Спроектована адаптивність: сенсорні тригери підтверджують розумно розроблений інтерналізм

В грудні 2016 року компанія Amazon представила високотехнологічний магазин, де покупці можуть скористатися додатком Amazon Go, щоб «увійти в магазин, взяти потрібні товари й піти! Ніяких черг, ніяких кас».¹ Інженери змогли «вплести» найпередовіші технології в «саму тканину магазину», тож будь-який товар додається до віртуального кошика покупця, коли він бере його, й видаляється, коли кладе назад.²

Покупці не помічають того, що відбувається. Невидимі датчики, інтегровані в навколишнє середовище магазину, визначають ідентифікатор усього, що бере покупець, й програмують прив'язку ціни до його рахунку. Amazon розповідає про те, як вони це роблять: «Ми використовували комп'ютерний зір, алгоритми глибокого навчання й злиття датчиків».² Головна перевага – безперешкодна діяльність покупців, але без датчиків власники магазину були б сліпими до місцезнаходження своїх товарів... й незабаром вийшли б із бізнесу.

Датчики запускають багато життєво важливих процесів як у пристроях, створених людиною, так і в живих істотах. Вони також дозволяють людським істотам адаптуватися. Ми знаємо, що організми роблять відповідні самоналаштування для розв'язання безлічі екологічних проблем, і цей процес дає їм змогу колонізувати нові ніші.³ Що, якщо цей процес адаптації починається з їхніх датчиків? В серії статей «Спроектована адаптивність» датчики, логічні алгоритми та механізми реагування, «вплетені в тканину» організмів, розглядаються як елементи, що дають змогу організмам постійно відслідковувати зміни довкілля – точно так само, як Amazon використовує їх для відстежування продуктів та клієнтів.

Сучасне навчання біології зазвичай не виховує мислення, налаштоване на те, щоб бачити ці взаємозв'язки. Біологічні функції розглядаються як результат випадкових генетичних змін, що відбуваються в непередбачуваній боротьбі за виживання. Але нещодавній звіт про два чудових дослідження може допомогти розібратися з кореляціями.

Деякі мікроби переходять із вільно плаваючої форми у фіксовані на субстраті колонії. Що запускає диференціацію в потрібний момент? Два дослідження, про які повідомляється в журналі Science, ілюструють системи з сенсорною ініціативою, виявляючи «окремі механізми, що дозволяють бактеріям розпізнавати поверхню за допомогою механорецепції [внутрішнього виявлення механічних стимулів] та ініціювати клітинну відповідь, що дозволяє їм прикріплюватися та розмножуватися».⁴

В одному з досліджень вивчали Caulobacter crescentus, які плавають за допомогою органел, званих джгутиками. Один джгутик являє собою молекулярний двигун, що обертає прикріплену нитку подібно до пропелера. Цей мікроскопічний двигун складається з частин, що відповідають двигуну, включно з ротором, статором, підшипником й багатьом іншим. Він приводиться в рух потоком іонів водню, як електричний двигун приводиться в рух потоком електронів. Вчені виявили додаткове призначення: «гальмування обертання джгутика Caulobacter може також працювати як датчик поверхні».⁴ Коли нитка вдаряється об поверхню, двигун зупиняється, й потік іонів водню припиняється. Вроджене програмування інтерпретує цю зміну як знак виявлення твердої поверхні, що запускає каскад подій, таких як швидке вироблення поверхневого адгезиву або експресія ознак поверхневої рухливості та факторів вірулентності.

Таким чином, це дослідження виявило подвійне призначення знакового бактеріального джгутика – як рушійного мотора і як сенсора. Які характеристики описують сенсори й визначають їх як справжні тригери самоналагоджувальних механізмів?

Проектування датчиків 101

Інженери стикаються з проблемою розробки датчиків, які були б точними, прецизійними та послідовними. Датчики – це не просто детектори змін. Якби вас попросили розробити датчик для організму, то на думку мають спасти дві додаткові цілі: збір даних та запуск відповідного ланцюжка подій. Майже всі організми мають певні межі, тому у вашому проєкті деякі датчики будуть розміщені там (як камери спостереження на будівлі) в якості життєво важливих зв'язків з навколишнім середовищем.

Механізми, що контролюють ставлення організмів до впливу, можна пояснити за допомогою принципів проєктування. Дві характеристики датчиків прояснюють ці відносини. Вони також допомагають провести відмінність між організмами, які активно розв'язують проблеми довкілля, й організмами, що пасивно формуються під впливом цих проблем.

По-перше, датчики розроблені таким чином, щоб бути чутливими до певних умов навколишнього середовища й нечутливими до інших. Наприклад, чи можете ви визначити щось в навколишньому середовищі, що, будучи виявленим, не послужило б стимулом? Це може бути що завгодно. Причина, через яку міріади впливів не є стимулами, полягає в тому, що внутрішнє програмування саме визначає, що є фактичними сигналами навколишнього середовища, підказками або стимулами.

По-друге, при активному спостереженні зазвичай отримують дані. Один фахівець прокоментував, як датчики ініціюють збір даних:

«Датчик не функціонує сам по собі; він завжди є частиною більшої системи, яка може включати в себе безліч інших детекторів, кондиціонерів сигналів, процесорів сигналів, пристроїв пам'яті, реєстраторів даних та виконавчих механізмів. Датчик завжди є частиною якоїсь системи збору даних. Залежно від складності системи загальна кількість датчиків може варіюватися від одного (домашній термостат) до багатьох тисяч (космічний корабель)».⁵

Датчики – справжні тригери саморегульованих механізмів

В приміщенні, де розташована ваша піч, може бути тепло чи холодно, тихо чи шумно, добре освітлено чи темно. Однак жодна з цих обставин сама по собі не змушує вашу піч увімкнутися. Умови лише присутні або відсутні. Саме конструкція пічної системи задає певну кількість тепла, яка є стимулом, і вмикає датчик тепла для ввімкнення печі.

Відповідно, важливим інженерним принципом є те, що регульована система матиме пусковий механізм як невід'ємну частину. Цей взаємозв'язок може бути важко помітити, оскільки датчики можуть бути розташовані віддалено. Який би пусковий механізм не був вбудований в регульовані пристрої – механічний, електронний, тощо – він буде 1) датчиком та 2) елементом, що ініціює процеси саморегулювання.

Наприклад, в минулій статті розглядалися основні характеристики епігенетичних механізмів.⁶ Вони сприяють швидкому прояву організмом відповідних ознак, які дають йому змогу «гнучко» реагувати у відповідь на низку умов, що раптово змінилися. Деякі з цих незвичайних механізмів дають змогу ембріонам виявляти «сигнали» від батьків та самостійно коригувати свій розвиток – потенційно висловлюючи риси, які найкраще підходять для поточного середовища проживання батьків, у яке незабаром потрапить дитина. Інженери розглядають ці механізми як цілеспрямовані рішення для конкретних змін навколишнього середовища.

Взаємодоповнюваність датчика й умови: Вищий рівень дизайну

Датчик демонструє один рівень складного дизайну, але він функціонує в межах більшої системи, яка показує ще вищий рівень. Ще вищий рівень існує в тому, як ця система співвідноситься із зовнішніми умовами. Розроблена людиною система зв'язку має передавач і приймач, що працюють разом. Але інформація про конструкцію системи не міститься в схемах/специфікаціях передавача або приймача окремо. Вона існує на вищому рівні, ніж кожен елемент. Інтелект, який заздалегідь знає характеристики кожної частини й те, як вони можуть гармонійно поєднуватися в ширшій системі, розробляє її.

Для передачі інформації інженерні принципи диктують ще дві попередні умови. Передавач та приймач мають бути налаштовані на одну й ту саму частоту, а потім комунікатори мають використовувати один і той самий протокол кодування-декодування (тобто говорити однією мовою).Південноамериканська жаба Engystomops pustulosus з Панами

Наприклад, коли самець південноамериканської жаби (Engystomops pustulosus) видає квакаючі звуки, сам по собі звук не є ні інформацією, ні сигналом для інших південноамериканських жаб. Шум, виявлений слуховими датчиками, спочатку є лише даними, які повинні бути оброблені всередині організму. Дослідники продемонстрували це, виявивши «докази того, що самці й самки відрізняються в передачі слухової інформації в передній мозок» через механізм «гейтингу».⁷ Спочатку середній мозок жаби обробляє складні слухові дані. Після того, як дані декодуються та інтерпретуються відповідно до поки що невідомого вродженого протоколу, вони стають інформацією й сигналом для обох статей... які надалі демонструють різну поведінку.

Але жодна із статей не реагувала на звуки, які видавали самці іншого виду, незалежно від того, наскільки голосно вони були виражені. Їхні системи не були призначені для цього, й тому вони не реагували.

Питання про походження сенсорів підтверджує дизайн

Взаємовідносини між сенсорами та умовами демонструють вельми обмежену специфічність, загальні протоколи – інколи між абсолютно різними організмами – й добре інтегровані системи для досягнення функції. Питання про те, як виникли ці специфікації, має глибокі дослідницькі наслідки для висновків, які будуть зроблені. Оскільки пояснення походження, засновані на задумі, були відкинуті ще до початку досліджень одного сенсорного біолога, він сплів еволюційну версію.

Класична гіпотеза сенсорної біології полягає в тому, що сигнали й органи чуття коеволюціонували. Ця коеволюція здається інтуїтивною гіпотезою, й очевидно, що сигнал повинен бути виявленим, щоб функціонувати. Окрім того, у нас є чудові приклади, що демонструють тісний зв'язок між сенсорною функцією й сигналами. Наприклад, один вид ротоногих (наприклад, креветка-богомол) володіє рідкісною здатністю розрізняти кругову поляризацію світла (дуже рідкісне явище, яке створюється унікальними тканинами в хвості креветки).⁸

Він відповідає на неявне запитання про те, що з'явилося першим – спеціалізований хвіст чи тканини ока:

«В моєму власному неформальному опитуванні з'ясувалося, що більшість сенсорних біологів, включно зі мною, охочіше погоджуються з тим, що сигнали еволюціонують, щоб краще виявлятися сенсорними системами, ніж з тим, що сенсорні системи еволюціонують, щоб краще виявляти даний сигнал».⁸

Проте напівнаукові, засновані на методі «наукового тику» пояснення походження сенсорів звучать як плід живої уяви, що має посилатися на величезну кількість чистої удачі. Чому? Організми не можуть адаптуватися, поки в них немає вроджених механізмів, що дають змогу адаптуватися, але сенсори є невід'ємним елементом систем, що адаптуються. Посилює цю дилему пояснення того, як можна з достатнім ступенем вірогідності припустити, що з середовища, переповненого умовами потенційних стимулів, організм потрапить в точно необхідну взаємопов'язану тріаду специфічності детектор-умова-стимул, якою володіють організми.

Замість того щоб бути результатом незрозумілої коеволюції, точна відповідність біологічних сенсорів конкретним умовам, а також їхня складна конструкція відображають значну кількість передбачення та планування для конкретної мети.

Ключова роль сенсорів

Сенсори стратегічно розташовані на кордоні між організмом й навколишнім середовищем, але також перебувають у критичній точці філософського поділу між еволюційним екстерналізмом та розумно спроектованим інтерналізмом. Чому? Тому що все, що приписується ініціатору адаптивної зміни, зазвичай приписується і її результату.⁹ Таким чином, коли хтось читає еволюційну літературу, він повинен помітити, що в переважній більшості випадків ці дослідники навіть не шукають сенсори організму. Їхня екстерналістська філософія змушує їх уявляти зовнішні умови містичним чином такими, що «викликають» експресію генів всередині організмів, а потім заявляти, що нові ознаки «зумовлені» цими умовами. Інтерналізм, заснований на дизайні, однак, починається з умов, виявлених сенсорами, які ініціюють власну відповідь організму.

В підсумку, коли причинність об'єктивно визначають за допомогою підходу, який використовують інженери, – підходу, що ідентифікує всі біологічні елементи в процесі та опускає містичні події, – спостережувані елементи саморегульованого процесу підтверджують інтерналізм й суперечать екстерналізму.¹⁰ Таким чином, системи спостереження організму, схоже, активно отримують дані, які вони переробляють на інформацію; вони не «надсилають інструкції» з довкілля. Їхнє внутрішнє програмування визначає, яка умова буде стимулом або сигналом. Вбудований датчик цієї умови є життєво важливим тригером їхньої реакції. Багато реакцій, мабуть, значною мірою націлені на конкретні умови, а не на рішення «попало-не попало», як передбачає селекціонізм. Нарешті, ці механізми, мабуть, не є випадковими, а значною мірою регулюються й характеризуються як швидкі, повторювані, а іноді й зворотні. Ми бачимо в магазинах Amazon, джгутиках бактерій, епігенетиці або південноамериканських жабах повний внутрішній потенціал, що відповідає розумно спроектованим системам.

Тісний зв'язок між організмом й навколишнім середовищем можна пояснити популяціями активних організмів, що розв'язують проблеми й постійно відслідковують зміни довкілля за допомогою вроджених механізмів для вираження спадкових фенотипів, які несуть потенціал розв'язання проблем, що передують викликам довкілля. Біологи, які не беруть до уваги спроектовану роль сенсорних тригерів в адаптивності організму, стріляють собі в ногу.