Шредингеровский кот
Про докеймбрийского кролика я написал;
http://shkrobius.livejournal.com/427351.html
теперь очередь шредингеровского кота.
Ламбда бактериофаги - вирусы бактерий кишечной палочки - либо сразу заставляют клетку изготовлять их копии, пока та не лопнет (лизис), либо могут с этим подождать, встроившись в бактериальный геном. Такая клетка называется лизоген; она еще жива, но обречена. Со временем в ней начнут собираться вирусные частицы, и наступит быстрая смерть-лизис. Как фотон, испускаемый радиоактивным атомом в мысленном эксперименте, вирус, уловленный палочкой, может вызвать скорую смерть бактериального "кота". Зараженная клетка либо лопнет (= молоточек, ударяющей по колбе с ядом), либо поживет еще, возможно, успев за это время размножиться или избавиться от инфекции.
(Коты, кстати, не вечны. Мысленные эксперименты тем хороши, что на детали можно не обращать внимания. Например, на то, что кот может сдохнуть, дожидаясь радиоактивного распада. Или на то, что в нем водится естественная радиоактивность...)
Bнутри живой клетки стабильность, за ее пределами ждет неизвестность. Для многих вирусных частиц - небытие. В клетке же - бытие, хоть и опасное. Вылезать из нее в широкий мир, торопя неизбежное, не стоит.
Обо всем этом узнали много лет назад, и общий механизм принятия решения известен: в нем задействованы всего три вирусных гена. Это нелинейная петля обратной связи, управляющая транскрипционным фактором. Сразу возникло учение, что решение принимается вероятностно. Вирус предоставляет (детерминистический) сенсор, который попадает в (стохастическую) среду. Решение, жить коту или нет, принимает не вирус, а кот. Его биохимия определяет, какой "ответ" выдаст сенсор. Pадиоактивный атом, определяющий кошачью судьбу, помещен в самого кота, а вирус - всего лишь детектор с синильной кислотой.
Описывалось это так:
...Simplistically, in cells with sufficient nutrients, protease activity is high, which breaks down cII [one of viral proteins in the loop, transcription inhibitor]. This leads to the lytic lifestyle. In cells with limited nutrients, protease activity is low, making cII stable [another one, transcription activator]. This leads to the lysogenic lifestyle. cIII [the third one] appears to stabilize cII, both directly and by acting as a competitive inhibitor to the relevant proteases. This means that a cell "in trouble", i.e. lacking in nutrients and in a more dormant state, is more likely to lysogenise. This would be selected for because the phage can now lie dormant in the bacterium until it falls on better times, and so the phage can create more copies of itself with the additional resources available and with the more likely proximity of further infectable cells. http://en.wikipedia.org/wiki/Lambda_phage
Если бактерия хилая, не может быстро уничтожить белок, который ее протеазам специально подсовывает вирус, она становится лизогеном. Когда она крепнет, тут-то ей и смерть, так как вирус только того и ждет, чтобы запустить транскрипцию. Ему нужна здоровая клетка, которая изготовит множество копий. Свободного пробного белка очень мало, прореагирует ли он с клеточными протеазами или нет - дело случая.
Есть, однако, то неприятное обстоятельство, что доказать такую теорию нельзя. Всегда возможно предположить "скрытые переменные", которые сложным образом определяют исход решения детерминистически. Cклонные к философии даже уверяют, что случайность есть следствие человеческого незнания и объективно не существует. Если смотреть на большой ансамбль котов, про которых мало, что известно, велико искушение его описывать стохастически. Это более говорит о нас, чем о котах. На эти грабли наступали все, и биохимики не исключениe.
Прошло тридцать лет, и вероятностная теория лизогена оказалась лопнувшим пузырем. Выяснилось, что решение зависит от размера клетки. Что оно связано с уровнем некоторых белков, который индивидуально меняется в куда более широких пределах, чем полагалось ранее. Обнаружилось, что в предполагаемой случайности есть жесткая закономерность. Клетка может быть заражена одной, двумя или более (N) вирусными частицами. Если N=1, всегда выбирается лизис, если N>1, то он происходит с вероятностью в 30%; чем больше N, тем выше вероятность образования лизогена, становясь примерно 100% для большого числа вирусных частиц.
http://jvi.asm.org/content/83/22/11416.full
Такому поведению есть простое объяснение. Одна вирусная частица не может ничего знать ни о бактерии, ни об окружающей среде. У нее нет достаточной информации, чтобы принять решение. Cтавка делается на быстрое размножение и лизис. Если частиц две, то это скорее всего означает, что фагов уже больше, чем бактерий. Если три и больше, то точно надо подождать: не имеет смысл заражать умирающие бактерии. Вылезти могучим отрядом посреди бойни означает послать копии в небытие. Спешить не надо.
Почти сразу придумали, как такое может быть: например, через димеризацию белков в петле обратной связи, которые соревнуются за промотер. Желающие могут разобрать сами
...Two genes in this network, x and y, share a common promoter region. When X-dimers are bound to the promoter, they halt transcription of gene y and enhance that of x. When Y-dimers are bound to the promoter, they halt transcription of both genes x and y. Hence, the viral regulatory network includes both a positive and a negative feedback loop
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2527279/
Дальше - больше. Оказалось, что вирусные частицы, присутствующие в клетке, совместно "голосуют" за решение. Они индивидуально замеряют присутствие вириальных генов в бактериальном геноме, и каждый принимает решение. Только если они ВСЕ единогласно решают "за", клетка становится лизогеном.
... upon infection of the cell by multiple phages, a choice between lysis and lysogeny is first made at the level of each individual phage dependent on the total viral concentration inside the cell. The decisions by all viruses infecting a single cell are then integrated in a precise (noise-free) way, such that only a unanimous “vote” by all viruses leads to the establishment of lysogeny. By integrating over the subcellular degrees of freedom (number and location of infecting phages, cell volume), we are able to reproduce the observed whole-cell phenotype and predict the observed level of noise in the lysis/lysogeny decision.
...Each infecting virus makes a decision in favor of lysis or lysogeny, with the probability of lysogeny dependent on the concentration of viral genomes in the infected cell. Next, a cellular decision is reached based-in a precise manner-on the decisions of all individual phages. Only if all viruses infecting a single cell vote in favor of lysogeny is that fate chosen; otherwise, the lytic pathway ensues. We note that the two-step decision process renders the whole-cell phenotype noisy, in the sense that for a broad range of multiplicity-of-infection (MOI) values, both cell fates can be observed. The enhancement of phenotypic noise in the transition from single phage to single cell is largely the result of the following competition effect: on one hand, the probability that an individual phage will choose lysogeny rises sharply as a function of MOI. On the other hand, the higher the MOI, the smaller the chance that all phages infecting the cell will vote the same way and allow cell lysogeny. Thus, the sharp single-phage response, combined with the “AND” gate that follows, result in a “smeared” decision curve at the whole-cell level.
http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(10)00352-1
Проблема в том, что "их" (принимающих решение частиц) к моменту голосования уже нет: их нуклеиновые кислоты встроены в бактериальный геном, а белки распределены по клетке. Тогда кто принимает судьбоносное решение?
Наверно, так: вирусы меняют геном кота, и этот измененный кот становится точным инструментом принятия решения о своей судьбе. Разные локусы встроенного вирусного генома могут оказаться в разных частях бактериального генома (и клетки); от этого у них разная вероятность обнаружить, через петлю, присутствие других таких генов; стохастичность возникает на этом этапе (грубо говоря, сенсор может не наткнуться на измеряемую молекулу). Но остальное детерминировано. Куда гены встраиваются может (а может и не быть) детерминировано, это совместно определяется вирусом и котом. Во всем этом, возможно, имеет место быть "случай", но он оказался не там, где полагали, да и есть ли он на самом деле - неясно.
* * *
Не люблю мысленные эксперименты. Они натянутые, недодуманные, аппеллируют неизвестно к чему. В данном случае (шредингеровский кот) - к здравому смыслу. Почему я должен доверять здравому смыслу, не объясняют.
Добро бы это были высокие материи, но решение о лизисе/лизогене принимается на самом низком уровне, далее некуда. Моего здравого смысла едва хватает на то, чтобы представить себе способ принятия этого решения. Его уже не хватает на то, чтобы указать, чье это решение.
http://shkrobius.livejournal.com/427351.html
теперь очередь шредингеровского кота.
Ламбда бактериофаги - вирусы бактерий кишечной палочки - либо сразу заставляют клетку изготовлять их копии, пока та не лопнет (лизис), либо могут с этим подождать, встроившись в бактериальный геном. Такая клетка называется лизоген; она еще жива, но обречена. Со временем в ней начнут собираться вирусные частицы, и наступит быстрая смерть-лизис. Как фотон, испускаемый радиоактивным атомом в мысленном эксперименте, вирус, уловленный палочкой, может вызвать скорую смерть бактериального "кота". Зараженная клетка либо лопнет (= молоточек, ударяющей по колбе с ядом), либо поживет еще, возможно, успев за это время размножиться или избавиться от инфекции.
(Коты, кстати, не вечны. Мысленные эксперименты тем хороши, что на детали можно не обращать внимания. Например, на то, что кот может сдохнуть, дожидаясь радиоактивного распада. Или на то, что в нем водится естественная радиоактивность...)
Bнутри живой клетки стабильность, за ее пределами ждет неизвестность. Для многих вирусных частиц - небытие. В клетке же - бытие, хоть и опасное. Вылезать из нее в широкий мир, торопя неизбежное, не стоит.
Обо всем этом узнали много лет назад, и общий механизм принятия решения известен: в нем задействованы всего три вирусных гена. Это нелинейная петля обратной связи, управляющая транскрипционным фактором. Сразу возникло учение, что решение принимается вероятностно. Вирус предоставляет (детерминистический) сенсор, который попадает в (стохастическую) среду. Решение, жить коту или нет, принимает не вирус, а кот. Его биохимия определяет, какой "ответ" выдаст сенсор. Pадиоактивный атом, определяющий кошачью судьбу, помещен в самого кота, а вирус - всего лишь детектор с синильной кислотой.
Описывалось это так:
...Simplistically, in cells with sufficient nutrients, protease activity is high, which breaks down cII [one of viral proteins in the loop, transcription inhibitor]. This leads to the lytic lifestyle. In cells with limited nutrients, protease activity is low, making cII stable [another one, transcription activator]. This leads to the lysogenic lifestyle. cIII [the third one] appears to stabilize cII, both directly and by acting as a competitive inhibitor to the relevant proteases. This means that a cell "in trouble", i.e. lacking in nutrients and in a more dormant state, is more likely to lysogenise. This would be selected for because the phage can now lie dormant in the bacterium until it falls on better times, and so the phage can create more copies of itself with the additional resources available and with the more likely proximity of further infectable cells. http://en.wikipedia.org/wiki/Lambda_phage
Если бактерия хилая, не может быстро уничтожить белок, который ее протеазам специально подсовывает вирус, она становится лизогеном. Когда она крепнет, тут-то ей и смерть, так как вирус только того и ждет, чтобы запустить транскрипцию. Ему нужна здоровая клетка, которая изготовит множество копий. Свободного пробного белка очень мало, прореагирует ли он с клеточными протеазами или нет - дело случая.
Есть, однако, то неприятное обстоятельство, что доказать такую теорию нельзя. Всегда возможно предположить "скрытые переменные", которые сложным образом определяют исход решения детерминистически. Cклонные к философии даже уверяют, что случайность есть следствие человеческого незнания и объективно не существует. Если смотреть на большой ансамбль котов, про которых мало, что известно, велико искушение его описывать стохастически. Это более говорит о нас, чем о котах. На эти грабли наступали все, и биохимики не исключениe.
Прошло тридцать лет, и вероятностная теория лизогена оказалась лопнувшим пузырем. Выяснилось, что решение зависит от размера клетки. Что оно связано с уровнем некоторых белков, который индивидуально меняется в куда более широких пределах, чем полагалось ранее. Обнаружилось, что в предполагаемой случайности есть жесткая закономерность. Клетка может быть заражена одной, двумя или более (N) вирусными частицами. Если N=1, всегда выбирается лизис, если N>1, то он происходит с вероятностью в 30%; чем больше N, тем выше вероятность образования лизогена, становясь примерно 100% для большого числа вирусных частиц.
http://jvi.asm.org/content/83/22/11416.full
Такому поведению есть простое объяснение. Одна вирусная частица не может ничего знать ни о бактерии, ни об окружающей среде. У нее нет достаточной информации, чтобы принять решение. Cтавка делается на быстрое размножение и лизис. Если частиц две, то это скорее всего означает, что фагов уже больше, чем бактерий. Если три и больше, то точно надо подождать: не имеет смысл заражать умирающие бактерии. Вылезти могучим отрядом посреди бойни означает послать копии в небытие. Спешить не надо.
Почти сразу придумали, как такое может быть: например, через димеризацию белков в петле обратной связи, которые соревнуются за промотер. Желающие могут разобрать сами
...Two genes in this network, x and y, share a common promoter region. When X-dimers are bound to the promoter, they halt transcription of gene y and enhance that of x. When Y-dimers are bound to the promoter, they halt transcription of both genes x and y. Hence, the viral regulatory network includes both a positive and a negative feedback loop
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2527279/
Дальше - больше. Оказалось, что вирусные частицы, присутствующие в клетке, совместно "голосуют" за решение. Они индивидуально замеряют присутствие вириальных генов в бактериальном геноме, и каждый принимает решение. Только если они ВСЕ единогласно решают "за", клетка становится лизогеном.
... upon infection of the cell by multiple phages, a choice between lysis and lysogeny is first made at the level of each individual phage dependent on the total viral concentration inside the cell. The decisions by all viruses infecting a single cell are then integrated in a precise (noise-free) way, such that only a unanimous “vote” by all viruses leads to the establishment of lysogeny. By integrating over the subcellular degrees of freedom (number and location of infecting phages, cell volume), we are able to reproduce the observed whole-cell phenotype and predict the observed level of noise in the lysis/lysogeny decision.
...Each infecting virus makes a decision in favor of lysis or lysogeny, with the probability of lysogeny dependent on the concentration of viral genomes in the infected cell. Next, a cellular decision is reached based-in a precise manner-on the decisions of all individual phages. Only if all viruses infecting a single cell vote in favor of lysogeny is that fate chosen; otherwise, the lytic pathway ensues. We note that the two-step decision process renders the whole-cell phenotype noisy, in the sense that for a broad range of multiplicity-of-infection (MOI) values, both cell fates can be observed. The enhancement of phenotypic noise in the transition from single phage to single cell is largely the result of the following competition effect: on one hand, the probability that an individual phage will choose lysogeny rises sharply as a function of MOI. On the other hand, the higher the MOI, the smaller the chance that all phages infecting the cell will vote the same way and allow cell lysogeny. Thus, the sharp single-phage response, combined with the “AND” gate that follows, result in a “smeared” decision curve at the whole-cell level.
http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(10)00352-1
Проблема в том, что "их" (принимающих решение частиц) к моменту голосования уже нет: их нуклеиновые кислоты встроены в бактериальный геном, а белки распределены по клетке. Тогда кто принимает судьбоносное решение?
Наверно, так: вирусы меняют геном кота, и этот измененный кот становится точным инструментом принятия решения о своей судьбе. Разные локусы встроенного вирусного генома могут оказаться в разных частях бактериального генома (и клетки); от этого у них разная вероятность обнаружить, через петлю, присутствие других таких генов; стохастичность возникает на этом этапе (грубо говоря, сенсор может не наткнуться на измеряемую молекулу). Но остальное детерминировано. Куда гены встраиваются может (а может и не быть) детерминировано, это совместно определяется вирусом и котом. Во всем этом, возможно, имеет место быть "случай", но он оказался не там, где полагали, да и есть ли он на самом деле - неясно.
* * *
Не люблю мысленные эксперименты. Они натянутые, недодуманные, аппеллируют неизвестно к чему. В данном случае (шредингеровский кот) - к здравому смыслу. Почему я должен доверять здравому смыслу, не объясняют.
Добро бы это были высокие материи, но решение о лизисе/лизогене принимается на самом низком уровне, далее некуда. Моего здравого смысла едва хватает на то, чтобы представить себе способ принятия этого решения. Его уже не хватает на то, чтобы указать, чье это решение.