Спроектированная адаптивность: адаптация существ начинается с их сенсоров

Что привлекает наше внимание, когда мы наблюдаем за живыми существами? Действие! Мы фиксируемся на их активных реакциях. Или, как сказали бы любители техники, «их выходные данные». Но без датчиков, или «входов», не было бы никакой реакции. Как мы видели в прошлой статье, сенсор действует как главное пусковое устройство для самонастраивающихся систем организма.¹ Если рассматривать сенсоры как части армии, то это солдаты на передовой. Они находятся там, где происходит действие, и заслуживают большего внимания и исследований.

Датчики запускают жизненно важные процессы не только в созданных человеком устройствах, но и в живых существах. Эта серия статей «Спроектированная адаптивность» посвящена тому, как существа постоянно отслеживают изменения окружающей среды, используя те же ключевые элементы, что и искусственные системы слежения – датчики, логические алгоритмы и механизмы реагирования. Этот подход, основанный на дизайне и ориентированный на организм, объясняет приспособляемость как работу невероятно сложных врожденных систем организма, которые позволяют ему реагировать на внешние условия. Эти системы интегрируются с другими системами, что позволяет родителям передавать биологическое наследство, которое может дать их потомству преимущество в преодолении новых проблем, возникающих в конкретных условиях окружающей среды.

До сих пор мы видели, как системы и признаки организма 1) определяют какие условия будут стимулами, 2) определяют благоприятность любого условия, 3) определяют условия, составляющие его нишу, и 4) используют внутреннюю логику для выбора целевых реакций на изменившиеся условия. Отличительной особенностью концепции непрерывного отслеживания состояния окружающей среды (CET – continuous environmental tracking) является то, что организмы рассматриваются как активные, решающие проблемы существа, перемещающиеся во времени, обнаруживающие изменившиеся условия, решающие проблемы и заполняющие новые ниши. Такой подход к объяснению адаптаций является полной противоположностью эволюционному экстернализму, который считает, что активная среда формирует пассивные организмы.²

Понимание инженерного дизайна и функций датчиков является основой для того, чтобы вписать их в подход к адаптивности, основанный на дизайне. Остается фундаментальный вопрос: действительно ли организмы используют сенсоры для отслеживания изменяющихся условий окружающей среды и инициирования соответствующей самокоррекции? Ответ – да, причем в изобилии. Давайте рассмотрим, как некоторые существа используют свои сенсоры для отслеживания изменений в окружающей среде.

Датчики определяют конкретные условия и направляют навигацию

Североамериканские бабочки-монархи (Danaus plexippus) придерживаются общего юго-западного курса во время своего путешествия протяженностью 3 862 километра каждую осень из Канады или северной части США к местам зимовки в Мексике. ОниРисунок 1. Предлагаемая модель системы управления ориентацией полета для мигрирующих бабочек-монархов. Визуальный и циркадный сенсорный вход интегрированы в солнечный компас, компенсированный по времени, который используется для поддержания полета на юго-запад. ориентируются по солнцу, и этот процесс начинается с того, что их глаза собирают данные о горизонтальном положении солнца. Но солнце меняет свое положение в течение дня. Не собьет ли бабочек с курса следование за движущейся целью?

Если бы инженеры были наняты для конструирования монарха, использующего солнце для навигации, их исследования показали бы, что скорость движения солнца постоянна. Поэтому инженеры, скорее всего, спроектировали бы бабочку с внутренними часами, встроенными в алгоритм, который бы перекалибровал полет в зависимости от движения солнца, чтобы бабочка могла придерживаться курса. В ходе исследований было обнаружено, что у монархов действительно есть часы, расположенные в их антеннах, чтобы компенсировать время. Недавно исследователи добились прогресса в создании модели для расшифровки того, как нервная система монархов может интегрировать нейронные колебания сенсорных входов от их глаз, отслеживающих горизонтальное положение солнца, и их циркадные часы для управления полетом (рис. 1).³

Рисунок 2. Микроскопический датчик влажности в саккулусе, органе чувств в антенне дрозофил, позволяющий им мигрировать в различные диапазоны влажности родной среды обитания.Кажется, что каждое насекомое содержит кладезь технологических чудес, которые могут превзойти лучшие элементы разработанных человеком систем слежения – в том числе и обычная плодовая муха дрозофила. Поскольку эти насекомые маленькие и обладают низкой температурой тела, они рискуют погибнуть от обезвоживания, если не смогут быстро найти место обитания с концентрацией водяного пара, соответствующей их потребностям. Предпочтения дрозофил в отношении влажности воздуха на открытом воздухе зависят от вида. Пустынные мухи предпочитают относительную влажность воздуха около 20%, в то время как мухи тропических лесов предпочитают влажность около 85%.

Большинство насекомых, по-видимому, обладают датчиками влажности, которые позволяют им ориентироваться в благоприятных диапазонах влажности. Андерс Энджин и его коллеги первыми описали гены и нейроны, необходимые для определения изменений влажности у дрозофилы.⁴ Микроскопический и невероятно точный датчик влажности мухи, по масштабам гораздо меньший, чем лучшие датчики влажности, созданные человеком, состоит из трех отдельных нейронов, которые проецируются в отдельные гломерулы в задней доли антенны (рис. 2). Эта тщательно откалиброванная система определения влажности идет вразрез с эволюционными экстерналистскими ожиданиями.

Датчики определяют угрозы и инициируют изменения в организме

Многочисленные исследования показывают, как некоторые организмы могут обнаруживать присутствие хищников, реагировать на них во время эмбрионального развития или даже во взрослом состоянии, корректируя определенные признаки и потенциально передавая склонность к измененной форме потомству. Например, двое норвежских ученых провели эксперименты по выявлению элементов основного механизма, который вызывает быстрое и заметное увеличение величины тела и мышечной массы карася, Carassius carassius, в присутствии щуки обыкновенной, Esox Lucius, хищной рыбы, которая питается карасем (рис. 3).⁵ Другие исследователи недавно определили, что эти изменения размеров тела улучшают реакцию карпа на бегство (быстрое плавание и скорость поворота) и мешают щуке проглотить их.⁶

Норвежские исследователи продемонстрировали, что карась сам по себе не реагирует изменением роста после воздействия щуки. Они также не реагируют на щуку,Рисунок 3. (a) Мелководная форма карася в пруду без хищников и (b) самокорректирующаяся глубоководная форма в пруду после обнаружения химических веществ, выделяемых хищной щукой после проглатывания других карасей. Масштабные линейки, 10 мм. питающуюся арктическим гольцом, Salvelinus alpinus. Морфологические изменения происходят только после того, как карась подвергается воздействию щуки, которая питается карасями. Они также реагировали, когда исследователи добавляли подготовленные и гомогенизированные ткани кожи карася в их аквариумы. Авторы исследования пришли к выводу, «что за индукцию фенотипических изменений ответственны химические вещества из кожи близкородственных рыб, выражающие феромонный эффект приматов».⁵

Неудивительно, что обе группы исследователей назвали самокоррекцию карпов «вызванной хищником». Такая характеристика соответствует экстерналистскому подходу эволюционистов к адаптивности. Но щука не может напрямую вызывать экспрессию генов карпа. Таким образом, экстерналистские характеристики апеллируют к мистическим событиям.

Подход, использующий объективную инженерную причинность, определил бы, что если некоторые карповые имеют дефектные феромонные сенсоры из-за мутаций, они могут плавать в озере, полном щук, поедающих других карповых (тем самым насыщая воду феромонами), и не изменять форму тела. Феромоны – то есть внешние условия – либо присутствуют, либо нет. Изменение формы тела – это самокоррекция, вызванная сенсором/триггером. У карпа должен быть сенсор, специфичный для химического вещества, содержащегося в коже карпа, внутреннее программирование для определения этого химического вещества в качестве стимула и логические алгоритмы для определения целевого ответа, прежде чем он сможет произвести самосохраняющие изменения размера тела.

Сигналы потомству для самомодификации развития

Рисунок 4. Саморегулируемые эпигенетические изменения 13 из 19 генов, известных как связанные с физиологической терморегуляцией, после воздействия тепла на отцов. Самцы морских свинок спаривались с теми же двумя самками до и после воздействия повышенной температуры. Эпигенетические изменения ДНК обозначены красными CH₃-группами биоптатов печени, взятых у отцов, а также печени и семенников сыновей, полученных до и после теплового воздействия.Исследования ускорились, чтобы выявить влияние потенциально повышенных глобальных температур на виды в их естественных условиях. Если бы инженеры разрабатывали организмы со встроенной устойчивостью к динамичным температурам, они бы рассматривали способность отслеживать изменения и самонастраиваться на них как один из основных моментов.

Одно из недавних исследований исходило из предположения, что морские свинки имеют неврологический механизм для обнаружения изменений температуры, хотя и не определило конкретный датчик.⁷ Эта группа исследовала пять самцов генетически разнообразных морских свинок (Cavia aperea) из Аргентины и Уругвая. В качестве контрольной группы они использовали поколение щенков от каждого самца, спаренного с двумя самками. Спаривание происходило при естественной средней температуре на улице 3,4-19,5°C.

До следующего спаривания самцов содержали в клетках, стоящих на нагревательных пластинах, которые поддерживали температуру пола на уровне 30°C в течение 60 дней, то есть примерно столько времени требуется стволовой клетке для развития в зрелый сперматозоид (один цикл сперматогенеза). Последующее поколение щенков было получено от спаривания самцов с теми же самками, от которых были получены контрольные щенки (рис. 4).

Исследователи сравнили изменения молекулярных (эпигенетических) маркеров, расположенных на определенных участках ДНК – но без изменения самой последовательности ДНК – в тканях печени и семенников контрольных и подвергшихся тепловой обработке щенков и их родителей. Результаты показали наличие эпигенетических изменений в 13 из 19 генов и в промоторной области двенадцати дополнительных генов, известных как связанные с физиологическим регулированием температуры. Исследователи пришли к выводу, что «немедленный и наследуемый отцовский эпигенетический ответ с потенциальной реакцией адаптации, возникший в ответ на повышение температуры окружающей среды», может даже передаваться второму поколению.⁷ Это был первый эксперимент, документирующий эпигенетический ответ млекопитающих на изменение температуры, хотя исследователи отметили, что подобные реакции наблюдались у растений, кораллов, плодовых мушек, циплят и рыб.

Датчики – это триггеры для самонастраивающихся систем

Тесная взаимосвязь между организмом и окружающей средой не является случайностью. Инженерные принципы не только могут объяснить эти отношения, но и являются единственными немистическими принципами, способными объяснить их. Почему? Для того чтобы два автономных объекта, даже живые, могли работать вместе, анализ конструкции показывает, что каждый из них должен контролироваться невероятно сложными врожденными системами, работающими для этой цели.

Очевидно, что датчики играют ключевую роль в системе адаптивности, основанной на дизайне и ориентированной на организм, например, непрерывное отслеживание окружающей среды – даже если многие исследователи не утруждают себя их поиском. Концепция CET предсказывает, что сенсоры имеют решающее значение для адаптируемых систем, и поэтому необходимо приложить усилия для их выявления. Сенсоры – это триггеры для внутренних систем, которые позволяют организмам быть активными, решающими проблемы существами. Вместо того чтобы быть пассивными объектами, формируемыми окружающей средой, живые существа активно обнаруживают изменившиеся условия, решают проблемы, заполняют новые ниши в течение своей жизни и передают адаптированные черты своему потомству. И все это начинается с датчиков.