Эмили Ривз: Биология трансформируется в системную дисциплину

Тезисы (с некоторыми моими комментариями):

• Анализ больших массивов данных, ставший возможным в последнее время, выявил системный характер биологии и неадекватность редукционизма при описании биологических феноменов.
  • "Редукция" обозначает "сведение к чему-либо". Редукционизм заключается в таком анализе изучаемого феномена, при котором изучаемое сводится к совокупности его базовых составляющих компонентов. В определённом смысле, редукционизм — это парадигма, в которой целое равно сумме составных частей.
  • Примеры применения редукции: объяснение биологического разнообразия как результата совместного действия случайных мутаций и естественного отбора; представление о человеке как о машине для переноски генов (см. Р. Докинз "Эгоистичный ген"); представление о том, что вся сложность  взаимоотношений в человеческом обществе сводится к экономике и классовым противоречиям.
• Редукционизм как платформа больше не удовлетворяет биологов, несмотря на то, что большинство из них профессионально сложились в условиях доминирования редукционизма.
• Критическое число биологов сегодня уже подошло к пониманию системной природы биологии, проделав путь от редукционизма к холизму (новая парадигма, в которой целое больше суммы составных частей). Ни один биологический феномен не может более изучаться в отрыве от системы, в которой он проявляется.
• Характеристические черты биосистем включают иерархию, интеграцию компонентов, сигнальные сети, эмерджентные свойства (то есть такие свойства системы, которые не присущи её компонентам по отдельности и в силу этого несводимы к сумме свойств её компонентов).

• Современные сложные технологические системы и рядом не стоят по уровню сложности и эффективности организации в биосфере.
• В биологии фактически сформирован консенсус в отношении необходимости пересмотра представлений, доминирующих на сегодняшний день. Большое число работников обращается при исследовании биологических феноменов к теории систем. Это положение докладчица описывает, как революцию в биологии.
• Цитата: системная биология подходит к изучению организмов как к интегральным системам, состоящим из динамически изменяющихся взаимозависимых генетических, белковых, метаболических и клеточных компонентов, с использованием традиционных методов собственно биологии, математики, информатики, а также современных технологий.
  • Это, безусловно, также относится к популяциям организмов.
• Наилучшее объяснение генезиса некоторой сложной системы состоит в предположении о том, что она явилась результатом разработки "сверху вниз": от идеи к имплементации в рамках целеполагания. Такая разработка является примером дизайна. Конкурирующее традиционное эволюционное объяснение генезиса сложных систем как результата действия ненаправленного отбора в контексте популяции организмов, характеризующейся разбросом свойств, не представляется более удовлетворительным.
  • В самом деле, как можно удовлетворяться эволюционным объяснением появления, например, системы репарации генетического кода, ведь, согласно эволюционным представлениям, система выявления и коррекции ошибок копирования возникла в результате появления ошибок копирования. Неадекватность эволюционных представлений в данном случае становится особенно очевидной, если вспомнить известный парадокс Манфреда Айгена: код простейшего корректора по длине намного превышает максимальную критическую длину генома, которая может реплицироваться, не сопровождаясь фатальным лавинообразным накоплением ошибок копирования.
• Системы разрабатываются в рамках предвидения, планирования и целеполагания (foresight), через координирование и слаживание работы компонентов и создание неразложимого функционального ядра (irreducible complexity).
• Сторонники ID десятилетиями говорили обо всём этом. Фактически ID предсказал необходимость системного мышления в биологии.
• Системная биология основана на парадигме дизайна: появление сложных функциональных систем обусловлено целенаправленной разработкой, то есть дизайном.
  • Иерархическая интеграция требует предвидения.
  • Сигнальные сети требуют разработки "сверху вниз".
  • Эмерджентные свойства обусловлены существованием неразложимого функционального ядра.
• Cистемная биология заимствует терминологию и образ мысли у современных информационных технологий и применяет их в изучении биологических феноменов, что обеспечит долговременный успех системной биологии:
  • Многокритериальная оптимизация.
  • Принятие решений.
  • Построение сетей.
  • Управление.
  • Сигналирование.
  • Обработка информации.
  • Обеспечение устойчивости.
  • Организация памяти.
• Анализ принципов технологической разработки поможет глубже понять принципы организации биологических систем. Некоторые принципы разработки технологических систем:
  • Дизайн требует планирования.
    • Составление схем функционирования биосистем и сравнение с их технологическими аналогами позволяет сузить пространство поиска недостающих деталей биологической картины. См. W. Shultz: An Engineering Perspective on the Bacterial Flaggelum. Part 1 - Constructive View.
  • Тяжелые проблемы требуют поиска элегантных решений.
    • Инженерный навык поиска и видения элегантных технологических решений может помочь понять подробности структуры и функционирования живых организмов.
  • Технологические решения оптимизируются с учётом существующих ограничений.
    • Парето-оптимизация приложима и в биологическом контексте. То, что при поверхностном взгляде нам представляется плохим дизайном, может оказаться решением задачи многокритериальной оптимизации с учётом конфликтующих ограничений.
    • Примеры этого рассмотрены у меня в данном блоге.
  • Повторное использование элементов решений предшествующих задач в новом контексте.
    • Схожесть строения или функционирования биосистем может быть следствием не только общего происхождения, но и общей разработки.
    • См. напр. W.Ewert: The dependency graph of life. Об этой публикации я писал здесь.

• Зачем весь этот разговор о дизайне?
  • Научная цель: Для того, чтобы лучше понимать, как устроены живые организмы. В свою очередь, это может помочь в лечении патологий.
  • Научная повестка ID включает также стимуляцию междисциплинарных дискуссий.
  • Парадигма дизайна — стимулятор научной мысли. Без такого разговора книги, подобные вот этой, были бы невозможны: U. Alon: An Introduction to Systems Biology. Design Principles of Biological Circuits (2020).
  • Философские следствия из парадигмы дизайна значительны и заключаются в осознании неотъемлемой внутренне присущей осмысленности бытия человека как такового даже безотносительно человеческого социума: если мы не явились случайным побочным продуктом слепых сил природы, но были созданы, значит наш Создатель хотел этим самым достичь определённой цели. Таким образом, цель нашего бытия заключается в свободном исполнении нашего предназначения.