16 октомври 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Хората и животните са машини. А може би не?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 29 септември 2018 в 00:0149850

В учебниците по биология често живите организми са сравнявани с машини. Гените са описвани като преносители на информация или чертежи за конструирането на организма, а клетките като "фабрики" с молекулярни машини, поточни линии и транспортни системи. Макар и това да са просто аналогии, според философа Масимо Пиглучи (Massimo Pigliucci) те могат да попречат на адекватното разбиране на биологията от ученици и изследователи.

Вселената като джобен часовник

Когато учените се впуснат в непознати води, за тях е естествено да се обърнат към преживяванията си в по-близки области, за да осмислят явленията. В ранните дни на научната революция механичните метафори се оказали мощно средство за разбирането на новите открития за света на живите организми и вселената като цяло. Можем да проследим корените на машинните метафори поне до Средните векове, когато новите технологични постижения имали обширно културно влияние и пленили въображението на масите. Не е изненадващо, че на фона на техническата иновация пионерите в анатомията и физиологията започнали да разчитат на метафората за тялото като сложна машина, за да осмислят откритията си. Езикът на механиката предоставил богатство на значенията и им позволил да структурират новите явления в рамките на познатото. Образът на човешкото сърце като помпа с ясно обособени компоненти например изиграл важна роля в откритията на Уилям Харви за кръвообращението.

Илюстрация на кръвоносната система от "De motu cordis" на Уилям Харви

През 17-ти век станала популярна една нова философия на природата, която разглеждала вселената изцяло в механични термини. Според тази механична философия, разработена от Рене Декарт, Пиер Гасенди, Робърт Бойл и други, природните явления може да бъдат разбирани изцяло като механичните взаимодействия на инертна по същността си материя. Тази механизация на природата дала силен тласък на научната революция, чиято кулминация била теорията на Нютон за движението. Описанията на Нютон за планетарни орбити, следващи фиксирани гравитационни закони, придало на вселената образа на гигантски часовников механизъм, задвижен от интелигентна Първа причина. Всъщност по точно такъв начин Нютон разбирал вселената и отношението й спрямо Създателя. За Нютон и мнозина от съвременниците му, ценността на механичната концепция за природата всъщност била доста по-голяма, отколкото терминът "метафора" подсказва, тъй като развитието на механичната философия било силно вдъхновено от религиозни възгледи. Самото прилагане на машинни метафори приканвало към теологични спорове.

През втората половина на 17-ти век механичните картини на живите организми и космоса положили основата на интелектуална традиция, където теологията и науката станали дълбоко свързани: природната теология. Най-известният представител на тази традиция бил Уилям Пейли, чиято работа "Природна теология, към доказателствата за съществуването и атрибутите на Бог, събрани от природните явления" оказала силно въздействие върху младия Чарлз Дарвин. Както става ясно от заглавието на книгата, Пейли и природните теолози избрали да гледат на природата като сложно съчетание от колелца, където всеки организъм има своето точно място и е адаптиран към средата си. Според Пейли приспособеността и полезността на частите, която демонстрирали живите организми, доказвали разумността и благоразумието на техния Създател. Т. нар. дизайнерски аргумент, разбира се, е бил обсъждан от мнозина други преди него, сред които Платон, Цицерон и Тома Аквински, но най-популярната му формулировка се намира в първата глава на Природната теология, където Пейли сравнява живите организми с джобен часовник.

Картата не е територията

Инженерният подход в биологията, основаващ се на аналогии с произведени от човека обекти, е същевременно в разрез с една различна традиция във философията и биологията (която иронично има също връзка с дебатите за интелигентния дизайн). Дейвид Хюм първи предупреждава за аналогиите между света (и особено живите същества) и продуктите на интелигентното инженерство. Според Хюм вселената наподобява доста повече някакво животно или растение. Ето как неговият герой Фило разгръща аналогията:

"Продължителното движение на материята (във вселената) не създава безпорядък; при износването си, всяка част непрестанно се поправя: най-близката симпатия се възприема през цялата система. И всяка част или член, докато изпълнява своите задачи, действа така, че да съхрани както себе си, така и по-голямата цялост. Следователно по този начин стигам до заключението, че светът е едно животно."

По-нататък Фило продължава да размишлява, че светът дори повече прилича на растение и че би могъл да се появи чрез процес, сходен на репродукцията или вегетацията. Въпреки че тук все още остава въпросът какво е започнало процеса на вегетацията, вниманието на Хюм основно е насочено към ограниченията на аналогичното мислене: ако изкараме на преден план някои особености на света, но пренебрегнем други, можем да си измислим всякакви аналогии. "По такива въпроси като настоящия, сто противоречиви мнения може да съхранят една несъвършена аналогия и изобретателността може да се прояви в своята пълнота". Ако една аналогия не е съвършена, всякакви заключения, които се прехвърлят от източника (изкуствения предмет) към целта (организмите), остават съмнителни.

Няколко века по-късно, въпреки сериозния напредък, който биологията осъществява, учените продължават да представят машинния образ не като полезна, макар и повърхностна, аналогия, а като основен и детайлно разгърнат принцип на организация. В своя статия, посветена на бъдещето на молекулярната биология, Брус Албертс пише, че:

"На клетката може да се гледа като фабрика, съдържаща сложна мрежа от взаимносвързани поточни линии, всяка съставена от множество протеинови машини... Защо наричаме големите протеинови ансамбли, насочващи клетъчното функциониране, машини? Именно защото като машините, изобретени от хората, за да се справят ефикасно с макроскопичния свят, протеиновите ансамбли съдържат добре координирани помежду си подвижни части. При положение, че протеиновите машини са толкова разпространени в биологията, трябва сериозно да се замислим за възможността за сравнителен анализ на познатите ни машини, с цел да ги класифицираме в типове и да изведем общи принципи за бъдещи анализи. Някои методологии, разработени от инженерите за обикновените машини, може да се окажат полезни в случая."

Съвременните еволюционни биолози, следващи идеите на адаптационизма, пък анализират всякакви видове биологични системи, включително човешкия мозък, като приемат, че ценни и забележими техни особености са "създадени" от естествения отбор, за да разрешат някакъв проблем на адаптацията към средата — също както инженер би решил задача за дизайн с предварително поставена цел. Школата на еволюционните психолози от Санта Барбара например описва човешкия ум като "швейцарско ножче", оборудвано с определен брой независими модули, всеки еволюирал с адаптивна цел и според някаква функция, която е изпълнявал през Плейстоцена или други моменти от еволюционната история на човешкия вид.

Тук се открива и един от основните принципи на адаптационизма, а именно обратното инженерство. Когато искаме да разберем функцията на някакъв непознат предмет, ние се опитваме да "влезнем" в ума на неговия създател. За да различим умишлените от случайните особености, от нас се очаква да отгатнем каква функция прави съществуването на устройството обосновано. Ако дизайнерът е имал ясна цел и е действал рационално, с малко външни ограничения, тази стратегия обикновено ще бъде успешна. Тя обаче ще бъде по-малко успешна, ако дизайнерът се е справил зле или ако е бил силно ограничен заради използваните материали и грешките на други дизайнери преди него. Както Даниъл Денет признава: "ако използващият обратното инженерство не може да приеме, че има добра причина за особеностите, които вижда, то не може дори да започне анализа."

Не може да се отрече, че машинните метафори дават доста добра отправна точка за осмислянето на биологичните структури, но тогава какъв е проблемът с прилагането им? В своето изследване Баудри и Пиглучи обсъждат три ограничения.

Съвършенство с подръчни материали

Дори когато естественият отбор успява да изработи органи с "истинско съвършенство", които работят много добре в случая на някакъв адаптивен проблем, начинът по който еволюцията постига това, може да не прилича на нищо, което един разумен дизайнер би измислил. Еволюцията се оказва късогледа и некадърна. Тя не може да се върне обратно на чертожната дъска и да започне отначало, както може да направи инженерът. Не само че е силно ограничена от материалите под ръка, но и действа така, че да увеличи справянето с близката среда, срещу местните съперници, вместо да се стреми към някакъв общ стандарт на оптималност. Еволюцията по-скоро ще се опита да използва и измени вече развитите структури, което в края на краищата води до мрежа от взаимносвързани и частично излишни части. Решения, които са опортюнистични, тромави и зле изпълнени.

Да вземем за пример един често посочван случай на адаптация — окото при бозайниците. Бозайническото око притежава безспорно красива структура и още преди Уилям Пейли хората се удивлявали на начина, по който очните мускули и лещите постигат фокус, а зениците се разширяват и свиват според интензивността на светлината. Различните му части са така изящно разположени, че да осъществят с лекота възприятието на дълбочина и цветово разсейване. И все пак, ако се вгледаме по-внимателно, ще установим някои очевидни прояви на тромав и нескопосан дизайн. Според Стивън Пинкър природата не прощава "нехайното инженерство", защото е въоръжена с "червени зъби и нокти", но това твърдение всъщност не се подкрепя от фактите. Сляпото петно, което имаме на ретината, може да се отдаде на елементарен и лесен за предотвратяване пропуск в дизайна. В същото време очите на октоподите са избегнали в еволюцията си този проблем.

Прочутият физиолог от 19 век Херман Хелмхолц пише, че окото е пълно с пропуски в дизайна, сред които сляпото петно, астигматизма (проблем с фокусирането на всички линии на даден обект), цветовото разсейване (проблем с фокусирането на всички цветове), несъвършената прозрачност на роговицата, сянката на вените ни и пр., и пр. Ако някакъв инженер му прати такъв дизайн, твърди Хелмхолц, ще го върне веднага с "цветисти изрази за допуснатото безхаберие":

"Защото окото притежава всеки възможен дефект, който може да се открие в оптичен инструмент, и дори някои специфични за него. Те са до такава степен компенсирани, че неяснотата на образа от присъствието им много малко надхвърля, при обичайно ниво на осветление, ограниченията пред деликатността на сензорната стимулация заради измеренията на конусите в ретината..."

А какво да кажем за ларингсовия нерв при жирафите, който прави четириметрова обиколка по шията, минава през аортата и тръгва отново да се издига нагоре? Дори отдаден адаптационист като Ричард Докинс признава, че получил просветление, докато наблюдавал дисекция на жираф:

"Не само че един дизайнер никога не би допуснал грешка като тази обиколка на нерва; един приличен дизайнер никога не би си позволил бъркотията от артерии, вени, нерви, вътрешности, мастни и мускулни тъкани, мезентерии и пр., наподобяваща някакъв лабиринт."

Друг ярък пример за "съвършенство с подръчни материали" може да се открие в устройството на пустинния гущер aspidoscelis uniparens. Някога в този вид съжителствали мъжки и женски екземпляри, които се размножавали сексуално. Поради някаква причина днес видът се състои само от женски екземпляри, размножаващи се асексуално чрез партеногенеза (поява на организъм от неоплодена яйцеклетка). Въпреки асексуалното си размножаване, овулацията при тях все още се повлиява от ритуали по ухажване и сношение, наподобяващи тези при сексуално размножаващите се роднини от aspidoscelis. През сезона за размножаване всяка женска имитира мъжки екземпляр, като всеки партньор от двойката сменя ролята си по два-три пъти през сезона. Те показват ту "женствено" поведение, когато нивата на хормона естрадиол станат високи, ту "мъжествено", когато нивата на прогестерон се увеличат. Изолираните от "любовната игра" гущери, от друга страна, снасят много по-малко яйца от останалите.

Ритуали по сношение при aspidoscelis uniparens. Източник: Scientific American.

Биологичните структури са изтъкани от много недостатъци и странности. Но именно заради тях дадена структура може да се окаже доста устойчива на вреди и смущения. Някои изследвания например показват, че мозъкът на хора, загубили зрението си, започва да свързва неврони от зрителната система към останалите системи и увеличава по този начин техния капацитет. От друга страна, ако в обикновена машина настъпи някъде повреда, цялата машина може да спре да работи.

Разбира ли еволюцията от математика?

Когато хвърлим топка високо във въздуха и я хванем отново, ние действаме сякаш сме решили набор от диференциални уравнения, с които сме предсказали траекторията на топката. Може и никога да не сме чували за диференциално уравнение, но това не повлиява на способността ни да хванем топката. В подсъзнанието ни се случва нещо, наподобяващо математически изчисления — предположил Ричард Докинс навремето, преди да получи просветлението с дисекцията на жирафа.

Идеята, че естественият подбор е способен да реши "непроницаеми физични проблеми", по думите на Стивън Пинкър, макар и да има зрънце истина, е всъщност подвеждаща. Лемурите не пресмятат дробни изрази, за да определят нивото на алтруизъм спрямо близките си (дори несъзнателно), нито птиците използват тригонометрични функции, за да стигнат до гнездата си, както и кучетата не изготвят параболични модели на траекторията на летящата топка. Нервните системи на тези животни всъщност използват учудващо прости насоки, които външно приличат на решения на заплетени инженерни проблеми.

Експерименти например показват, че хората (и кучетата) прилагат измамно проста евристика (трик), за да хванат топката: погледът остава фиксиран върху топката и скоростта на бягане се променя така, че ъгълът с топката да остане постоянен. Когато следвате тази проста евристика, ще се озовете с лекота на мястото, където топката ще се приземи. Бейзболните играчи не се справят с предсказването на пътя на топката, когато не тичат към нея. Но знаят как да стигнат до нея, когато тръгне да се приземява. Това не е много изненадващо, тъй като изчисляването на траекторията на една топка е сложна задача: трябва да се вземе под внимание изначалната скорост, ъгъл, посока, въртене, а освен това въздушните струи и разстоянието от играча.

Наивните метафори, извлечени от инженерството, може да ни заблудят, че когато някакво постижение на еволюцията успее да впечатли инженер, то се дължи задължително на инженерни принципи, които са толкова сложни математически, колкото прилаганите от хората. Но това не е така.

Гени като чертежи

Едно опасно развитие на инженерните метафори се открива именно в генетиката. Метафората за генома като чертожна схема, по която организмът се изгражда, създава впечатлението, че има проста и линейна връзка между генотипа и фенотипа. Така би подходил един инженер при конструирането на някакъв предмет. Чертожната схема на машината се очаква да бъде достатъчно ясна и подробна, за да може инженерът в случай на проблем да подмени някаква част, без да компрометира цялото устройство.

На практика обаче при живите организми такова просто съответствие е по-скоро изключение и е наблюдавано едва само в няколко случая — адаптивните последователности, които описват еволюцията на РНК молекулите и на някои функции при протеините. Но дори в такива елементарни случаи има достатъчно излишък и нелинейност, така че на изследователите да остане като единствена възможност да проучват съотношенията (кривата на математическата функция) между генотипа и фенотипа експериментално. Проблемът е, че поне в близкото бъдеще, такова експериментално очертаване изглежда възможно само за някои елементарни случаи и при организми с много просто устройство — като например червея C. elegans. Когато става въпрос за организми със сложно устройство, особено такива с гъвкави пътища в развитието, всички възможности отпадат.

Но трудността не е само в сложността на организма, но и в натрупалия се през еволюционната му история излишък, както и в разнопосочното влияние на гените (т. нар. плеиотропия и епистаза).

Според някои изследователи голяма част от архитектурата на генома може да се припише на случайни (стохастични) явления, а не на отбор от средата. Поддръжниците на интелигентния дизайн често биват подведени от невероятната сложност на животинската клетка, която се забелязва под микроскопа, и приписват някаква функция на части, които се оказват излишни, имат същата функция като други части или са напълно безполезни.

Креационистите на практика подкрепят крайния адаптационизъм, като твърдят, че всяка част е важно и незаменимо колелце от часовниковия механизъм. Не е изненадващо, че проповедниците на интелигентния дизайн обичат да цитират метафорите на някои съвременни биолози в подкрепа на своите възгледи. Един промоционален клип с обиколка на клетката, направен от института Discovery, например описва клетката като върхово постижение на наноинженерството, а биохимичните процеси като насочвани от "молекулярни машини" и "нанопроцесори", "устройства за разпознаване на информацията" и "механични поточни линии".

Иронично е, че докато биолозите преследват идеята за обратното инженерство, софтуерните инженери все повече се обръщат към биологичните системи като източник на вдъхновение за работата си. Всичко започва преди няколко десетилетия с идеята за т. нар. генетичен алгоритъм, при който процесите на мутация, рекомбинация и селекция се прилагат при създаването на програми, които иначе са твърде сложни за написване от човешки програмисти. Наскоро софтуерните инженери разшириха обсега на вдъхновението си, като се обърнаха от популационната генетика към биологията на развитието. Т. нар. "изкуствено развитие" (artificial development) се прилага за решаването на сложни изчислителни проблеми, като прякото генетично кодиране бива заменено с непряко "развитийно кодиране".

Развитийното кодиране позволява да се конструират електронни вериги чрез два процеса, които се срещат в биологичните системи. Изчисленията протичат чрез фаза на сигнализиране, където информацията се предава локално в дадена верига. Тя се допълва от фаза на експресия, където отделните компоненти (клетки) на веригата приемат определени функции според вида на сигнала в предишната фаза (грубо наподобява адаптивната клетъчна памет при живите организми). Прякото генетично кодиране е ограничено от това, че дължината на генетичната последователност се увеличава заедно със сложността на фенотипа, което в края на краищата води до прекалено удължен геном и системни сривове. С развитийното кодиране, от друга страна, еволюиращата система може да приложи малък брой генетични инструкции за получаването на разнообразни фенотипни форми, тъй като тези форми се появяват от взаимодействията между частите на системата и от взаимодействията на системата със средата. Получената нелинейна зависимост между генотипа и фенотипа силно наподобява тези при действителните живи организми и води до по-гъвкави и по-малко крехки системи.

Въпреки че метафорите и аналогиите са незаменими инструменти за опознаването на реалността, в някои специализирани области обектът на изследването може да се окаже толкова отдалечен от ежедневните ни преживявания, че аналогиите ни по-скоро да навредят, отколкото помогнат за осмислянето му.

Или както Лудвиг Витгенщайн отбелязва: "Философията е битка срещу омагьосването на нашия разум чрез средствата на езика, който използваме".


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Биология
Хроника на гладния бунт
26 август 2018 в 00:01
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.