Прекрасная обзорная статья «Design Patterns of Biological Cells», опубликованная в начале этого года в журнале BioEssays, показывает, что паттерны дизайна – это «обобщенные решения повторяющихся проблем» (Andrews, Wiley, and Sauro 2024).¹ Теория Разумного замысла (ID), которая предполагает, что некоторые аспекты природы лучше объясняются разумным управлением, чем закономерностями и случайными событиями, предсказывает паттерны дизайна в природе. Это объясняется тем, что паттерны дизайна – это технически выработанные решения, созданные дизайнерами, для решения проблем, возникающих в пространстве дизайна.

Авторы рассматривают три типа паттернов проектирования. Для каждого из них я выберу одну подкатегорию и расскажу о ней чуть более подробно. Затем я перейду к обсуждению того, как каждый паттерн проектирования требует прямых действий интеллектуального агента. Вот три категории:

● «Креативный» описывает повторяющиеся схемы построения компонентов клетки.

● «Структурный» описывает взаимосвязи или отношения между объектами в клетке.

● «Поведенческий» описывает поведение клеточных объектов во времени.

Паттерны креативного дизайна

Andrews et al. выделяют пять подкатегорий для шаблонов креативного дизайна. Первая из этих подкатегорий – шаблонизация. Клеткам необходимо сохранять информацию в ДНК и предотвращать ее повреждение под воздействием времени и случайностей. Решением этой проблемы является шаблонирование, при котором исходная информация точно копируется. Шаблонная работа в клетке включает в себя репликацию ДНК, транскрипцию и перевод. Создание шаблонов указывает на то, что за их разработкой стоит разумный агент, поскольку для сохранения информации необходимо осознать силы, налагаемые законами физики и химии, которые нужно преодолеть. Шаблонизация также требует прозорливости, чтобы представить себе решение, изобретя такие несравнимо сложные молекулярные машины, как ДНК-полимераза, РНК-полимераза и рибосома. Наконец, шаблонизация требует создания самой информации – физического кода ДНК для полимераз и рибосом.

Структурные паттерны дизайна

Структурные паттерны – это паттерны проектирования, основанные на межобъектных отношениях. Для структурных паттернов Andrews et al. выделяют шесть подкатегорий. Третья из них – это «общая валюта».

В клетках существует множество общих промежуточных продуктов обмена веществ, включая общие формы хранения энергии, такие как АТФ. Традиционно это объясняется общим происхождением, но есть и важная причина, основанная на дизайне. Использование общих продуктов обмена упрощает взаимодействие между объектами. Например, проще заправить машину бензином, если бензин – общий для большинства машин, потому что, куда бы вы ни поехали, есть шанс, что вы найдете его в продаже. Вот еще один пример. Легче покупать продукты за общую валюту, такую как доллар США, потому что вам не нужно останавливаться и обменивать деньги перед покупкой, скорее всего, платя за это комиссионные.

Клетки сталкиваются с аналогичными ограничениями. Они полагаются на определенных производителей энергии в определенное время и несут затраты на межэнергетические преобразования. Таким образом, АТФ, вероятно, является разработанным решением, отвечающим вышеупомянутым требованиям. Andrews et al. отмечают, что топологический паттерн общих продуктов обмена похож на галстук-бабочку. В этом типе архитектуры многие питательные вещества превращаются в «общую валюту» (узел), которая затем может расширяться для выполнения множества различных задач. Этот мотив требует наличия интеллектуального агента, поскольку перед тем, как придумать валюту, которая может работать между объектами нижнего уровня, необходимо оценить цели экосистемы и организмов. Это подразумевает понимание того, как все будет взаимосвязано и что возможно в пространстве физики и химии, а затем планирование и реализацию. Только разумный агент обладает такими возможностями, которые недоступны случайным процессам.

Поведенческие паттерны проектирования

Поведенческие паттерны проектирования сосредоточены на динамике сетей реакций. Andrews et al. выделяют восемь таких паттернов. Например, переключение, которое происходит, когда непрерывный входной сигнал необходимо преобразовать в дискретный выходной. Наиболее распространенные способы добиться этого – использовать сверхчувствительность или бистабильность. Сверхчувствительные переключатели обеспечивают резкий пороговый отклик, гарантируя, что система будет полностью находиться в том или ином состоянии, а не в промежуточном. Этого можно добиться разными способами. Классическим примером сверхчувствительности в биологии является необходимый переход гемоглобина от связывания кислорода в легких к его высвобождению в мышцах. Это происходит благодаря аллостерической конструкции гемоглобина. Когда парциальное давление кислорода высоко (в легких), связывание одной молекулы кислорода облегчает связывание следующей молекулы кислорода. Важно отметить, что если построить график зависимости процентного содержания гемоглобина, связанного с кислородом, от парциального давления кислорода, то кривая будет сигмоидальной, а не гиперболической. Сигмоидальная форма говорит нам о том, что в легких связывание кислорода облегчается после того, как первая молекула связывается, а высвобождение кислорода облегчается в мышцах после того, как первая молекула отпускается.

Сверхчувствительность, представленная этой сигмоидальной кривой, может быть достигнута и другим способом. Предположим, существует цикл фосфорилирования-дефосфорилирования, в котором киназа и фосфатаза работают на уровне насыщения и имеют константы скорости, не зависящие от концентрации субстратов. Хотя это не совсем ясно, пока это не изображено графически, ответ также является сверхчувствительным, то есть сигмоидальным. При соблюдении этих условий цикл может резко переключиться с почти полностью одного состояния на почти полностью другое (Ferrell and Ha 2014).²

Другой способ сверхчувствительности – наличие нескольких сайтов фосфорилирования на киназе, когда киназа не активна до последнего фосфорилирования, и каждое последующее фосфорилирование немного легче предыдущего (Ferrell and Ha 2014).³

Еще один пример – ингибирование на основе концентрации. В этом случае плотно связанный ингибитор может препятствовать активности фермента до тех пор, пока концентрация фермента не превысит концентрацию ингибитора. В этот момент фермент больше не ингибируется, что приводит к внезапному переключению.

Последний и несколько иной пример – положительная обратная связь. В сетях развития она встречается чаще, чем в сенсорных сетях. Почему так происходит? Положительная обратная связь замедляет время отклика, что выгодно для многоступенчатых процессов, требующих много времени или включающих задержки. Замедление времени отклика также помогает уменьшить шум, что очень важно при принятии необратимых решений. Однако позитивное регулирование может достигать не только этого. Позитивная регуляция может принимать резкие решения между двумя состояниями и сохранять эти решения в течение длительного времени – это явление известно как бистабильность. Рассмотрим положительную обратную связь в регуляции генов: как только ген активируется в результате положительной авторегуляции, он оказывается включенным. Ген будет оставаться возбуждённым даже после исчезновения входного сигнала, обеспечивая долговременную память о том, что входной сигнал существовал. Этот тип переключения используется в процессе развития для принятия необратимых решений, которые определяют судьбу клетки (Alon 2019).⁴

Почему мотив проектирования переключателей указывает на интеллект? Проектирование эффективного переключателя требует понимания системы и того, чем нужно управлять: «Что нужно включить или выключить в определенное время?». Необходимо учитывать, должно ли управление быть ручным или автоматизированным. Кроме того, создание соответствующих переключателей требует знаний о безопасности. Переключение также часто необходимо в последовательных операциях. Тип переключателя, его чувствительность, конструкция и совместимость должны быть продуманы заранее. Каждый переключатель функционирует в системе определенным образом, так что кажется, что он «знает» или «предвидит» поведение других переключателей, чтобы можно было создать более сложное поведение.

Зачем изучать эти паттерны проектирования?

Полезно составить список решений, которые клетки используют для решения конкретных задач. Паттерны дизайна абстрагируют широкий спектр функций клетки в управляемый набор отдельных паттернов, связанных с функциями, которые они выполняют, показывая, как они решают определенные проблемы. Их изучение, как мы это делали на примере различных известных на сегодняшний день способов достижения сверхчувствительности, позволяет глубже понять, почему клеточные механизмы работают именно так, как они работают. Соответственно, паттерны дизайна в клетках также являются прекрасной иллюстрацией того, как мышление, основанное на дизайне, может углубить наше понимание биологии.