме. С другой стороны сама способность к таким изменениям требует глубокого изучения, а не отговорок. Тут говорят о том, что система обладает "способностью к эволюции" (evolvability), но в чем она заключается кроме бесконечных споров об адаптивных характеристиках гипермутаторов, еще не разьяснили.
По поводу роли генов. Тут надо отличать геном, или совокупность генов, с одной стороны, и отдельные участки генома и их продукты с другой. Роль генома переоценить невозможно, это и текст, и часть контекста, он поставляет и строительные материалы, и энзимы, регуляторные белки, и сотни тысяч нетранслируемых продуктов (проект Encode). Он несет в себе специфические регуляторные последовательности, а также отпечатки эпигенетических процессов. С другой стороны, отдельные гены, по всей видимости, играют роль переключателей целостного состояния системы. Такой взгляд развивает, например, Дональд Ингбер из Гарварда, который считает, что состояния клетки являются своего рода аттракторами, а внешние воздействия (в том числе генетические) лишь помогают системе выбрать решение.
Роль генов часто сравнивают с ролью параметров, одни гены (структурные) играют роль параметров порядка, а другие (регуляторные) контрольных параметров. Точнее сказать, не играют, а чаще всего поставляют продукты, играющие роль. Этот подход интересен тем, что сближает теорию морфогенеза с моделями самоорганизации. Такой подход разрабатывается, например, российским эмбриологом Львом Белоусовым.
По поводу же ваших слов о пространстве вариаций: склонен считать, что пространство не огромно, а ограничено определенными типами. С моей точки зрения естественные виды, формы существуют в реальности как аттракторы в пространстве возможного. Это уже не строго научное мнение, а философская позиция подобно тому, как Пенроуз считает существование математических обьектов реальными. Для того, чтобы такое мнение было более обоснованным, необходимо развивать так называемую рациональную морфологию, которую провозгласили Гудвин и Вебстер в своей замечательной книге "Form and Transformation".
Насчет ваших слов об ограниченности пространства вариаций возникает естественный вопрос, что же служит таким ограничителем степеней свободы клеток и клеточных структур. Насколько я понимаю, как раз на эту тему внятного ответа у науки пока нет. Поэтому я разверну этот вопрос: скажите, по какой причине мы этих вещей не знаем? Физики описывают поведение материи на наномасштабах, манипулируют отдельными атомами. Химики синтезируют вещества с заданными свойствами. Кажется, известны все законы, имеющие значение на микро- и макроуровне. В чем же дело? Почему, зная об эволюции Вселенной на отрезке 14 млрд. лет и заглядывая во взаимодействия протонов, мы не можем понять, как из икринки получается обычная лягушка?
По поводу ограничения: глобальное в состоянии контролировать или, как выражается основатель синергетики Хакен, порабощать локальное (здоровье, кстати, тоже зависит от способности подавить автономность частей). А как это получается у целого? (По определенным причинам объяснение Хакена для биологии не подходит). У меня лишь догадки. Активная способность к реализации ограниченного количества состояний - это нечто вроде таблицы Менделеева или рядов в органической химии. Есть закономерности структур, и мы их в определенном смысле знаем. Похожее есть и в биологии - этими закономерностями интересовались, например, Гете в своих морфологических трудах, Гарстанг, Больк. Одна из интересных закономерностей - ретардация, о ней хорошо, но немного однобоко написал С.Гулд в книге "Онтогенез и Филогенез". Арси Томпсон в своем труде "О росте и форме" также пытался выявить эти закономерности, есть интересная работа Владимира Черданцева "Морфогенез и Эволюция". Но в целом о ясности говорить не приходится. Соглашаясь с Кантом, можно констатировать: Галилей (или Ньютон) биологии еще не родился.
С другой стороны, можно сказать, что уровень сложности организма слишком высок, что функционирование генома все еще не раскрыто. Что знание о распределении молекулярных факторов в эмбрионе, как и изучение механического состояния эмбриональной ткани далеки от полноты. И это будет правдой. Можно вместе с Нильсом Бором сказать, что ввиду особенностей поведения живой материи исчерпывающее физическое объяснение не представляется возможным - невозможно проследить одновременно поведение отдельных молекул, неясно, какой атом уже часть организма и какой нет. Коротко говоря: невозможно создать полностью контролируемые условия для экспериментов. И это тоже будет верно.
Можно расширить подход Бора и заметить, что в отличие от машин, в отличие от структуры физических экспериментов, но также и в отличие от самоорганизующихся систем, которых объединяет заданность граничных (не начальных) условий, в живых системах эти условия не могут быть описаны.
Но однозначного ответа нет. Я считаю, что те загадки, что встречают нас в эмбриологии, имеют прямую связь и с проблемами функционирования нервной системы.
И последнее. Недавно в личной переписке один вышедший на пенсию клеточный биолог из Беркли посоветовал мне изучить труды по теоретической биологии другого известного физика - Вальтера Эльзасера. Я прочитал книгу с большим интересом, но явно с первого раза не справился с ней: в ней много оригинальных идей. Может, кто-нибудь из Ваших читателей оценит ее по достоинству: ''Reflections on a Theory of Organisms. Holism in Biology'' (1998) Johns Hopkins University Press.
Что еще посоветуете для чтения?
Часть книг я уже упомянул, тут еще пара интересных. Обязательно для интересующихся вопросами морфогенеза:
''Dynamic architecture of developing organism'' Lev Beloussov;
Эмбриолог и системный биолог формулируют проблемы теории эволюции с точки зрения эмбриологии:
''Cells, Embryos, Evolution'' Gerhart and Kirschner
''Plausibility of life'' тех же авторов [скачать];
Очень-очень важная книга, настоящий компендиум по вопросам эволюции:
''Developmental plasticity and evolution'' Mary Jane West-Eberhard;
Об эволюции генома, против фиксации на роли отбора:
''The origin of genome architecture'' Michael Lynch [скачать];
Сложно написанная, но очень информативная книга на русском:
''Морфогенез и Эволюция'' Владимир Черданцев [скачать];
Програмная статья трех известных ученых 15 летней давности, которую не любят неодарвинисты:
Scott F. Gilbert, John M. Opitz, and Rudolf A. Raff (1996) Resynthesizing Evolutionary and Developmental Biology -- Dev Biol. [PDF]
Ну и классик классиков Ганс Дриш :)
http://nature-wonder.livejournal.com/190631.html
Как устроено объяснение в биологии
Стивен Роуз, профессор биологии и нейробиологии в Открытом университете и Лондонском университете, автор нескольких научно-популярных книг (на русский язык переведена книга «Устройство памяти. От молекул к сознанию»).
Ниже перевод небольшого фрагмента из книги, не выходившей в России.
Однажды пятеро биологов, собравшиеся на пикник возле пруда, заметили, как лягушка, которая сидела на берегу, внезапно прыгнула в воду. Между ними развернулась дискуссия: почему лягушка прыгнула? Первый, будучи физиологом, сказал: «В действительности все довольно очевидно. Лягушка прыгает, потому что мышцы в ее ногах сокращаются. Те, в свою очередь, сокращаются под воздействием импульсов в двигательных нервах, приходящих в мышцы из мозга лягушки; эти импульсы возникают в мозге, потому что предыдущие импульсы, поступившие в мозг из сетчатки лягушки, сигнализируют о присутствии хищной змеи». Здесь представлена простая каузальная цепь: вначале образ змеи на сетчатке, затем сигналы в мозг, затем импульсы по нервам из мозга, затем сокращение мышц - одно событие следует за другим, все в пределах нескольких тысячных долей секунды. Исследование деталей таких причинно-следственных последовательностей и является задачей физиологии.
«Но это очень ограниченное объяснение», - говорит второй, этолог, изучающий поведение животных. "Физиолог упустил главное, и рассказал нам, как лягушка прыгнула, но не то, почему она прыгнула. Реальная причина прыжка в том, что она увидела змею и совершила действие, чтобы скрыться от нее. Сокращение мышц лягушки является лишь одним из аспектов сложного процесса, и должно пониматься в терминах целей этого процесса - в данном случае, не быть съеденной. Конечная цель избежать змеи имеет ключевое значение для понимания ее действий.
Такие целеориентированные объяснения, которые известны как телеологические, создали для философов проблем больше, чем что-либо еще в биологии; они иногда рассматриваются как дурной тон, и в то же время несут больше здравого смысла, чем большинство других объяснений. Они настаивают на том, что организм, как совокупность поведения или физиологии, может быть понят только в контексте окружающей среды, которая включает как его физическое окружение, так и других живых, социально взаимодействующих соседей. (Действительно, если организм является представителем очень своеобразного вида, Homo Sapiens, то возникают дополнительные сложности, связанные с личной и коллективной историей.) Это тип объяснения "сверху вниз" (его иногда называют holistic, опасно неоднозначным словом, которого я буду избегать). Но обратите внимание, что, в отличие от объяснений физиолога, оно не каузально в смысле описания временной цепи событий, в которых первая вещь, нервное возбуждение, и затем другая, сокращения мышц, следуют одно за другим во времени. Прыжок неизбежно предшествует достижению цели, к которой он направлен. Таким образом, когда бихевиористы - этологи - говорят о причинах, они делают это совершенно иначе, чем физиологи.
«Ни физиолог, ни этолог не дали адекватного объяснения», - говорит третий биолог, изучающий развитие. "Для эмбриолога единственной причиной того, что лягушка вообще может прыгать, является то, что в процессе ее развития из одной оплодотворенной яйцеклетки через стадию головастика до взрослого животного, ее нервы, мозг и мышцы установили связи таким образом, что данные последовательности активности неизбежны - или, по крайней мере, наиболее вероятны для любого набора начальных условий".
Процесс установления связей является аспектом онтогенеза, развития организма от зачатия до взрослого состояния, и рассматривается в рамках генетики и биологии развития. В отличие от первых двух объяснений, онтогенетический подход привносит в объяснение исторический элемент: индивидуальная история лягушки становится ключом к пониманию ее нынешнего поведения. Онтогенез часто рассматривается как диалог - даже дихотомия - между природой (генетика) и воспитанием (окружающая среда). Были даже попытки математически формализовать это разделение, и задаться вопросом, сколько составляет вклад генов и сколько - окружающей среды. Как будет ясно в следующих главах, это ложная дихотомия, и я постараюсь преодолеть ее.
«Ни одно из этих трех объяснений не является удовлетворительным", - считает четвертый биолог, эволюционист. "Лягушка прыгает потому, что на протяжении эволюционной истории для ее предков такое поведение, делать это при виде змеи, было адаптивным. Те предки, которые так не поступали, оказывались съедены, и, следовательно, их потомство не прошло отбор». Этот тип объяснения представляет проблему определения того, что понимать под терминами "адаптивный" и "прошедший отбор". Проблемы, которые были подняты наиболее резко в полемических дебатах по социобиологии, и которые я буду рассматривать весьма критически в последующих главах. Можно провести различие между эмбриологом и эволюционистом, относя первого, подобно физиологу, к рассмотрению вопроса как, а другого, вместе с этологом, к задающим вопрос почему. Эволюционное объяснение сочетает в себе историческое - правда, в настоящее время в отношении, скорее, целого вида, а не одного конкретного организма - с целенаправленным. Возможно поэтому некоторые социобиологи утверждают, что в этом объяснении раскрывается фундаментальный причинный вопрос, и отметают другие соображения о причинах как просто "функциональные".
Пятый спорщик, молекулярный биолог, улыбается. «Вы все не улавливаете сути. Лягушка прыгает, потому что таковы биохимические свойства ее мышц. Мышцы состоят в основном из двух нитевидных белков, называемых актин и миозин, и они сокращаются, потому что белковые волокна двигаются относительно друг друга. Такое поведение актина и миозина зависит от аминокислотного состава двух белков, и, следовательно, от химических свойств, и, следовательно, от физических свойств". Это редукционистская программа, и то, каким образом биохимики пытаются описать живые явления.
Но еще раз отметим, что это не причинно-следственная цепь в том смысле, в котором ее описывает физиолог. Это не вопрос того, что происходит сначала (актин и миозин скользят друг по другу), и что происходит потом (мышечное сокращение). Если слово "причина" вообще здесь используется, оно должно означать нечто отличное от того, как оно применяется в физиологии. Путаница относительно нескольких способов использования «причины» терзала научное мышление со времен Аристотеля. Возможно, мы бы видели вещи более ясно, если бы ограничились использованием этого слова для обозначения временной последовательности событий. Каждое из этих событий - изображение на сетчатке лягушки, обработка в мозге, передача сигнала по двигательному нерву и сокращение мышц - может быть переведено на язык биохимии. И, конечно, возможно представить эту биохимическую последовательность во временных терминах, так что одно множество биохимических процессов (молекулярных событий в нервной ткани), производит другое (скольжение актина относительно миозина). Вопрос таким образом в том, как соотносятся две временные последовательности, описанные физиологом и биохимиком. В последующих главах я объясню, почему я использую термин "перевод" для обозначения того, как описание явления мышечного сокращения на языке (и на уровне) физиологии может быть заменено рядом предполагаемых утверждений на языке биохимии, химии и так далее.
Биологам нужны все эти пять типов объяснения - и, возможно, еще другие. Не существует одного правильного; все зависит от наших целей, с которыми мы задаем вопрос о прыжках лягушки. В самом деле, оказывается, что "все зависит" является одной из основных черт как жизненных процессов, так и попыток биологов объяснить их. Причина постановки вопроса определит наиболее полезный тип ответа. Это в природе биологического мышления, что все виды ответа являются - или должны быть - частью того, как мы пытаемся понять мир. Биология нуждается в такого рода эпистемологическом плюрализме - дабы облагородить наш нечеткий способ мышления более формальной философской санкцией. Сосредоточение на любом подмножестве объяснений откроет только часть истории; чтобы попытаться понять полностью даже простейшие живые процессы, нам следует работать со всеми пятью типами одновременно. Тем не менее, характер, в котором развивались биологические науки, показывает, что чрезмерное почтение уделяется больше редукционистскому типу объяснения, как если бы он был в некотором роде более фундаментальным, более "по-настоящему" научным, или как если бы в будущем он сделает другие типы объяснений излишними. Биохимиков и молекулярных биологов, да и грантодателей, которые поддерживают наши исследования - правительство, промышленность, благотворительные организации - учат думать и рассуждать таким образом. Это стало не второй, а первой нашей натурой.
* * *
Это отрывок из замечательной книги С.Роуза "Lifelines: Biology Beyond Determinism" [Oxford University Press, 1997]. Я бы искренне рекомендовал ее тем, кому интересно устройство биологического мышления и подхода к познанию в биологии. Во многом становится ясно, почему редукционизм не рулит и никогда не будет рулить в биологии так, как в физике. Тем, кто очарован Докинзом, также весьма полезно будет с книгой ознакомиться.
Собственно, пост о том, что ее можно свободно скачать.
Последнее обновление списка книг на моем сайте выглядит так:
"Rhythms of the Brain" by Gyorgy Buzsaki [Oxford University Press, 2006]
The Future of the Brain: The Promise and Perils of Tomorrow's Neuroscience" by Steven Rose [Oxford University Press, 2005]
"Lifelines: Biology Beyond Determinism" by Steven Rose [Oxford University Press, 1997]
"Acquiring Genomes: A Theory of the Origins of Species" by Lynn Margulis, Dorion Sagan [Basic Books, 2002]
"Metamagical Themas: Questing For The Essence Of Mind And Pattern" by Douglas Hofstadter [Basic Books, 1996]
http://nature-wonder.livejournal.com/196199.html
Ньютон биологии еще не родился. Разговор с эмбриологом
Во всей биологии, пожалуй, развитие организма можно назвать одним из наиболее поразительных и фундаментальных процессов. В нем же, на мой взгляд, находятся ответы на многие вопросы, касающиеся эволюции. В обоих случаях мы имеем дело с «превращением». Мне довелось поговорить со специалистом, непосредственно изучающим и наблюдающим эти вещи.
Ниже интервью, которое я взял у научного сотрудника лаборатории (Германия), специализирующейся на эмбриологии высших позвоночных, в особенности млекопитающих. Моего собеседника зовут Николай. Его отдел занимается вопросами раннего развития (возникновение полярности), движения клеток и возникновения сердца.
Подробнее не сообщаю: инкогнито в данном случае - это возможность свободно высказаться на важные темы, не обдумывая при этом, насколько политкорректным будет ответ. Я заинтересован в максимальной откровенности. Полагаю, засчет этого интервью выиграло. Мы обсудили в числе прочего, работает ли биогенетический закон, почему эмбриологи говорят о «полях», в чем неполнота неодарвинизма, какова роль генов, и другие вопросы, важные для понимания живого.
В 2005 году журнал Science составил список ключевых 125 вопросов, ответы на которые науке не известны, и которые должны служить ориентиром для исследований будущих десятилетий. Среди них из относящихся к развитию организма:
How is asymmetry determined in the embryo?
How do organs and whole organisms know when to stop growing?
How do limbs, fins, and faces develop and evolve?
Why doesn't a pregnant woman reject her fetus?
Вы могли бы обрисовать круг нашего незнания в области эмбриологии - что вам представляется существенным и наиболее трудным. Иными словами, какие важные вещи в этом направлении мы на сегодняшний момент не знаем/не понимаем?
По поводу пунктов приведенных Вами. Первый вопрос связан с разрушением симметрии (возникновением ассиметрии), которое сопровождает развитие. При этом возникает несколько осей. Сегодня особо актуальным является возникновение право-левой ассиметрии. Второй вопрос связан с контролем развития и взрослого состояния (морфостаз). Он важен и с медицинской точки зрения, канцерогенез - это, по сути, нарушенный контроль роста и дифференцировки. Третий вопрос связан непосредственно с причинами формообразования и актуален с точки зрения теории эволюции. Делаются попытки использовать данные эмбриологии для построения модифицированной теории эволюции, так называемой evo-devo.
У нас в руках отдельные нити, что дает надежду выхода из лабиринта, двигаясь вдоль этих нитей. Но ирония в том, что нитей этих все больше и больше, и клубок начинает запутываться все сильнее и сильнее. У нас нет ответа на фундаментальный вопрос: как из нитей возникает одежда, другими словами, как из отдельных процессов возникает стабильная форма организма. Поэтому ответы на отдельные вопросы пока не приближают нас к ответу на главный.
Основная проблема заключается в том, что практически не существует теоретической биологии. Если прорывы в физике в начале 20 века были возможны благодаря взаимодействию экспериментаторов с такими теоретиками как Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, то сегодня структурных предпосылок для таких теоретических величин, по крайней мере, в эмбриологии не видно. Это можно объяснить сложностью проблемы. И, кстати, именно отсутствие теоретической биологии и эмбриологии хорошо демонстрирует мой тезис: от понимания механизмов мы сильно удалены.
Хотя сегодня и говорят о приоритете функциональных исследований над описательными, сами функциональные исследования, в принципе, тоже являются описательными. Например, мы можем различными способами отключать (или стимулировать) гены или их функцию в целом организме у мышей (knock-out, knock-in), у лягушек и рыб инъекцией блокирующих последовательностей (morpholino). Затем изучаем фенотип и описываем результат отключения гена на морфологию. После этого мы можем изучить и влияние на экспрессию других генов. Но сам механизм произведенного эффекта на форму вовсе не ясен. Между молекулярной биологией и эмбриологией зияет огромная пропасть. Показать, что отсутствие функции гена приводит к отсутствию развития структуры или нарушению его формы, не значит показать, что этот ген действительно делает и какую роль он играет в оркестре формообразования. Первый этап молекулярного изучения процессов онтогенеза был чисто описательным: были найдены сотни факторов, участвующих на разных этапах в процессах. Потом научились эти факторы отключать. При этом оказалось, что многие из факторов необязательны, а те, которые обязательны, часто занимаются лишь блокированием своих антиподов. И отключение обоих давало в результате опять норму. И очень важный момент: отключение факторов дает, как правило, целостный эффект.
В целом можно утверждать, что путь от гена к форме еще нехожен. Хотя должен признаться, что и описательные исследования сами по себе не могут не вызывать восхищения. Например, мы можем визуализировать клетки, экспримирующие определенные гены в эмбрионах, и даже наблюдать за их судьбой. Все это красиво и когда-нибудь может помочь нам и в понимании процессов.
Проблема в теории: нет целостного теоретического подхода к вопросу о роли отдельных факторов в полифонии целого. Нет достаточного понимания того, что вопрос формообразования это самостоятельный вопрос, что он связан с развертыванием структур в пространстве и времени и не редуцируется к дифференциальной экспрессии генов и клеточной дифференцировке.
Хотелось бы понять, насколько устойчива форма. В этой связи обычно говорят об эквифинальности, но я бы обратил внимание на разнообразие уродств. Также на ум приходят опыты с возмущением развития, где у животных на ногах вырастали глаза и проч. Как сочетаются подвижность морфологии, с одной стороны, и ее неизменное воспроизводство в ряду поколений, с другой?
Во-первых, неверно думать, что форма всегда найдет путь к правильной реализации. Вполне достаточно того, что одна и та же форма достигается разными процессами. Странно ожидать от организма абсолютной и всегда верной реакции. Эмбрион часто вообще не переживает манипуляции. Зато способ его реакции (в тех случаях, когда нормальная форма все же не возникает) говорит нам о многом: факт существования отклонений и уродств, если быть последовательным, вовсе не сбивает нас с толку, а ведет нас к понятию морфогенетического поля.
Морфогенетическое поле - понятие необходимое в биологии развития. Оно, по сути, привязано к определенной группе клеток, из которой при нормальных условиях возникает определенная структура. Но из этого поля делением (искусственным или естественно-патологическим) могут возникнуть и несколько таких структур. И наоборот, объединением из нескольких полей одна структурa. Именно это свойство в свое время заставило эмбриологов говорить о поле, по аналогии с магнитными полями. Есть поле почки, сердца, глаза, конечностей, но и весь эмбрион до гаструляции - это одно такое поле. Механизмы поля нам еще неизвестны, но существование целостных единиц (или модулей) развития - факт. Части поля реагируют на возмущения как части целого, поэтому именно поле - удобное понятие для классификации и объяснения аномалий (атрофия, гипотрофия, гипертрофия или трансформация). Например, ген eyeless индуцирует возникновения поля глаза, и именно поэтому искусственная неконтролируемая экспрессия ведет к возникновению глаз на ногах у плодовой мушки. То же касается и других известных уродств (гомеотических трансформаций под влиянием гомеобокс генов) - у дрозофилы трансформируется целый сегмент или у позвоночных позвонок (изменяется его идентичность).
Таким образом, уродства помогают нам разглядеть другой принцип развития формы - целостность и связанное с этим существование модулей-полей. Конфронтация с феноменами развития заставила по иному взглянуть как на форму, так и вообще на сущность живого: форма, по всей видимости, играет роль независимого фактора, и ее развитие опосредовано морфогенетическими полями.
Кажется, здесь сразу нужно внести ясность, чтобы избежать возможного недопонимания. Вы говорите о некоем силовом, в физическом смысле, поле, либо это удобный образ, описывающий коллективную активность клеток и клеточных структур? Как я могу предположить, речь идет о чем-то вроде векторного поля, где свойства и поведение клетки есть функция ее [относительного] местоположения. Я в любом случае хотел бы понять следующую вещь: любой многоклеточный более-менее сложный организм будет описываться несколькими полями, однако он изначально возникает из одной клетки. Таким образом, мы должны считать, что поля имеют свойство саморазвертываться друг из друга. И потенциально они все «сидят» в одной зиготе.
Еще один момент - клеточный и молекулярный состав организма непрерывно обновляется. Как может поддерживаться целостность поля?
Действительно, единое поле эмбриона разлагается на множество отдельных полей органов и подструктур. Каким образом это происходит? На этот вопрос не будет ответа, пока не будет ясности о причинах и сущности поля вообще. Эмбриологи, говоря о поле, обычно не имеют в виду поле в силовом смысле, а действительно участок ткани. На кону ведь существование новых физических закономерностей. Объявлять такое себе дороже, но даже если мы наберемся смелости, то существуют и объективные причины для осторожности: источник сил нам неизвестен, математическое описание процессов оставляет желать лучшего. Другими словами, мы не научились в достаточной мере операционализировать это понятие. Если бы это удалось, то осталась бы лишь идеологическая компонента проблемы.
Определение поля как группы клеток неудовлетворительно, так как эта группа все же обладает особенными характеристиками. Она не детерминирована ни количеством клеток, ни их размером, ни механизмами (эквифинальность), размеры поля могут сильно варьировать. Все это чрезвычайно осложняет представление о сущности поля. Сейчас существуют два направления: одно просто использует понятие поля, утверждая, что без этого понятия неясны ни онтогенез, ни развитие патологий, ни эволюция. При этом вопрос причин поля в принципе замалчивается. Другое мнение с моей точки зрения правильнее: утверждается, что поле - это самоорганизующаяся единица. При этом некоторые идут достаточно далеко и говорят что поле - это материальная причина онтогенеза. Другое дело, с моей точки зрения, что смысл понятия самоорганизации в отношении живых систем все же несколько иной.
По поводу поддержания целостности поля: конечно, существуют попытки объяснить это, например, градиентами сигнальных молекул или с помощью моделей типа реакция-диффузия. Эти же объяснения используют и для развития. Но вкратце могу сказать одно - все модели в лучшем случае объясняют один аспект и позорно разваливаются на следующем. Отсутствие однозначного порядка в феноменах развития мешает как тем, кто ищет новых физических принципов типа поля, так и редукционистам, пытающимся собрать эмбрион «снизу». Я знаю, что не скажу Вам ничего оригинального, но мне лично ясно: живое активно и находится в поиске решений. Отсюда отсутствие порядка вещей, так радующего глаз при изучении неживых систем.
Вопрос, который не могу не задать, по поводу т.н. биогенетического закона, что часто используется в эволюционных баталиях. Все-таки, эмбриогенез повторяет филогенез или нет? И в этом же контексте, если смотреть на развитие - можно ли сказать, что природа использует одни и те же приемы для построения организмов; или прослеживаются разные принципы в зависимости от эволюционных линий?
Так называемый биогенетический закон является трансформацией закона Бэра, суть которого сводится к тому, что сначала развиваются общие признаки, а потом специальные. Этот закон, кстати, сформулировал еще Аристотель. Геккель приспособил этот закон к теории Дарвина, ярым сторонником которой он являлся. При этом он исказил его суть. Закон Бэра более нейтральный и работает эффективнее (хотя и он не всегда). Закон же Геккеля, если бы он был верен, должен привести к выводу, что, к примеру, обезьяны возникли из человека, а не наоборот, человек из обезьяноподобных предков. Кстати, еще Бэр заметил такие странности - он подчеркивает, что эмбрионы примитивных животных похожи на взрослые стадии более развитых.
По самому вопросу можно сказать следующее: сравнение эмбрионов поддерживает тезис родственности организмов. Тезис, который проистекает из сравнительной морфологии, из работ Оуэна, Гете и Сен Илера. Ведь эволюционные идеи были и до Дарвина. Надо недвусмысленно сказать: дарвинизм и неодарвинизм (СТЭ) являются теориями, предлагающими механизмы эволюции, но не единственными теориями или представлениями о эволюции как таковой. Эксплуатировать эмбриологические данные с идеологической целью убедить неспециалистов в правоте мейнстримных современных представлений об эволюции нечистоплотно, по сути, это обман. Мне лично очень не понравилась соответствующая глава в русскоязычном сборнике "Доказательства Эволюции". Именно эмбриологи, вплоть до сегодняшнего дня, противятся СТЭ. Об этом авторы умолчали. А ведь это немаловажный факт.
По поводу приемов построения организмов, используемых природой: то, что эти приемы разные, мы обсудили в связи с эквифинальностью. Но закон Бэра все же в определенном смысле работает. Можно сказать, что есть консервативные стадии развития. К таким стадиям относится так называемая филотипическая стадия или фарингула у позвоночных, характеризуемая наличием хорды, нервной трубки, сомитов, трех отделов кишечника, зачатков глоточных складок, вентрально расположенным сердцем и целомом. Помимо морфологических характеристик эта стадия характеризуется и передне-задней упорядоченностью экспрессии хокс-генов. Недавнее исследование (Nature 2010) (http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7325/full/nature09634.html) показало, что подобная стадия у насекомых (на примере Drosophila) характеризуется временным сужением вариации в экспрессии генов. Это сужение вскоре опять релаксирует.
Почему эмбриология традиционно не дружит с СТЭ? Дарвинисты действительно не интересуются развитием, но они могут сказать, что для СТЭ не важно, как устроена связь между генотипом и фенотипом. Единственное, что нужно - чтобы какая-то связь между вариацией генома и организмом была. Этого достаточно для запуска естественного отбора.
Исторически проблемы эмбриологов с дарвинизмом, по-видимому, связаны с тем, что дарвинисты и позже неодарвинисты по идеологическим мотивам зацикливались на случайности, в то время как биологи, связанные с морфологией (из российских достаточно назвать Заварзина или Берга), постоянно конфронтировались с закономерностями. То же касается и эмбриологов. Их интересовали причины развития и роль развития в эволюции, в то время как дарвинистам до синтеза были важны общие, идеологически обоснованные принципы, без всяких механизмов. (В начале 20 века дарвинизм был в кризисе, не только эмбриологи, но и генетики, к примеру, великий Томас Х. Морган, были чрезвычайно скептичны по отношению к идеям Дарвина). Лишь после синтеза дарвинизм приобрел подобие научности благодаря моделям популяционной генетики.
К сегодняшней же ситуации должен сказать следующее. Вы говорите: связи между вариацией генома и организмом «достаточно для запуска естественного отбора». Ho факт отбора абсолютно тривиален. Говоря философским языком, это аналитическая истина. Загадка эволюции не в отборе, а в механизмах, ведущих к вариации, что в свое время понял и Дарвин. Другими словами, без вариации нет отбора. Если же вариация глубоко связана со свойствами варьирующего объекта, то эти свойства игнорировать нельзя. Эффект мутации (независимо от того, случайная она или направленная) зависит от свойств организма. Если эволюционист хочет объяснить наличие структуры, вариация на уровне последовательностей нуклеотидов не является адекватным объяснением. СТЭ игнорирует как закономерности формы, так и активный характер вариации. С точки зрения многих эмбриологов вариация - это следствие поиска креативных онтогенетических решений в пространстве возможного. Сегодня, как и в начале прошлого века, СТЭ опять имеет противников тяжеловесов и в среде исследователей геномов, считающих, что роль адаптации в макроэволюции мала.
Тогда с чем бы вы сравнили роль генов (и их изменений) в процессе эволюции структур и органов? Интересен механизм или принцип, по которому старая форма преобразуется в другой, столь же функциональный, организм с новыми признаками. Откуда берутся работающие структуры, ведь потенциальное пространство вариаций огромно?
Как Вы понимаете Ваш вопрос очень непростой. Есть разные представления на этот счет.
Важным считается, во-первых, модульное устройство организмов. Из этого следует, что морфологическая эволюция происходит на уровне этих модулей, возникающих в ходе онтогенеза из соответствующих полей, как об этом, например, пишут Гильберт, Опитц и Рэфф. То есть способность к эволюции надо искать на этом уровне.
Вторым важным моментом считается так называемая норма реакции - способность системы к изменениям фенотипа в рамках исходного генетического фона. Считают, что эта способность используется в ходе эволюции. Интересный пример - знаменитая датская коза, у которой отсутствовали передние ноги. Она научилась ходить на задних двух, то есть приобрела вторичную бипедальность. Анализ морфологии после гибели козы показал значительные изменения всего скелета, включая форму грудной клетки, костей таза, а также новые мышечные структуры. Можно себе представить, что мутация, касающаяся одной структуры, может привести к глобальным изменениям во всем организме. С другой стороны сама способность к таким изменениям требует глубокого изучения, а не отговорок. Тут говорят о том, что система обладает "способностью к эволюции" (evolvability), но в чем она заключается кроме бесконечных споров об адаптивных характеристиках гипермутаторов, еще не разьяснили.
По поводу роли генов. Тут надо отличать геном, или совокупность генов, с одной стороны, и отдельные участки генома и их продукты с другой. Роль генома переоценить невозможно, это и текст, и часть контекста, он поставляет и строительные материалы, и энзимы, регуляторные белки, и сотни тысяч нетранслируемых продуктов (проект Encode). Он несет в себе специфические регуляторные последовательности, а также отпечатки эпигенетических процессов. С другой стороны, отдельные гены, по всей видимости, играют роль переключателей целостного состояния системы. Такой взгляд развивает, например, Дональд Ингбер из Гарварда, который считает, что состояния клетки являются своего рода аттракторами, а внешние воздействия (в том числе генетические) лишь помогают системе выбрать решение.
Роль генов часто сравнивают с ролью параметров, одни гены (структурные) играют роль параметров порядка, а другие (регуляторные) контрольных параметров. Точнее сказать, не играют, а чаще всего поставляют продукты, играющие роль. Этот подход интересен тем, что сближает теорию морфогенеза с моделями самоорганизации. Такой подход разрабатывается, например, российским эмбриологом Львом Белоусовым.
По поводу же ваших слов о пространстве вариаций: склонен считать, что пространство не огромно, а ограничено определенными типами. С моей точки зрения естественные виды, формы существуют в реальности как аттракторы в пространстве возможного. Это уже не строго научное мнение, а философская позиция подобно тому, как Пенроуз считает существование математических обьектов реальными. Для того, чтобы такое мнение было более обоснованным, необходимо развивать так называемую рациональную морфологию, которую провозгласили Гудвин и Вебстер в своей замечательной книге "Form and Transformation".
Насчет ваших слов об ограниченности пространства вариаций возникает естественный вопрос, что же служит таким ограничителем степеней свободы клеток и клеточных структур. Насколько я понимаю, как раз на эту тему внятного ответа у науки пока нет. Поэтому я разверну этот вопрос: скажите, по какой причине мы этих вещей не знаем? Физики описывают поведение материи на наномасштабах, манипулируют отдельными атомами. Химики синтезируют вещества с заданными свойствами. Кажется, известны все законы, имеющие значение на микро- и макроуровне. В чем же дело? Почему, зная об эволюции Вселенной на отрезке 14 млрд. лет и заглядывая во взаимодействия протонов, мы не можем понять, как из икринки получается обычная лягушка?
По поводу ограничения: глобальное в состоянии контролировать или, как выражается основатель синергетики Хакен, порабощать локальное (здоровье, кстати, тоже зависит от способности подавить автономность частей). А как это получается у целого? (По определенным причинам объяснение Хакена для биологии не подходит). У меня лишь догадки. Активная способность к реализации ограниченного количества состояний - это нечто вроде таблицы Менделеева или рядов в органической химии. Есть закономерности структур, и мы их в определенном смысле знаем. Похожее есть и в биологии - этими закономерностями интересовались, например, Гете в своих морфологических трудах, Гарстанг, Больк. Одна из интересных закономерностей - ретардация, о ней хорошо, но немного однобоко написал С.Гулд в книге "Онтогенез и Филогенез". Арси Томпсон в своем труде "О росте и форме" также пытался выявить эти закономерности, есть интересная работа Владимира Черданцева "Морфогенез и Эволюция". Но в целом о ясности говорить не приходится. Соглашаясь с Кантом, можно констатировать: Галилей (или Ньютон) биологии еще не родился.
С другой стороны, можно сказать, что уровень сложности организма слишком высок, что функционирование генома все еще не раскрыто. Что знание о распределении молекулярных факторов в эмбрионе, как и изучение механического состояния эмбриональной ткани далеки от полноты. И это будет правдой. Можно вместе с Нильсом Бором сказать, что ввиду особенностей поведения живой материи исчерпывающее физическое объяснение не представляется возможным - невозможно проследить одновременно поведение отдельных молекул, неясно, какой атом уже часть организма и какой нет. Коротко говоря: невозможно создать полностью контролируемые условия для экспериментов. И это тоже будет верно.
Можно расширить подход Бора и заметить, что в отличие от машин, в отличие от структуры физических экспериментов, но также и в отличие от самоорганизующихся систем, которых объединяет заданность граничных (не начальных) условий, в живых системах эти условия не могут быть описаны.
Но однозначного ответа нет. Я считаю, что те загадки, что встречают нас в эмбриологии, имеют прямую связь и с проблемами функционирования нервной системы.
И последнее. Недавно в личной переписке один вышедший на пенсию клеточный биолог из Беркли посоветовал мне изучить труды по теоретической биологии другого известного физика - Вальтера Эльзасера. Я прочитал книгу с большим интересом, но явно с первого раза не справился с ней: в ней много оригинальных идей. Может, кто-нибудь из Ваших читателей оценит ее по достоинству: ''Reflections on a Theory of Organisms. Holism in Biology'' (1998) Johns Hopkins University Press.
Что еще посоветуете для чтения?
Часть книг я уже упомянул, тут еще пара интересных. Обязательно для интересующихся вопросами морфогенеза:
''Dynamic architecture of developing organism'' Lev Beloussov;
Эмбриолог и системный биолог формулируют проблемы теории эволюции с точки зрения эмбриологии:
''Cells, Embryos, Evolution'' Gerhart and Kirschner
''Plausibility of life'' тех же авторов [скачать];
Очень-очень важная книга, настоящий компендиум по вопросам эволюции:
''Developmental plasticity and evolution'' Mary Jane West-Eberhard;
Об эволюции генома, против фиксации на роли отбора:
''The origin of genome architecture'' Michael Lynch [скачать];
Сложно написанная, но очень информативная книга на русском:
''Морфогенез и Эволюция'' Владимир Черданцев [скачать];
Програмная статья трех известных ученых 15 летней давности, которую не любят неодарвинисты:
Scott F. Gilbert, John M. Opitz, and Rudolf A. Raff (1996) Resynthesizing Evolutionary and Developmental Biology -- Dev Biol. [PDF]
Ну и классик классиков Ганс Дриш :)
http://nature-wonder.livejournal.com/190631.html
Как устроено объяснение в биологии
Стивен Роуз, профессор биологии и нейробиологии в Открытом университете и Лондонском университете, автор нескольких научно-популярных книг (на русский язык переведена книга «Устройство памяти. От молекул к сознанию»).
Ниже перевод небольшого фрагмента из книги, не выходившей в России.
Однажды пятеро биологов, собравшиеся на пикник возле пруда, заметили, как лягушка, которая сидела на берегу, внезапно прыгнула в воду. Между ними развернулась дискуссия: почему лягушка прыгнула? Первый, будучи физиологом, сказал: «В действительности все довольно очевидно. Лягушка прыгает, потому что мышцы в ее ногах сокращаются. Те, в свою очередь, сокращаются под воздействием импульсов в двигательных нервах, приходящих в мышцы из мозга лягушки; эти импульсы возникают в мозге, потому что предыдущие импульсы, поступившие в мозг из сетчатки лягушки, сигнализируют о присутствии хищной змеи». Здесь представлена простая каузальная цепь: вначале образ змеи на сетчатке, затем сигналы в мозг, затем импульсы по нервам из мозга, затем сокращение мышц - одно событие следует за другим, все в пределах нескольких тысячных долей секунды. Исследование деталей таких причинно-следственных последовательностей и является задачей физиологии.
«Но это очень ограниченное объяснение», - говорит второй, этолог, изучающий поведение животных. "Физиолог упустил главное, и рассказал нам, как лягушка прыгнула, но не то, почему она прыгнула. Реальная причина прыжка в том, что она увидела змею и совершила действие, чтобы скрыться от нее. Сокращение мышц лягушки является лишь одним из аспектов сложного процесса, и должно пониматься в терминах целей этого процесса - в данном случае, не быть съеденной. Конечная цель избежать змеи имеет ключевое значение для понимания ее действий.
Такие целеориентированные объяснения, которые известны как телеологические, создали для философов проблем больше, чем что-либо еще в биологии; они иногда рассматриваются как дурной тон, и в то же время несут больше здравого смысла, чем большинство других объяснений. Они настаивают на том, что организм, как совокупность поведения или физиологии, может быть понят только в контексте окружающей среды, которая включает как его физическое окружение, так и других живых, социально взаимодействующих соседей. (Действительно, если организм является представителем очень своеобразного вида, Homo Sapiens, то возникают дополнительные сложности, связанные с личной и коллективной историей.) Это тип объяснения "сверху вниз" (его иногда называют holistic, опасно неоднозначным словом, которого я буду избегать). Но обратите внимание, что, в отличие от объяснений физиолога, оно не каузально в смысле описания временной цепи событий, в которых первая вещь, нервное возбуждение, и затем другая, сокращения мышц, следуют одно за другим во времени. Прыжок неизбежно предшествует достижению цели, к которой он направлен. Таким образом, когда бихевиористы - этологи - говорят о причинах, они делают это совершенно иначе, чем физиологи.
«Ни физиолог, ни этолог не дали адекватного объяснения», - говорит третий биолог, изучающий развитие. "Для эмбриолога единственной причиной того, что лягушка вообще может прыгать, является то, что в процессе ее развития из одной оплодотворенной яйцеклетки через стадию головастика до взрослого животного, ее нервы, мозг и мышцы установили связи таким образом, что данные последовательности активности неизбежны - или, по крайней мере, наиболее вероятны для любого набора начальных условий".
Процесс установления связей является аспектом онтогенеза, развития организма от зачатия до взрослого состояния, и рассматривается в рамках генетики и биологии развития. В отличие от первых двух объяснений, онтогенетический подход привносит в объяснение исторический элемент: индивидуальная история лягушки становится ключом к пониманию ее нынешнего поведения. Онтогенез часто рассматривается как диалог - даже дихотомия - между природой (генетика) и воспитанием (окружающая среда). Были даже попытки математически формализовать это разделение, и задаться вопросом, сколько составляет вклад генов и сколько - окружающей среды. Как будет ясно в следующих главах, это ложная дихотомия, и я постараюсь преодолеть ее.
«Ни одно из этих трех объяснений не является удовлетворительным", - считает четвертый биолог, эволюционист. "Лягушка прыгает потому, что на протяжении эволюционной истории для ее предков такое поведение, делать это при виде змеи, было адаптивным. Те предки, которые так не поступали, оказывались съедены, и, следовательно, их потомство не прошло отбор». Этот тип объяснения представляет проблему определения того, что понимать под терминами "адаптивный" и "прошедший отбор". Проблемы, которые были подняты наиболее резко в полемических дебатах по социобиологии, и которые я буду рассматривать весьма критически в последующих главах. Можно провести различие между эмбриологом и эволюционистом, относя первого, подобно физиологу, к рассмотрению вопроса как, а другого, вместе с этологом, к задающим вопрос почему. Эволюционное объяснение сочетает в себе историческое - правда, в настоящее время в отношении, скорее, целого вида, а не одного конкретного организма - с целенаправленным. Возможно поэтому некоторые социобиологи утверждают, что в этом объяснении раскрывается фундаментальный причинный вопрос, и отметают другие соображения о причинах как просто "функциональные".
Пятый спорщик, молекулярный биолог, улыбается. «Вы все не улавливаете сути. Лягушка прыгает, потому что таковы биохимические свойства ее мышц. Мышцы состоят в основном из двух нитевидных белков, называемых актин и миозин, и они сокращаются, потому что белковые волокна двигаются относительно друг друга. Такое поведение актина и миозина зависит от аминокислотного состава двух белков, и, следовательно, от химических свойств, и, следовательно, от физических свойств". Это редукционистская программа, и то, каким образом биохимики пытаются описать живые явления.
Но еще раз отметим, что это не причинно-следственная цепь в том смысле, в котором ее описывает физиолог. Это не вопрос того, что происходит сначала (актин и миозин скользят друг по другу), и что происходит потом (мышечное сокращение). Если слово "причина" вообще здесь используется, оно должно означать нечто отличное от того, как оно применяется в физиологии. Путаница относительно нескольких способов использования «причины» терзала научное мышление со времен Аристотеля. Возможно, мы бы видели вещи более ясно, если бы ограничились использованием этого слова для обозначения временной последовательности событий. Каждое из этих событий - изображение на сетчатке лягушки, обработка в мозге, передача сигнала по двигательному нерву и сокращение мышц - может быть переведено на язык биохимии. И, конечно, возможно представить эту биохимическую последовательность во временных терминах, так что одно множество биохимических процессов (молекулярных событий в нервной ткани), производит другое (скольжение актина относительно миозина). Вопрос таким образом в том, как соотносятся две временные последовательности, описанные физиологом и биохимиком. В последующих главах я объясню, почему я использую термин "перевод" для обозначения того, как описание явления мышечного сокращения на языке (и на уровне) физиологии может быть заменено рядом предполагаемых утверждений на языке биохимии, химии и так далее.
Биологам нужны все эти пять типов объяснения - и, возможно, еще другие. Не существует одного правильного; все зависит от наших целей, с которыми мы задаем вопрос о прыжках лягушки. В самом деле, оказывается, что "все зависит" является одной из основных черт как жизненных процессов, так и попыток биологов объяснить их. Причина постановки вопроса определит наиболее полезный тип ответа. Это в природе биологического мышления, что все виды ответа являются - или должны быть - частью того, как мы пытаемся понять мир. Биология нуждается в такого рода эпистемологическом плюрализме - дабы облагородить наш нечеткий способ мышления более формальной философской санкцией. Сосредоточение на любом подмножестве объяснений откроет только часть истории; чтобы попытаться понять полностью даже простейшие живые процессы, нам следует работать со всеми пятью типами одновременно. Тем не менее, характер, в котором развивались биологические науки, показывает, что чрезмерное почтение уделяется больше редукционистскому типу объяснения, как если бы он был в некотором роде более фундаментальным, более "по-настоящему" научным, или как если бы в будущем он сделает другие типы объяснений излишними. Биохимиков и молекулярных биологов, да и грантодателей, которые поддерживают наши исследования - правительство, промышленность, благотворительные организации - учат думать и рассуждать таким образом. Это стало не второй, а первой нашей натурой.
* * *
Это отрывок из замечательной книги С.Роуза "Lifelines: Biology Beyond Determinism" [Oxford University Press, 1997]. Я бы искренне рекомендовал ее тем, кому интересно устройство биологического мышления и подхода к познанию в биологии. Во многом становится ясно, почему редукционизм не рулит и никогда не будет рулить в биологии так, как в физике. Тем, кто очарован Докинзом, также весьма полезно будет с книгой ознакомиться.
Собственно, пост о том, что ее можно свободно скачать.
Последнее обновление списка книг на моем сайте выглядит так:
"Rhythms of the Brain" by Gyorgy Buzsaki [Oxford University Press, 2006]
The Future of the Brain: The Promise and Perils of Tomorrow's Neuroscience" by Steven Rose [Oxford University Press, 2005]
"Lifelines: Biology Beyond Determinism" by Steven Rose [Oxford University Press, 1997]
"Acquiring Genomes: A Theory of the Origins of Species" by Lynn Margulis, Dorion Sagan [Basic Books, 2002]
"Metamagical Themas: Questing For The Essence Of Mind And Pattern" by Douglas Hofstadter [Basic Books, 1996]