Аналогии

[shvarz]

Захотелось написать про статью, вышедшую сегодня в журнале Nature (via avva). Но на самом деле, эта статья настолько гигантская и сложная, что я и сам прочитал лишь небольшой ее кусочек да и в том далеко не все понял. Хорошо хоть авторы сформулировали основные выводы в самом ее начале. Но и их я пересказывать здесь не стану, а лучше прибегну к аналогии, которая в общих чертах отражает самое важное. Аналогии, однако, имеют свои ограничения, а потому я приведу не одну аналогию, а целых три - для иллюстрации разных аспектов вопроса.

Аналогия первая, экономическая. Исторически так сложилось, что биология концентрировалась на устройстве и механизме работы белков. "Жизнь есть способ существования белковых тел" (с) Ф. Энгельс. Это связано с тем, что с первого же взгляда на любую клетку видно, что белки играют в ней очень важную роль. К тому же они сложны, разнообразны и многофункциональны. Но я бы хотел их сравнить с крупными заводами. При первом взгляде может показаться, что именно заводы являются самыми важными игроками в экономике. Ведь именно они производят товары, которые всем нам нужны. Однако при более внимательном рассмотрении оказывается, что существует гораздо более крупная сеть компаний и организаций, которые ничего не производят, однако без которых экономика работать не может и заводы останавливаются. Так же и в клетке - меньше 1% ДНК занято производством белков, остальные же 99% - правительство, банки, артисты и художники, сфера обслуживания. Ну и без тунеядцев и бездельников тоже не обходится. Хотя, как в ДНК, так и в жизни, определить, кто является тунеядцем, не так-то просто - вроде лежит человек без дела на диване, а потом глядишь - симфонию сочинил.

Аналогия вторая, механистическая. Исследование биологических процессов даже самыми современными методами молекулярной биологии можно сравнить с изучением принципов работы сложного механизма нацеленными ударами кувалдой. Из механизма вываливается горка деталей и мы в них копаемся и пытаемся понять, как они все друг с другом соединяются и какую функцию выполняют. Проблема заключается в том, что биологические системы - это машины Голдберга неимоверной сложности. Формы и функции большинства деталей в этой машине нам уже хорошо известны, и мы вплотную подошли к самому интересному вопросу - как именно эти детали соединены друг с другом и как все в целом работает? И в процессе поиска ответа на этот вопрос мы начинаем понимать, что большая часть того хлама, который мы всегда принимали за обломки, лишние детали и просто мусор, собственно и является тем самым "крепежом", который держит всю систему работающей.

Аналогия третья, программистская. ДНК часто уподобляют программе, согласно которой организм развивается и существует. Давайте разовьем эту аналогию немного дальше. Представьте себе программу, над которой последовательно и параллельно трудился триллион программистов в течение нескольких миллиардов лет. Программа началась как текстовый редактор, но постепенно преобразилась в редактор графический, потом в операционную систему, потом в видео-редактор, и т.д. и т.д. и т.д. Куски кода вставлялись, менялись местами, выкидывались, редактировались. Возникающие баги лечились заплатками, лишь бы работало. А теперь представьте себе, что вы получили эту программу без какой-либо документации и вам надо разобраться в том, как она работает :) Вот примерно в таком же положении находятся и биологи.

Comments

[go-away-bird.livejournal.com]

будучи программистом, ужаснулась!!!!

[shvarz.livejournal.com]

Ага, а теперь еще представьте, что source code весит терабайт, и точно не известен.

[shvarz.livejournal.com]

Гигабайт, конечно.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

Меня всегда интересовал вопрос не программы, а процессора. Что за "железо" там, которое так извращенно запрограммировали? :))

[shvarz.livejournal.com]

Ну как же - белки, жиры, углеводы плюс всякая мелочь.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

Ну да... Только если в железную коробку насыпать микросхем и винтов, да потрясти как следует, компьютера не получится, так и останется мертвой коробкой. Так вот интересно, что именно делает биологический компьютер способным исполнять код?

[shvarz.livejournal.com]

Э, ну давай попробую объяснить...

Давай возьмем детали компьютера - видеокарты, хард-драйвы, память и т.д. и налепим на них магнитики в определенных местах так, что если, например, память поднести очень близко к нужному разъему в нужной ориентации, то она сама туда прилипнет (предполагая, что магнитики не влияют на работу электроники). Если мы их просто бросим в коробку и потрясем, то мало что соберется, потому что шансы на то, что нужные детали сойдутся как надо очень малы. Теперь мы добавим туда специальные "матрицы", похожие на штаны стиля клеш. Каждая "штанина" очень широкая на конце, но к верху сужается и сужается совершенно определенным образом, так что сквозь штанину может пройти только память и только в определенной ориентации. Через другую "штанину" пролазит только материнская плата. Все это устроено таким образом, что когда память и "мама" встречаются сверху штанов, то память оказывается в правильной оринтации по отношению к нужному разъему и сама туда "прилипает-втыкается". Теперь бросим это все в коробку и потрясем и вуаля - первый шаг сделан - вся память рассована по нужным местам. Далее продолжаем таким же образом и в итоге собираем машину, которая управляется компьютером и отвечает за производство памяти. По сути дела получается очередная "матрица", которая берет "липкие" транзисторы и позволяет им "слипнуться" правильным образом так, что в результате получается память.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

То есть, уходя на более нижний уровень абстракции: возьмем примитивный процессор, состоящий только из одного кристалла кремния или германия. Без напыления и ножек он представляет собой плоскость, изборожденную вдоль и поперек микро-трещинками. Толщина остаточного слоя и конфигурация трещинок определяют физические свойства и связи "деталей", населяющих микросхему. Скажем, примитивный i8086 в 1978г содержал 29тыс. транзисторов, а в современных камнях их миллионы. При этом, строится процессор не абы как, а по совершенно четкой схеме, малейшее отклонение от которой делает его неработоспособным. Даже на современном уровне технологий, выход годных кристаллов составляет всего 2%. Иными словами, случайно такую схему собрать нельзя в принципе. Вероятность лежит в минусбесконечности. И это только одна из деталей весьма сложной конструкции.

Твоя идея с магнитиками и штанами интересна, но... явно кто-то должен был спроектировать такую схему, чтобы она могла собираться из взаимо-заменяемых деталей "сама". Иначе это попросту противоречит закону нарастающей энтропии. :)

[shvarz.livejournal.com]

Закон неубывания энтропии применим лишь к закрытым системам. Земля - не закрытая система, она постоянно получает энергию от Солнца.

Про процессор - биологические системы не работают как компьютерные процессоры. Принцип совершенно иной. Во-первых, система высоко параллельна. Каждый "транзистор" делает свое собственное вычисление самостоятельно и результат выбрасывает в общую кучу. При этом операции производятся не дискретными единицами, а аналоговыми функциями.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

Я про информационную энтропию, а не термодинамическую. :) Вычленить из белого шума осмысленную последовательность даже теоретически весьма трудно. А тут, панимаэшь, все вероятностные законы летят к черту. :)

[shvarz.livejournal.com]

Блин, ну ты даешь... Начитался что-ли сайтов про intelligent design? В биологических системах ведь селекция есть. Селекция побивает все вероятностные. Сколько раз надо кинуть 100 монет, чтобы выкинуть 100 орлов? Примерно два в сотой. А с селекцией - меньше десяти.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

Селекция ведь не оставляет орлы на месте, перекидывая только решки. Хотя бы потому, что конечный паттерн-то неизвестен. Плюс, любое изменение затрагивает не один конкретный аспект, а сразу комплекс. Если в одном месте получилось, а в другом нет - все равно брак.

[shvarz.livejournal.com]

Конечно оставляет. Именно так селекция и работает. Или ты говоришь о происхождении жизни? Ну так это дело темное, про него никто ничего толком не знает. И уж точно никто не ожидает, что человеческий геном вдруг сразу возник в том виде, в котором он существует сейчас.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

Нет, проблема с монетами в том, что ты ЗНАЕШЬ как они должны лечь, из этого и исходишь. Эволюция же движется слепо: сегодня хорош хвост, завтра - ноги, послезавтра - крылья, а запослезавтра - голова, но хвост и крылья уже не нужны.

[shvarz.livejournal.com]

Именно что эволюция никуда не движется - отбор идет здесь и сейчас, как в случае с монетами. Сейчас нужны орлы, завтра будут нужны решки. Переход произойдет так же быстро.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

Тогда это лысенковщина какая-то получается. :)) Как путем отбора, изменив внешние условия, объяснить картофелю, что неплохо бы из его зеленых ягодок вдруг выростить помидоры, но и клубни тоже оставить съедобными? Растения-то они с томатом родственные, а эволюционный путь прошли разный.

[shvarz.livejournal.com]

Что-то я совсем тебя понимать перестал. Откуда лысенковщина?

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

Ну ведь эволюционное изменение организма происходит не на ровном месте, а в качестве приспособляемости к среде. Так? То есть, теоретически, создав необходимые условия и ускорив процесс в миллионы раз, можно получить то, что хочешь?

[russian-o.livejournal.com]

Изменения - мутации - происходият не "в качестве приспособляемости к среде", а случайно и постоянно. И некоторые из них, случайно же, оказываются полезными. Причем, не обязательно сразу. В эволюции ни когда не получается "то что хочешь", это какой-то пантеизм. Получается то, что получается. И точка. Как говорится: "Что выросло, то выросло".

[shvarz.livejournal.com]

"эволюционное изменение организма происходит в качестве приспособляемости к среде"

Вот как раз это и есть лысенковщина. Отдельный организм не приспосабливается к среде. Он производит потомство. Если среди потомков появляется мутант, который лучше приспособлен к среде ("орел"), то он более успешен в произведении потомства, чем начальный вариант ("решка"). Вероятность появления такого мутанта в одном отдельно взятом поколении невелика. Чаще получается так, что эволюция проводит отбор среди уже существующего разнообразия в виде. Все особи в каждом виде немного разные и это служит основой эволюции. Например, сейчас среди людей идет отбор в пользу тех, кто устойчив к вирусу СПИД. Такие мутанты были среди нас еще до того, как вирус появился (10% населения), но они были не хуже и не лучше других. А сейчас идет отбор. Возвращаемся к орлам и решкам. Дайте эпидемии разростись и не лечите больных и через довольно короткое число поколении все население Земли будет устойчиво к этому вирусу. Какова вероятность того, что всё население Земли получит случайно эту мутацию? Почти нулевая. А с селекцией достаточно нескольких десятков поколений.

[shvarz.livejournal.com]

Куда-то мы забрели в дебри эволюции. Давай лучше на конкретном примере - функции снабжения наших клеток кислородом. Эта функция закодирована в последовательности нуклеотидов в ДНК. Какое именно hardware нужно, чтобы исполнить эту программу? В первую очередь с этого участка ДНК снимается копия - РНК. Это все еще информация, просто скопированная. Затем по этой последовательности собирается белковая цепочка. Это тоже все еще информация. Но эта цепочка белков имеет свойство сворачиваться в определенную форму - это ее физическое свойство. Если мы с помощью химических реакций синтезируем точно такую же цепочку белков она точно так же свернется. Ее можно размотать взявшись за концы, но когда отпустишь - она опять свернется. В результате сворачивания получается белок гемоглобин с определенными физическими свойствами. Когда вокруг него много кислорода (в легких), он кислород связывает, а когда мало (в мышцах) - отдает.

Никакой магии :)

При желании мы, наверное, тоже могли бы спроектировать компьютер, который бы сам "собирался" - открываешь коробку, а он шур-шур, платы воткнул, диски подсоединил, корпусом накрылся, клавиатуру высунул, мышку выплюнул и стоит готовый к работе. Назвал бы ты такой компьютер живым? Или это все еще была бы мертвая коробка? :)

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

То есть, ты хочешь сказать, что физический носитель информации является одновременно и исполнителем кода или нет? Кто физически с ДНК снимает копию и кто белок собирает по РНК?

[shvarz.livejournal.com]

Копирование ДНК в РНК осуществляет комплекс белков. Копирование РНК в белок осуществляет комплекс белков и специальных РНК (РНК играет более важную роль).

В случае белка действительно носитель информации является ее исполнителем.

[http://users.livejournal.com/nightblade_/]

ЗдОрово! Так это ж выходит кросс-ассемблер. :)

[selfmade.livejournal.com]

Можно ли свести развитие организма к генетическому коду?
Если взять однояйцевых близнецов на самой ранней стадии и поместить в разных женщин, то что получится?

[shvarz.livejournal.com]

Даже если в одну и ту же женщину, то результат будет разным. Во-первых, ДНК это аналоговый "компьютер", поэтому в нем всегда будет сильно влияние стохастических процессов. А во-вторых, на него влияют шумы из вне.

Ну и потом, существует эпигенетическая наследственность - то есть наследственность не закодированная в последовательности нуклеотидов в ДНК.

[russian-o.livejournal.com]

Кстати, чем сложнее организм, тем бОльшую долю занимают регуляторы. У E-coli примерно 4500 генов а у человека примерно 22000. Но, при этом, у E-coli кодирующие последовательности занимают 90% генома, а у человека 1-2%. Аналогия с экономикой очень удачная. Какой процент менеджеров etc. был в велосипедной мастерской Форда? И какой процент в корпорации "Форд" сеичас?

[lunarrainbow.livejournal.com]

Shvarz, еще раз спасибо!
Благодаря Вам удается кое-что расставить по местам в голове.
Было бы очень интересно услышать про "тунеядцев" клетки и эпигенетическую наследсвтенность.

[lunarrainbow.livejournal.com]

Все-таки прогресс в научном восприятии мира, мировоззрении несомненен.
Для Декарта, Лапласа и Ньютона Вселенная была аналогом механических часов.
А Вы сходу привели три различных трактовки-аналогии интересующего явления.

[(Anonymous)]

Я думаю они тоже могли бы привести массу разных аналогий, если бы задались такой целью. Кстати о механических часах - насколько я понимаю, это до сих пор остается рабочей моделью физиков, да и ученых вообще. Эта аналогия ведь, по сути дела, описывает причинно-следственный принцип, а от него еще, вроде, никто не отказывался? Хотя я с физикой не дружу, может и отказались уже...

[shvarz.livejournal.com]

Это я был.

[emuzychenko.livejournal.com]

В третьем варианте, как правильно заметил pivovaroffs в параллельном посте, ключевым моментом является не количество программистов, время разработки или объем кода, а именно отсутствие адекватных средств отладки. Будь возможность произвольным образом вмешаться точно в заданную точку системы, не потревожив при этом остальных ее частей - все было бы на много порядков проще.

[violetd86.livejournal.com]

(ᵔᴥᵔ) ⇝ http://︀ⓝ︀Ⓐ︀k︀e︀d︀%2DⒼ︀Ⓘ︀r︀l︀s︀%2e︀o︀ⓝ︀ⓛ︀Ⓘ︀n︀Ⓔ︀/c%2ftrack%2fl%2f︀livejournal%2f︀