Спроектированная адаптивность: эпигенетика – инженерная «гибкость» фенотипа

Любитель острых ощущений не прыгнет с моста, привязанный цепью, и большинство людей не купит автомобиль, ось которого приварена непосредственно к раме. Для комфортной езды необходима гибкая система пружин, соединяющая ось и раму. А с точки зрения технических характеристик, гибкая подвеска позволяет колесам колебаться вверх и вниз в заданном диапазоне, обеспечивая надежный контакт с дорожным покрытием в различных условиях. Даже неинженеры интуитивно понимают, когда в инженерных задачах требуются прочные, но гибкие элементы.

Аналогичным образом, правильное понимание биологической функции начинается с соотнесения особенностей живого организма с инженерными характеристиками, такими как гибкость, которые позволяют им работать. К сожалению, эволюционные биологи, которые доминируют в академической и исследовательской среде, отвергают возможность того, что живые существа были разумно спроектированы. За исключением системщиков и биоинженеров, исследователи-биологи, похоже, забывают о том, что характеристики живых систем, которые они изучают, соответствуют характеристикам спроектированных человеком систем, которые они используют прямо в своих лабораториях.

Таким образом, даже в такой высокоизученной и широко популяризированной области, как эпигенетика,¹ эволюционное мышление склонно недооценивать гибкость, которую эпигенетические механизмы придают приспособляемости организма. Но краткий обзор эпигенетики, основанный на концепции дизайна, поможет увидеть это.

Гибкая элегантность генетических изменений

Элегантность гибких конструкций заключается в том, что они позволяют детали менять форму, не ломаясь, когда она принимает нагрузку, а затем возвращается к своей стандартной форме, когда нагрузка проходит. Биологически наши гены кодируют определенные признаки, и когда ген изменяется, происходит длительное изменение признака. Это называется генетическим изменением. Но эпигенетические механизмы позволяют гибко и адаптивно изменять признак, выражаемый геном, без постоянного изменения гена. Поэтому, когда стресс проходит, исходный признак гена обычно возвращается. Анализ дизайна дает представление о том, как присущая эпигенетике гибкость интегрируется в общую адаптивность организма.

Например, задумайтесь над эволюционной загадкой. Предполагается, что эволюционные изменения носят случайный, медленный и постепенный характер. Но если окружающая среда претерпевает внезапное изменение, меняющее жизнь или даже угрожающее жизни, то как существа могут выжить достаточно долго, чтобы выработать новые черты, необходимые для продолжения жизни – не говоря уже о том, чтобы произвести пригодное потомство?

Именно здесь и проявляются эпигенетические механизмы. Они позволяют организмам быстро «приспосабливаться» к изменчивости и вызовам меняющихся условий путем экспрессии подходящих признаков, а затем возвращаться к «исходному уровню» после того, как вызов пройден. Если при разработке адаптивного дизайна учитываются временные факторы, то эпигенетические механизмы идеально заполняют промежуток между очень быстрой физиологической самокоррекцией и полноценными генетическими изменениями, происходящими на протяжении многих поколений. Подобно тому, как гибкая подвеска позволяет колесам колебаться в зависимости от меняющихся условий дороги, эпигенетические механизмы являются одним из многих инструментов, позволяющих организмам постоянно отслеживать колебания условий окружающей среды. Распаковав некоторые подробности об эпигенетических механизмах, мы узнаем, почему они наглядно демонстрируют инженерную причинность.

Эпигенетика: Механизм непрерывного отслеживания окружающей среды

Предположим, что вы биоинженер, и перед вами стоит увлекательная задача разработать планы и спецификации для организма, который должен быть построен и каким-то образом оживлен. Параметры конструкции гласят, что организм должен поддерживать гомеостаз (саморегулирующуюся способность поддерживать стабильные внутренние условия) в сложных внешних условиях и быть способным передать эти жизненно важные изменения своему потомству.

Вы определяете три возможности для проектирования: адаптивность, воспроизводимость и способность передавать биологическое наследство (т.е. наследственность). Вы начинаете работу над адаптивностью.

Если рассматривать изменяющиеся условия как проблемы, требующие решения, то инженеры могут определить их как «постоянно движущиеся цели» (constantly moving targets). Системы слежения быстро следуют за движущимися целями и уже разработаны. Вы решаете, что одна из них станет хорошим образцом для ваших эпигенетических и других адаптируемых систем. Вы знаете, что она будет состоять как минимум из трех основных элементов: датчика для обнаружения изменившихся условий, логического механизма, который выбирает подходящие реакции на основе обнаруженного, и выходных реакций для реализации логического выбора.

Для достижения быстрой и надежной адаптации этому организму требуется еще несколько конструктивных особенностей. Вы ограничиваете его реактивное программирование определенными условиями, и, оснащенный детекторами, чувствительными только к этим условиям, организм эффективно определяет для себя, что является стимулом. Адаптивные реакции должны быть устойчивыми, чтобы организм мог противостоять повреждениям, смягчать потери и быстро восстанавливаться. Поэтому, наряду с гибкостью, он должен быть достаточно прочным, чтобы поддерживать свои основные функции даже тогда, когда вызовы становятся стрессовыми.

Определяют ли исследования реальные элементы эпигенетической системы, которые соответствуют и используются как сенсоры, логические центры и выходные реакции системы слежения организма? Да, в изобилии. Но для выявления этих элементов необходимо применить инженерные принципы, поскольку большинство эволюционных биологов, похоже, не склонны интерпретировать взаимозависимое использование элементов как целенаправленную систему, которая отслеживает и реагирует на изменения окружающей среды. Несмотря на это, один исследователь недавно опубликовал несколько скрупулезных работ, призванных повысить точность и уменьшить недопонимание среди его коллег-эволюционистов. Нельсон Кабедж подробно описывает каждый шаг – от первого обнаружения изменившихся условий до выражения подходящего признака. В разделе книги, озаглавленном «Сделать сигналы окружающей среды понятными для генов», он заявляет:

«Вся информация, связанная с этими внешними стимулами, поступает в сенсорные нейроны [сенсоры], которые преобразуют ее в определенные электрические сигналы и передают их в соответствующие центры мозга для дальнейшей обработки. Обработка электрического сигнала в этих центрах мозга [логические механизмы, основанные на алгоритмах] интерпретирует стимул... в нейронных цепях, чтобы придать ему значение... Конечным этапом нейронной обработки является определение соответствующей адаптивной реакции на ожидаемые эффекты самого стимула или эффекты окружающей среды, которые он может предвещать. Конечным продуктом нейронной обработки является выходной сигнал, который в форме химического сигнала запускает "адаптивный" сигнальный каскад, в конечном итоге приводящий к экспрессии одного или нескольких определенных генов... Обработка представляет собой нейронную кодификацию или перевод стимулов окружающей среды в сообщения, понятные генам... Нервная система, используя специфические сигнальные каскады или генные регуляторные сети (ГРС), может адаптивно и "по желанию" связывать естественно несвязанные внешние агенты практически с любым геном... Этот механизм позволяет мозгу выбирать из доступных готовых сигнальных каскадов и ГРС, что приводит к фенотипическим результатам [выходной реакции], которые адаптируют организм к стимулу окружающей среды».²

Описание Кабеджа прекрасно иллюстрирует инженерную причинность, поскольку в него включены только проверяемые элементы и ни один жизненно важный элемент не опущен. Эпигенетическая модификация генов организма изменяет его врожденную способность определять стимул, интерпретировать его и придавать значение, выбирать ответ, переводить его на «язык генов» и создавать фенотипический результат.

Эпигенетика помогает дарвиновым вьюркам быстро отслеживать изменения окружающей среды

Предполагается, что дарвиновы вьюрки на Галапагосских островах эволюционируют в результате того, что генетические вариации, вызывающие различные формы клюва, «вытесняются», когда природа отбирает наиболее приспособленных птиц, выживших после борьбы за скудные ресурсы. Новое исследование показывает, что эта устаревшая история является обманчиво упрощенной. Исследователи обнаружили, что «все больше данных свидетельствует о том, что эпигенетические механизмы, такие как метилирование ДНК, также могут быть вовлечены в быструю адаптацию к новой среде».³ На острове Санта-Крус субпопуляция птиц двух видов вьюрков подвергается воздействию и потребляет гораздо больше связанных с человеком продуктов питания, чем естественных. Эти птицы были названы «городскими вьюрками».

Команда исследовала более 1000 птиц в соседних популяциях традиционных «сельских вьюрков» и новых городских. Были выявлены значительные различия в глубине и ширине клюва (и длине кости ноги) между городскими и сельскими популяциями у одного вида. Затем исследователи искали генетические и эпигенетические различия и обнаружили значительные эпигенетические различия, но мало генетических различий. Они пришли к выводу, что эпигенетические механизмы «могут играть роль в регуляции экспрессии генов в этом пути [для формы клюва] и, следовательно, могут влиять на морфологию зяблика... Эти результаты согласуются с потенциальной ролью эпигенетических вариаций в быстрой адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды».³

Эпигенетика – доказательство против эволюционного экстернализма

Несмотря на то, что элементы, которые организм использует для работы с внешней ситуацией слежения – сенсоры, логические механизмы, выходные реакции – все они возникают внутри самого организма, ученые-эволюционисты все еще ошибочно называют генетические изменения вызванными окружающей средой. Путаница обычно происходит из-за того, что они не используют инженерные принципы для объяснения биологических функций, которые вовлечены в чрезвычайно тесную взаимосвязь между организмом и окружающей средой. Их точка зрения также искажена верой в то, что активная среда формирует пассивные организмы, когда сложные условия «управляют» их эволюцией на протяжении эонов времени.⁴

Рассмотрим новую область экологической эволюционной биологии развития («экоэводево»), разработанную Скоттом Гилбертом и Дэвидом Эпелем.⁵ Основной постулат заключается в том, что окружающая среда проявляет активность и активно контролирует гены организма во время развития. В своей главе под названием «Окружающая среда как нормальный агент в производстве фенотипов» они резюмируют:

«Факторы окружающей среды, такие как температура, диета, физический стресс, присутствие хищников и скученность, могут сформировать фенотип, подходящий для данной конкретной среды... Таким образом, помимо того, что окружающая среда помогает решить вопрос о выживании сильнейшего, она также важна в формулировании появления сильнейшего».⁶

Позже они добавляют: «Экологическая биология развития показала, что окружающая среда может определять, какой фенотип может быть получен из генетического репертуара в ядре», поскольку «окружающая среда дает обучающую информацию, а также селективное давление».⁶

Конечно, их интерпретация, ориентированная на среду, восходит к Дарвину, который «принял точку зрения, что среда непосредственно инструктирует организм, как ему изменяться».⁷ Но никакие научные тесты не могут обнаружить, что среда осуществляет управление, или посылает инструкции, или выбирает один организм вместо другого. Магический язык настолько широко распространен в сценариях адаптации, ориентированных на окружающую среду, что его нельзя отбросить как «научную скороговорку» вместо длинных и точных объяснений. Мистические проекции действующей силы на бессознательные условия подменяют собой упущенные из виду основанные на информации системы отслеживания и реагирования на окружающую среду в организмах.

Чтобы исправить мистифицированные объяснения, Кабедж подробно описывает, почему изменившиеся условия сами по себе «бессмысленны» и «не являются инструкциями, указывающими генам, что делать».⁸

«В повседневной жизни говорят, что стимулы окружающей среды вызывают или даже регулируют экспрессию определенных генов. Это понятие настолько прочно вошло в биологическую концептуальную систему, что становится откровением, когда при ближайшем рассмотрении оказывается, что не известно никаких внешних стимулов, которые могли бы непосредственно вызвать экспрессию какого-либо гена».⁹

Эпигенетические механизмы позволяют популяциям быстро адаптироваться к внезапно изменившимся условиям. Эти самонастройки настолько регламентированы и точны, что их можно назвать предсказуемыми. Целенаправленная плотность реакции существа на мириады измененных «целей», обеспечиваемая сверхминиатюрными системами, превосходит самые чувствительные системы слежения, созданные человеком.

Только когда ученые пропускают все детали, связывающие измененное состояние с измененным геном, и заполняют пустоту мистическими событиями, они могут поверить, что эпигенетика демонстрирует экстернализм против инженерной причинности. Детали, как правило, подтверждают теорию, основанную на замысле и подчеркивающую активные, решающие проблемы, внутренне адаптирующиеся организмы, которые постоянно отслеживают изменения окружающей среды. Все свидетельствует в пользу разумного, целенаправленного дизайна, созданного Творцом.