Спроектована адаптивність: адаптація істот починається з їхніх сенсорів

Що привертає нашу увагу, коли ми спостерігаємо за живими істотами? Дія! Ми фіксуємо їхні активні реакції. Або, як сказали б любителі техніки, «їхні вихідні дані». Але без датчиків, або «входів», не було б жодної реакції. Як ми бачили в минулій статті, сенсор діє як головний пусковий пристрій для самоналаштовувальних систем організму.¹ Якщо розглядати сенсори як частини армії, то це солдати на передовій. Вони знаходяться там, де відбувається дія, й заслуговують на більшу увагу та дослідження.

Датчики запускають життєво важливі процеси не тільки у створених людиною пристроях, а й у живих істот. Ця серія статей «Спроектована адаптивність» присвячена тому, як істоти постійно відстежують зміни довкілля, використовуючи ті самі ключові елементи, що й штучні системи стеження – датчики, логічні алгоритми та механізми реагування. Цей підхід, заснований на дизайні та орієнтований на організм, пояснює пристосовність як роботу неймовірно складних вроджених систем організму, що дають йому змогу реагувати на зовнішні умови. Ці системи інтегруються з іншими системами, що дає змогу батькам передавати біологічний спадок, який може дати їхнім нащадкам перевагу в подоланні нових проблем, що виникають в конкретних умовах навколишнього середовища.

Досі ми бачили, як системи й ознаки організму 1) визначають, які умови будуть стимулами, 2) визначають сприятливість будь-якої умови, 3) визначають умови, які становлять його нішу, і 4) використовують внутрішню логіку для вибору цільових реакцій на умови, що змінилися. Характерною особливістю концепції безперервного відстеження стану навколишнього середовища (CET - continuous environmental tracking) є те, що організми розглядаються як активні істоти, що розв'язують проблеми й пересуваються в часі, виявляють змінені умови, розв'язують проблеми й заповнюють нові ніші. Такий підхід до пояснення адаптацій є повною протилежністю еволюційному екстерналізму, який вважає, що активне середовище формує пасивні організми.²

Розуміння інженерного дизайну та функцій датчиків є основою для того, щоб вписати їх в підхід до адаптивності, заснований на дизайні. Залишається фундаментальне питання: чи справді організми використовують сенсори для відстеження мінливих умов навколишнього середовища та ініціювання відповідної самокорекції? Відповідь – так, причому в достатку. Давайте розглянемо, як деякі істоти використовують свої сенсори для відстеження змін в навколишньому середовищі.

Датчики визначають конкретні умови та спрямовують навігацію

Північноамериканські метелики-монархи (Danaus plexippus) дотримуються загального південно-західного курсу під час своєї подорожі протяжністю 3 862 кілометри щоосені з Канади або північної частини США до місць зимівлі в Мексиці. Вони орієнтуються заМалюнок 1. Заропонована модель системи управління орієнтацією польоту для мігруючих метеликів-монархів. Візуальний і циркадний сенсорний вхід інтегровані в сонячний компас, компенсований в часі, який використовується для підтримки польоту на південний захід. сонцем, і цей процес починається з того, що їхні очі збирають дані про горизонтальне положення сонця. Але сонце змінює своє положення протягом дня. Чи не зіб'є метеликів з курсу слідування за рухомою ціллю?

Якби інженери були найняті для конструювання монарха, який використовує сонце для навігації, їхні дослідження показали б, що швидкість руху сонця постійна. Тому інженери, найімовірніше, спроектували б метелика з внутрішнім годинником, вбудованим в алгоритм, який би перекалібровував політ залежно від руху сонця, щоб метелик міг дотримуватися курсу. Під час досліджень було виявлено, що в монархів справді є годинник, розташований в їхніх антенах, щоб компенсовувати час. Нещодавно дослідники досягли прогресу в створенні моделі для розшифровки того, як нервова система монархів може інтегрувати нейронні коливання сенсорних входів від їхніх очей, які відстежують горизонтальне положення сонця та їхній циркадний годинник для управління польотом (мал. 1).³

Малюнок 2. Мікроскопічний датчик вологості в саккулусі, органі чуття в антені дрозофіл, що дає їм змогу мігрувати в різні діапазони вологості рідного середовища проживання.Здається, що кожна комаха містить джерело технологічних чудес, які можуть перевершити кращі елементи розроблених людиною систем стеження, – зокрема й звичайна плодова мушка дрозофіла. Оскільки ці комахи маленькі й мають низьку температуру тіла, вони ризикують загинути від зневоднення, якщо не зможуть швидко знайти місце проживання з концентрацією водяної пари, що відповідає їхнім потребам. Вподобання дрозофіл щодо вологості повітря на відкритому просторі залежать від виду. Пустельні мушки віддають перевагу відносній вологості повітря близько 20%, тоді як мухи тропічних лісів віддають перевагу вологості близько 85%.

Більшість комах, мабуть, мають датчики вологості, які дають їм змогу орієнтуватися в сприятливих діапазонах вологості. Андерс Енджін та його колеги першими описали гени та нейрони, необхідні для визначення змін вологості в дрозофіли.⁴ Мікроскопічний і неймовірно точний датчик вологості мухи, за масштабами набагато менший за кращі датчики вологості, створені людиною, складається з трьох окремих нейронів, що проєктуються в окремі гломерули в задній долі антени (мал. 2). Ця ретельно відкалібрована система визначення вологості йде врозріз з еволюційними екстерналістськими очікуваннями.

Датчики визначають загрози та ініціюють зміни в тілі

Численні дослідження показують, як деякі організми можуть виявляти присутність хижаків, реагувати на них під час ембріонального розвитку або навіть в дорослому стані, коригуючи певні ознаки та потенційно передаючи схильність до зміненої форми потомству. Наприклад, двоє норвезьких науковців провели експерименти з виявлення елементів основного механізму, що спричиняє швидке та помітне збільшення величини тіла та м'язової маси карася, Carassius carassius, за присутності щуки звичайної, Esox lucius, хижої риби, що живиться карасем (мал. 3).⁵ Інші дослідники нещодавно визначили, що ці зміни розмірів тіла покращують реакцію коропа на втечу (швидке плавання та швидкість повороту) й заважають щуці проковтнути їх.⁶Малюнок 3. (a) Мілководна форма карася в ставку без хижаків та (b) глибоководна форма в ставку, яка самокоректується, після виявлення хімічних речовин, що виділяються хижою щукою після проковтування інших карасів. Масштабні лінійки, 10 мм.

Норвезькі дослідники продемонстрували, що карась сам по собі не реагує зміною росту після впливу щуки. Вони також не реагують на щуку, що харчується палією арктичною, Salvelinus alpinus. Морфологічні зміни відбуваються тільки після того, як карась піддається впливу щуки, яка харчується карасями. Вони також реагували, коли дослідники додавали підготовлені та гомогенізовані тканини шкіри карася в їхні акваріуми. Автори дослідження дійшли висновку, «що за індукцію фенотипічних змін відповідальні хімічні речовини зі шкіри близькоспоріднених риб, які виражають феромонний ефект приматів».⁵

Не дивно, що обидві групи дослідників назвали самокорекцію коропів «викликаною хижаком». Така характеристика відповідає екстерналістському підходу еволюціоністів до адаптивності. Але щука не може безпосередньо викликати експресію генів коропа. Таким чином, екстерналістські характеристики апелюють до містичних подій.

Підхід, що використовує об'єктивну інженерну причинність, визначив би, що якщо деякі коропові мають дефектні феромонні сенсори через мутації, вони можуть плавати в озері, повному щук, які поїдають інших коропових (тим самим насичуючи воду феромонами), і не змінювати форму тіла. Феромони – тобто зовнішні умови – або присутні, або ні. Зміна форми тіла – це самокорекція, викликана сенсором/тригером. У коропа має бути сенсор, специфічний для хімічної речовини, що міститься в шкірі коропа, внутрішнє програмування для визначення цієї хімічної речовини як стимулу і логічні алгоритми для визначення цільової відповіді, перш ніж він зможе здійснити самозберігаючі зміни розміру тіла.

Сигнали потомству для самомодифікації розвитку

Малюнок 4. Саморегульовані епігенетичні зміни 13 із 19 генів, відомих як пов'язані з фізіологічною терморегуляцією, після впливу тепла на батьків. Самці морських свинок спаровувалися з тими самими двома самками до і після впливу підвищеної температури. Епігенетичні зміни ДНК позначені червоними CH₃-групами біоптатів печінки, взятих у батьків, а також печінки й сім'яників синів, отриманих до і після теплового впливу.Дослідження прискорилися, щоб виявити вплив потенційно підвищених глобальних температур на види в їхніх природних умовах. Якби інженери розробляли організми з вбудованою стійкістю до динамічних температур, вони б розглядали здатність відслідковувати зміни й самоналаштовуватися на них як один з основних моментів.

Одне з недавніх досліджень виходило з припущення, що бразильські морські свинки мають неврологічний механізм для виявлення змін температури, хоча й не визначило конкретний датчик.⁷ Ця група досліджувала п'ятьох самців генетично різноманітних бразильських морських свинок (Cavia aperea) з Аргентини та Уругваю. Як контрольну групу вони використовували покоління цуценят від кожного самця, спареного з двома самками. Парування відбувалося за природної середньої температури на вулиці 3,4-19,5°C.

До наступного спарювання самців утримували в клітках, що стояли на нагрівальних пластинах, які підтримували температуру підлоги на рівні 30°C протягом 60 днів, тобто приблизно стільки часу потрібно стовбуровій клітині для розвитку в зрілий сперматозоїд (один цикл сперматогенезу). Наступне покоління цуценят було отримано від спарювання самців із тими самими самками, від яких були отримані контрольні цуценята (рис. 4).

Дослідники порівняли зміни молекулярних (епігенетичних) маркерів, розташованих на певних ділянках ДНК – але без зміни самої послідовності ДНК – в тканинах печінки та сім'яників контрольних цуценят, цуценят, які піддалися тепловій обробці, та їхніх батьків. Результати засвідчили наявність епігенетичних змін в 13 із 19 генів і в промоторній ділянці дванадцяти додаткових генів, відомих як такі, що пов'язані з фізіологічним регулюванням температури. Дослідники дійшли висновку, що «негайна та успадкована батьківська епігенетична відповідь із потенційною реакцією адаптації, що виникла у відповідь на підвищення температури довкілля», може навіть передаватися наступному поколінню.⁷ Це був перший експеримент, що документує епігенетичну відповідь ссавців на зміну температури, хоча дослідники зазначили, що такі реакції спостерігалися в рослин, коралів, плодових мушок, курчат і риб.

Датчики – це тригери для самоналагоджувальних систем

Тісний взаємозв'язок між організмом і навколишнім середовищем не є випадковістю. Інженерні принципи не тільки можуть пояснити ці взаємозв’язки, але є єдиними немістичними принципами, здатними пояснити їх. Чому? Для того, щоб два автономні об’єкти, навіть живі, могли працювати разом, аналіз конструкції показує, що кожен із них має контролюватися неймовірно складними вродженими системами, які працюють для цієї мети.

Очевидно, що датчики відіграють ключову роль в системі адаптивності, що ґрунтується на дизайні та орієнтована на організм, наприклад, безперервне відстеження довкілля – навіть якщо багато дослідників не обтяжують себе їхнім пошуком. Концепція CET передбачає, що сенсори мають вирішальне значення для адаптивних систем, і тому необхідно докласти зусиль для їх виявлення. Сенсори – це тригери для внутрішніх систем, які дають змогу організмам бути активними істотами, що розв'язують проблеми. Замість того, щоб бути пасивними об'єктами, яких формує навколишнє середовище, живі істоти активно виявляють змінені умови, розв'язують проблеми, заповнюють нові ніші впродовж свого життя й передають адаптовані риси своєму потомству. І все це починається з датчиків.