W tej serii tekstów odnoszę się do poglądów absolwentki studiów doktoranckich na Massachusetts Institute of Technology (MIT) w zakresie bioinżynierii Eriki DeBenedictis. Jej nagranie pod tytułem It’s Time for Intelligent Design [Czas na inteligentny projekt] zostało opublikowane na kanale TEDx Talks1. Najpierw jednak ustalmy podstawowe definicje i zdecydujmy, w jaki sposób można oszacować jakość danego projektu. Po pierwsze, miejmy na uwadze, że przypisywanie pojęć, takich jak „dobry” czy „słaby”, już z miejsca zakłada, iż znamy zastosowanie danego projektu lub w jakiś sposób możemy je przewidzieć. Po drugie, określenie projektu jako „dobry” lub „słaby” powinno się odnosić do konkretnej cechy systemu albo do systemu jako całości. Po trzecie, ludzka inżynieria nauczyła nas, że początkowo „dobry” projekt może z czasem stać się niedoskonały (przestarzały), tak więc trzeba znaleźć sposób na odróżnienie dobrego, ale przestarzałego już projektu, od tego, który od początku był słaby. Zilustruję te trzy zasady na przykładzie iPhone’a.
Jak ocenić jakość i cel?
Jeśli nie zakłada się żadnej funkcji ani celu, jak można ocenić jakość? IPhone został skonstruowany jako wielozadaniowe urządzenie z ekranem dotykowym, które może pełnić funkcje komputera, aparatu fotograficznego, telefonu oraz odtwarzacza muzyki. Miliony ludzi wydają ogromne kwoty na iPhone’y i wybierają właśnie te urządzenia spośród wielu podobnych, co sugeruje, że są one dobrze zaprojektowane i spełniają swoje przeznaczenie. Oczywiście nikt nie oczekuje, że iPhone będzie pełnił funkcję na przykład deski do krojenia (mam nadzieję!). Jeśli jednak przeznaczenie iPhone’a zostałoby błędnie ocenione, to wówczas werdykt dotyczący jakości projektu byłby zupełnie inny. Wtedy uznalibyśmy go za wręcz beznadziejny projekt – drogi, delikatny i w dodatku nienadający się do mycia w zmywarce. Przypisanie celu jest dość proste w odniesieniu do inżynierii człowieka, ale już znacznie trudniejsze na gruncie biologii, a błędne rozpoznanie przeznaczenia danej cechy biologicznej lub całego systemu może niesłusznie wskazywać, że mamy do czynienia ze słabym projektem2.
Pierwsze wrażenie jest często powodem przeoczenia kompromisów
Dla mnie osobiście projekt iPhone’a nie jest optymalny pod każdym względem. Zgadzam się z twierdzeniem, że iPhone jest ogólnie dobrym projektem, aczkolwiek niektóre jego cechy nie są pozbawione wad. Na przykład mocno irytuje mnie fakt, że jestem zmuszana do kupienia oddzielnego złącza lightning, by móc posłuchać muzyki w samochodzie lub gdy chcę podłączyć do telefonu słuchawki. Przyznaję jednak, że być może nie dostrzegam pewnych ograniczeń konstrukcyjnych lub potrzeb innych użytkowników. Możliwe, że firma Apple przewidziała przejście na bezprzewodowe słuchawki; być może przewidziała także, że instalacja złącza pomocniczego nie będzie miała zastosowania w nowszych samochodach; a może jeszcze przewidziała, że ujednolicenie sposobu podłączenia urządzenia, wykorzystując tylko jedno gniazdo, niesie za sobą korzyści. Dlatego moja krytyka konkretnych funkcji nie oznacza, że iPhone jest źle zaprojektowany, ale raczej wskazuje na to, że nie uwzględniłam pewnych ograniczeń projektowych.
Prawdopodobnymi winowajcami są czas oraz możliwość wystąpienia wad
Tak naprawdę większość problemów związanych z iPhone’em wynika z jego eksploatacji. Pomimo że mój egzemplarz wcześniej był w stanie idealnym, to teraz ma pęknięty ekran, wgniecione rogi, obluzowane złącze lightning, a poziom naładowania bateria zdaje się ciągle wynosić 1%. Kilka twardych upadków, dzień spędzony na plaży oraz wycieczka na nartach i proszę – pierwotny, oryginalny wygląd i funkcjonalność mojego iPhone’a przepadły.
W biologii obserwujemy podobne zjawisko zarówno na poziomie osobniczym, jak i populacyjnym. W czasie życia pojedynczego osobnika ilość szkodliwych zmian w komórkach somatycznych ciągle się zwiększa, co może prowadzić do rozwoju nowotworów lub innych chorób. Podobnie dzieje się w skali populacyjnej. Na domiar złego aktualnie częstość występowania niekorzystnych zmian w komórkach jest znacznie większa niż była w przeszłości3. To sugeruje, że niegdyś w ludzkim genomie znajdowało się mniej niekorzystnych zmian w kodowaniu białek niż obecnie.
Biologia może nam pomóc stać się lepszymi inżynierami
DeBenedictis stwierdziła, że „żywe organizmy są absolutnie najbardziej wyrafinowanymi mechanizmami, jakie znamy”. Nie da się zaprzeczyć, że ta teza jest poparta wszechobecnymi świadectwami. Systemy biologiczne przewyższają najnowszego iPhone’a (w ogóle przewyższają jakikolwiek wynalazek człowieka)! Od systemu przechowywania informacji biologicznych po niebywały proces samoreplikacji natura nadal zadziwia naukowców swoimi nietuzinkowymi systemami i inspiruje do ulepszania naszej techniki. Inżynierowie zainspirowani szkliwem zębów, systemami fotosyntezy wykorzystującymi światło, morfingiem skrzydeł kolibra4 oraz pancernymi chrząszczami kopiują rozwiązania zaobserwowane w przyrodzie do wytworzenia lepszej ceramiki, paneli słonecznych, dronów i rozmaitych tworzyw5.
James Weaver i Henrik Birkedal słusznie zwracają uwagę na udział projektów przyrody w inżynierii: „Przyroda wytwarza wiele materiałów kompozytowych o złożonej strukturze, które bardzo często są jakościowo lepsze od ich odpowiedników stosowanych w nowoczesnej inżynierii”6.
W 2004 roku grupa uczonych pod kierunkiem Michaela L. Simpsona opublikowała artykuł na łamach „Proceedings of the IEEE”, w którym czytamy:
Procesy genetyczne i biochemiczne zachodzą dzięki wysoce funkcjonalnym oraz spójnym układom. Funkcje komórek – regulowane przez obwody i sieci genetyczne – są niezwykle złożone. Można je porównać do inżynieryjnych systemów, przy czym biologiczne parametry są bardziej wyrafinowane i znacznie wydajniejsze, niż ma to miejsce w przypadku wytworów człowieka. Współczesna elektronika oparta głównie na krzemie nie jest w stanie zaadaptować systemów obserwowanych na przykład u bakterii7.
Aby poprzeć mój argument za dobrym projektem, w następnym poście przedstawię trzy przykłady, w których podstawowe struktury biologiczne uznano za „optymalne”. Optymalność należy rozumieć jako najlepsze rozwiązanie wielu sprzecznych ograniczeń, na podstawie czego za pomocą metod ilościowych można dokonać oceny projektu w biologii. Kompromisy w sytuacji wystąpienia takich ograniczeń są integralną częścią życia, a zatem, by osiągnąć sytuację optymalną, konieczna jest rezygnacja z idealnych warunków dla jednego elementu na rzecz drugiego. Zespół uczonych pod kierunkiem Arren Bar-Even wyjaśnia tę zasadę na przykładzie metabolizmu. Chociaż początkowo szlaki metaboliczne wydawały się złożone i niejasne, to badania pokazały, że taki system jest optymalny. W artykule zespołu uczonych czytamy:
Szlaki metaboliczne mogą wydawać się przypadkowe i niepotrzebnie złożone. W wielu wypadkach chemik mógłby wymyślić prostszą drogę transformacji biochemicznej, dlaczego więc natura wybrała tak złożone rozwiązania? Na stronach tego tekstu wyciągamy wnioski z trwających sto lat badań metabolicznych i wskazujemy na obserwacje, które sugerują, że skomplikowaną strukturę szlaków metabolicznych można wyjaśnić za pomocą zaledwie kilku zasad biochemicznych. Na przykładzie glikolizy pokazujemy, jak trzy kluczowe ograniczenia biochemiczne – korzyść termodynamiczna, dostępność mechanizmów enzymatycznych i właściwości fizykochemiczne szlaków pośrednich – eliminują skądinąd korzystne strategie metaboliczne. Biorąc pod uwagę te ograniczenia, dochodzimy do wniosku, że proces glikolizy nie zawiera zbędnych etapów, ale stanowi jeden z niewielu ciągów reakcji biochemicznych spełniających wymagania komórkowe. Przedstawiona analiza może mieć zastosowanie w inżynierii metabolicznej i przysłużyć się racjonalnemu projektowaniu szlaków, które wytwarzają pożądany produkt w sytuacji występowania ograniczeń biochemicznych8.
Podsumowując, przypominam moim czytelnikom, że rozważni naukowcy muszą rozpatrywać rozmaite ograniczenia, zanim ocenią dany projekt w biologii jako „dobry” lub „słaby”. W następnym artykule przeanalizuję trzy zagadnienia biologiczne, w których zostało zastosowane takie podejście. A wyniki powinny skłonić nas do dalszych badań na optymalnością struktur biologicznych.
Emily Reeves
Oryginał: How Do We Decide if Something Is Well Designed or Poorly Designed?, „Evolution News & Science Today” 2021, May 18 [dostęp 08 IV 2022].
Przekład z języka angielskiego: Adam Jerzman
Źródło zdjęcia: Pixabay
Ostatnia aktualizacja strony: 08.04.2022
Przypisy
- Por. E. DeBenedictis, It’s Time for Intelligent Design, „YouTube” 2021, January 6 [dostęp 29 VI 2021]. Por. też E. Reeves, Czy naukowcy powinni bawić się w Boga? Bioinżynier z MIT mówi TAK!, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 6 kwietnia [dostęp 06 IV 2022].
- Por. Ch. Mayer-Bacon et al., Evolution as a Guide to Designing Xeno Amino Acid Alphabets, „International Journal of Molecular Sciences” 2021, Vol. 22, No. 6, s. 2787–2800 [dostęp 29 VI 2021]; P. Mantri, J. Thomas, Nature’s Design’s: The Biology of Survival, „MATEC Web of Conferences” 2019, Vol. 301 [dostęp 29 VI 2021].
- Por. W. Fu et al., Analysis of 6,515 Exomes Reveals the Recent Origin of Most Human Protein-Coding Variants, „Nature” 2013, Vol. 493, No. 7431, s. 216–220 [dostęp 29 VI 2021].
- Morfing jest płynnym przejściem jednego obrazu w drugi, a kolibry tak szybko poruszają skrzydłami, że trudno nawet zaobserwować kolor skrzydeł (przyp. tłum.).
- Por. S. Ma et al., Multiscale Experimental and Computational Investigation of Nature’s Design Principle of Hierarchies in Dental Enamel, „Springer” 2017, Vol. 84 [dostęp 29 VI 2021]; G.D. Scholes et al., Lessons From Nature About Solar Light Harvesting, „Nature Chemistry” 2011, Vol. 3, No. 10, s. 763–774 [dostęp 29 VI 2021]; M. Maeda et al., Quantifying the Dynamic Wing Morphing of Hovering Hummingbird, „Royal Society” 2017, Vol. 4, No. 9 [dostęp 29 VI 2021]; J. Rivera et al., Toughening Mechanisms of the Elytra of the Diabolical Ironclad Beetle, „Nature” 2020, Vol. 586, No. 7830, s. 543–548 [dostęp 29 VI 2021].
- S. Frølich et al., Uncovering Nature’s Design Strategies Through Parametric Modeling, Multi-Material 3D Printing, and Mechanical Testing, „Advanced Engineering Materials” 2017, Vol. 19, No. 6.
- M.L. Simpson et al., Engineering in the Biological Substrate: Information Processing in Genetic Circuits, „Proceedings of the IEEE” 2004, Vol. 92, No. 5, s. 848–863 [dostęp 29 VI 2021].
- A. Bar-Even et al., Rethinking Glycolysis: On the Biochemical Logic of Metabolic Pathways, „Nature Chemical Biology” 2012, Vol. 8, No. 6, s. 509–517 [dostęp 29 VI 2021].
Literatura:
- Bar-Even A. et al., Rethinking Glycolysis: On the Biochemical Logic of Metabolic Pathways, „Nature Chemical Biology” 2012, Vol. 8, No. 6, s. 509–517 [dostęp 29 VI 2021].
- DeBenedictis E., It’s Time for Intelligent Design, „YouTube” 2021, January 6 [dostęp 29 VI 2021].
- Frølich S. et al., Uncovering Nature's Design Strategies Through Parametric Modeling, Multi-Material 3D Printing, and Mechanical Testing, „Advanced Engineering Materials” 2017, Vol. 19, No. 6.
- Fu W. et al., Analysis of 6,515 Exomes Reveals the Recent Origin of Most Human Protein-Coding Variants, „Nature” 2013, Vol. 493, No. 7431, s. 216–220 [dostęp 29 VI 2021].
- Ma S. et al., Multiscale Experimental and Computational Investigation of Nature’s Design Principle of Hierarchies in Dental Enamel, „Springer” 2017, Vol. 84. [dostęp 29 VI 2021].
- Maeda M. et al., Quantifying the Dynamic Wing Morphing of Hovering Hummingbird, „Royal Society” 2017, Vol. 4, No. 9 [dostęp 29 VI 2021].
- Mantri P., Thomas J., Nature’s Design’s: The Biology of Survival, „MATEC Web of Conferences” 2019, Vol. 301 [dostęp 29 VI 2021].
- Mayer-Bacon Ch. et al., Evolution as a Guide to Designing Xeno Amino Acid Alphabets, „International Journal of Molecular Sciences” 2021, Vol. 22, No. 6, s. 2787–2800 [dostęp 29 VI 2021].
- Reeves E., Czy naukowcy powinni bawić się w Boga? Bioinżynier z MIT mówi TAK!, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 6 kwietnia [dostęp 06 IV 2022].
- Rivera J. et al., Toughening Mechanisms of the Elytra of the Diabolical Ironclad Beetle, „Nature” 2020, Vol. 586, No. 7830, s. 543–548 [dostęp 29 VI 2021].
- Scholes G.D. et al., Lessons From Nature About Solar Light Harvesting, „Nature Chemistry” 2011, Vol. 3, No. 10, s. 763–774 [dostęp 29 VI 2021].
- Simpson M.L. et al., Engineering in the Biological Substrate: Information Processing in Genetic Circuits, „Proceedings of the IEEE” 2004, Vol. 92, No. 5, s. 848–863 [dostęp 29 VI 2021].
Wysyp fajnych tekstów. Chyba we wcześniejszym chodziło o powstający lańcuch, polipeptyd, a nie łańcuch weglowy?
“teoria” nieinteligentnego projektu w przyrodzie dowodzi ostatecznego upadku krzewicieli na jej podstawie neomitomanizmu 🙂 Złej tancerce rabek u spódnicy Zawadzka…
O formie i kształcie – krytyka „teorii” nie-inteligentnego projektu w biologii
https://slawekp7.wordpress.com/2012/12/30/o-formie-i-ksztalcie/
„(….)Ewolucja, mogłaby równie dobrze przybrać wiele innych, określonych postaci, nie ma bowiem nic koniecznego w istnieniu np. gatunku zwanego homo sapiens. Jednakże liczne postacie, które mogłyby przybrać (i które być może przybrała) w przepastnych rejonach Kosmosu, nie mogą zawierać form sprzecznych z określonym ogólnym kierunkiem rozwoju. Bez względu na to, poprzez jakie formy miałaby się zrealizować , jest niepodobieństwem by zaprzestała dążenia ku porządkowi i integracji złożoności i zindywidualizowaniu. Pewien plan zatem istnieje, ale nie jest to plan powzięty z góry. Wytycza on główne szlaki, przypadek zaś wybiera jedną z alternatywnych dróg, na której plan zostanie zrealizowany. Istnieje więc cel nie realizowany niewolniczo i swoboda bez anarchii.”
Cytat powyżej mówi o ograniczeniach ewolucji.będę pisał o inteligentnym projekcie – choć w podobnym kontekście. Czy zauważyliście, że uczeni, autorzy książek fantastycznych, czy filmów fantastycznych nie potrafią wymyślić żadnej obcej formy życia inaczej niż upodobniając ją do ziemskich stworzeń. Mają ogromny wybór, ponieważ w przyrodzie występuje kilkadziesiąt typów różnych organizmów. Wchodzące w ich zakres gatunki są reprezentowane przez iście „nieziemsko” wyglądające stworzenia! Jeżeli anatomia stworów wymyslanych przez tworców filmów fantastycznych znacznie odbiega od podstawowych planów, jakie obserwujemy w ziemskiej biosferze, a większość z nich pojawiła się już w kambrze, to mamy do czynienia z jakimś kabaretem na wzór baru z ‚Gwiezdnych Wojen’. Poniżej wklejam zdjęcia różnych stworów z filmów fantastycznych. Proszę zauważyć, że poważniejsze pomysły bazują zawsze na planach w budowy organizmów żywych, jakie znamy z życia lub z zapisu kopalnego! Autorzy fantastycznych stworów konsultują się z artystami / naukowcami / anatomami i wymyślają stwory będące karykaturami ziemskich stworzeń – po prostu nie potrafią wymyślić niczego nowego! Jak tak przyjrzeć się ich pomysłom, i myśląc ewolucyjnie, to cały kosmos musiałby posiadać identyczne warunki dla ewolucji. Wszędzie musiała zajść ogólno-kosmiczna konwergencja!
Teraz zaprezentuję kilka fotografii, które potwierdzają, co napisałem wyżej:…..
Miałem ten film wstawić do mojego tekstu. Dobrze pokazuje niemoc ludzi w wymyśla i “innych form życia” niż te, ktore istnieja 🙂
https://youtu.be/ThDYazipjSI