Η ομορφιά της πεταλούδας προέρχεται από το οργανωμένο χάος
Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Ιούνιο του 2013.
Ρίξτε μια ματιά στο φτερό μιας πεταλούδας και μπορείτε να μάθετε ένα μάθημα για τη ζωή. Όχι ότι είναι όμορφο, ή εύθραυστο ή εκτιμάται πολύ εύκολα μόνο όταν ξεθωριάζει—αν και όλα αυτά είναι αλήθεια και είναι εμφανή σε ένα φτερό.
Κοιτάξτε πολύ κοντά, στην άκρη ενός μοτίβου, όπου το ένα χρώμα μετατρέπεται σε άλλο. Η οριοθέτηση δεν είναι τόσο απότομη όσο φαίνεται σε απόσταση αναπνοής. Δεν είναι μια γραμμή, αλλά μάλλον μια κλίση.
Αυτό είναι ένα μάθημα για την αβεβαιότητα.
Τα χρώματα μιας πεταλούδας προέρχονται από τα λέπια της, το καθένα ένα μεμονωμένο κύτταρο, χρωματισμένο σε μία μόνο απόχρωση. Στα όρια των σχεδίων, κλίμακες διαφορετικών χρωμάτων αναμειγνύονται. Οι μεταβάσεις και η σκίαση επιτυγχάνονται μεταβάλλοντας τις αναλογίες του μείγματος. Είναι όμορφο. Είναι επίσης, στη γλώσσα της μοριακής βιολογίας, ένα μοντέλο για έναν στοχαστικό μηχανισμό γονιδιακής έκφρασης.
Η μοίρα κάθε ζυγαριάς δεν είναι προκαθορισμένη. Τα κύτταρα στην επιφάνεια των φτερών μιας χελιδονοουράς, για παράδειγμα, δεν ήταν αρχικά εξειδικευμένα να είναι κίτρινα ή μπλε ή μαύρα. Αντίθετα, περιέχουν γονίδια δυνητικά ικανά να παράγουν καθεμία από αυτές τις χρωστικές.
Αυτό που καθορίζει το χρώμα κάθε κλίμακας πεταλούδας είναι, με μια λέξη, τυχαίο. Ένα μόριο χτυπά ένα κομμάτι κυτταρικού μηχανήματος την την κατάλληλη στιγμή, στο σωστό μέρος και ένα γονίδιο παράγει μια συγκεκριμένη χρωστική ουσία. Δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα συμβεί. Είναι θέμα πιθανότητας και τυχαιότητας από στιγμή σε στιγμή. (Ο ίδιος πιθανός μηχανισμός βρίσκεται κάτω από τα τμήματα των φτερών με συμπαγή χρώματα, επίσης. Σε αυτά τα μέρη, τα μόρια που ενεργοποιούν γονίδια για ένα χρώμα υπάρχουν σε τόσο υψηλές συγκεντρώσεις που το τελικό αποτέλεσμα χρώματος είναι εξασφαλισμένο.)
Στη βιολογία, υπάρχει μια τάση να αντιλαμβανόμαστε την τυχαιότητα ως θόρυβο, έναν τυχαίο παράγοντα, ως προϊόν σφάλματος - οι τυχαίες γενετικές μεταλλάξεις, για παράδειγμα, είναι λάθη σε ένα σύστημα αναπαραγωγής χρωμοσωμάτων που υποτίθεται ότι κάνει τέλεια αντίγραφα. Οι τυχαίες μεταλλάξεις μπορεί να είναι επιβλαβείς, ή ασήμαντες ή ωφέλιμες, αλλά κατά βάση είναι λάθη , μια άτακτη απόκλιση από ένα τακτοποιημένο σύστημα.
Αυτό που κάνει τα φτερά μιας πεταλούδας τόσο αξιοσημείωτα δεν είναι μόνο ότι τα απρόβλεπτα κρύβονται κάτω από τα χρώματά τους, αλλά ότι έχουν εκμεταλλευτεί τις πιθανότητες . Η τυχαιότητα και η αβεβαιότητα μεταφράζονται στα διατεταγμένα, λειτουργικά μοτίβα ενός μονάρχη ή ενός σημείου ελέγχου. Και σε αυτό, το φτερό της πεταλούδας δεν είναι μοναδικό, αλλά μια εκδήλωση αρχών πανταχού παρών στη βιολογία.
Ας φορέσουμε τα γυαλιά μας Powers of Ten και ας αυξήσουμε τη μεγέθυνσή μας στο σημείο όπου λαμβάνει χώρα η δραστηριότητα των κυττάρων, το επίπεδο του λεγόμενου κυψελωτού μηχανήματος. Ωστόσο, θα πρέπει να εγκαταλείψουμε αυτή τη μεταφορά:Τα κύτταρα περιέχουν πράγματι περίπλοκες δομές που εκτελούν εργασίες, αλλά η λέξη «μηχανή» είναι προϊόν του μακροσκοπικού κόσμου. Θεωρούμε ότι τα μηχανήματα είναι άκαμπτα συναρμολογημένα, με προκαθορισμένους σκοπούς. Σε κυτταρικό επίπεδο, η αναλογία καταρρέει.
Στα κορυφαία άκρα της θεωρητικής και υπολογιστικής και πειραματικής βιολογίας, όπου συναντώνται γνωστοί και άγνωστοι, οι κυψελωτές μηχανές έχουν επαναπροσδιοριστεί. Οι πρωτεΐνες από τις οποίες είναι φτιαγμένες δεν αναδιπλώνονται και δεν ξεδιπλώνονται και λειτουργούν σύμφωνα με ορισμένα σταδιακά σχέδια. Το σχήμα και η λειτουργία είναι εξαιρετικά ευαίσθητα σε απειροελάχιστες ενεργειακές μετατοπίσεις, στην κίνηση των ατόμων και στις δυνάμεις που ασκούν.
Αντί για ένα εργοστάσιο κινητής τηλεφωνίας, λοιπόν, φανταστείτε ένα εστιατόριο με κουζίνα όπου τα μπλέντερ μετατρέπονται σε φούρνους μεταφοράς και τα χτυπήματα σε μαχαίρια όταν περνάει κάποιος, αυξάνοντας τη θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά κλασματικό βαθμό. Φανταστείτε ότι όλη η κουζίνα είναι έτσι, ότι οι μάγειρες και το προσωπικό προετοιμασίας, παρόλο που κινούνται με πρόθεση, δεν μπορούν παρά να περιπλανηθούν — και τα γεύματα επτά πιάτων έρχονται να ξεπεράσουν τις πόρτες.
Αναμφίβολα αυτή η μεταφορά έχει τα δικά της προβλήματα, αλλά καταλαβαίνει το νόημα:Ο κυτταρικός κόσμος είναι ένα μέρος που διαρκώς κυμαίνεται. Είναι γεμάτο τυχαιότητα και, όταν τα πράγματα δεν είναι στενά τυχαία, με αβεβαιότητα. Τα άτομα και τα μόρια και οι βαθμίδες αλλάζουν από στιγμή σε στιγμή και οι πρωτεΐνες μαζί τους.
Εδώ θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί από πού προέρχεται η αβεβαιότητα:Είναι πραγματικά αβέβαιο; Θα μπορούσε να προβλεφθεί κάθε μοριακή μοίρα, αν γνωρίζαμε μόνο τις κινήσεις και τις ιδιότητες κάθε σωματιδίου σε ένα κύτταρο; Ή μήπως η κβαντική φυσική μπαίνει στην εξίσωση σε κάποιο επίπεδο, με όλες τις τρομακτικές αβεβαιότητες και τις περίεργες πιθανότητες που διαμορφώνουν τη βιολογία με κάποιο θεμελιώδη τρόπο;
Αυτό δεν το ξέρουμε και μπορεί και ποτέ. Είναι μια ερώτηση πολύ δύσκολη για μελέτη. Όποια και αν είναι η περίπτωση, ορισμένες μοριακές δραστηριότητες είναι, όπως μπορούμε να τις περιγράψουμε καλύτερα, τυχαίες ή πιθανολογικές. Και γνωρίζουμε, σε κυτταρικό επίπεδο, ότι η μοίρα ενός κυττάρου -είτε ένα εμβρυϊκό βλαστοκύτταρο εξειδικεύεται για υπηρεσία σε νεφρό ή ήπαρ, είτε ένα βλαστοκύτταρο του αίματος μεγαλώνει για να μεταφέρει οξυγόνο ή να εντοπίσει παθογόνα- είναι σε κάποιο βαθμό στοχαστική, καθορισμένη από ένα σήμα που μπορεί να εμφανίζεται ή να μην εμφανίζεται.
Αυτό που είναι εξαιρετικό, πάλι, είναι ότι από όλη αυτή την αβεβαιότητα, προκύπτει μορφή. Δύο πανομοιότυπα δίδυμα, μετά από τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια κυτταρικές διαιρέσεις, στην πραγματικότητα φαίνονται ίδια στα μάτια μας. Εκτός αταξίας, τάξη — αν και φυσικά η ύπαρξη πανομοιότυπων γονιδιωμάτων δεν αποτελεί εγγύηση για τα ίδια αποτελέσματα. Πράγματι, ο ρόλος της στοχαστικότητας στα κύτταρα έγινε εμφανής όταν γενετικά ταιριασμένες αποικίες ζυμομύκητα, που αναπτύχθηκαν στα ίδια ακριβώς περιβάλλοντα, αναπτύχθηκαν με πολύ διαφορετικούς τρόπους.
Αυτό που φαίνεται να εξηγεί αυτό, αποδεικνύεται, είναι η ποικιλία στις λεγόμενες επιγενετικές αποκρίσεις - διαδικασίες που αλλάζουν τη δραστηριότητα των γονιδίων ανάλογα με το περιβάλλον και τις περιστάσεις, επιτρέποντας στους οργανισμούς να αλλάξουν τη βιολογία τους ως απάντηση στις απρόβλεπτες απαιτήσεις της ζωής. Οι διαφορετικές αποικίες ζυμομυκήτων είχαν διαφορετική επιγενετική. ανταποκρίθηκαν στην αβεβαιότητα διαφορετικά. Αυτό μπορεί από μόνο του να ήταν προϊόν τύχης, κάποιας «κληρονομημένης στοχαστικής παραλλαγής», αν και τα οφέλη είναι προφανή. Είναι ένα εξελικτικό bet-hedging, ένας τρόπος να αυξηθούν οι δυνατότητες προσαρμογής για τους απογόνους κάποιου, παρά τις γενετικές τους ομοιότητες.
Και πάλι βλέπουμε τη βιολογία να χρησιμοποιεί την αβεβαιότητα, να την χτίζει πάνω της, να την κάνει αναπόσπαστο μέρος της ζωής. Και είναι εμφανές όχι μόνο στα επιγονιδιώματα, αλλά και στα γονιδιώματα:Όταν εξετάζουμε το δικό μας, το οποίο για τον καθένα μας περιέχει κάποιο αριθμό φαινομενικά τυχαίων σφαλμάτων που παράγονται από δυσλειτουργίες κατά τη δημιουργία αντιγραφής, διαπιστώνουμε ότι τα σφάλματα δεν κατανέμονται τυχαία. Οι μεταλλάξεις συμβαίνουν με διαφορετικούς ρυθμούς σε διαφορετικά μέρη του γονιδιώματος.
Αυτό δεν είναι το ίδιο πράγμα με το να λέμε ότι ορισμένες ακολουθίες τείνουν να παραμείνουν κατά τη διάρκεια του εξελικτικού χρόνου, επειδή τα σφάλματα εκεί είναι πιο πιθανό να προκαλέσουν προβλήματα. Αντίθετα, η πιθανότητα να παρουσιαστεί ένα τυχαίο σφάλμα στην αρχή κυμαίνεται σε όλο το γονιδίωμα. Σε κάθε κυτταρικό επίπεδο, αξιοποιείται η τυχαιότητα.
«Η ζωή είναι μια μελέτη σε αντιθέσεις ανάμεσα στην τυχαιότητα και τον ντετερμινισμό», έγραψαν οι βιοχημικοί Arjun Raj και Alexander van Oudenaarden σε ένα άρθρο με τίτλο «Nature, Nurture or Chance», στο περιοδικό Κύτταρο . "Από το χάος των βιομοριακών αλληλεπιδράσεων μέχρι τον ακριβή συντονισμό της ανάπτυξης, οι ζωντανοί οργανισμοί είναι σε θέση να επιλύσουν αυτές τις δύο φαινομενικά αντιφατικές πτυχές της εσωτερικής τους λειτουργίας."
Υπάρχουν αυτές οι αναλύσεις σε ακόμη υψηλότερα επίπεδα; Μοτίβο από τύχη σε πληθυσμούς, είδη, κοινότητες, οικολογίες; Στη δική μας ζωή; Δεν μπορούμε να δούμε τις κοινωνίες ή τις ζωές με τον τρόπο που βλέπουμε τα κύτταρα, αλλά σίγουρα το νιώθουμε, σε κάποιο διαισθητικό επίπεδο. «Σκέφτομαι πίσω την τροχιά της ζωής μου και σκέφτομαι:έτυχε να πέσει πάνω σε αυτό το άτομο στο τρένο και οδήγησε σε αυτό ή εκείνο», μου είπε ο Raj. "Τόσα πολλά πράγματα είναι απρόβλεπτα σε μεγάλη χρονική κλίμακα, αν και φαίνεται ότι είναι προβλέψιμα αυτή τη στιγμή."
Σκέφτομαι τη ζωή μου:Οι γονείς μου γνωρίστηκαν σε ένα τρένο. Οι πιο στενοί μου φίλοι ήρθαν από τυχαίες συναντήσεις σε ένα σταθμό του μετρό, ένα μάθημα, μια ομάδα χόκεϊ, μια γραπτή εργασία. Δεν μπορώ να φανταστώ τη ζωή μου χωρίς αυτούς, ωστόσο κάθε μία από αυτές τις συναντήσεις ήταν βαθιά, ανησυχητικά απίθανη. Και γιατί να σταματήσουμε με τις φιλίες; Γιατί να μην κλιμακωθείτε στο επίπεδο του ίδιου του σύμπαντος, όπου η τάξη και η αταξία παρεμβάλλονται σε τυχαία μοτίβα;
Εκεί, ίσως, από την οπτική γωνία του Θεού ή κάποιου εξωγήινου κοσμολόγου ή του βαθέως χρόνου ή οτιδήποτε άλλο χρησιμοποιείτε για να φανταστείτε ασύλληπτη απεραντοσύνη, μπορεί να βρούμε ξανά τάξη. Ποιος ξέρει σίγουρα? πιθανότατα δεν θα το κάνουμε ποτέ. Αλλά μπορούμε να δούμε το φτερό μιας πεταλούδας και να αναρωτηθούμε.
Υποσημειώσεις
1. Τα γονίδια που συνθέτουν χρωστική ουσία που καθοδηγούν τον χρωματισμό στο φτερό μιας πεταλούδας είναι ένα ιδανικό σύστημα μοντέλου επειδή είναι σχετικά απλά και απλά. Αυτή είναι η εξαίρεση, όχι ο κανόνας. Τα περισσότερα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν πολυεπίπεδες κυτταρικές και γενετικές σχέσεις:δίκτυα αλληλεπιδράσεων φωλιασμένα μέσα σε δίκτυα αλληλεπιδράσεων, που συχνά συμπεριφέρονται με μη γραμμικούς τρόπους, μια ολόκληρη βιολογική κούκλα φωλιάσματος επιπλοκών. Κάτι που κάνει την αξιοποίηση της τυχαιότητας και της αβεβαιότητας ακόμη πιο ασυνήθιστη.
2. Υπάρχει μια ορισμένη ποσότητα αβεβαιότητας σε αυτές τις περιγραφές. Είναι πιο δίκαιο να πούμε ότι ορισμένοι επιστήμονες που μελετούν αυτά τα θέματα πιστεύουν ότι αυτό συμβαίνει και τα θραύσματα των βιοχημικών δεδομένων που μπορούμε να ανακτήσουμε σε μοριακή και ατομική κλίμακα μέσα στα κύτταρα ταιριάζουν με τα υπολογιστικά μας μοντέλα, αλλά προχωρά αργά.
Πάρτε, για παράδειγμα, τη μοντελοποίηση αναδίπλωσης και ξεδίπλωσης πρωτεΐνης που περιγράφεται σε αυτό το PNAS προϊόν, που παράγεται από ένα ειδικά σχεδιασμένο, μαζικά παράλληλο κομμάτι αποκλειστικού υλικού που είναι περίπου 100 φορές πιο ισχυρό από οποιοδήποτε άλλο μηχάνημα που χρησιμοποιείται για αυτόν τον σκοπό. Λειτουργώντας με πλήρη ισχύ κατά τη διάρκεια μιας ημέρας, μπορεί να μοντελοποιήσει ελάχιστα δέκα μικροδευτερόλεπτα δυναμικής μοριακών κυττάρων. Τρέξτε το για 2.737 χρόνια και θα περιέγραφες ένα δευτερόλεπτο.
Ο Brandon Keim είναι ένας ανεξάρτητος δημοσιογράφος που γράφει για την επιστήμη, την τεχνολογία και τη φύση. Το έργο του εμφανίστηκε στο Wired, Aeon, Scientific American Mind, και άλλες εκδόσεις.
