Спроектированная адаптивность: сенсорные триггеры подтверждают разумно разработанный интернализм

В декабре 2016 года компания Amazon представила высокотехнологичный магазин, где покупатели могут воспользоваться приложением Amazon Go, чтобы «войти в магазин, взять нужные товары и уйти! Никаких очередей, никаких касс».¹ Инженеры смогли «вплести» самые передовые технологии в «саму ткань магазина», так что любой товар добавляется в виртуальную корзину покупателя, когда он берет его, и удаляется, когда кладет обратно.²

Покупатели не замечают происходящего. Невидимые датчики, интегрированные в окружающую среду магазина, определяют идентификатор всего, что берет покупатель, и программируют привязку цены к его счету. Amazon рассказывает о том, как они это делают: «Мы использовали компьютерное зрение, алгоритмы глубокого обучения и слияние датчиков».² Главное преимущество – беспрепятственная деятельность покупателей, но без датчиков владельцы магазина были бы слепы к местонахождению своих товаров... и вскоре вышли бы из бизнеса.

Датчики запускают многие жизненно важные процессы как в устройствах, созданных человеком, так и в живых существах. Они также позволяют человеческим существам адаптироваться. Мы знаем, что организмы делают подходящие самонастройки для решения множества экологических проблем, и этот процесс позволяет им колонизировать новые ниши.³ Что, если этот процесс адаптации начинается с их датчиков? В продолжающейся серии статей «Спроектированная адаптивность» датчики, логические алгоритмы и механизмы реагирования, «вплетенные в ткань» организмов, рассматриваются как элементы, позволяющие организмам постоянно отслеживать изменения окружающей среды – точно так же, как Amazon использует их для отслеживания продуктов и клиентов.

Современное обучение биологии обычно не воспитывает мышление, настроенное на то, чтобы видеть эти взаимосвязи. Биологические функции рассматриваются как результат случайных генетических изменений, происходящих в непредсказуемой борьбе за выживание. Но недавний отчет о двух замечательных исследованиях может помочь разобраться с корреляциями.

Некоторые микробы переходят из свободно плавающей формы в фиксированные на субстрате колонии. Что запускает дифференциацию в нужный момент? Два исследования, о которых сообщается в журнале Science, иллюстрируют системы с сенсорной инициативой, обнаруживая «отдельные механизмы, которые позволяют бактериям распознавать поверхность с помощью механорецепции [внутреннего обнаружения механических стимулов] и инициировать клеточный ответ, который позволяет им прикрепляться и размножаться».⁴

В одном из исследований изучались Caulobacter crescentus, которые плавают с помощью органелл, называемых жгутиками. Один жгутик представляет собой молекулярный двигатель, вращающий прикрепленную нить подобно пропеллеру. Этот микроскопический двигатель состоит из частей, соответствующих двигателю, включая ротор, статор, подшипник и многое другое. Он приводится в движение потоком ионов водорода, как электрический двигатель приводится в движение потоком электронов. Ученые обнаружили дополнительное назначение: «торможение вращения жгутика Caulobacter может также работать как датчик поверхности».⁴ Когда нить ударяется о поверхность, двигатель останавливается, и поток ионов водорода прекращается. Врожденное программирование интерпретирует это изменение как знак обнаружения твердой поверхности, что запускает каскад событий, таких как быстрая выработка поверхностного адгезива или экспрессия признаков поверхностной подвижности и факторов вирулентности.

Таким образом, данное исследование выявило двойное назначение знакового бактериального жгутика – как движущего мотора и как сенсора. Какие характеристики описывают сенсоры и определяют их как истинные триггеры самонастраивающихся механизмов?

Проектирование датчиков 101

Инженеры сталкиваются с проблемой разработки датчиков, которые были бы точными, прецизионными и последовательными. Датчики – это не просто детекторы изменений. Если бы вас попросили разработать датчик для организма, то на ум должны прийти две дополнительные цели: сбор данных и запуск соответствующей цепочки событий. Почти все организмы имеют определенные границы, поэтому в вашем проекте некоторые датчики будут размещены там (как камеры наблюдения на здании) в качестве жизненно важных связей с окружающей средой.

Механизмы, контролирующие отношение организмов к воздействию, можно объяснить с помощью принципов проектирования. Две характеристики датчиков проясняют эти отношения. Они также помогают провести различие между организмами, активно решающими проблемы окружающей среды, и организмами, пассивно формирующимися под воздействием этих проблем.

Во-первых, датчики разработаны таким образом, чтобы быть чувствительными к определенным условиям окружающей среды и нечувствительными к другим. Например, можете ли вы определить что-то в окружающей вас обстановке, что, будучи обнаруженным, не послужило бы стимулом? Это может быть что угодно. Причина, по которой мириады воздействий не являются стимулами, заключается в том, что внутреннее программирование само определяет, что является фактическими сигналами окружающей среды, подсказками или стимулами.

Во-вторых, при активном наблюдении обычно получают данные. Один специалист прокомментировал, как датчики инициируют сбор данных:

«Датчик не функционирует сам по себе; он всегда является частью более крупной системы, которая может включать в себя множество других детекторов, кондиционеров сигналов, процессоров сигналов, устройств памяти, регистраторов данных и исполнительных механизмов. Датчик всегда является частью какой-то системы сбора данных. В зависимости от сложности системы общее количество датчиков может варьироваться от одного (домашний термостат) до многих тысяч (космический корабль)».⁵

Датчики – истинные триггеры саморегулирующихся механизмов

В помещении, где находится ваша печь, может быть тепло или холодно, тихо или шумно, хорошо освещено или темно. Однако ни одно из этих обстоятельств само по себе не заставляет вашу печь включиться. Условия только присутствуют или отсутствуют. Именно конструкция печной системы задает определенное количество тепла, которое является стимулом, и включает датчик тепла для включения печи.

Соответственно, важным инженерным принципом является то, что регулируемая система будет иметь пусковой механизм как неотъемлемую часть. Эту взаимосвязь может быть трудно заметить, поскольку датчики могут быть расположены удаленно. Какой бы пусковой механизм ни был встроен в регулируемые устройства – механический, электронный и т.д. – он будет 1) датчиком и 2) инициирующим элементом саморегулирующихся процессов.

Например, в прошлой статье рассматривались основные характеристики эпигенетических механизмов.⁶ Они способствуют быстрому проявлению организмом подходящих признаков, которые позволяют ему «гибко» реагировать в ответ на ряд внезапно изменившихся условий. Некоторые из этих необычных механизмов позволяют эмбрионам обнаруживать «сигналы» от родителей и самостоятельно корректировать свое развитие – потенциально выражая черты, лучше подходящие для текущей среды обитания родителей, в которую вскоре попадет ребенок. Инженеры рассматривают эти механизмы как целенаправленные решения для конкретных изменений окружающей среды.

Взаимодополняемость датчика и условия: Более высокий уровень дизайна

Датчик демонстрирует один уровень сложного дизайна, но он функционирует в рамках более крупной системы, которая показывает еще более высокий уровень. Еще более высокий уровень существует в том, как эта система соотносится с внешними условиями. Разработанная человеком система связи имеет передатчик и приемник, работающие вместе. Но информация о конструкции системы не содержится в схемах/спецификациях передатчика или приемника по отдельности. Она существует на более высоком уровне, чем каждый элемент. Интеллект, заранее знающий характеристики каждой части и то, как они могут гармонично сочетаться в более широкой системе, разрабатывает ее.

Для передачи информации инженерные принципы диктуют еще два предварительных условия. Передатчик и приемник должны быть настроены на одну и ту же частоту, а затем коммуникаторы должны использовать один и тот же протокол кодирования-декодирования (т.е. говорить на одном языке).Южноамериканская лягушка Engystomops pustulosus из Панамы

Например, когда самец южноамериканской лягушки (Engystomops pustulosus) издает квакающие звуки, сам по себе звук не является ни информацией, ни сигналом для других южноамериканских лягушек. Шум, обнаруженный слуховыми датчиками, изначально является лишь данными, которые должны быть обработаны внутри организма. Исследователи продемонстрировали это, обнаружив «доказательства того, что самцы и самки различаются в передаче слуховой информации в передний мозг» через механизм «гейтинга».⁷ Первоначально средний мозг лягушки обрабатывает сложные слуховые данные. После того, как данные декодируются и интерпретируются в соответствии с пока еще неизвестным врожденным протоколом, они становятся информацией и сигналом для обоих полов... которые в дальнейшем демонстрируют различное поведение.

Но ни один из полов не реагировал на звуки, издаваемые самцами другого вида, независимо от того, насколько громко они были выражены. Их системы не были предназначены для этого, и поэтому они не реагировали.

Вопрос о происхождении сенсоров подтверждает дизайн

Взаимоотношения между сенсорами и условиями демонстрируют весьма ограниченную специфичность, общие протоколы – иногда между совершенно разными организмами – и хорошо интегрированные системы для достижения функции. Вопрос о том, как возникли эти спецификации, имеет глубокие исследовательские последствия для выводов, которые будут сделаны. Поскольку объяснения происхождения, основанные на замысле, были отвергнуты еще до начала исследований одного сенсорного биолога, он сплел эволюционную версию.

Классическая гипотеза сенсорной биологии состоит в том, что сигналы и органы чувств коэволюционировали. Эта коэволюция кажется интуитивной гипотезой, и очевидно, что сигнал должен быть обнаруживаемым, чтобы функционировать. Кроме того, у нас есть замечательные примеры, демонстрирующие тесную связь между сенсорной функцией и сигналами. Например, один вид ротоногих (например, креветка-богомол) обладает редкой способностью различать круговую поляризацию света (очень редкое явление, которое создается уникальными тканями в хвосте креветки).⁸

Он отвечает на неявный вопрос о том, что появилось первым – специализированный хвост или ткани глаза:

«В моем собственном неформальном опросе выяснилось, что большинство сенсорных биологов, включая меня, охотнее соглашаются с тем, что сигналы эволюционируют, чтобы лучше обнаруживаться сенсорными системами, чем с тем, что сенсорные системы эволюционируют, чтобы лучше обнаруживать данный сигнал».⁸

Тем не менее, полунаучные, основанные на методе «научного тыка» объяснения происхождения сенсоров звучат как плод живого воображения, которое должно ссылаться на огромное количество чистой удачи. Почему? Организмы не могут адаптироваться, пока у них нет врожденных механизмов, позволяющих адаптироваться, но сенсоры являются неотъемлемым элементом адаптирующихся систем. Усугубляет эту дилемму объяснение того, как можно с достаточной степенью вероятности предположить, что из среды, переполненной условиями потенциальных стимулов, организм попадет в точно необходимую взаимосвязанную триаду специфичности детектор-условие-стимул, которой обладают организмы.

Вместо того чтобы быть результатом необъяснимой коэволюции, точное соответствие биологических сенсоров конкретным условиям, а также их сложная конструкция отражают значительное количество предвидения и планирования для конкретной цели.

Ключевая роль сенсоров

Сенсоры стратегически расположены на границе между организмом и окружающей средой, но также находятся в критической точке философского разделения между эволюционным экстернализмом и разумно спроектированным интернализмом. Почему? Потому что все, что приписывается инициатору адаптивного изменения, обычно приписывается и его результату.⁹ Таким образом, когда кто-то читает эволюционную литературу, он должен заметить, что в подавляющем большинстве случаев эти исследователи даже не ищут сенсоры организма. Их экстерналистская философия заставляет их представлять внешние условия мистическим образом «вызывающими» экспрессию генов внутри организмов, а затем заявлять, что новые признаки «обусловлены» этими условиями. Интернализм, основанный на дизайне, однако, начинается с условий, обнаруженных сенсорами, которые инициируют собственный ответ организма.

В итоге, когда причинность объективно определяется с помощью подхода, который используют инженеры, – подхода, который идентифицирует все биологические элементы в процессе и опускает мистические события – наблюдаемые элементы саморегулирующегося процесса подтверждают интернализм и противоречат экстернализму.¹⁰ Таким образом, системы наблюдения организма, похоже, активно получают данные, которые они перерабатывают в информацию; они не «посылают инструкции» из окружающей среды. Их внутреннее программирование определяет, какое условие будет стимулом или сигналом. Встроенный датчик этого условия является жизненно важным триггером их реакции. Многие реакции, по-видимому, в значительной степени нацелены на конкретные условия, а не на решения «попало-не попало», как предполагает селекционизм. Наконец, эти механизмы, по-видимому, не являются случайными, а в значительной степени регулируются и характеризуются как быстрые, повторяющиеся, а иногда и обратимые. Мы видим в магазинах Amazon, жгутиках бактерий, эпигенетике или южноамериканских лягушках полный внутренний потенциал, который соответствует разумно спроектированным системам.

Тесная связь между организмом и окружающей средой может быть объяснена популяциями активных, решающих проблемы организмов, постоянно отслеживающих изменения окружающей среды с помощью врожденных механизмов для выражения наследственных фенотипов, несущих потенциал решения проблем, которые предшествуют вызовам окружающей среды. Биологи, которые упускают из виду спроектированную роль сенсорных триггеров в адаптивности организма, стреляют себе в ногу.