Kako brati dedni zapis?

S silovitim napredkom biokemijskih tehnologij je bil v 20. stoletju duh vitalizma (do)končno izgnan iz bioloških znanosti. Preobrat je najprej z (1) encimatsko teorijo življenja neoporečno prikazal uniformnost živih in neživih kemičnih reakcij (tukaj naj izpostavimo Büchnerjevo izolacijo cimaz) ter nato z (2) informacijsko teorijo živega dedne in razvojne dinamike izenačil z molekularnim prepisom kodonskih zaporedij iz DNK v beljakovino (tu je vodilno vlogo igrala zlasti Crickova eksplikacija genetskega koda). Skupaj z neodarwinistično sintezo je v teoriji bioloških znanosti za nekaj časa zavladal absolutni genetski redukcionizem.

Ta se je z organicistično interpretacijo evolucijskih in ekoloških dinamik razvojnega sistema razrahljal šele na prehodu v 21. stoletje; kot zdaj vemo, predmeti naravnega izbora niso le specifična nukleotidna zaporedja (in njihove mutacije), temveč evolucijsko izmojstreni regulativni procesi, ki ta zaporedja izražajo. Nedavnemu znanstvenemu razvoju primerno bi veljalo premisliti pojem biološke informacije, saj služi kot obodna os sodobne biologije kot celostne stroke. Po uvodni predstavitvi Crickove osrednje dogme molekularne biologije in povzetku zgodovine molekularnega gena bomo zato premislili dinamike sodobne biološke uporabe pojma informacije, ki se jim štirje obravnavani pristopi poskušajo približati. Na koncu bomo videli, da natančno branje biološke informacije ni zgolj tehnična naloga, saj se sooča s konceptualnim problemom individualnosti organizma, ki ga poskušamo razumeti.

(Zaradi optične aktivnosti (zmožnosti obrata polarizirane svetlobe) produktov alkoholnega vrenja je bil Pasteur prepričan, da je organska kemija povsem različna od anorganske − le z vitalnimi polarnostmi prežeto živo bitje lahko sintetizira nesimetrične, tj. kiralne molekule. (Na sliki sicer opazuje s steklino okuženo zajčje možgansko deblo.) Kot smo že omenili, je Büchner z biokemijsko izolacijo ključnih encimov dokazal kemijsko neodvisnost fermentacije. Vir: Explore yeast)

Osrednja dogma molekularne biologije

Kdo drug kot Francis Crick, enfant terrible biologije 20. stoletja, bi lahko v dobro izoblikovano stroko vpeljal spekulativno in empirično neadekvatno pojmovno shemo ter s tem vzpostavil enega najplodnejših področij sodobnih življenjskih znanosti? Kot eden od avtorjev verjetno najslavnejšega prispevka k biološki vedi štiri leta poprej je Crick, po izobrazbi fizik (in po duši evgenik), leta 1957 v znamenitem predavanju On Protein Synthesis izvedel prav tako intelektualno akrobacijo, s katero je kot prvi oblikoval t. i. osrednjo dogmo molekularne biologije. Kot bomo kmalu videli, je ta nadaljnje raziskave navdihovala le sebi v škodo, saj so se že poldrugo desetletje kasneje (v eksperimentalnem delu Jacoba in Monoda) njeni temeljni elementi pokazali kot empirično samonanašajoči.

Kljub empirični neadekvatnosti – o kateri bo govora nekoliko kasneje – pa je z osrednjo dogmo do takrat le teoretični pojem informacije (na katerega je med drugim opozarjal že Schrodinger v sklopu predavanj po naslovom What is life) dobil prepričljivo empirično interpretacijo. Kar naenkrat živi organizmi niso bili več funkcionalne ali strukturne celote, ki jih oblikujejo zakoni naravne selekcije ali klasične genetike; dednost ni več spadala v proteom, ki je oblikoval biokemijo prve polovice 20. stoletja. Živo – onto- in filogenetsko pred vsem tem – v sebi skriva načrt ante rem; ta omogoča sintezo vseh biološko relevantnih lastnosti in (v strahu pred dedovanjem pridobljenih lastnosti) deduje le samega sebe. Dedovanje primarno ni materialnega značaja, temveč prenos abstrakcije zaporedja štirih dušikovih baz, kot ga najdemo v nukleinskih kislinah. S tem, kar je Crick poimenoval genetski kod, to zaporedje, razporejeno v kodone, določa primarno strukturo beljakovin. Biologa odslej ne zanima več gen sam, temveč podatki – tj. abstrakcija zaporedja – ki jih gen prenaša iz generacije v generacijo. Molekularni gen je torej zgolj empirični primerek bolj abstraktnih informacij o konstituciji beljakovin, saj v njihovo sintezo ni aktivno biokemijsko vpleten – kontakt z njimi namreč oblikuje šele prek posredovanja tRNK. Dednosti kot take ne moremo kemično izolirati, lahko pa jo abstrahiramo; od tu izhaja vzpon bioinformatike.

Osrednja dogma molekularne biologije zahtevi ločevanja med konkretnimi kemičnimi interakcijami in poljubno določenim pravilom abstraktnih zaporedij zadosti s trditvijo, »da se informacija, prenesena v beljakovino, iz principa ne more prenesti naprej. Bolj natančno, prenos podatkov iz nukleotidov v nukleotide ali iz nukleotidov v beljakovine je mogoč, medtem ko prenos podatkov iz beljakovine v beljakovino ali iz proteina v nukleotid ni. Podatek [information] tukaj pomeni določeno zaporedje, bodisi baz v nukleinskih kislinah bodisi aminokislin v beljakovini.« (Crick 1957, 153) Osnovni biokemijski kompleks, ki z abstraktno izolacijo nukleotidnih zaporedij skrbi za verodostojen prenos informacij, je torej dvojna vijačnica molekule DNK; posamična zaporedja, ki služijo kot načrti primarne strukture beljakovin pojem klasičnega, mendeljanskega gena preoblikujejo v dozdevno oprijemljivejši znanstveni (ter povsem mehaniziran) predmet molekularnega gena, ki pa se za razliko od svojega predhodnika ponuja eksperimentalni obdelavi.

(Crickov diagram osrednje dogme molekularne biologije. Vir: Crick 1970)

Regulativni sistem in empirična neadekvatnost osrednje dogme

Kot smo že omenili, se je molekularni gen kmalu pokazal kot povsem dvoumen predmet znanstvenega raziskovanja. Po eni strani je s svojim nastankom kot materializacija mendeljanskega gena tega nadomestil, po drugi pa nadaljnje raziskave usmerjal tako, da se je zgodnje privzetje njune ekvivalence kmalu pokazalo kot neutemeljeno.

Enoznačni pomen molekularnega gena sta prva problematizirala francoska molekularna biologa François Jacob in Jacques Monod; z eksperimentalnim delom na bakterijskem prebavnem ciklu sta oblikovala t. i. operonski model genetske regulacije. Ta je fiziološki proces izražanja genov opisal s tremi tipi DNK: (1) strukturni geni naj bi služili kot zaloga informacij o zaporedjih beljakovin, (2) regulatorni bi nadzorovali aktivacijo in inhibicijo prenosa informacij iz (1), (3) signalne sekvence pa bi prepoznale prebavne signale in sprožile proces transkripcije. (Rheinberger 2017, 66) Tako je z vztrajno metaforično uporabo prispodobe s programom genom zazvenel nekoliko bolj kibernetično: »Obstaja le nenehno izvajanje programa, ki se ne more ločiti od svojega rezultata. Genetska sporočila lahko interpretirajo le produkti teh sporočil samih. […] Ni več vzroka za reprodukcijo, je le krogotok dogodkov, v katerem je vloga posameznega gradnika odvisna od drugih.«[1]“There is only the perpetual execution of a programme that cannot be dissociated from its fulfilment. The only elements that can interpret the genetic message are the products of the message … Continue reading (Jacob 1973, 297; citirano iz ibid., 67) Genotip in fenotip sta po razumevanju regulacije radikalno prepleteni dimenziji informacijskega procesa; (ibid.) prvi sicer nudi programski načrt drugemu, a se lahko izrazi šele znotraj struktur, ki brez drugega ne bi obstajale.[2]Na tem mestu naj omenimo, da so v zgodnjih letih raziskovanja molekularnega gena tega razumeli bolj kot magnetni trak in ne kot zapis računalniškega programa. (Quammen 2018, 52f) Živi sistem za razliko od računalnika ne more obstajati kot gola strojna oprema; o genetski informaciji pa za razliko od programa ne moremo govoriti zunaj konteksta razvojnega procesa. Zato se ne nadejajmo, da bi genetsko informacijo lahko razumeli kot nakupovalni spisek beljakovin, navedenih v receptu za poljubno obliko življenja – kot nabor molekulariziranih klasičnih genov, zapisanih v genetski kodi.

(Oblika kljunov znamenitih Darwinovih ščinkavcev ni odvisna od razlike v molekularnem genu, temveč od količine signalne beljakovine, ki se pod vplivom regulacijskih procesov sintetizira v večji ali manjši meri. Vir: wikipedia)

S sodobnim napredkom molekularne in razvojne biologije je regulacijska dinamika med genotipom in fenotipom postala še očitnejša: s posttranskripcijsko modifikacijo mRNK lahko eno in isto nukleotidno zaporedje kodira za več različnih zaporedij aminokislin; za razvojni cikel organizmov je nujno potrebno določeno zaporedje izražanja genov in ne le njihova prisotnost v genomu; z metilacijo molekule DNK je gen epigenetsko inhibiran itd. Osrednja dogma molekularne biologije je torej empirično pomanjkljiva. (Za podroben prikaz nezadostnosti različnih možnih interpretacij osnovne ideje glej Polo Camacho 2019) K vsemu temu lahko priključimo še vprašanje dednosti in s tem evolucije ter sorodnosti oblik življenja:

»Replikacija, tj. prenos dednega materiala, je v resnici zelo kompleksen molekularni proces, ki ohranja le bežno podobnost z mendeljanskim modelom; slednji namreč navkljub priznanju možnosti mutacij, vztraja na stabilnosti in neodvisnosti dedne enote, katere naloga je prenos natančno določene fenotipske lastnosti. Okretnost genoma v smislu vsestranske uporabnosti ‘skrivališča’ [cache] dednih virov [resources] močno presega izmenjevanje dednega materiala med mejozo in nastankom spolnih celic. Ta okretnost služi kot neizčrpen rezervar razvojne plastičnosti in evolucije, ki ga poganja kompleksna mašinerija prestavljivih elementov DNK, polimeraz, giraz, beljakovin, ki se vežejo na DNK, popravnih mehanizmov in še marsičesa.« (Rheinberger 2017, 72)[3]»Replication, that is, the transmission aspect of heredity, turns out to be a complex molecular process that bears little resemblance to the model, codified in Mendel’s rules, of mutable, but … Continue reading)

Čeprav je konec 20. stoletja postalo zelo očitno, da gen kot tak ni osrednji določujoči faktor ontogenije, je kot eksperimentalni pojem vztrajal v osrčju bioloških znanosti. »[Geni] ostajajo pomembni kot uspešne vstopne točke za raziskovanje. Uspeh te središčne vloge genov [gene-centrizem], […] svoje utemeljitve tako ne išče v ontološki sferi, temveč predvsem v epistemološki in pragmatični prepričljivosti.« (ibid., 118)[4]»[Genes] figure prominently because they provide highly successful entry points for investigation. The success of gene-centrism, according to this view, is not ontologically, but first and foremost … Continue reading)

Semantična teorija

Če ne že gen sam, po kibernetičnem obratu vsaj genetski kod ohrani svojo središčno vlogo pri vzpostavljanju razmerja med dednim zapisom in izraženo beljakovino; veliko lažje kot materialni gen se namreč poveže z naivnim pojmom kodiranja podatkov. Vsakdanje razumevanje kodiranja seveda vključuje določeno funkcijo ali algoritem, ki smisel podatkov nepoznavalcu koda prikrije; z inverznim ključem lahko nato navidezno nesmiselnemu vzorcu povrnemo izvorni pomen, ki se – vsaj navadno – sklada z izhodiščnimi podatki. Ker je genetski kod v tej analogiji koda, translacijski proces pa inverzni ključ, se kot najpomembnejši vprašanji postavita: (1) Kateri algoritem (oziroma funkcija) informacijo o zaporedju aminokislin zakodira? ter (2) Kaj je izvorni smisel zakodiranih informacij? Maynard-Smith (2000) na ti vprašanji odgovarja z (1) naravni izbor in (2) prilagojenost na okolje [fitness].

Informacijsko-teoretičnemu pojmu podatka kot korelacije med spremenljivkama A in B se Maynard-Smith zoperstavi s t. i. sematično teorijo genetskega pomena; prvo tolmačenje pojma biološke informacije se opira na korelacijsko razumevanje nukleotidnih zaporedij in fenotipskih lastnosti, semantično pa genomu (skupaj z regulativnimi procesi) pripiše intencionalno vsebino zaporedja aminokislin in s tem predvsem njihove funkcionalne vloge. S korelacijsko definicijo genetske informacije sicer lahko rečemo, »da gen nosi informacijo o odrasli obliki organizma; posameznik z genom za ahondroplazijo bo razvil kratke okončine. A prav tako lahko rečemo, da dojenčkovo okolje vsebuje informacije o njegovi rasti; če je podhranjen, bo prelahek.« (Maynard-Smith 2000, 189) V tem smislu črni oblak kot korelacijska spremenljivka zmanjša »informacijsko entropijo« vremena v bližnji prihodnosti; pomensko nasičena vremenska napoved pa bi na ta način ostala popolnoma nerazumljena – z vremenom ne korelira, marveč o njem govori. »Molekula DNK določeno zaporedje [nukleotidov] hrani zato, ker z njim določa sprecifično beljakovino; oblak pa ni črn zato, ker napoveduje dež.« (ibid. 189f) Evolucijska genetika, ki živi sistem pojmuje z adapcijsko funkcijo izraženega genotipa, ne išče golih korelacij, temveč pomenske celote, zakrite z genetskim kodom; dedni zapis nam – kljub rekurzivnosti – o živem sistemu lahko nekaj pove.[5]Z vprašanjem, kaj nam genetski kod pove, prvič jasno izstopi konceptualna zmeda med organizmom-realizatorjem, ki genetsko informacijo po-deduje in znanstvenikom-opazovalcem, ki jo poskuša … Continue reading

Trditev »Genomska informacija je ‘pomenljiva’ v tem, da generira organizem, ki lahko preživi v okolju, za katerega je bil izbran« (ibid., 190) Maynard-Smith razume s kategorijo prilagojenosti na okolje [fitness]. Ta nam s pojmom preživetja omogoča shematizacijo odnosa med dobrimi in slabimi mutacijami ter vpliva na možnost preživetja določene vrste. Mutacijsko razliko lahko v naslednjem koraku lociramo v »molekuli DNK in [regulacijskih] proteinih [, ki] nosijo navodila ali program, za razvoj organizma« (ibid., 190). V ključnem argumentativnem koraku jih Maynard-Smith primerja s spremenljivkami funkcij genetskega algoritma ter izenači ‘končno’ vrednost enih in drugih kot optimalno za opravljanje določene adaptacijske funkcije. Dejstvo, da rezultat množičnega poskušanja z genetičnim algoritmom lahko razumemo tudi kot enkraten, domiseln zapis optimalnih vrednosti izbrane funkcije, »utemelji biološko prepričanje, da DNK vsebuje informacijo, ki jo je sprogramiral naravni izbor« (ibid., 190). Neposreden zapis informacij o optimalnih spremenljivkah zato ni potreben, saj se »nihče ne bi zmrdoval nad trditvijo, da program [, tj. rezultat genetskega algoritma] vsebuje informacije ali vsaj navodila, ki izražajo njegov namen.« (ibid., 190) »Kjer inženir vidi [inteligentni] načrt [design], biolog vidi naravni izbor.« (ibid., 177)

(William Paley je v začetku 19. stoletja vztrajal, da vsak kompleksni sistem zahteva izumitelja ali izdelovalca; če v gozdu najdem uro, ta po vsej verjetnosti ni padla z neba – kako lahko torej ateist zanika obstoj božjega oblikovalca nepopisljivo zapletene raznolikosti živih bitij? Ta pozicija se z Darwinovo teorijo naravnega izbora pokaže kot povsem nesprejemljiva. (Darwin je svojo teorijo sprva celo skrival, saj se je bal teoloških zaključkov, ki bi iz nje sledili.) Vir: wikipedia)

Čeprav ta pristop genetsko informacijo utemelji kot zapis optimalnih vrednosti izoblikovanih adaptacij, zgodovine makroevolucije ne moremo razumeti algoritmično; evolucija na splošno ni le optimizacija že izoblikovanih funkcij, ampak veliko prej proces vzpostavljanja raznolikosti novih. Maynard-Smith se te omejenosti lastnega pristopa sicer zaveda (ibid., 191f), a iz nje ne izpelje kritičnega zaključka, da– semantično razumljeno –DNK (in pristojni razvojni procesi) vsebujejo informacijo o spremenljivkah že vzpostavljene funkcije, ne pa o njeni lastni adapcijski vlogi.

Natančneje: Maynard-Smith je mnenja, da zaporedje nukleotidov skupaj s translacijskim procesom lahko vsebuje informacije o funkcionalni vlogi proteinov, saj ti – s procesom naravnega izbora mutacij – ‘iščejo’ optimalno vrednost adaptacijske funkcije. Opisano nesimetričnost ter s tem intencionalnost bioloških informacij kot genotipskih signalov utemelji z razliko med dednostjo vrednostnih mutacij funkcij in kontingentnostjo okolja v odnosu do katerega so te prilagojene. Eksperimentalno rečeno so vrednosti v genotipu konstanta, okolje spremenljivka, odnos med njima pa se izrazi s fenotipom: »pigment se izrazi v človeški koži, ko je ta izpostavljena soncu, ter varuje pred UV-žarki. Take adapcijske reakcije potrebuje genom, ki se je pod vplivom naravnega izbora razvil [evolved] v prid prilagajanja na spremenljivo okolje. Ne deduje se pigment, temveč genetski mehanizem, ki povzroči, da koža ob stiku s sončno svetlobo potemni.«[6]»pigment develops in the skin of humans exposed to strong sunlight, protecting against UV. Such adaptive responses require that the genome has evolved under natural selection to cope with a varying … Continue reading (ibid., 192) A ker je količina pigmenta – funkcija odpora na UV-žarke kot celota, tj. zmes raznovrstnih dednih in razvojnih procesov – odvisna tako od genetskih kot okoljskih faktorjev, se analogija z genetskimi algoritmi pokaže kot nezadostna. Glavno vprašanje genetske informacije se ne tiče toliko nihanj lastnosti funkcij kot informacijskega temelja funkcij. To stališče zastopa tudi Maynard-Smith, a zavozlane sheme vzročnih povezav, ki vodijo od mikroskopskih procesov do makroskopskih funkcij, v konceptualno shemo biološke informacije vključi le posredno (Maynardovo sklepanje Griffiths nekje poimenuje celo a very bad argument) ter s tem zanemari dvoumnost razvojne plastičnosti živih organizmov. Prehod od regulativnih procesov do fizioloških funkcij bomo natančneje razložili v naslednjem razdelku, kjer bomo s pomočjo razvojne biologije raziskali kavzalno interpretacijo biološke informacije.[7]Razumljene kot integrirani deli zdravega organizma so funkcije pred kakršnokoli analizo v smiselnem odnosu z okoljem in organizmom kot celoto. Torej je semantično razumljena genetska informacija, … Continue reading

Za povzetek: Maynard-Smith (2000) oblikuje t. i. teleo-sematično teorijo genetskega pomena, ki pravi, da je naivno uporabo pojma biološke informacije možno tolmačiti le s pomočjo koncepta intencionalne reprezentacije beljakovine, ki v organizmu kot celoti predstavlja faktor prilagojenosti na okolje in zato vpliva na njegovo možnost naravne selekcije. Tako bi (1) izvorni pomen neke zakodirane beljakovine izhajal iz vloge, ki jo ta igra v prilagojenosti na okolje; (2) naravna selekcija pa bi poskrbela, da se ohranijo, tj. pasivno zakodirajo, le evolucijsko smiselne mutacije. Kot glavna razloga za vzpostavitev intencionalne interpretacije dednih informacij lahko torej izpostavimo: (1) izoblikovanje razlike med dednimi in kontingentnimi (okoljskimi) dinamikami razvojnega procesa ter (2) utemeljitev smisla uporabe pojma napake pri analizi patoloških mutacij. Le s slednjo lahko namreč o nekem anomalnem nukleotidnem zaporedju – predvsem v odnosu do kopice dednih bolezni – trdimo, da je ne-smiselno, saj iznakazi izhodiščni pomen, ki ga je v genom zakodiral naravni izbor.

Kavzalna teorija

Medtem ko je za Maynarda-Smitha informacijska ekvivalentnost organizma in njegovega okolja povsem nesprejemljiv zaključek, jo teoretiki razvojnih sistemov [developmental systems theorists] razumejo kot pozitivni moment biološkega podatka. Simetričnost informacijskega odnosa med dednim zapisom in okoljem, v katerem se ta razvija, t. i. parity thesis, izhaja iz Shannonove teorije informacije. Ta matematična teorija komunikacije sistematizira odnos dveh odvisnih spremenljivk, kjer iz vrednosti ene lahko sklepamo o vrednosti druge; ker s spoznanjem prve izvemo nekoliko več tudi o drugi, za prvo pravimo, da vsebuje podatke oziroma informacijo o drugi. (Godfrey-Smith 2014, 147) Shannon komunikacijski proces nadalje razdeli na signal [signal] in kanal [channel], ki sodelujeta pri posredovanju informacij od ene k drugi spremenljivki. Na primer: po telefonu se povežemo s sogovorcem, a z njim ne vzpostavimo neposrednega stika. Motnje telefonskega signala, ki potuje po nestabilnem kanalu, lahko otežijo razumevanje informacij, ki prihajajo z druge strani. Če je informacijski odnos s sogovorcem popolnoma onemogočen, se vprašamo o motnjah signala in poskušamo najti njihov izvor; pozornost iz sogovorčevega glasu preusmerimo v preskoke telefonskega signala, iz njih sklepamo o njegovi moči in s tem spremenimo strukturo informacijskega odnosa. Med pogovorom nas je sogovorčev glas informiral o stanju svojega izvora [source], z nami pa je lahko vzpostavil stik le takrat, ko nas je kot signal, potujoč po kanalu, dosegel. Če je signal nestabilen, vlogi izvora in kanala prezrcalimo – preskoke sicer tekočega govora razumemo kot spremenljivke, ki nas informirajo o moči telefonskega signala. Sogovorčev glas tako postane kanal, po katerem ‘potuje’ signal o moči povezave. (Neresen sogovorec lahko v tej novi postavitvi s simulacijo motenj – tako kot tik pred tem nestabilnost mobilnega signala – oteži razumevanje stanja izvora motenj mobilnega signala.)

Če to apliciramo na živi sistem, »razliko med izvorom in kanalom (nekega naravnega sistema) določi opazovalec. Izvor je le eno izmed stanj kanala, s katerim opazovalec raziskuje signal. Če vse ostale dejavnike ohranimo konstantne, nam življenjski cikel lahko posreduje nekaj informacije o genih; če ohranimo konstantne gene, pa nam življenjski cikel lahko da informacije o katerikoli drugi variabli, ki smo jo spreminjali. V kavzalnem smislu je vsak dražljaj, ki vpliva na razvoj, izvor razvojnih informacij.«[8]»the source/channel distinction is imposed on a natural causal system by the observer. A source is simply one channel condition with whose current state the signal is being used to investigate. If … Continue reading (Griffiths 2001, 398)

(Metulj Araschnia levana vzorec na krilih razvije glede na svetlobo in temperaturo okolja, v katerem odrašča. Zgornji primerek ponazarja poletni vzorec, spodnji pomladnega. Vir: Morehouse et al. 2012)

Če končni fenotip razumemo kot rezultat zapletenega razvojnega procesa, intencionalni interpretaciji biološke informacije poskus vzpostavitve neoporečne ločnice med dednimi in okoljskimi vzroki spodleti.

»Mnogi zajedavci, tako vretenčarji kot nevretenčarji, se med evolucijskim razvojem zbližajo z določeno vrsto gostitelja. Temu pojavu pravimo ‘host imprinting’. Nekatere žuželke ležejo jajca na rastline, katerih liste so uživale kot ličinke. Nekateri zajedavski ščinkavci ležejo jajca v gnezda mladostnih gostiteljev. ‘Host switching’ imenujemo redke dogodke, ko ta mehanizem spodleti – mati zleže jajca na napačno rastlino ali v napačno gnezdo. Še redkeje pa se napačno zležena jajca razvijejo. Tedaj ‘imprinting mechanism’ poskrbi, da se bo nov epigenetski mutant verodostojno razmnoževal. [tak metulj leže jajčeca na vrsto rastline, na kateri je dozorel kot gosenica]« (Griffiths 2001, 340)[9]»Many parasites, both vertebrate and invertebrate, maintain associations with particular host species over evolutionary time through ‘host imprinting’. Thus, some insects lay their eggs … Continue reading

Maynard-Smith bi ugovoru nedvomno oporekal, češ da se v tem primeru ne deduje določeni gostitelj, ampak funkcija ‘host imprinting’. Ta ugovor svoj smisel ohrani, če dednemu zapisu vnaprej predpišemo primarno vlogo medgeneracijskega posredovanja funkcij. Kljub temu pa se pokaže, da gostitelj ni statični spisek razvojnih nalog, za katere zajedavčev dedni zapis vsebuje optimalne vrednosti. Gostitelj se namreč tudi sam mutacijsko ‘prilagaja’ na (bodisi mutualistično, antagonistično ali komenzalistično) interakcijo s svojim simbiontom. V tem smislu se poleg genoma deduje tudi okolje; brez slednjega in sprejemljivosti njegovih ‘ekoloških mutacij’ za simbionta bi bil govor o semantičnem temelju funkcije poljubne beljakovine nesmiseln, saj – kot je nakazano v prejšnjem razdelku – funkcija brez okolja izpuhti: organizem ne nazadnje pogine. Prav tako, kot je gen za ahondroplastijo napaka v genomskem zapisu, je nezadostna prehrana napaka v otrokovem okolju. Za pravilen razvoj so zato potrebni tako pravi geni kot tudi pravo okolje; struktura in funkcija sta popolnoma prepleteni. Še več: »mnoge lastnosti organizmove niše« se lahko pojavijo v šele kontekstu »vpliva predhodnih generacij iste vrste na lokalno okolje«[10]»Many features of an organism’s niche … “effects of previous generations of that species on the local environment.« (Griffiths 2001, 401)[11]S tem očitkom se vrnemo v prejšnji razdelek, kjer je bilo govora o razliki med funkcijo in njeno optimalno vrednostjo. Če je evolucijska funkcija kot prilagoditev na okolje nerazdružljivo zvezana … Continue reading Intencionalna informacija se zato ne more izogniti parity thesis.

Z matematično teorijo informacije se biologu ni treba omejiti na enostavno analizo adapcijskega pomena posamičnih genetičnih, razvojnih in okoljskih faktorjev, temveč se lahko poglobi v mnogotere vplive spremenljivk, ki s stabilizacijo drugih omogočijo verodostojen pretok lastnih ‘signalov’ čez relativno nespremenljivo vzpostavljene razvojne ‘kanale’. S kavzalnim razumevanjem bioloških funkcij lažje tolmačimo tudi discipline, kot sta fiziologija in anatomija. »Razvojne biologe – podobno kot fiziologe ali anatomiste – bolj zanimajo neposredne razlage (kako mehanizem deluje ob danem času) kot pa ultimativne pojasnitve (zakaj se je mehanizem razvil [evolved])«[12]»Like physiologists and anatomists, developmental biologists are primarily concerned with proximal explanations (how mechanisms work at the current time) rather than ultimate explanations (why they … Continue reading (Griffiths 2001, 403) Zdi se, da je pojem informacije v razvojni biologiji – predvsem po rehabilitaciji odnosa med razvojnim ciklom in okoljem (Gilbert 2005) – bližje kavzalni teoriji, medtem ko se semantična spogleduje s funkcionalno adaptacijo iz evolucijskih znanosti.

V naslednjem koraku bomo nasproti do sedaj izoblikovanemu razumevanju genotipskega signaliziranja fenotipa postavili nekaj prav posebnih biokemijskih značilnosti molekule DNK, ki nam bodo omogočile natančnejše razmišljanje o medgeneracijskem prenosu podatkov. (Godfrey-Smith 2016, 153) Ker se bosta prihajajoča vidika ukvarjala predvsem z vpeljavo mnogoterosti in raznolikosti posredovanih informacij, se bosta prav tako bolj kot dosedanja vidika nagibala k populacijskemu razumevanju organizmov. Morda se bo komu zazdelo, da se pravkar obdelana teorija zato tiče posamičnih organizmov in relacij, ki jih ti oblikujejo do informacijskih faktorjev zunanjih in notranjih dinamik lastne organizacije. Napotili ga bomo na zgodovinski primer eksperimentalnega sistema kavzalne interpretacije genov hox. Biologa Christiane Nüsslein-Volhard in Eric F. Wieschaus sta leta 1980 v članku Mutations Affecting Segment Number and Polarity in Drosophila klasificirala 15 genov, ki nadzirajo segmentacijo in izoblikovanje Bauplana vinske mušice. Njuni modelni organizmi se v naravi niso pojavili sami od sebe, temveč sta jih z množičnimi mutacijami in izbiro pomenljivih osebkov oblikovala raziskovalca. (Nüsslein-Volhard in Wieschaus, 1980) Čeprav bi s sodobnimi tehnologijami poskus lahko izvedli bolj ekonomično, bi znanstvena praksa kljub vsemu zahtevala primerjavo kontrolnega in mutiranega organizma, nujno potrebno za tematizacijo razlike v končnem fenotipu. Če v teoretski izpeljavi znanstvenik ne privzame genetskega redukcionizma (ta vztraja, da je končni fenotip v principu možno izpeljati iz genotipa – njegova ovržba je implicitno prisotna v tem razdelku), popolne ‘kontrolne identitete’ enega in drugega brez uvajanja strogih eksperimentalnih pogojev ni mogoče vzpostaviti. Povprečen osebek v svojem naravnem habitatu (skoraj) nikoli ni izpostavljen strogim pogojem biološkega poskusa; razvojni biolog pred seboj nima naravnega organizma, temveč praktično-teoretski konstrukt razvojnega sistema.[13]Predstavljeni problem se tiče tudi vseh biokemijskih izpeljav celičnih procesov; premisliti bi bilo treba, čemu se teoretični konstrukti, ki se razglašajo za obelodanjene teorije posamičnih … Continue reading

(Primerjava normalnih in mutiranih osebkov vinske mušice. Vir: hox zodiac)

Prenosna teorija

V nasprotju z do zdaj obdelanima teorijama se »prenosna genetika […] ukvarja s preučevanjem dednih sistemov in ne transkripcije ali translacije; ravno tako se prenos genov tiče prenosa med generacijami in ne izpeljave podatkov iz genotipa v fenotip.« (Bergstrom in Rosvall 2007, 3) Potrebna je torej preusmeritev vprašanja o informacijski vlogi DNK – ne sme nas več zanimati povezava med določenim genom in njegovim fenotipom (ali obratno), temveč genotip kot celota, ki nase prevzame vlogo signala, saj prejemniku-potomcu zmanjšuje informacijsko entropijo preživetja, v celoti.[14]Poznavalcem Schrodingerjeve teorije življenja se tukaj lahko zasvetlika pojem neg-entropije. Seveda pa se takoj postavi vprašanje, o čem vprašanje o bistvu življenja resnično sprašuje in – … Continue reading (Vidimo lahko, da je kavzalno razumevanje v debato vsililo pomembno razliko med onto- in filogenezo, ki jo kasnejša vidika s pridom izkoriščata.) Iz perspektive prenosa podatkov zato ne postavljamo semantičnih vprašanj, ki bi nukleotidnemu zaporedju pripisala pomensko lastnost; niti nas ne zanima gola kavzalna relacija med raznimi spremenljivkami. »Informacijskega inženirja zanimajo kompresija, lastnosti kanala, struktura popačenja, odvečne informacije itd. Zanima ga, kako se struktura sooča s statističnimi lastnostmi kanala, da bi lahko kar se da dobro določil način ‘zapakiranja’ podatkov za prenos.«[15]»She [informacijski inženir] is asking you to tell her about compression, channel capacity, distortion structure, redundancy, and so forth. That is, she wants to know how the structure of the code … Continue reading (ibid., 7) Informacijski prenos – recimo genetskega materiala – identificiramo takrat, ko v zakodiranem signalu, ki med seboj poveže dva procesa, prepoznamo strukturo kompresije izhodiščnih podatkov; s korespondence med genom in njegovim fenotipom smo pozornost preusmerili na strukturo prenosa informacij. »Ko govorimo o prenosnem smislu [bioloških] informacij, na tok informacij gledamo s ‘pravokotnega vidika’ – na informacijo gledamo kot na medgeneracijski pretok genetskih informacij.«[16]»But when we talk about the transmission sense of information, we step out in an orthogonal direction and we can now see information as it flows through the process of intergenerational genetic … Continue reading (ibid., 4) To pomeni, da sta potrebni specifikacija lastnosti molekule DNK kot celote in ocena njene informacijske strukture.

Bergstrom in Rosvall (2007) po Lewotinu (1992) navedeta štiri glavne značilnosti molekule DNK: »(1) zakodira lahko ogromno zaporedij in za to porabi malo prostora, (2) ta zaporedja se prepisujejo zelo enostavno, (3) [DNK je] povsem poljubno in neskončno pomensko razširljiva ter (4) strukturno zelo stabilna in vzdržljiva.«[17]»(1) encode lots of sequence information in small space, (2) be incredibly easy to replicate, (3) be arbitrarily and infinitely extensible in what it can say, and (4) be structurally very stable and … Continue reading (Bergstrom in Rosvall 2007, 4) »Pravzaprav je DNK najbolj impresivna molekula z lastnostmi (1) in (2).« (ibid.) Na tem mestu mora v debato ponovno vstopiti pojem genetskega koda: »struktura genetskega koda zgladi [smooth] mutacijske nevarnosti in zagotovi, da pogoste translacijske napake proizvedejo nadomestek s kemično sorodno aminokislino.«[18]»the genetic code is structured so as to smooth the mutational landscape and ensure that common translational errors generate amino acid replacements between chemically similar amino acids.« (ibid., 7) Še pomembnejši pa je njen prej omenjeni simbolni značaj: »To v primeru genetskega koda pomeni, da asociacije med kodoni in aminokislinami niso posledica neposrednih interakcij med specifičnim kodonom in aminokislino, temveč sta povezana s tRNK, ki bi s kodonom načeloma lahko povezala tudi katerokoli drugo aminokislino.«[19]»In the case of the genetic code this means that the association between a codon and its corresponding amino acid is not driven by the immediate steric interactions between the codon and the amino … Continue reading (ibid., 7) Genetska koda torej ni neposredno kemično vpletena v celične procese, temveč šele posredno, kot kompresija podatkov o primarni strukturi beljakovin.

(Beljakovine so neverjetno zapletene molekule, zato jih biokemiki navadno opisujejo s štirimi različnimi nivoji struktur: primarna opiše zaporedja aminokislin, sekundarna in terciarna tridimenzionalno strukturo enega zaporedja, kvartarna pa beljakovinski sistem z več podenotami. Letos je skupini programerjev uspelo razviti globoko nevronsko mrežo, s katero so hitreje in natančneje kot z navadnimi biokemijskimi eksperimentalnimi tehnikami določili terciarno strukturo izbranih aminokislinskih zaporedij. Vir: Nature)

Za primer se pomudimo pri t. i. protein gene hypothesis, ki pravi, da za makroskopski nivo bioloških pojavov vzpostavljeni biokemični mehanizem dednosti ni nujno potreben. Brez težav si lahko predstavljamo, da obstaja mehanizem posredovanja genetskih informacij, ki primarne strukture beljakovin prepisuje iz teh beljakovin in ne s pomočjo genetskega koda. (Godfrey-Smith) V takem biološkem sistemu bi lahko trdili, da se ne deduje informacija, temveč fizikalna struktura beljakovin, svet makroskopskih pojavov pa ostane nespremenjen. (ibid., 7) S prenosnega vidika biološke informacije je tak miselni poskus popolnoma nesmiseln, saj bi bila struktura beljakovin prepuščena na milost in nemilost biokemijskim procesom prepisovanja; genetski kod nasprotno omogoča smiselno ‘kompresijo’ genetskih podatkov, s katero se življenje lahko prilagodi statističnim posebnostim kanala, po katerem svojim potomcem pošilja informacije:

»V svetu genetskih beljakovin ni manevrskega prostora za strukturiranje odvečnosti [redundancy], minimizacijo popačenja [distortion] ali izvajanje katerekoli druge informacijske obdelave podatkov. V genetske kodu, zapisanem v DNK, pa poljubnost tRNK-korelacije nukleotidnih trojk z aminokislinami ponudi možnost opravljanja pravkar navedenih obdelav. Čeprav natančne dinamike evolucijskega razvoja genetskega koda ostajajo neznane, se zdi, da je naravni izbor zelo dobro izkoristil svoj optimizacijski potencial.«[20]»In the protein-genes world there are no degrees of freedom for structuring redundancy, minimizing distortion, or conducting the other optimisation activities of a communications engineer. In a … Continue reading (ibid., 7)

Kriteriji teleološke reprezentacije

Shea (2007) radikalno razmejitev onto- in filogeneze razvije še nekoliko dlje, in sicer v različna epistemološka pogleda na končno podobo organizma. (1) Ontogenetska razlaga z določitvijo kavzalnih odnosov opiše razvoj organizma korak za korakom [stage-by-stage] in nas postopoma vodi od zarodka k odraslemu organizmu, (2) filogenetska pa se ne zapleta v razvojne procese, saj dedni sistem razume kot teleo-semantična navodila za razvoj organizma. Vprašamo se recimo lahko: »Zakaj srce črpa kri? [1] Ker ima štiri prekate, urejene v pare z enosmernimi zaklopkami itd. Ali pa [2] zato, ker je to njegova evolucijska funkcija.«[21]»why does the heart pump blood? [1] Because it has four chambers, arranged in serial pairs, with one-way valves between them, etc. Or: [2] because that’s its evolutionary function.« (ibid., 318)

Pri razlagi razlike med tema vidikoma je še posebno zgovorna prispodoba z DVD-jem. Predvidevanja vsebine, zapisane na DVD-ju, se lahko lotimo tako (1) s preučevanjem fizikalnih lastnosti zapisa in njegove laserske ‘translacije’ v sliko na zaslonu kot tudi (2) s premislekom o željah tistega, ki je DVD zapekel. »Predvidevanje vedenja DVD-ja s slednjim razlagalnim pristopom zato zahteva le utemeljeno prepričanje, da je bil njegov kompleksni mehanizem oblikovan za reprodukcijo slike, ki jo je ujela kamera.«[22]»Predicting DVD behaviour from the latter stance relies only in the fact that the whole complex mechanism was designed to reproduce what camera was aimed at.« (ibid., 318) Kot smo nakazali v prejšnjem razdelku, ima dedni zapis molekule DNK poleg korelacijske informacije, ki opiše statistični odnos dveh spremenljivk (kot sta genotip in fenotip), tudi (2) informacijsko zmožnost [capacity]prenosa informacij, saj je primarna struktura beljakovin (deloma) odvisna od genetske kode, katere struktura izraža nekatere izmed najpomembnejših kompresijskih lastnosti. Glavno vprašanje, ki si ga postavlja Shea (2007) in ki nas bo vodilo v tem razdelku, je torej: »Ali je bil DNK izbran oziroma narejen za reproduciranje fenotipskih lastnosti?« Če to drži, sledi novo vprašanje: »Ali ga lahko razumemo tako z razvojnega kot tudi z evolucijskega vidika – tako onto- kot tudi filogenetsko

Preden se loti vprašanja o genetski reprezentaciji, Shea natančno eksplicira tri nivoje filogenetske razlage. V najobširnejši teleološki kategoriji lahko katerikoli biološki funkciji pripišemo faktor, ki vpliva na možnost preživetja in razmnoževanja določenega organizma. Shea te lastnosti poimenuje (1) teleofunkcije [teleofunction]. Podmnožica teleofunkcij, ki vsebuje elemente z izrazitim dednim momentom, imenuje (2) izbirne lastnosti [selectional properties], najožji nabor funkcij, ki se ne dedujejo le same, temveč služijo tudi kot sistemi, ki dedne lastnosti vzpostavljajo, pa (3) sistemi dednosti [inheritance system].

Prvi točki lahko pripišemo razlago srca, ki ga teleološko razume kot organ, katerega funkcija je črpanje krvi. Srce s svojo (partikularno) strukturo in posledično zmožnostjo opravljanja teleofunkcije vpliva na možnost preživetja organizma, ki ga poseduje. Prav tako lahko tej prvi točki prištejemo potrebo po zadostnem okolju, v katerem se organizem razvija. Shea kot primera okoljske teleofunkcije navede recimo primerno lokacijo z zadostno svetlobo za razvoj nove rastline (ibid., 321) in prisotnost morfoloških faktorjev, ki jih zarodek Drosophila prejme od svoje mame in so potrebni za pravilno diferenciacijo (ibid., 322). Kavzalno razumevanje bioloških informacij sicer izpostavi njihov neizmerni razvojni pomen, a iz njih vsekakor ne more narediti izbirnih lastnosti, saj le redko vzpostavljajo fenotipsko variabilnost, ki bi naravnemu izboru ponujala plastičnost lastnosti, med katerimi bi izbiral – predvsem pa ne tako, ki bi se poleg tega še dedovala.

»Zatorej četudi je organizmov odnos do okoljskih sredstev nepogrešljiv za razvoj in evolucijo organizma, ta še ne omogoča pojavitve izbirnih lastnosti, saj niso sedež [locus] lastne dedne variabilnosti (vsaj če je okoljsko sredstvo nepogrešljivo in dotična variabilnost smrtna).«[23]»Therefore, although an organism’s relationship to a background resource may be necessary to the development and evolution of the organism, it does not give rise to selectional properties, since … Continue reading (ibid.)

V primeru morfoloških faktorjev, ki vplivajo na razvoj zarodka Drosophila, se torej izbirna lastnosti ne pojavi, saj se kljub plastičnosti nastalih fenotipskih značilnosti proces njihove vzpostavitve ne deduje na podlagi delovanja morfoloških faktorjev. (ibid.) Situacija se spremeni v trenutku, ko v razlago vpletemo gene: mutacija, ki bi razliko v izločanju faktorjev dedno podprla, bi v smislu teleofunkcij vzpostavila polje razlik prilagojenosti na okolje, prav tako pa bi omogočila prenos modifikacije v naslednjo generacijo. (ibid.) Brez dedne podlage se izbor teleofunkcij z naslednjo generacijo razprši; geni pa omogočijo nekakšno trdnost naravnega izbora izbirnih lastnosti in kljub razvojni zapletenosti, ki lahko močno presega individualni razvojni cikel, omogočijo filogenetski pogled, ki to zapletenost zanemari.

Vpeljava pojma izbirne lastnosti omogoči nov način pojmovanja genov. Tem se ni treba ravnati po kavzalni interpretaciji, ki bi jih eksperimentalno povezala s fenotipskimi značilnostmi, saj lahko v želji po oblikovanju filogenetske razlage v določenih primerih zanemarimo kompleksnost razvojnih mehanizmov, ki te značilnosti sicer proizvedejo. Če torej obstaja trdna korelacija med genom in fenotipom (kar pomeni, da relevantna dedna variabilnost vzpostavlja svoj lastni ‘sedež dednosti’), lahko gen, ki je sprva sicer deloval kot element ontogenetske razlage, razumemo kot genetski označevalec izbrane lastnosti; s tem se iz ontogenetske razlage premaknemo v filogenetsko, saj gen razumemo, kot da poseduje neko semantično predstavo o svoji izbirni lastnosti, kot da znanstveniku priča o tej lastnosti.

Zato lahko gene razdelimo na napovedujoče [predictive] (gen P) in razvojne [developmental] (gen D). Relacijo med genoma P in D najlažje razumemo iz prej uporabljenega razlikovanja med filogenezo in ontogenezo: gen D deluje kot element razvojne razlage, gen P pa kot element razlage semantične reprezentacije neke izbrane lastnosti. (ibid., 320) Z razliko med tema pristopoma k razumevanju gena lahko zelo lepo razlikujemo način opredeljevanja genetske bolezni: po eni strani lahko mutirani gen razumemo kot element ontogenetske razlage patološke spremembe v fiziologiji – torej gen D, po drugi pa ga lahko okličemo za napoved (bodočih) simptomov – torej gen P. S to razliko pride do izraza dvojnost razumevanja dednega zapisa, ki se ravna po tipu razlage določenega biološkega pojava. Znameniti primer srpastocelične anemije je mogoče razumeti kot pokvarjen mehanizem ali kot specifično adaptacijo, ki se je v določenem okolju pokazala kot koristna. Pomembno je, da se zavedamo neodvisnosti omenjenih pristopov, saj bi lahko tudi ob nepoznavanju razvojnih mehanizmov ob opredelitvi napovedujočega gena in raziskavi njegove prisotnosti v določeni populaciji organizmov o njegovi izbirni lastnosti nekaj izvedeli. Nukleotidno zaporedje, ki srpastocelični anemiji služi kot gen P, bi torej omogočilo oblikovanje skupin, s primerjavo katerih bi lahko o pomenu te zelo specifične adaptacije – kljub ignoranci do natančnih fizioloških mehanizmov – nekaj izvedeli.

A molekula DNK, v kateri najdemo gen P, ne omogoči le njegove enostavne prisotnosti, temveč služi kot sistem vzpostavljanja raznolikih, posamičnih nukleotidnih zaporedij. V tem smislu ima nekakšno metafunkcijo vzdrževanja izbirnih lastnosti in se zato odločno razlikuje od velike večine drugih fizioloških sistemov, recimo celične membrane. Znano je, da novonastala celica vse organele prejme od svoje prednice; med temi je tudi celična membrana, ki je celica ne bi mogla sintetizirati brez starševske ‘predloge’. »Lahko se zgodi, da je struktura celične membrane dedna in da je ta struktura tudi sedež svoje lastne dednosti; vendar ni zelo verjetno, da imajo membranske strukture metafunkcijo izdelovanja dednih membranskih tipov. Če to drži, so celične membrane izbirne lastnosti in ne sistemi dednosti.«[24]It may turn out that cell membranes structure is heritable, and that cell membrane structures are themselves the basis of that heritability; but it is less likely that membranes have the … Continue reading (ibid., 323) Molekula DNK zato sprva služi kot (1) izbirna lastnost dednosti v celoti, nato pa v opravljanju te dedne teleofunkcije (2) oblikuje vrsto variabilnih podenot, ki jim pravimo geni. (ibid.) Shea (1) izbirno lastnost, ki znotraj sebe omogoči tvorbo (2) dodatnih izbirnih lastnosti (kot podenot), imenuje sistem dednosti.

Šele na podlagi pojma sistema dednosti Shea oblikuje svojo razlago pomenske interpretacije dednega zapisa, saj lahko le z njim utemelji prepričanje, da je bil kompleksni genetski mehanizem izbran za opravljanje naloge posredovanja drugostopenjskih izbirnih lastnosti. Molekula DNK namreč vzpostavi tok informacij od izdelovalca do prejemnika, ki si podatke podajata z informacijsko fleksibilnim posrednikom. »Zarodkovo DNK izdelajo mehanizmi reprodukcije in deluje kot posrednik. Prejme jo razvojni sistem – celični mehanizmi in okoljski faktorji – ki ustvari nov organizem z vsemi fenotipskimi lastnostmi, ki jih premore.«[25]»The DNA in the zygote is produced by the mechanism of reproduction and acts as an intermediate. It is consumed by a developmental system – cellular machinery and environmental factors – to give … Continue reading (ibid., 325) A tok informacij ni posredovanje podatkov, ki bi obstajali sami zase; za njegovo vzpostavitev smo potrebovali sistem dednosti, s katerim je genetska komunikacija sploh postala mogoča. Povsem filogenetska razlaga podenot, tj. genov, pa je smiselna le, če je bil    sistem dednosti izbran za vzdrževanje njihove dedne variabilnosti. V tem smislu je bil DNK izbran za posredovanje informacij o prilagojenosti na okolje, v katerem se je znašel organizem neke določene vrste. DNK torej prenaša informacije o okolju, v katerega je bil – podobno kot v prej omenjenem primeru kamera – uperjen razvojni sistem organizma.

Zaključek

V prispevku smo preučili zgodovino molekularnega gena in štiri nedavne premisleke o njegovi vlogi v epistemologiji biologije; z zadnjim se je razjasnila večplastna struktura dednega zapisa, ki smo jo poimenovali sistem dednosti [inheritance system]. Ta je omogočil jasnost kavzalnega razumevanja genetske informacije na eni (gen D) ter pomensko bogastvo njenih semantičnih vpletenosti v okolje naravnega izbora na drugi strani (gen P). Z radikalno razliko med filogenetsko in ontogenetsko razlago lahko zato za zaključek skiciramo odnos med razvojnim in evolucijskim biologom, ki do organizma pristopata iz dveh različnih perspektiv: medtem ko prvega zanima kavzalna relacija med mnogoterimi eksperimentalnimi spremenljivkami, se drugi posveča predvsem naboru genetskih lastnosti, ki nam z zastrtjem zapletenih razvojnih mehanizmov lahko nekaj povedo o evoluciji populacije večjega števila posameznih organizmov. Obema pa manjka tisto, kar presega eksperimentalne omejitve črne škatle kavzalnih razmerij, po drugi strani pa ni zvedljivo na vrednost v morju populacijske genetike; tisto, kar se še ni pustilo ujeti eksperimentalni modelaciji ali statistični redukciji na evolucijsko relevantne lastnosti. Manjka jima torej življenje posameznega organizma, ki v sebi (morda) skriva novo kavzalno relacijo, ki bo (morda) služila kot nepredvidljiva evolucijska adaptacija. Ne nazadnje želimo prebrati njegov dedni zapis.

***

Za pomoč pri redčenju pregostih misli bi se rad zahvalil lektorici Marti Anžlovar ter recenzentom Evi Ilič, Mihu Fleretu in Timoteju Prosenu.

Bibliografija

Bergstrom, C. T. and Rosvall, M. 2010. »The Transmission Sense of Information.« V Biology and Philosophy 26: 159–76.

Crick, F. 1958. »On Protein Synthesis.« Symposia of the Society for Experimental Biology 12: 138–63.

———. 1970. »Central Dogma of Molecular Biology.« Nature 227: 561–63. Cummins, R. 1975. Functional Analysis. Journal of Philosophy 72: 741–65.

Gilbert, S. F. 2002. »The genome in its ecological context.« V Annals of the New York Academy of Science 981: 202-18.

Gilbert, S. F. 2005. »Mechanisms for the environmental regulation of gene expression: Ecological aspects of animal development.« V Journal of Biosciences 30(1): 65-74.

Godfrey-Smith, P. 2014. Philosophy of Biology. Princeton: Princeton University Press.

Griffiths, P. E. 2001. »Genetic Information: A Metaphor in Search of a Theory.« V Philosophy of Science 68: 394–412.

Maynard Smith, J. 2000. »The Concept of Information in Biology.« Philosophy of Science 67: 177–94.

Morehouse, N., Mandon, N., Christidès, J.-P., Body, M., Bimbard, G., Casas, J. 2012. »Seasonal selection and resource dynamics in a seasonally polyphenic butterfly.« Journal of evolutionary biology. 26(1): 175-185.

Nüsslein-Volhard, C. in Wieschaus, E. 1980. »Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila.« Nature. 287 (5785): 795–801.

Polo Camacho, M. 2019. »The Central Dogma Is Empirically Inadequate … No Matter How We Slice It.« V Philosophy, Theory, and Practice in Biology

Rheinberger, H-J in Muller-Wille, S. 2017. From Genetics to Postgenomics. Chicago: Chicago University Press.

Shea, N. 2007. »Representation in the Genome, and in Other Inheritance Systems.« Biology and Philosophy 22: 313–31.

References

1 “There is only the perpetual execution of a programme that cannot be dissociated from its fulfilment. The only elements that can interpret the genetic message are the products of the message itself. […] There is thus no longer a cause for reproduction, simply a cycle of events in which the role of each constituent is dependent on the others.”
2 Na tem mestu naj omenimo, da so v zgodnjih letih raziskovanja molekularnega gena tega razumeli bolj kot magnetni trak in ne kot zapis računalniškega programa. (Quammen 2018, 52f
3 »Replication, that is, the transmission aspect of heredity, turns out to be a complex molecular process that bears little resemblance to the model, codified in Mendel’s rules, of mutable, but otherwise stable elements that are transmitted independently from each other and invariably induce specific phenotypic effects. The agility of the genome in the sense of a versatile “cache” of genetic resources goes far beyond the exchange of genetic material during meiosis and germ cell formation. It furnishes an inexhaustible reservoir of developmental plasticity and evolution driven by a complex molecular machinery of movable DNA elements, polymerases, gyrases, DNA-binding proteins, repair mechanisms, and more.« (Rheinberger 2017, 72
4 »[Genes] figure prominently because they provide highly successful entry points for investigation. The success of gene-centrism, according to this view, is not ontologically, but first and foremost epistemologically and pragmatically grounded.« (ibid., 118
5 Z vprašanjem, kaj nam genetski kod pove, prvič jasno izstopi konceptualna zmeda med organizmom-realizatorjem, ki genetsko informacijo po-deduje in znanstvenikom-opazovalcem, ki jo poskuša raz-umeti. To dihotomijo – za katero bi lahko trdili, da se izrisuje iz struktur filogeneza-ontogeneza, vrsta-posameznik – bomo v zaključku izpostavili kot ključni pojmovni problem vprašanja o genetski informaciji. Koga se torej tiče genetska informacija – opazovalca, ki iz nje predvideva, ali organizma, ki jo realizira? Kdo komu (ali morda: kaj čemu) napoveduje vreme?
6 »pigment develops in the skin of humans exposed to strong sunlight, protecting against UV. Such adaptive responses require that the genome has evolved under natural selection to cope with a varying environment. What is inherited is not the dark pigment itself, but the genetic mechanism causing it to appear in response to sunlight.«
7 Razumljene kot integrirani deli zdravega organizma so funkcije pred kakršnokoli analizo v smiselnem odnosu z okoljem in organizmom kot celoto. Torej je semantično razumljena genetska informacija, ki se osredotoča predvsem na nihanja funkcij, le informacija o kvantitativni spremembi izhodiščne adaptacije organizma na okolje; na primer napačno nukleotidno zaporedje, ki nam zelo jasno govori o modifikaciji osnovne funkcije. Pozitivne genetske informacije o bistvu funkcije pa iz semantičnega gena ne moremo izpeljati.
8 »the source/channel distinction is imposed on a natural causal system by the observer. A source is simply one channel condition with whose current state the signal is being used to investigate. If all other resources are held constant, a life cycle can give us information about the genes, but if the genes are held constant, a life cycle can give us information about whichever other resource we decided to vary. So far as causal information goes, every resource whose state affects development is a source of developmental information.«
9 »Many parasites, both vertebrate and invertebrate, maintain associations with particular host species over evolutionary time through ‘host imprinting’. Thus, some insects lay their eggs on the plant whose leaves they tasted as larvae. Some parasitic finches lay their eggs in the nest of the host species which they imprinted on as chicks. ‘Host switching’ occurs on the rare occasions when this mechanism malfunctions and the mother lays her eggs on the wrong plant or in the wrong nest. On the still more rare occasions when these misplaced eggs flourish, the imprinting mechanism will ensure that this new epigenetic mutant form reliably reproduces itself.«
10 »Many features of an organism’s niche … “effects of previous generations of that species on the local environment.«
11 S tem očitkom se vrnemo v prejšnji razdelek, kjer je bilo govora o razliki med funkcijo in njeno optimalno vrednostjo. Če je evolucijska funkcija kot prilagoditev na okolje nerazdružljivo zvezana z mestom organizma v ekosistemu, lahko v primeru konstrukcije niš na vprašanje o vzpostavitvi funkcije odgovorimo z vpletanjem epigenetskih dejavnikov. Če se problema lotimo zgolj teoretično (in odmislimo empirično adekvatnost), bi lahko rekli, da se funkcija pomensko deduje z okoljem, njene vrednosti pa z genomom; z drugimi besedami: funkcija bi skrbela za evolucijsko konstantnost spremenljivk organizma. Torej bi ekološka niša dedovala funkcijski pomen beljakovine, genom pa bi predstavljal le eno izmed fluktuacij realizacije ‘bistva’ adapcijske funkcije. Trditev, da se dedujejo funkcije, ne pa njihove posamične fenotipske lastnosti, bi seveda zvenela prav tako nesmiselno kot izhodiščno prepričanje o dedovanju pomenljivih bioloških informacij.
12 »Like physiologists and anatomists, developmental biologists are primarily concerned with proximal explanations (how mechanisms work at the current time) rather than ultimate explanations (why they evolved).«
13 Predstavljeni problem se tiče tudi vseh biokemijskih izpeljav celičnih procesov; premisliti bi bilo treba, čemu se teoretični konstrukti, ki se razglašajo za obelodanjene teorije posamičnih organizmov, v resnici približujejo.
14 Poznavalcem Schrodingerjeve teorije življenja se tukaj lahko zasvetlika pojem neg-entropije. Seveda pa se takoj postavi vprašanje, o čem vprašanje o bistvu življenja resnično sprašuje in – če se informacija prenaša iz roda v rod – ali medgeneracijsko razumevanje posamičnega bitja omogoča pojem, ki ga označi kot živega.
15 »She [informacijski inženir] is asking you to tell her about compression, channel capacity, distortion structure, redundancy, and so forth. That is, she wants to know how the structure of the code reflects the statistical properties of the channel, with respect to the decision problem of effectively packaging information for transport.«
16 »But when we talk about the transmission sense of information, we step out in an orthogonal direction and we can now see information as it flows through the process of intergenerational genetic transmission.«
17 »(1) encode lots of sequence information in small space, (2) be incredibly easy to replicate, (3) be arbitrarily and infinitely extensible in what it can say, and (4) be structurally very stable and inert.«
18 »the genetic code is structured so as to smooth the mutational landscape and ensure that common translational errors generate amino acid replacements between chemically similar amino acids.«
19 »In the case of the genetic code this means that the association between a codon and its corresponding amino acid is not driven by the immediate steric interactions between the codon and the amino acid, but instead is mediated by an extensive tRNA structure that in principle could have coupled this codon to any other amino acid instead.«
20 »In the protein-genes world there are no degrees of freedom for structuring redundancy, minimizing distortion, or conducting the other optimisation activities of a communications engineer. In a DNA-based code, the chemically arbitrary assignments of nucleotide triplets to amino acids via tRNA offer the degrees of freedom to do all of the above. While the precise dynamics of code evolution remain unknown, it appears that natural selection has put these degrees of freedom to good use.«
21 »why does the heart pump blood? [1] Because it has four chambers, arranged in serial pairs, with one-way valves between them, etc. Or: [2] because that’s its evolutionary function.«
22 »Predicting DVD behaviour from the latter stance relies only in the fact that the whole complex mechanism was designed to reproduce what camera was aimed at.«
23 »Therefore, although an organism’s relationship to a background resource may be necessary to the development and evolution of the organism, it does not give rise to selectional properties, since it is not a locus of heritable variation (at least, not when the background resource is necessary and relevant variation is fatal).«
24 It may turn out that cell membranes structure is heritable, and that cell membrane structures are themselves the basis of that heritability; but it is less likely that membranes have the meta-function of producing heritable membrane types. If that is right, then cell membranes would have selectional properties without being an inheritance system.
25 »The DNA in the zygote is produced by the mechanism of reproduction and acts as an intermediate. It is consumed by a developmental system – cellular machinery and environmental factors – to give rise to a new organism, with all its phenotypic traits.«