Может ли биолог починить радиоприемник?

[Снег Север]

Может ли биолог починить радиоприемник?

...Так как парадокс проявлялся в различных областях биологии, я подумал, что он может отражать какую-то фундаментальную ошибку в том, как биологи решают научные проблемы.

Чтобы понять в чём эта ошибка, я решил последовать совету моего школьного учителя математики Василия Анисимовича Пузыни, который советовал проверять подходы на задачах, у которых есть известные решения. Чтобы абстрагироваться от особенностей биологических экспериментальных систем, я решил найти задачу, которая бы содержала достаточно сложную, но в то же самое время хорошо характеризованную систему.

В конечном счёте, я вспомнил о старом транзисторном приёмнике, который моя жена привезла из России (рис. 1). В целом, приёмник работает так же, как системы передачи сигнала в клетке, преобразуя сигнал из одной формы в другую (приёмник преобразует электромагнитные волны в звуковые). В моём приёмнике около ста компонентов, резисторов, конденсаторов и транзисторов, что соответствует числу молекул в достаточно сложном клеточном пути передачи сигнала. Я стал затем представлять, как биологи будут выяснять, почему мой приемник не работает и как они попробуют его починить. Так как большинство биологов игнорирует физику, я решил, что всё, что мы знаем о приёмнике, - это то, что это ящик, который должен играть музыку.

С чего мы начнём? Сначала мы заручимся финансовой поддержкой, чтобы купить большое количество одинаковых работающих приёмников и сравнить их с тем, который сломан. После нескольких попыток мы научимся вскрывать приёмники и найдем там объекты разной формы, размера и цвета (рис. 2). Мы опишем и классифицируем их в семейства на основе их внешнего вида. Мы опишем семейство металлических прямоугольных объектов, семейство ярких круглых объектов с двумя ножками, семейство цилиндрических объектов с тремя ножками и так далее. Так как объекты окрашены в разные цвета, мы будем изучать влияние смены цвета на качество звука. Хотя перекраска объектов будет иметь слабый эффект (музыка слышна, но тренированное ухо некоторых исследователей заметит некоторые искажения), этот подход произведет много публикаций и приведет к оживленным дискуссиям.

Более успешным подходом станет экстрагирование компонентов приёмника, либо выборочно по одному, либо расстреливая работающие приёмники с близкого расстояния дробью. В последнем случае, расстрелянные приёмники, которые прекратили работать (приёмники с фенотипом), используются, чтобы опознать компонент, разрушение которого привело к фенотипу.

Хотя удаление некоторых компонентов будет иметь минимальный эффект, удачливый молодой исследователь случайно найдет проводок, чье отсутствие приведёт к полному прекращению музыки. Торжествующий исследователь назовет этот проводок Случайно Открытый Компонент (СОК) и затем выяснит, что СОК необходим как связь между длинным выдвигаемым объектом и остальными частями приёмника. Этот объект будет конечно назван Самый Важный Компонент (СВК). Ряд работ установит, что СВК должен быть сделан из металла и что качество звука прямо пропорционально длине СВК, что даст эволюционное объяснение тому, что СВК может выдвигаться.

Радость, вызванная этим открытием, однако, будет прервана настойчивым аспирантом из другой лаборатории, который найдёт ещё один объект, который необходим для работы приемника. К радости открывателя, и к недоумению видных ученых, успешно изучающих СВК, новый объект будет сделан из графита и его длина не будет значительно влиять на качество звука. Более того, аспирант докажет, что СВК не нужен для работы приёмника и, соответственно, назовёт открытый им предмет Действительно Важный Компонент (ДВК). Горячие дискуссии о том, что важнее, СВК или ДВК, будут дополнительно подогреты наблюдением, что одни приёмники требуют СВК, тогда как другие, с виду идентичные, ДВК. Борьба двух школ, поклонников СВК и приверженцев ДВК, будет продолжаться, пока один умный молодой человек не откроет переключатель, чьё положение определяет, какой компонент приёмник использует, СВК или ДВК. Естественно, что переключатель будет назван Безусловно Самый Важный Компонент (БСВК). Воодушевленные этими значительными открытиями, одна армия биологов применит подход экстрагирования ко всем и каждому компоненту приёмника. Другая армия возьмется разламывать приёмники на маленькие кусочки и описывать компоненты, находящиеся в каждом из них, таким образом получая информацию о взаимодействии между компонентами. Идея о том, что функцию каждого компонента можно изучать, перерезая его соединения с другими компонентами, как по одиночке или в сочетании (alanine scan mutagenesis), предоставит неоценимую информацию о роли этих соединений.

В конечном счете, все компоненты будут занесены в каталоги, соединения между компонентами будет детально описаны, и последствия экстрагирования каждого компонента, как по отдельности, так и в совокупности с другими, будут документированы. На этом этапе придёт время задать вопрос, который до того был задвинут оживленной и продуктивной деятельностью на задний план: А сможет ли информация, которую мы собрали, помочь нам отремонтировать приемник? В некоторых случаях, как это окажется, ответ будет положительный. Например, мы можем найти, что цилиндрический объект окрашен в красный цвет в работающих приёмниках, но кажется обугленным и пахнет горелой краской в сломанном приёмнике (рис. 2, вставка, компонент указанный как "мишень"). Замена обгоревшего компонента красным компонентом из работающего радио скорее всего починит наш приёмник.

Успех этого подхода объясняет мантру фармацевтической промышленности, которая гласит "Найдите мне мишень!". Эта мантра отражает веру в чудодейственное лекарство, что, в свою очередь, подразумевает существование чудесной мишени, чья неполадка приводит к болезни, которая должна быть вылечена.

Однако, если у приёмника есть настраиваемые компоненты, имеющиеся и у моего приёмника (указаны стрелками на рис. 2), и у всех живых организмов, результат будет не такой обнадёживающий. И вправду, приёмник может не работать потому, что несколько компонентов не настроены как следует, что не отразилось ни на их внешности, ни на их соединениях с другими компонентами. В этом случае, какова вероятность того, что наш приёмник может быть отремонтирован биологами? Может, я избыточно пессимистичен, но книжный пример обезьяны, которая, в принципе, может сидя за компьютером напечатать поэму Бёрнса, кажется достаточно уместным. Иначе говоря, приёмник будет молчать, пока счастливый случай не встретит подготовленный ум.

[Снег Север]

В дополнение - понимают ли биологи, что такое "ген"?

...Если меня спросить, что такое ген, то я немного невнятно помычу, закатывая глаза, почешу затылок, а потом скажу что-то вроде, что ген - это «комплекс причинно-следственных молекулярных событий, где определенный участок дезоксирибонуклеиновой кислоты играет ключевую роль». Но это моя личная интерпретация.

Немного истории.

Освежим то, что мы уже знаем. В классической генетике ген - абстрактное понятие, единица наследования, которая передает какие-то качества от родителя к ребенку. Биохимия добавила в эту картину первую конкретику: эти качества связаны с ферментами или белками, по одному на каждый ген. А с приходом молекулярной биологии, гены окончательно воплотились в материальную субстанцию - последовательность ДНК, которая при конвертировании в информационную РНК может быть использована в качестве основы для создания белков. Длинные спиральные молекулы ДНК хромосом представлялись как длинные нити, на которые «нанизаны» последовательности генов словно бисер. Эта стройная картина все еще существует в умах многих молекулярщиков, хотя и с целым рядом поправок к центральной догме молекулярной биологии. Не то, чтобы никто не интересовался, что такое ген на самом деле. Просто зачастую чисто технически такого представления вполне достаточно, чтобы выделить дискретный участок ДНК, который кодирует какой-то ген, который можно расшифровать, переписать в РНК, а затем в белок. Держим в голове самую простую схему ДНК - РНК – белок- признак. Это одна из возможных схем, но пока и ее достаточно, чтобы понять, что с геном все не так просто. Отсюда мы сейчас начнем плясать.


Если в геноме совсем нет участка ДНК, кодирующего какой-то продукт, то тут мы с уверенностью можем утверждать, что гена тоже нет. Это, пожалуй, единственное, в чем мы можем быть уверенными на сто процентов.

...Если есть участок ДНК, который считывается в виде РНК, на которой может синтезироваться белок, это уже ген или нет? Вопросы начинаются уже с момента считывания РНК. Я ранее об этом писала, напомню еще раз. Перед геном как правило всегда есть последовательность, которую называют промотором. На ней расположен целый ряд регуляторных последовательностей, на которые садится молекулярная машина считки РНК.

Проверяем гипотезу. Берем последовательность ДНК, в которой «записан» конечный продукт и переносим ее в другой геном. Если промотора у нее нет, то она «не включится», не будет считки РНК, соответственно, конечного продукта также не будет. Получается ситуация – участок, кодирующий белок у нас есть, а продукта нет. Для клетки и целого организма эта ситуация рассматривается как отсутствие признака. Следовательно, ген это не только кодирующая последовательность, но и промотор – кнопка, ее «включающая».

...Допустим, теперь у нас есть ДНК, состоящая как минимум из двух частей – кодирующей продукт и промотора. Это ген? Чтобы проверить гипотезу, промутируем в промоторе ряд важных регуляторных последовательностей так, чтобы их НЕ узнавала та самая транскрипционная машина. В результате синтеза РНК опять не происходит, белка нет. Для организма это опять ситуация равная «отсутствию признака». Таким образом, важно те только, чтобы физически присутствовала кодирующая последовательность и промотор, важно также, чтобы в промоторе все регулирующие элементы были в полном здравии.

...Поэтому, для примера, следующая ситуация. Берем участок ДНК, с кодирующей частью и промотором-кнопкой в целости и сохранности (мы думаем, что это уже наконец ген, который кодирует белок и кодирует какой-то признак) и переносим в геном каких-то клеток. Для лучшего понимания немного упростим ситуацию. Допустим, что ген из растений, а мы переносим его в геном клеток кожи, которые растут на питательной среде. Вы не сильно удивитесь, если узнаете, что может случиться так, что там ген не «включится»? Наиболее вероятное объяснение такое, что в животных клетках транскрипционная машина не узнает растительные регуляторные последовательности. Для животных клеток это ситуация отсутствия гена и отсутствие его продукта, следовательно, отсутствие признака.

...Таким образом, чтобы заработал один ген в конкретный момент времени, в конкретном месте в организме надо, чтобы перед этим там включились другие гены и подготовили все к его включению. От чего это зависит? Именно в этом месте в эту эпическую картину мы добавляем самого ключевого игрока – внешнюю и внутренюю среду.

Синтез, локализация и работа факторов транскрипции часто регулируется принятием молекулярных сигналов извне. Например, в клетку поступил сигнал - атака патогена или гормон. Он воспринимается какими-то рецепторами на поверхности клетки (которые тоже гены). Дальше, вроде падающих домино-фишек, сигнал передается молекулярному каскаду (которые тоже гены) до ядра и включает синтез нужных факторов транскрипции (напоминаю, это тоже гены), которые потом включают ген Х, продукт которого может непосредственно влиять на патоген.

Получается, что включению (работе) всегда гена предшедствуют события, которые произошли в прошлом хотя бы на мгновение раньше и подготовили почву для его работы.

Для тех, кто дочитал до конца. Обо всем этом вы можете спокойно забыть. Потому что промоторы бывают не только спереди гена, но и в его хвосте. Регуляторные участки натыканы и внутри кодирующей части и вообще где-попало. Не все считанные РНК кодируют какой-то белок, а являются регуляторами работы других генов. Но и в этом случае они могут считаться генами. Один кодирующий участок ДНК может расшифровывать в разные продукты. И пока молекулярщики сошлись с горем пополам на общем знаменателе, что с кучей оговорок, признаком работающего гена можно считать функциональный транскрипт (РНК), кодирует ли он белок, или нет, некоторые бактерии могут синтезировать белок прямо на ДНК. При этом мы еще не касались эпигенетической регуляции, которая тоже причем.

И в заключение, зачем нам это все знать? Разворачивание генетической программы происходит во времени в виде комплексного взаимодействия генов между собой при тесном взаимодействии с окружающей средой. Факторов, влияющих на это, великое множество. Например, широко известный пример незакрытия нервной трубки во время внутриутробного развития при дефиците фолиевой кислоты: у мышей этот феномен кодируется более чем 200 генами. У человека пока с относительной точностью определили всего несколько ключевых генов, задействованных в метаболизме фолиевой кислоты. Но их наверняка больше.

Для тех, кого материал заинтересовал - советую пройти по ссылке. Автор - профессиональный молекулярный биолог, заметка проиллюстрирована наглядными диаграммами, которые облегчают понимание текста.

Для меня важна очередная констатация правоты Т.Д.Лысенко в его споре с вейсманистами - решающая роль именно внешней среды в работе механизмов наследственности.

[Inry]

Что такое ген?

Замените "ген" на "файл",  и получите тонны холивара на любом программистком форуме. Потому как на деле всё всегда сложнее и из каждого правила есть пара исключений.

Тем не менее, независимо от условий среды, негры белыми не становятся. Как и наоборот. Живые организмы обладают некоторой инерционностью. К чему бы это?

[Аксан]

Тем не менее, независимо от условий среды, негры белыми не становятся. Как и наоборот. Живые организмы обладают некоторой инерционностью. К чему бы это?

Я думаю, вопрос времени. Хуле это ... тыщ лет? наблюдается совсем немного. Дрейф континентов тоже незаметен. И попробуй представить кита из медведя. Вроде проще из акулы?

[Antediluvian]

Тем не менее, независимо от условий среды, негры белыми не становятся. Как и наоборот.

Да как посмотреть. Негритята, кстати говоря, рождаются белыми, а потом темнеют в течение нескольких часов (белые врачи между собой называют их "негативчики"). Ещё где-то читал, что потомки белых колонистов в ЮАР посмуглели, хотя черты сохранили чисто европеоидные. А поколений-то сменилось всего ничего.

[Снег Север]

Живые организмы обладают некоторой инерционностью. К чему бы это?

К тому, что наследственность является опытным фактом, а вот догма формальной генетики, что наследуемые признаки зависят только от "генов" и никак не зависят от условий развития организма - это не более чем догма, всё менее правдоподобная, в свете подробных исследований.

[Inry]

Живые организмы обладают некоторой инерционностью. К чему бы это?

К тому, что наследственность является опытным фактом, а вот догма формальной генетики, что наследуемые признаки зависят только от "генов" и никак не зависят от условий развития организма - это не более чем догма, всё менее правдоподобная, в свете подробных исследований.

Это не более, чем философское пугало.

Да, все, да зависят. Но живой организм не отлит в граните, он меняется. Представьте, что признак задаёт вообще говоря, пределы изменения. Например, загар от 5 до 30%. В результате на севере такие люди будут белыми, а на юге - смугловатыми. Но до негра им не загореть (как и не отбелиться до альбиноса). Признак - не обязательно жёстко задан. Но вот аскорбиновая недостаточность приматов, возникшая от поломки одного фермента, действительно непреодолима. Нет аскорбинки - сдохнешь. Какие условия не создавай.

Хотя, действительно, до кучи интересных примеров (Маркова "рождение сложности" рекомендую), они никак не влияют на область науки, очертившую свои границы применимости. Примерно, как маркетология, стратификация и социальные подачки не влияют на ядро марксизма, постулирующие, в частности, наличие класса эксплуататоров.

[Аксан]

Это не более, чем философское пугало.

?

Да, все, да зависят. Но живой организм не отлит в граните, он меняется. Представьте, что признак задаёт вообще говоря, пределы изменения. Например, загар от 5 до 30%. В результате на севере такие люди будут белыми, а на юге - смугловатыми. Но до негра им не загореть (как и не отбелиться до альбиноса).

скока надо поколений.

Признак - не обязательно жёстко задан. Но вот аскорбиновая недостаточность приматов, возникшая от поломки одного фермента, действительно непреодолима. Нет аскорбинки - сдохнешь. Какие условия не создавай.

связь.

Примерно, как маркетология, стратификация и социальные подачки не влияют на ядро марксизма, постулирующие, в частности, наличие класса эксплуататоров.

[/quote]о как. плавно.
но коммуняки все равно гады и это наследственный признак. независимый от среды.

[Снег Север]

Хотя, действительно, до кучи интересных примеров (Маркова "рождение сложности" рекомендую), они никак не влияют на область науки, очертившую свои границы применимости.

До тех пор, пока так и не определено, что такое "ген" и на что "ген" влияет в реально наследуемых свойствах организма - а это, как мы видим, не определено, говорить о границах применимости области науки попросту смешно. Но меня, в конце концов, интересует не это, а именно то, что вы презрительно именовали "философским пугалом". Т.е. не частности области науки, а смысл того, на исследование чего область науки претендует. Не отдельные деревья, а лес. То, что на системном уровне "генетики", с упорством достойным намного лучшего применения, отстаивают схемы и подходы формальной генетики начала прошлого века, которые сами же постоянно опровергают в опытах, на практике.

[Inry]

До тех пор, пока так и не определено, что такое "ген" и на что "ген" влияет в реально наследуемых свойствах организма - а это, как мы видим, не определено, говорить о границах применимости области науки попросту смешно.
... "генетики", с упорством достойным намного лучшего применения, отстаивают схемы и подходы формальной генетики начала прошлого века, которые сами же постоянно опровергают в опытах, на практике.

То, что земля не совсем круглая, не значит, что она стоит на трёх котах. Уточнение схемы - достойное занятие учёного. Или я пропустил настоящий пример раньше? Геде такие "генетики" водются?

Понятие гена вполне определено для молбиологов: это последовательность ДНК от промптора до терминатора. И для генетиков: это устойчиво передающийся потомству дискретный признак (грубо говоря, если рост варьируется он 10 до 17 см, то это моделируется как набор из трёх генов +1,+2 и +4 см.). То, что эти два понятия не вполне изоморфны (хотя и очень хорошо коррелируют) - следствие сложности природы. Биологи, считающие что A==B, встречаются разве что в средних школах Новоподдрющинска.

При этом признак может быть не "превращается в маньяка", а "превращается в маньяка, если в полночь пятницы 13-го выпьет отвар цветков жасмина".
И, зная условия проявления такого признака, можно его не допустить (или наоборот). Это намного лучше для общества, чем пытаться воспитывать уговорами. Хотя, конечно, мы все универсальные машины, и правильная психология может очень многое.

Ведь, в конечном счёте, все признаки - не текст "здесь растёт хвост" для невидимых гномиков, а команды молекулярным машинам вида "если концентрация H-P-59493 вырастет до 0.003pp, отрезать от белка PP39222 последние 20 аминокислот.

Это не более, чем философское пугало.

?

strawman, некорректный приём дискуссии, выражающийся в примитивизации точки зрения собеседника, приписывании ему дурацких идей.

В результате на севере такие люди будут белыми, а на юге - смугловатыми. Но до негра им не загореть (как и не отбелиться до альбиноса).

скока надо поколений.

хоть тыщща. процесс идёт за счёт того, что на севере дохнут от рахита, на юге - от меланомы. Иначе евреи рождались бы обрезанными.