интернет магазин игрушек для творчества

Информационный взгляд
на эпигенетическую теорию эволюции.

 

Открытая переписка с Дмитрием Шабановым

 

Дмитрий Андреевич!

 

Ваши последние колонки в "Компьютерре" по поводу ЭТЭ заставили меня крепко задуматься. Настолько, что мои соображения, начатые было как ответ на форуме, вылились вот в этот, довольно пространный текст, вряд ли подходящий для форумной дискуссии.

Я прочёл рекомендованных вами авторов. Хотя не буду утверждать, что внимательно вчитывался в каждое слово, но общие принципы, как мне кажется, понял. Тем не менее, прежде всего, нужно, видимо, изложить моё видение принципов СТЭ и ЭТЭ: возможно, я просто что-то неправильно понимаю.

Итак, по СТЭ, фенотип не наследуется. Отталкиваясь от генотипа, фенотип может существенно варьировать под воздействием специфичных на данный момент условий онтогенеза, но эти вариации в следующее поколение не будут переданы. Допускается, что особенности цитоплазмы материнской яйцеклетки, в том числе - приобретённые в ходе онтогенеза матери, могут как-то повлиять на онтогенез потомков, но это влияние полагается незначительным, неспецифичным, и не идущим далее одного поколения. Во всяком случае - мне неизвестны случаи твёрдо установленного влияния каких-то конкретных свойств цитоплазмы яйцеклетки (химизм, структура) на конкретику фенотипа. В следующее поколение передаются лишь вариации (мутации, и т.д.) генотипа зародышевой линии клеток организма.

По ЭТЭ, некоторые особенности фенотипа (а именно - степень и направление отклонения его от "нормы реакции", определяемой генотипом), могут передаваться в следующее поколение. То есть, фактически наследоваться; причём сначала некими "надгенетическими" (эпи- то есть) механизмами, не изменяющими собственно генетический код, и каким-то таким особым образом, позволяющим не тревожить дух Жана Батиста Ламарка всуе. Далее, если отклонение от "генотипической нормы" будет повторяться в последующих поколениях, то оно закрепится и в генотипе. Фактически, постулируется наличие некоей "оперативной" наследственности, не затрагивающей сразу основного генетического кода ("стратегической" наследственности), но могущей, тем не менее, передаваться в, по крайней мере, одно-два следующих поколения.

Проблема видится в конкретных механизмах такого эпигенетического наследования. Вы утверждали, что для ЭТЭ такая контретика не важна; мне это удивительно. Ведь если не предложить такого, сколько-то убедительного, механизма, то вся теория повисает в воздухе.

Какими могут быть эти механизмы? Проще всего у одноклеточных, размножающихся сугубым делением: там фенотип наследуется "самим собой" - да и то не вполне. Но если идти через зиготу, то свойства потомка могут быть унаследованы только двумя путями - через свойства яйцеклетки (и почти исключительно - её цитоплазмы), либо через генетический материал. Однако цитоплазма у зиготы исключительно материнская! Уже одно это заставляет задуматься - ведь в ЭТЭ нет (по крайней мере - я не заметил) акцента на надгенетическое наследование по материнской линии.

Кроме того, если для генов более-менее (хотя бы в принципе) ясно, как изменение структуры ДНК может отразиться на развитии каких-то признаков у потомка, то аналогичные данные по цитоплазме очень скудны и неубедительны.

По генетическому эпи-наследованию ясности чуть больше. Например, существует так называемое "метилирование ДНК". Оно действительно не затрагивает основного генетического кода, влияя, тем не менее, на активность генов, и соответственно - фенотип. И может, вроде бы, производиться "в рабочем порядке", что теоретически открывает возможность оперативно реагировать на текущую обстановку.

Лично меня смущает тот факт, что в геноме млекопитающих метилирована бОльшая часть CG-пар нуклеотидов, что сильно снижает возможность передачи уникальной информации через метилирование, а также непонятность механизма перекодирования оперативно записанных "заметок" на "скрижали" основного кода, ну да ладно.

Рассмотрим вопрос шире - точки зрения информатики вообще.

Известно, что геном любого многоклеточного существа, в информационном смысле, удивительно компактен. 10 Мб (и даже 700) никак не могут содержать достаточной информации о построении организма "с нуля". Впрочем, "с нуля" ни один организм не строится - он строится на базе уже существующей и функционирующей клетки. Это есть величайшее благо - ведь крайне важную и обширную информацию о том, "как построить с нуля клетку из подручных материалов и вдохнуть в неё жизнь" можно по наследству не передавать, ограничась некоторыми рабочими чертежами. Вернее - передавать, но не информацию, а так сказать, натуру. Но положение со скудностью генома этот факт не слишком спасает. Слишком уж сложными бывают организмы.

Докинз (да и не только он) выходит из положения тем, что предостерегает от уподобления генома чертежу, и рекомендует уподоблять его кулинарному рецепту. Это верно, да, но чудес не бывает. Как ни крути, а геном должен содержать достаточную информацию о построении организма, как ты её ни назови - чертежом, рецептом, или как-то иначе.

Чем, в информационном смысле, чертёж отличается от рецепта?

Очевидно, упакованностью. Чертёж сразу показывает будущее изделие; из рецепта это, вообще говоря, не видно. Его надо сначала "исполнить", т.е. проделать предписанные последовательности действий, а затем уже можно увидеть, что получилось. Точно то же самое происходит в компьютерных программах архивации-разархивации. Содержимое архива следует полностью обработать, и лишь затем потребная информация будет доступна. Более того - даже сама схема работы компьютерного архиватора имеет много общего с исполнением кулинарного рецепта, и далее - с развитием организма из зиготы!

В рецепте может быть записано: возьмите столько-то муки, масла, сахара, соли, и проделайте над ними то-то и то-то. В рецептах обычно не разъясняется, что такое мука, что такое сахар и как их получить из исходных материалов - и это очень большая экономия в объёме информации! То же самое мы имеем и с зиготой - исходная клетка уже есть, и в "объяснениях" она не нуждается.

Но в кулинарной книге также могут содержаться рецепты кремов, маринадов, и соусов, которые в объяснениях всё-таки нуждаются, и эти объяснения там есть. Однако, как правило, лишь однажды. Далее, в различных рецептах может содержаться лишь ссылка на тот или иной соус или маринад.

Последний подход является основным при работе классических компьютерных архиваторов. По мере обработки исходного файла составляется так называемый "словарь", содержащий наиболее часто встречающиеся комбинации байтов, а архив уже содержит только номера позиций в этом словаре. Понятно, что глядя на содержимое архива, мы решительно ничего не можем сказать про исходную информацию: только полная распаковка, и тогда...

Если архиватор однопроходный (а таковых абсолютное большинство), то состав этого словаря будет неодинаковым для различных частей файла: какие-то словарные статьи могут стать ненужными, и подвергнутся "апоптозу", какие-то будут добавляться, чтобы, возможно, тоже исчезнуть позже.

Сходство с развитием эмбриона очевидно: в ходе эмбриогенеза тоже порождаются многие временные структуры и среды, которые используются как исходный материал для дальнейших шагов, которые могут подвергнуться апоптозу по исчерпании необходимости в них. Всё это - компактность, многостадийность, и прочее, позволяет говорить о "заархивированности" генома многоклеточных.

Чем ещё сходен компьютерный архив с геномом?

Спецификой внесения изменений в целевую информацию. Непосредственно в архив нельзя внести таких изменений, чтобы осмысленно и целенаправленно изменилась целевая информация. Это касается не только универсальных архиваторов, но и всех прочих способов упаковки информации - например, в JPEG-картинки. Чтобы отредактировать JPEG-картинку, её нужно полностью распаковать, переведя в форму "чертежа" (т.н. Bitmap), внести изменения в этот "чертёж", а затем запаковать снова в JPEG. Графические редакторы проделывают это автоматически, поэтому не все пользователи об этом догадываются; тем не менее, это так, и именно поэтому при многостадийной работе с изображением не рекомендуется сохранять промежуточные стадии в JPEG, так как JPEG - это архивация "с потерями", и потери усиливаются на каждой стадии.

Но для генома не существует процедуры "запаковки"! Клетки - предшественницы гамет обособляются на достаточно ранней стадии эмбриогенеза, и их геном не содержит ничего, сколько-то отличного от генома зиготы. Не известно механизма, который бы "сканировал" текущее состояние организма, и "упаковывал" бы его в генетический код - метилированный или нет, причём, в клетки зародышевой линии.

Ах, да, метилирование. Оно действительно может происходить позже, но в каком именно месте? Ну, конечно, если очень-очень сильно подумать, прогнать имитационную модель на компьютере, проделать прочие высокосложные вычисления, то, пожалуй, место указать можно. Но вы уверены, что это по силам организму, скажем, коловратки?

Самое для нас ценное в этой аналогии состоит в том, что мы можем очень легко проделать соответствующие эксперименты. Не над геномом (это дорого и сильно канительно), а над компьютерным архивом. Для этого всего лишь потребуется редактор файлов, который может редактировать непосредственно байты в файле, не пытаясь их как-то интерпретировать. Я, например, воспользовался редактором, встроенным в FAR-менеджер, но можно воспользоваться любым другим.

К сожалению, универсальные архиваторы, типа RAR, очень строго контролируют целостность своих архивов, поэтому любая попытка впрямую исказить какие-то байты вызовет нарушение контрольной суммы, и отказу от работы с этим архивом.

Демократичнее в этом отношении JPEG-картинки; в них такие "мутации" вносить уже можно. И хотя их принцип действия сильнее отличается от генетического, попытки внесения "мутаций" вызывают гораздо более "биологический" эффект. А именно - большинство "мутаций" будут нейтральными, или почти нейтральными, однако изредка будут наблюдаться катастрофические искажения изображения. Причём, даже если изменения будут незначительны (но явны), будет невозможно заранее предсказать, что именно и как изменится. Чистоту эксперимента, правда, портит тот факт, что JPEG картинка состоит из регулярного массива квадратов 8х8 пикселей (и предсказать место с точностью до этой площадки нетрудно), но в этом будет своя эстетическая прелесть.

Попробуйте - это не трудно. И показательно! Если, конечно, согласиться с тем, что параллели с геномом корректны.

 

Анатолий Протопопов

 

Ответ Анатолию Протопопову

 

Дорогой Анатолий Ильич!

 

Простите за задержку с ответом: у меня конец года и сумасшедший дом. В любом случае, я рад, что Вы стали размышлять об ЭТЭ. А вот с результатом этих размышлений я во многих отношениях не согласен.

Фенотип не наследуется ни по СТЭ, ни по ЭТЭ. Наследуется (в соответствии с обеими теориями) система управления развитием, способная обеспечивать формирование определенного фенотипа. Разница в другом.

Для СТЭ эта система управления развитием - генотип, причем полагается, что отдельные гены имеют отдельные отражения в фенотипе. Влияния среды, которые влияют на фенотип, оказываются, с этой точки зрения, помехами, которые снижают эффективность отбора.

Для ЭТЭ система управления развитием включает не только генотип, но и еще пучок факторов (моя версия их списка есть в колонке). Мозаично описать его эффекты в большинстве случаев невозможно.

Сказав, что фенотип не наследуется ни по СТЭ, ни по ЭТЭ, я намеренно упустил одну деталь. Паттерн генной активности, который обеспечил успех родительской особи (успех, заключающийся в том самом факте, что у нее появились потомки!) может передаваться ее потомкам. Это связано с эпигенетической наследственностью. На самом деле, "эпигенетический" в этом случае - термин, не связанный с названием ЭТЭ. Этот феномен (обнаруженный экспериментально) не является ни частью СТЭ, ни частью ЭТЭ, но значительно лучше согласуется именно с ЭТЭ (для СТЭ это просто помеха, снижающая эффективность отбора).

Перекодируется ли эпигенетическая разметка ДНК в последовательность нуклеотидов - неизвестно. Я предполагаю, что такой механизм вероятен. Фактически, этот вопрос - часть разговора об эффективности отбора согласно ЭТЭ.

Ваша аналогия архиватора и генетической программы представляется мне принципиально ошибочной именно с информационной точки зрения. При разворачивании архива нет неопределенности. Колмогоровская сложность (т.е. сложность алгоритма, порождающего наблюдаемую последовательность) архивированной и развернутой информации одна и та же. Никаких степеней свободы у извлекаемой информации...

В случае онтогенеза - все совсем иначе. Развитие - цепь выборов, которые являются непредсказуемыми. При этом происходит действительное увеличение количества информации, в т.ч. и с точки зрения ее колмогоровской сложности. Тут реализуется именно базовый механизм возникновения новой информации: случайный выбор и запоминание его последствий.

Эксперименты с клонами показали, что генотип при фиксированных условиях развития задает не фенотип, а лишь распределение вероятностей разных состояний фенотипа.

Вы знаете о дискуссии префомистов и эпигенетиков в XVII-XVIII веках? Преформисты считали индивидуальное развитие лишь "разворачиванием" того, что было свернуто в половых клетках. Эпигенетики настаивали, что в ходе развития происходит новообразование. Каспар Фридрих Вольф доказал, что при развитии появляются структуры, которые ранее не существовали, фактически это было подтверждено и последующими исследованиями.

Так вот, СТЭ - это современный преформизм, который находит соответствия свойствам организма в том, что он получил с половыми клетками (генами). ЭТЭ - эпигенетика.

В заключение хочу особо порекомендовать удивительно ясную и убедительную статью Шишкина 2010 года, которую я недавно выложил на сайте. Я ее читал раньше, но текст потерял, и к моменту написания колонок обо ЭТЭ ее в моем распоряжении не было. К счастью, Михаил Александрович прислал мне ее заново, как и статью 2012 года. Теперь, когда они лежат на Батрахосе, они, как я надеюсь, уже не потеряются ни для меня, ни для людей, с которыми я готов обсуждать эти идеи.

Буду рад продолжению нашего разговора.

С глубоким уважением, Д.Ш.

 

Ответ Анатолия Протопопова

 

Дмитрий Андреевич!

 

Поздравляю с наступающим Новым Годом, желаю всяческих успехов как вам лично, так и всей вашей стране, переживающей нелёгкие времена.

Спасибо вам за ваш ответ.

Я прочёл, и довольно внимательно, обе рекомендованные вами статьи Михаила Шишкина.

Приведённые там примеры, в основном, убедительны. Но в чём они убеждают? Пока только в том, что общепринятая теория эволюции может исчерпывающе объяснить не всё. По крайней мере - пока. Предлагаемые же в рамках ЭТЭ альтернативные объяснения лично у меня оставляют весьма сложные ощущения. С одной стороны - они вроде бы объясняют. С другой - они делают это на весьма абстрактном уровне, практически не предлагая никаких конкретных механизмов реализации эпигенетического наследования "паттерна генной активности". В то же время, отсутствие рациональных объяснений (механизмов) волей-неволей подводит к ощущению, что где-то как-то тут подразумеваются (или не исключаются) механизмы иррациональные. Разумеется, я, упаси боже, не подозреваю видных учёных в осознаной вере в сверхъестественные силы, хотя на уровне "фрейдовских оговорок" исключить этого не могу.

Это ощущение усиливается достаточно частым (и, я бы сказал - не сдерживаемым) упоминанием таких понятий, как "цель", "целеполагание", "целенаправленность" без должно-чётких оговорок насчёт их метафоричности в данном контексте. Я в последнее время стараюсь таких понятий избегать, или по-возможности однозначно оговаривать, что здесь-де Не имеется в виду "цель" как часть некоего Замысла, но "цель" как фактический итог деятельности. И даже то, что из текстов Шишкина вполне ясно следует, что под "целью" здесь имеется в виду "устойчивая взрослая норма", не избавляет от ощущения, что где-то тут витает Тот, кто "мысли и дела все знает наперёд ©". Пусть даже эти "мысли" и ограничиваются адаптированием к изменившимся условиям. Лично мне это не нравится, и, думаю, не может понравится ни одному здравомыслящему эволюционисту.

Поймите меня правильно: я не обвиняю ни вас, ни Михаила Александровича, ни иного сторонника ЭТЭ в латентной вере в сверхъестественное, я просто хочу показать, что приводимая система доказательств такое ощущение действительно вызывает.

Для СТЭ эта система управления развитием - генотип, причем полагается, что отдельные гены имеют отдельные отражения в фенотипе.
Ну зачем же так утрировать? Термину "плейотропия", если не ошибаюсь, в обед будет сто лет. Да и сам Шишкин пишет, что современные версии СТЭ так давно не считают. И метафора компьютерного архива вполне согласуется с идеей, что "всё влияет на всё".
Ваша аналогия архиватора и генетической программы представляется мне принципиально ошибочной именно с информационной точки зрения. При разворачивании архива нет неопределенности. Колмогоровская сложность (т.е. сложность алгоритма, порождающего наблюдаемую последовательность) архивированной и развернутой информации одна и та же. Никаких степеней свободы у извлекаемой информации...
Архиваторы бывают разные. Есть - точные: RAR, ZIP, и так далее, есть - неточные. Последние обычно не называются архиваторами, ибо архивация в них осуществляется неявно. Например, уже упомянутый формат рисунков JPEG, форматы потоковых данных семейства MPEG, и так далее. Упаковка в такие форматы принципиально не позволяет достичь побитовой точности - ведь она предполагает разложение функции изменения уровня чего-то в ряд Фурье, и запись в итоговый файл лишь начальных коэффициентов ряда. Я тут сильно упрощаю, но надеюсь, куртуазные компьютерщики меня простят. За счёт отбрасывания старших гармоник данные хорошо сжимаются, но искажения оказываются приемлемыми. Тем не менее - воспроизведение этого файла разными программами даёт несколько разный результат. При работе с трансцедентными функциями это неизбежно. Совсем как в нашем онтогенезе.

Тем не менее, даже данные, извлечённые из "точного" архива могут быть далее вовлечены в обработку, предполагающую какую-то стохастичность, поэтому метафора вполне пригодна даже в этом случае. Но даже и это не главное. Главное - то, что компьютерный архив являет собой пример системы, в которую невозможно - или крайне затруднительно внести такие изменения, чтобы получить "заказанный" результат в распакованной информации.

В случае онтогенеза - все совсем иначе. Развитие - цепь выборов, которые являются непредсказуемыми. При этом происходит действительное увеличение количества информации, в т.ч. и с точки зрения ее колмогоровской сложности. Тут реализуется именно базовый механизм возникновения новой информации: случайный выбор и запоминание его последствий.

Это вы действительно про онтогенез? Если да, то это очень сильное утверждение!

При истинно случайном выборе путей в точках бифрукации увеличения сложности (количества информации) произойти не может! Чтобы количество информации нарастало, нужно, чтобы выбор был Неслучаен. В ходе эволюции неслучайность выбора обуславливается дифференцированным выживанием и репродукцией тех или иных вариантов пути, поэтому это высказывание применительно к эволюции абсолютно корректно. Но представим себе развитие эмбриона находящегося под каким-то нетипичным давлением среды. Чтобы сложность нарастала, нужно, чтобы это давление среды влияло на выбор путей (при эмбриогенезе!) в точках бифрукаций, причём неким целенаправленным образом - так, чтобы выбранный путь был бы более адекватным ответом на это нетипичное давление. Лично мне здесь опять почудилось незримое присутствие Его...

Меня заинтересовал эксперимент с получением четырёхкрылых мух под воздействием повышенной температуры; хотелось бы узнать кое-какие подробности. Особенно - про организацию контрольных групп. Были ли среди них группы, находящиеся под сопоставимым (в смысле темпов мутагенеза) давлением факторов среды, но не вызывающим конкретно этого искажения развития? Насколько быстрее у экспериментальной группы закрепилась (т.е. стала наблюдаться без воздействия температуры) данная особенность в сравнении с контрольными? Можно ли полагать четырёхкрылось адаптацией к высокой температуре?

 

Искренне Ваш,

Анатолий Протопопов

 

Ответ Анатолию Протопопову

 

Дорогой Анатолий Ильич!

 

Вас тоже с наступающим Новым годом!

Я сейчас Вам подробно не отвечу, а просто перенесу Ваш ответ и к себе на сайт. Думаю, что отвечу уже в 2014 году.

Но одну вещь напишу сразу.

Чтобы количество информации нарастало, нужно, чтобы выбор был Неслучаен.

Это - ошибка, и, думаю, Вам станет это совершенно ясно, если Вы об этом просто хорошо подумаете. Оцените количество информации о положении дробинки, которая только выкатилась в начальную позицию системы ветвящихся долин (или аппарат Гальтона, если хотите), и той, которая докатилась до последней позиции. Что самое интересное, если выборы неслучайны, количество информации не возрастает (итог предопределен в начальной точке), а если случайны - неизбежно растет.

Подробнее - потом.

Всего доброго Вам и Вашим близким в Новом году!

 

Ответ Анатолия Протопопова

 

Дмитрий Андреевич!

 

Видимо, нужно уточнить понятия. Что такое случайный выбор? Что такое неслучайный выбор? Тождественен ли неслучайный выбор отсутствию выбора (или детерминированному выбору)?.

Вот буквы русского алфавита. Сейчас их 33, стало быть, каждую можно полагать содержащей 1/33 бит информации; впрочем, точное число для нас роли не играет. Что будет, если мы, компьютер, влекомый генератором случайных чисел, или всеми нами любимая мартышка-графоманка будут осуществлять истинно случайный выбор букв? Очевидно, получится галиматья, асимптотически, и весьма быстро, приближающаяся к "белому шуму" в информационном смысле. Такое "сообщение", вернее - совокупность букв, будет содержать меньше информации, чем отдельно взятая буква.

А теперь рассмотрим другую совокупность букв, несомненно блистательную:

    Уж небо осенью дышало
    Уж реже солнышко блистало
    Короче становился день
    Лесов таинственная сень
    С печальным шумом обнажалась
    Ложился на поля туман
    Гусей крикливых караван
    Тянулся к югу...

Очевидно, что фактически здесь информации на несколько порядков больше, чем может представить себе некий инопланетянин, просто просуммировав инфомационное содержание каждой буквы.

Почему?

Потому, что выбор тех или иных букв был неслучаен. Я тоже выбрал этот отрывок неслучайно: во-первых, он гениален, и мне очень нравится, а главное - неслучайность выбора буквочек Творцом была обусловлена некими факторами окружающей среды - совсем как в нашем онтогенезе!

Какие ещё могут быть варианты в смысле случайности?

Выбор может быть детерминированным настолько, что это уже не будет выбор. Такой "выбор" производил я, когда впечатывал сюда этот отрывок, выступая в роли машинистки-копировщицы. Это действительно неслучайный выбор, и вы правы - инфомация при таком выборе не нарастала. Она даже уменьшалась, так как я приводил этот стих по памяти, и внёс несколько "мутаций", так как совершенно не помню, как здесь нужно расставлять знаки препинания.

Может ли при таком детерминированном "выборе" произойти увеличение информации, содержащейся в этом сообщении? Теоретически - да, ведь "мутация" может случайно улучшить творение великого Мастера. Вероятность этого, в моём исполнении, исчезающе мала, но не равна строгому нулю. В исполнении, скажем, Есенина, вероятность улучшения будет несколько выше, но эти улучшения уже не будут иметь право называться случайными мутациями при детерминированном копировании! Это снова будет неслучайный выбор, обусловленный факторами внешней среды, при посредничестве Творца! Пусть и чуть менее великого...

Разумеется, этот Творец может быть коллективным: скажем, совокупность читателей, могущих предпочесть (или нет) мутировавший вариант, и обеспечив тем самым, некую "эволюцию"; но это будёт всё-таки, вариант СТЭ. Неким вольным подобием эпигенетического формирования этого "организма" - я имею в виду приведённый отрывок, ибо он обладает явной целостностью, можно представить себе какую-то вариацию на тему Википедии: внешняя среда, в лице участников этого проекта, вносит какие-то изменения в этот "организм"; нет, лучше, "эмбрион", и информация, в нём содержащаяся, действительно нарастает. Вплоть до, возможно, масштабов эпоса.

Но этот поток правок отнюдь не будет "белым шумом"! Это "цветной шум" с весьма высоким показателем цветности - ведь редакторы, хоть и не обладают талантами Пушкина, тем не менее, достаточно разумны. Джимми Уэйлс - само собой, да и вики-движок, хоть это и компьютерная программа, тоже не совсем дурак (так скажем).

Может быть, вы предложите иные аналогии и метафоры?

 

Искренне Ваш,

Анатолий Протопопов

23.01.14