CC BY
0DOI: 10.31249/metodquarterly/02.04.06
Свирчевский Д.А.1 Как молекула стала сообщением?
Реферат статьи: Pattee H.H. How does a molecule become a message? // Communication in Development. Developmental Biology Supplement / Lang A. (ed.). - New York ; London : Academic Press, 1969. - Vol. 3. - P. 1-16.
Ключевые слова: биосемиотика; коммуникация; язык; происхождение жизни; компьютерная симуляция; иерархическая организация.
Для цитирования: Свирчевский Д.А. Как молекула стала сообщением? (Реферат) // МЕТОД : московский ежеквартальник трудов из обществоведческих дисциплин: ежеквар-тал. науч. изд. / под ред. М.В. Ильина ; ИНИОН РАН, центр перспект. методологий соц.-гуманит. исследований. - М., 2022. - Вып. 12. - Т. 2, № 4.- С. 109-114. - URL: http://www.doi.org/10.31249/metodquarterly/02.04.06. - Реф. статьи: Pattee H.H. How does a molecule become a message? // Communication in Development. Developmental Biology Supplement / Lang A. (ed.). - New York ; London : Academic Press, 1969. - Vol. 3. - P. 1-16.
Говард Патти - американский биолог, профессор Бингемтонского университета. Его доклад «Как молекула становится сообщением» был представлен на конференции «Коммуникация в развитии» в 1969 г., а затем неоднократно перепечатывался, обсуждался и цитировался.
Свой доклад Патти начинает вопросом: «Как мы можем распознать, когда в живых системах происходит коммуникация?» [Pattee, 1969, p. 1]. И далее уточняет: «Как отличить коммуникацию между молекулами от обычных физических взаимодействий между молекулами или от действий сил, которые, как мы полагаем, объясняют все их движения» [ibid., p. 1]. Патти убежден, что для ответа на эти вопросы начинать нужно с самого начала, с самого простого - с различения коммуникации между молекулами и взаимодействий между ними, которые можно свести к их движению. «Более того, - продолжает Патти, - данное различие необходимо делать на наиболее возможно простом уровне, поскольку рассмотрение высокораз-
1 Свирчевский Дмитрий Алексеевич, студент Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», e-mail: dasvirchevskiy@edu.hse.ru © Свирчевский Д. А., 2022
109
витых организмов, в которых коммуникационные процессы достаточно отчетливы и ясны, не дает ответа на вопрос об их происхождении» [Pattee, 1969, p. 1].
Понимание функционирования коммуникации на молекулярном уровне дает нам ключ к осознанию путей возникновения не только языка, но и жизни: «Мы пытаемся понять не молекулярную структуру, а структуру языка в самом простом (elementary) смысле, а это означает понимание не только того, как это работает, но и того, как оно возникло» [ibid., p. 2].
Патти делает предположение, что первые «сообщения» выражались не в высокоинтегрированном и точном генетическом коде, который мы находим сегодня, а в более глобальном наборе геофизических и геохимических ограничений, которые мы могли бы назвать первобытным «экоси-стемным языком», из которого генетический код образовался почти так же, как наши формальные правила синтаксиса и словари образовались из функционального использования примитивных символов в сложной среде. Он считает, что если бы это действительно было так, то более вероятно, что «воспроизведение в процессе развития» в форме внешних циклов не только предшествовало автономному «самовоспроизведению», но могло бы объяснить форму самого генетического кода.
Некоторые свойства языков и символов
Рассуждая о происхождении языка, Патти обращается к знаменитой теории «застывшей случайности» Френсиса Крика [Crick, 1968], согласно которой происхождение иерархической организации тем более сокрыто, чем выше ее развитие: «Иерархические организации скрывают свое происхождение по мере развития» [Pattee, 1969, p. 4].
В процессе коммуникации происходит упрощение сложного динамического процесса, в котором изначально слишком много деталей затмевают основную функцию системы: «Одним из необходимых условий появления сообщения является то, что очень сложные взаимодействия приводят к очень простому результату» [ibid., p. 5]. Именно простой результат, который появляется в результате очень сложных взаимодействий, отличает коммуникацию между молекулами от обычных физических взаимодействий.
Каково простейшее сообщение?
Патти отмечает, что простейшее сообщение, которое встречается в природе, состоит во включении или выключении чего-либо. Для обозначения подобного действия он предлагает использовать термин выключатель (switch): «Выключатель является хорошим примером элемента с
110
чрезвычайно простой функцией - более простую функцию трудно себе представить, но с детализированным поведением, выраженным в терминах физических уравнений движения, которые являются чрезвычайно сложными» [Pattee, 1969, p. 6].
Действительно, молекулярные системы работают в режиме «включено / выключено», который имеет огромный объяснительный потенциал и может воспроизводить многие из самых сложных биологических действий, в том числе различные аспекты мышления. Патти считает, что мы не имеем возможности объяснить работу молекулярных выключателей с точки зрения фундаментальной физики, но зато мы можем рассмотреть, при каких условиях можно ожидать, что сеть переключателей будет функционировать в контексте языка.
Каков простейший природный язык?
У выключателя, взятого самого по себе, отсутствует какая-либо функция, даже если мы могли бы объяснить его происхождение. Вопрос состоит в том, насколько большой должны быть биологическая система, чтобы можно было говорить о том, что у биологической функции, присущей этой системе, есть смысл. И каков размер системы, которую мы считаем живой? По мнению Патти, язык появился в рамках ограничений первобытной экосистемы и сам язык был порожден существовавшими ограничениями:
«Молекула не становится сообщением из-за какой-либо конкретной формы, структуры или поведения молекулы. Молекула становится сообщением только в контексте более крупной системы физических ограничений, которую я назвал "языком" по аналогии с нашим обычным использованием понятия сообщения» [ibid., p. 8].
Простейшие искусственные языки
Пытаясь найти возможный простейший формальный язык, который тем не менее сможет порождать бесконечно большое количество теорем, логики и математики создают компьютерные программы. Однако функциональная простота не так легка в достижении, и программы, призванные выполнять простые функции, оказываются действительно сложны в деталях, из которых они составлены.
Патти отмечает, что наше понимание генетического кода и программ развития все еще находится на уровне «как это работает», мы все еще не понимаем, какие детали являются главными, а какие второстепенными в структуре организма. Поэтому нам следует искать не элементы,
111
выполняющие четко определенные функции, а функции, возникающие спонтанно из наборов четко определенных элементов.
Симуляция истоков
Для Патти важно изучать поведение сети в целом, а не то, как работают отдельные выключатели внутри нее. Он отмечает, что, хотя мы не можем следовать за естественным ходом эволюции из-за его продолжительности, мы можем с успехом создавать компьютерные симуляции, моделирующие происхождение молекулярных сообщений, языковые ограничения и коды. Занимаясь компьютерным моделированием, мы надеемся, что «основная динамика происхождения иерархической организации настолько фундаментальна, что ее можно наблюдать даже в должным образом спроектированной искусственной среде. Существенным условием изучения "естественного" происхождения искусственных машин является то, что мы не можем переопределить функцию, которая, как мы надеемся, возникнет спонтанно» [Pattee, 1969, p. 12].
Патти приводит пример успешного компьютерного моделирования, ссылаясь на Стюарта Кауффмана [Kauffman, 1969], который в своей симуляции создал ситуацию спонтанности, присущую живым системам, т.е. сконструировал такую случайную сеть, которая состояла из случайных, а не предзаданных значений переключателей, составлявших ее. На входе значение каждого выключателя выбиралось случайным образом, но после выбора и функция выключателя, и сетевая структура, соединяющая входы и выходы выключателя, были зафиксированы. Важным результатом такой симуляции стало то, что при низкой связности «сеть производила циклы активности, которые были одновременно короткими и стабильными - короткими по сравнению с огромным количеством состояний и стабильными в том смысле, что сеть возвращается к тому же циклу, даже если переключатель в этом цикле на мгновение выключен, когда он должен быть включен, или наоборот» [Pattee, 1969, p. 12-13].
Одним из недостатков подобных моделей является то, что устройство компьютера сильно отличается от устройства клетки, однако гораздо важнее то, что в данных симуляциях мы изучаем работу не отдельных коммутаторов, а всей сети, т.е. коллективное поведение. Компьютерное моделирование может помочь найти принципы развития и эволюции, общие для всех типов иерархических организаций. Только с помощью исследований такого типа мы можем надеяться отделить существенные правила от замороженных случаев в живых организмах.
112
Роль теории в биологии
Свой доклад Патти заканчивает следующими словами: «На что мы все можем надеяться, так это на то, что языковые ограничения на всех уровнях биологической организации подобны правилам наших формальных языков, которые конечны и относительно просты, даже если их достаточно для создания бесконечного числа предложений и значений. В то же время мы должны помнить, что потенциальное разнообразие программ действительно бесконечно и что мы не должны тратить наши таланты экспериментаторов на это бесконечное разнообразие без тщательного отбора, основанного на гипотезах, которые необходимо проверить. Конечно, нам потребуются дополнительные экспериментальные данные о конкретных сигнальных молекулах и о том, как они осуществляют контроль за развитием. Но чтобы понять, как молекулы стали сообщениями и как они спроектированы и интегрированы для работы с такой невероятной эффективностью, мы должны также учитывать надежность контролирующих молекул, а также проблемы и ограничения экосистемы, которая контролировала их эволюцию. Это, в свою очередь, потребует гораздо более глубокого понимания физики коммутаторов и логики сетей» [Pattee, 1969, p. 15-16].
Список литературы
Pattee H.H. How does a molecule become a message? // Communication in Development. Developmental Biology Supplement / Lang A. (ed.). - New York ; London : Academic Press, 1969. - Vol. 3. - P. 1-16. Kauffman S.A. Metabolic stability and epigenesis in randomly constructed genetic nets // Journal
of Theoretical Biology. - 1969. - Vol. 22, N. 3. - P. 437-467. Crick F.H.C. The origin of the genetic code // Journal of Molecular Biology. - 1968. - Vol. 38, N 3. - P. 367-379.
Dmitriy Svirchevskiy1 How does a Molecule become a Message?
A summary of: Pattee, H.H. (1969). How does a Molecule become a Message? Communication in Development. Developmental Biology Supplement, 3, 1-16.
Keywords: biosemiotics; communication; language; origin of life; computer simulation; hierarchal organization.
Abstract. Howard Pattee is an American biologist and professor at Binghamton University. In this review, I summarize the main arguments expressed in his famous report "How
1 Dmitriy Svirchevskiy, student of the National Research University Higher School of Economics, e-mail: dasvirchevskiy@edu.hse.ru
113
ff.Â. CeupneecKuu
the Molecule Becomes a Message." This report was presented at the "Communication in Development" conference in 1969, and then repeatedly reprinted, discussed and cited.
For citation: Svirchevskii, D.A. (2022). How does a molecule become a message? by H.H. Pattee (summary). METHOD: Moscow Quarterly Journal of Social Studies, 2 (4), P. 109— 114. http://www.doi.org/10.31249/metodquarterly/02.04.06
References
Pattee, H.H. (1969). How does a molecule become a message? Communication in Development.
Developmental Biology Supplement, 3, 1-16. Kauffman, S.A. (1969). Metabolic stability and epigenesis in randomly constructed genetic nets.
Journal of Theoretical Biology, 22 (3), 437-467. Crick, F.H.C. (1968). The origin of the genetic code. Journal ofMolecularBiology, 38 (3), 367-379.
114
