Спроектована адаптивність: епігенетика – інженерна «гнучкість» фенотипу

Любитель гострих відчуттів не стрибне з мосту, прив'язаний ланцюгом, та й більшість людей не купить автомобіль, вісь якого приварена безпосередньо до рами. Для комфортної їзди необхідна гнучка система пружин, що з'єднує вісь і раму. А з точки зору технічних характеристик, гнучка підвіска дає змогу колесам коливатися вгору й вниз в заданому діапазоні, забезпечуючи надійний контакт із дорожнім покриттям в різних умовах. Навіть неінженери інтуїтивно розуміють, коли в інженерних завданнях потрібні міцні, але гнучкі елементи.

Аналогічним чином, правильне розуміння біологічної функції починається із співвідношення особливостей живого організму з інженерними характеристиками, такими як гнучкість, що дають їм змогу працювати. На жаль, еволюційні біологи, які домінують в академічному та дослідницькому середовищах, відкидають можливість того, що живі істоти були розумно спроектовані. За винятком системників й біоінженерів, дослідники-біологи, схоже, забувають про те, що характеристики живих систем, які вони вивчають, відповідають характеристикам спроєктованих людиною систем, які вони використовують прямо в своїх лабораторіях.

Таким чином, навіть у такій високовивченій та широко популяризованій галузі, як епігенетика,¹ еволюційне мислення схильне недооцінювати гнучкість, яку епігенетичні механізми надають пристосовності організму. Але короткий огляд епігенетики, заснований на концепції дизайну, допоможе побачити це.

Гнучка елегантність генетичних змін

Елегантність гнучких конструкцій полягає в тому, що вони дають змогу деталі змінювати форму, не ламаючись, коли вона приймає навантаження, а потім повертається до своєї стандартної форми, коли навантаження минає. Біологічно наші гени кодують певні ознаки, і коли ген змінюється, відбувається тривала зміна ознаки. Це називається генетичною зміною. Але епігенетичні механізми дають змогу гнучко й адаптивно змінювати ознаку, що виражається геном, без постійної зміни гена. Тому, коли стрес минає, вихідна ознака гена зазвичай повертається. Аналіз дизайну дає уявлення про те, як властива епігенетиці гнучкість інтегрується в загальну адаптивність організму.

Наприклад, задумайтеся над еволюційною загадкою. Передбачається, що еволюційні зміни мають випадковий, повільний і поступовий характер. Але якщо навколишнє середовище зазнає раптової зміни, що змінює життя або навіть загрожує життю, то як істоти можуть вижити досить довго, щоб виробити нові риси, необхідні для продовження життя – не кажучи вже про те, щоб дати придатне потомство?

Саме тут і проявляються епігенетичні механізми. Вони дають змогу організмам швидко «пристосовуватися» до мінливості та викликів мінливих умов шляхом експресії відповідних ознак, а потім повертатися до «вихідного рівня» після того, як виклик пройдено. Якщо під час розроблення адаптивного дизайну враховуються тимчасові чинники, то епігенетичні механізми ідеально заповнюють проміжок між дуже швидкою фізіологічною самокорекцією та повноцінними генетичними змінами, що відбуваються протягом багатьох поколінь. Подібно до того, як гнучка підвіска дає змогу колесам коливатися залежно від мінливих умов дороги, епігенетичні механізми є одним із багатьох інструментів, що дають змогу організмам постійно відслідковувати коливання умов навколишнього середовища. Розпакувавши деякі подробиці про епігенетичні механізми, ми дізнаємося, чому вони наочно демонструють інженерну причинність.

Епігенетика: Механізм безперервного відстеження навколишнього середовища

Припустімо, що ви біоінженер, й перед вами стоїть захопливе завдання розробити плани й специфікації для організму, який має бути побудований та якимось чином оживлений. Параметри конструкції свідчать, що організм має підтримувати гомеостаз (саморегульовану здатність підтримувати стабільні внутрішні умови) в складних зовнішніх умовах й бути здатним передати ці життєво важливі зміни своєму потомству.

Ви визначаєте три можливості для проєктування: адаптивність, відтворюваність і здатність передавати біологічну спадщину (тобто спадковість). Ви починаєте роботу над адаптивністю.

Якщо розглядати мінливі умови як проблеми, що потребують розв'язання, то інженери можуть визначити їх як «постійно рухомі цілі» (constantly moving targets). Системи стеження швидко слідують за рухомими цілями й вже розроблені. Ви вирішуєте, що одна з них стане гарним зразком для ваших епігенетичних та інших адаптованих систем. Ви знаєте, що вона складатиметься щонайменше з трьох основних елементів: датчика для виявлення умов, що змінилися, логічного механізму, який вибирає відповідні реакції на основі виявленого, й вихідних реакцій для реалізації логічного вибору.

Для досягнення швидкої та надійної адаптації цьому організму потрібно ще кілька конструктивних особливостей. Ви обмежуєте його реактивне програмування певними умовами, і, обладнаний детекторами, чутливими тільки до цих умов, організм ефективно визначає для себе, що є стимулом. Адаптивні реакції мають бути стійкими, щоб організм міг протистояти пошкодженням, пом'якшувати втрати та швидко відновлюватися. Тому, поряд із гнучкістю, він має бути достатньо міцним, щоб підтримувати свої основні функції навіть тоді, коли виклики стають стресовими.

Чи визначають дослідження реальні елементи епігенетичної системи, які відповідають й використовуються як сенсори, логічні центри та вихідні реакції системи стеження організму? Так, вдосталь. Але для виявлення цих елементів необхідно застосувати інженерні принципи, оскільки більшість еволюційних біологів, схоже, не схильні інтерпретувати взаємозалежне використання елементів як цілеспрямовану систему, що відслідковує та реагує на зміни навколишнього середовища. Незважаючи на це, один дослідник нещодавно опублікував кілька скрупульозних робіт, покликаних підвищити точність й зменшити непорозуміння серед його колег-еволюціоністів. Нельсон Кабедж докладно описує кожен крок – від першого виявлення умов, що змінилися, до вираження відповідної ознаки. В розділі книги, названому «Зробити сигнали навколишнього середовища зрозумілими для генів», він заявляє:

«Вся інформація, пов'язана з цими зовнішніми стимулами, надходить до сенсорних нейронів [сенсори], які перетворять її на певні електричні сигнали й передають їх до відповідних центрів мозку для подальшого опрацювання. Обробка електричного сигналу в цих центрах мозку [логічні механізми, засновані на алгоритмах] інтерпретує стимул... в нейронних ланцюгах, щоб надати йому значення... Кінцевим етапом нейронної обробки є визначення відповідної адаптивної реакції на очікувані ефекти самого стимулу або ефекти довкілля, які він може передвіщати. Кінцевим продуктом нейронної обробки є вихідний сигнал, який у формі хімічного сигналу запускає «адаптивний» сигнальний каскад, який в кінцевому підсумку призводить до експресії одного або декількох певних генів... Обробка являє собою нейронну кодифікацію або переклад стимулів навколишнього середовища в повідомлення, зрозумілі генам... Нервова система, використовуючи специфічні сигнальні каскади або генні регуляторні мережі (ГРМ), може адаптивно й «за бажанням» пов'язувати природно незв'язані зовнішні агенти практично з будь-яким геном... Цей механізм дає змогу мозку обирати з доступних готових сигнальних каскадів та ГРМ, що призводить до фенотипічних результатів [вихідної реакції], які адаптують організм до стимулу довкілля».²

Опис Кабеджа чудово ілюструє інженерну причинність, оскільки до нього включено тільки елементи, що перевіряються, й жоден життєво важливий елемент не опущено. Епігенетична модифікація генів організму змінює його вроджену здатність визначати стимул, інтерпретувати його та надавати значення, обирати відповідь, перекладати її «мовою генів» й створювати фенотипічний результат.

Епігенетика допомагає дарвіновим в'юркам швидко відстежувати зміни навколишнього середовища

Передбачається, що дарвінові в'юрки на Галапагоських островах еволюціонують внаслідок того, що генетичні варіації, які спричиняють різні форми дзьоба, «витісняються», коли природа відбирає найбільш пристосованих птахів, які вижили після боротьби за мізерні ресурси. Нове дослідження показує, що ця застаріла історія є оманливо спрощеною. Дослідники виявили, що «дедалі більше даних свідчить про те, що епігенетичні механізми, такі як метилювання ДНК, також можуть бути залучені до швидкої адаптації до нового середовища».³ На острові Санта-Крус субпопуляція птахів двох видів в'юрків зазнає впливу та споживає значно більше пов'язаних з людиною харчових продуктів, ніж природних. Цих птахів було названо «міськими в'юрками».

Команда досліджувала понад 1000 птахів сусідніх популяцій традиційних «сільських в'юрків» та нових міських. Були виявлені значні відмінності в глибині та ширині дзьоба (й довжині кістки ноги) між міськими та сільськими популяціями одного виду. Потім дослідники шукали генетичні та епігенетичні відмінності й виявили значні епігенетичні відмінності, але мало генетичних відмінностей. Вони дійшли висновку, що епігенетичні механізми «можуть відігравати роль в регуляції експресії генів цього шляху [для форми дзьоба] й, отже, можуть впливати на морфологію в'юрка... Ці результати узгоджуються з потенційною роллю епігенетичних варіацій у швидкій адаптації до мінливих умов навколишнього середовища».³

Епігенетика – доказ проти еволюційного екстерналізму

Незважаючи на те, що елементи, які організм використовує для роботи із зовнішньою ситуацією стеження – сенсори, логічні механізми, вихідні реакції – всі вони виникають всередині самого організму, вчені-еволюціоністи все ще помилково називають генетичні зміни спричиненими навколишнім середовищем. Плутанина зазвичай відбувається через те, що вони не використовують інженерні принципи для пояснення біологічних функцій, які залучені до надзвичайно тісного взаємозв'язку між організмом й навколишнім середовищем. Їхня точка зору також спотворена вірою в те, що активне середовище формує пасивні організми, коли складні умови «керують» їхньою еволюцією впродовж еонів часу.⁴

Розгляньмо нову царину екологічної еволюційної біології розвитку («екоеводево»), розроблену Скоттом Ґілбертом й Девідом Епелем.⁵ Основний постулат полягає в тому, що навколишнє середовище проявляє активність й активно контролює гени організму під час розвитку. В своєму розділі під назвою «Навколишнє середовище як нормальний агент у виробництві фенотипів» вони резюмують:

«Фактори навколишнього середовища, такі як температура, дієта, фізичний стрес, присутність хижаків й скупченість, можуть сформувати фенотип, відповідний для даного конкретного середовища... Таким чином, окрім того, що навколишнє середовище допомагає вирішити питання про виживання найсильнішого, воно також важливе у формулюванні появи найсильнішого».⁶

Пізніше вони додають: «Екологічна біологія розвитку показала, що навколишнє середовище може визначати, який фенотип може бути отримано з генетичного репертуару в ядрі», оскільки «навколишнє середовище дає навчальну інформацію, а також селективний тиск».⁶

Звісно, їхня інтерпретація, орієнтована на середовище, походить від Дарвіна, який «прийняв точку зору, що середовище безпосередньо інструктує організм, як йому змінюватись».⁷ Але жодні наукові тести не можуть виявити, що середовище здійснює керування, чи надсилає інструкції, чи обирає один організм замість іншого. Магічна мова настільки широко поширена в сценаріях адаптації, орієнтованих на навколишнє середовище, що її не можна відкинути як «наукову скоромовку» замість довгих і точних пояснень. Містичні проекції діючої сили на несвідомі умови підміняють собою випущені з поля зору засновані на інформації системи відстеження та реагування на навколишнє середовище в організмах.

Щоб виправити містифіковані пояснення, Кабедж докладно описує, чому умови, що змінилися, самі по собі «безглузді» та «не є інструкціями, що вказують генам, що робити».⁸

«В повсякденному житті кажуть, що стимули довкілля викликають або навіть регулюють експресію певних генів. Це поняття настільки міцно увійшло в біологічну концептуальну систему, що стає одкровенням, коли при найближчому розгляді виявляється, що невідомо жодних зовнішніх стимулів, які могли б безпосередньо спричинити експресію будь-якого гена».⁹

Епігенетичні механізми дозволяють популяціям швидко адаптуватися до умов, що раптово змінилися. Ці самоналаштування настільки регламентовані й точні, що їх можна назвати передбачуваними. Цілеспрямована щільність реакції істоти на міріади змінених «цілей», що забезпечується надмініатюрними системами, перевершує найчутливіші системи стеження, створені людиною.

Тільки коли вчені пропускають усі деталі, що пов'язують змінений стан зі зміненим геном, й заповнюють порожнечу містичними подіями, вони можуть повірити, що епігенетика демонструє екстерналізм проти інженерної причинності. Деталі, як правило, підтверджують теорію, що ґрунтується на задумі та підкреслює активні, такі, що розв'язують проблеми, організми, що внутрішньо адаптуються й постійно відстежують зміни навколишнього середовища. Все свідчить на користь розумного, цілеспрямованого дизайну, створеного Творцем.