Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Organické kódy

Sbíhavé zvyšování složitosti v epigenezi a rozbíhavé v evoluci
 |  16. 2. 2004
 |  Vesmír 83, 114, 2004/2

V současné biologii pozorujeme zvláštní paradox. Na jedné straně se nové poznatky objevují tak rychle, že nám věda o životě připadá plná překvapení a v neustálém toku proměn. Na straně druhé jsou však všechny nové nálezy bez problému vsazeny do teoretického rámce, který zůstává obdivuhodně stabilní. Jinými slovy, současná biologie se nachází v tom stadiu vývoje, který Thomas Kuhn označil jako „normální vědu“; ve stadiu, kdy nekončící proud novinek hladce vklouzne do vysvětlení vytvořených v rámci neměnícího se paradigmatu. Není tomu tak proto, že by snad nikdo nehledal alternativy. Nebyla promeškána jediná příležitost, avšak žádná z alternativ nevydržela zkoušku časem. O současném paradigmatu (často nazývaném univerzální darwinizmus) máme potom sklon myslet si jen to nejlepší – vždyť pouze pravda či něco, co je pravdě velice blízko, může odolávat tolika útokům a přežít celé generace svých kritiků. Za tohoto stavu věcí se cítím téměř trapně, když vám sdělím, že naše zamilované paradigma není až tak perfektní, jak si ho rádi představujeme. Avšak sdělení přichází od samotné přírody, a tak raději rovnou uvedu tři důvody, které vybízejí ke změně: jsou to existence organických kódů, matematický model epigeneze a nová buněčná teorie.

Organické kódy metaforické i skutečné

Od nepaměti se myslelo, že kódy čili konvence jsou výsadou proměnlivého kulturního světa, zatímco příroda je řízena neměnnými zákony. Objev, že podstata života spočívá v genetickém kódu, přišel proto jako blesk z čistého nebe. Však také biologové nelenili a postarali se, aby dopad objevu ztlumili. Genetický kód byl okamžitě prohlášen za zmrzlou náhodu, a dělítko mezi přírodou a kulturou se tak podařilo zachovat v podstatě beze změny. Existují i jiné organické kódy, které jsou v principu stejně přirozené jako kód genetický, a přesto právě jeho vznik měl asi nejpřevratnější dopad. To proto, že se na Zemi objevil již s prvními buňkami, zatímco kódy jazykové přišly až s evolucí kulturní, skoro o 4 miliardy let později. Biologie dnes rozpoznává pouze tyto dva typy kódů a domnívá se, že v mezidobí, za 4 miliardy let, se na planetě žádný jiný kód neobjevil. Když se takto podařilo kódy vytěsnit do krajních poloh dějin života, může se hlásat, že evoluce byla výlučně v režii přirozeného výběru. V této knize si však ukážeme, že v přírodě existuje množství dalších organických kódů, které nejenže se objevovaly průběžně, ale dokonce charakterizovaly hlavní etapy velkých makroevolučních změn. Pokud však kódy existují, tak ony samy musely mít svůj počátek a historii, a především musely mít svůj specifický mechanizmus. Ani jazyky se nevyvíjely pouze cestou náhodných mutací písmen ve slovech, ale měnila se gramatická pravidla – a totéž by mělo platit i pro živé organizmy. Můžeme shrnout, že biologická evoluce probíhala dvěma různými mechanizmy: přirozeným výběrem (natural selection) a přirozenými úmluvami (natural conventions).

Z logického hlediska jde o závěr jednoznačný, teorie a praxe však bohužel ne vždy kráčejí ruku v ruce. Slovo kód se většinou užívá ve smyslu metaforickém, tak jako mnoho dalších slov, která si molekulární biologové vypůjčili z každodenního jazyka. Je proto navýsost důležité si uvědomit, že existují organické kódy, které nejsou metaforické, ale skutečné. Kód představuje vztah mezi dvěma nezávislými světy; skutečný organický kód vyžaduje přítomnost molekul schopných dvou nezávislých rozpoznávacích procesů. Jde o „otisky prstů“ samotného kódu, a právě tyto molekuly musíme hledat a odhalit. U genetického kódu plní tuto roli transferové RNA, my však uvidíme, že podobné adaptory existují minimálně u dvou jiných druhů procesů (přenosu signálů a sestřihu), a očekáváme, že budou odhaleny i další. Jako na zavolání se toto očekávání začíná naplňovat. Například jen v roce 2000 Gabius referuje o cukrovém kódu, a Strahl se spolupracovníky objevili kód histonový. Abych to shrnul: čím víc toho o organických kódech víme, tím víc se ukazuje, že jsou stejnou realitou jako kód genetický.

Matematický model epigeneze

Aristoteles nazval embryonální vývoj epigenezí, tj. posloupností „stvoření“ (genesis), vytvářením nových struktur krok za krokem. Dnes se o epigenezi často mluví jako o zvyšování složitosti – jestliže ale používáme tento obrat, měli bychom vždy dodat důležité upřesnění. V případě epigeneze jde o sbíhavé (konvergentní) zvyšování složitosti – výsledek procesu je nenáhodný a očekávaný. V tom se epigeneze radikálně liší od rozbíhavého zvyšování složitosti v evoluci. Rozlišení mezi procesy sbíhavými a rozbíhavými je obzvlášť důležité v dnešní době, kdy se výzkum komplexity stal samostatným vědním oborem. Bylo popsáno mnoho cest, jak lze dostat „řád z chaosu“, a dostalo se jim řady využití, avšak pro embryonální vývoj se tyto modely neosvědčily. Embrya nejsou chaotickými systémy a jednotlivá vývojová stadia nejsou fázovými přechody.

Pokud je mi známo, je k dispozici jen jediný matematický model popisující konvergentní vzrůst složitosti. Model jsem vytvořil jako speciální případ řešení problému rekonstrukce struktury z jejích projekcí – setkáváme se s ním v oblastech tak rozdílných, jako je radioastronomie, elektronová mikroskopie a počítačová tomografie. Základní teorémy předepisují minimální počet projekcí potřebných k úplné rekonstrukci. To nám dovoluje precizně formulovat problém na první pohled neřešitelný: problém rekonstrukce struktur z informace nekompletní. Tento typ rekonstrukce provádíme pokaždé, když pracujeme s počtem projekcí alespoň o řád nižším, než je teoretické minimum. Je zajímavé, že rekonstrukce z nekompletní informace je ekvivalentní sbíhavému zvyšování složitosti. Máme tedy v ruce matematickou formulaci problému epigeneze: jestliže je počáteční informace neúplná, rekonstrukce musí vést k zvýšení množství informace – a tento proces je ekvivalentní zvyšování složitosti. Ještě zajímavější je skutečnost, že problém je opravdu řešitelný. Krása řešení spočívá navíc v tom, že jeho logiku lze pochopit i bez matematického aparátu. Model používá iterativní proceduru, která paralelně provádí dvě rozdílné rekonstrukce: jedna se týká samotné budované struktury, druhá rekonstrukční paměti. Klíčovým bodem je skutečnost, že prostor paměti má překvapující schopnost poskytovat o zkoumané struktuře novou specifickou informaci. Tuto informaci lze z prostoru paměti přenést do prostoru struktur za pomoci specifických kódů čili úmluv. Shrňme, že sbíhavého nárůstu složitosti lze dosáhnout, provádíme-li rekonstrukci za pomoci pamětí a kódů. Epigeneze tedy vyžaduje přítomnost organických pamětí a organických kódů. Matematika nás poučila: cesta k pochopení tak složitého fenoménu, jakým je embryonální vývoj, vede přes organické kódy a organické paměti.

Nová teorie buňky

Neobyčejné na kódech je to, že vyžadují, abychom rozšířili naši výbavu: k energii a informaci je nutno přidat ještě význam. Význam po celá staletí hrál roli jakési duchovní či transcendentální entity, avšak sama existence genetického kódu ukazuje, že význam je stejně přirozený, jako je přirozená informace. Můžeme jej definovat operační procedurou jako jakoukoli jinou přirozenou entitu: Význam je objekt vztažený k jinému objektu prostřednictvím kódu. Tak např. význam slova jablko je mentálním objektem jistého ovoce a ten je propojen s mentálním objektem slova jablko pomocí kódu češtiny. V morseovce je významem jisté kombinace teček a čárek určité písmeno abecedy. V genetickém kódu je významem trojice nukleotidů obvykle aminokyselina – a z toho vyplývá, že významem genu je obvykle protein.

Mentálním objektům uděluje smysl člověk: v oblasti myšlení je tvůrcem kódu on. To však ještě neznamená, že vztah mezi dvěma nezávislými světy musí být výsledkem vědomého úsilí. Jedinou logickou nutností je to, aby tvůrce kódu byl agentem, který je ontologicky odlišný od objektů obou světů: kdyby patřil do jednoho z nich, přestaly by být na sobě nezávislé. Jinými slovy, existence kódu vyžaduje přítomnost tří entit: dvou nezávislých světů a tvůrce kódu, který náleží do světa třetího. V případě genetického kódu je tvůrcem kódu ribonukleoproteinový systém buňky, systém, který funguje mezi geny a proteiny jako ten třetí. Z těchto důvodů jsem tvrdil už v r. 1981, že buňka není určena dvojicí genotypu a fenotypu, ale trojicí sestavenou z genotypu, fenotypu a ribotypu. Ribotyp je buněčnou kategorií, která má stejný ontologický status jako genotyp a fenotyp, ba má před nimi prioritu logickou i historickou.

Skutečnost, že ribotyp je v případě genetického kódu tvůrcem kódu, povede nutně ke změně našeho tradičního pohledu na buňku. Pro tento teoretický posun však existuje i další důvod. Všechny definice života – a kolik se jich jen objevilo za posledních 200 let! – zdůrazňovaly nejrůznější esenciální vlastnosti, jako jsou dědičnost, replikace, metabolizmus, autonomie, homeostáze atd. Žádná z definic však jako definující charakteristiku života nezmiňuje epigenezi. Je to samozřejmě tím, že epigeneze byla spojována s embryi, nikoli s buňkami. A přesto i v jednotlivé buňce je fenotyp vždy složitější než genotyp. To znamená, že každá buňka vládne schopností zvyšovat vlastní složitost, a tedy je vskutku epigenetickým systémem. Z toho nám vychází, že sama přítomnost organických kódů v každé buňce, tím genetickým počínaje, vyžaduje, aby byl vypracován teoretický rámec, ve kterém organický význam bude nutným doplňkem organické informace. A to je přesně doména sémantické biologie. Nejde o zamítnutí našeho darwinovského paradigmatu, ale o jeho autentické rozšíření.

/Úvod ke knize „The organic codes“;

přeložil a mírně zkrátil Anton Markoš/

Ke stažení

O autorovi

Marcello Barbieri

Marcello Barbieri je profesorem na univerzit v italské Ferrae, kde působí na katedře morfologie a embryologie. Zabývá se historií biologie a sémantickou teorií.

Doporučujeme

Jak si delfíni ucpávají uši

Jak si delfíni ucpávají uši audio

Jaroslav Petr  |  17. 12. 2017
Hluk v mořích a oceánech produkovaný člověkem ohrožuje kytovce. Může je dočasně ohlušit nebo jim trvale poškodit sluch. Nově objevený fenomén by...
Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné