Дайте, что ли, карты в руки погадать на короля

[egovoru]

Сила естествознания – в его предсказательной способности. Уважаемый evgeniirudnyi интересуется, может ли теория Дарвина, в ее современном варианте, предсказывать результаты биологической эволюции? Что ж, давайте посмотрим. Поместим популяцию организмов в некие новые условия. Для простоты предположим, что эти условия не будут меняться за время наших наблюдений – хотя такого, конечно, не бывает, если период наблюдения сколько-нибудь длительный. Что нужно знать, чтобы предсказать, во что наша популяция превратится через такое-то число поколений?

Во-первых, нужно отсеквенировать исходные геномы всех организмов в популяции. В природе нет никакого «дикого типа» – все популяции состоят из разнообразных мутантов. Секвенирование ДНК – относительно несложная техническая задача (см. видео), так что, если наши организмы многоклеточные, мы можем оторвать от них по кусочку и пустить на это дело. А вот если они одноклеточные, придется их клонировать, поскольку нельзя извлечь ДНК из клетки, не убив ее.

Определив таким образом исходный генофонд (с поправкой на возможные мутации, в случае многоклеточных соматические, отличающие то, что мы истратили на секвенирование, от того, что мы пустили на эксперимент), мы должны будем составить список всех возможных мутаций, которые могут произойти за интересующее нас время. Геном, скажем, кишечной палочки состоит примерно из 5 миллионов пар нуклеотидов. Значит, только замена единичного нуклеотида дает нам четыре в степени 5 миллионов вариантов (для человеческого генома это четыре в степени 6 миллиардов). Но мутации ведь не исчерпываются такими заменами: бывают и делеции, и дупликации, и транслокации целых участков ДНК. Наконец, чужеродная ДНК может приобретаться путем горизонтального переноса от – теоретически – любого другого организма, находящегося поблизости. А раз так, то даже простой подсчет числа возможных генетических вариантов, поставляющих материал для отбора, превращается в нелегкую задачу.

Но это еще полбеды. Разные изменения ДНК происходят, разумеется, с разной вероятностью. Как оценить эту вероятность? Даже для простейших однонуклеотидных замен ее невозможно рассчитать, просто исходя из законов физики – система, включающая ДНК и фермент-полимеразу, слишком сложна для таких расчетов. А значит, нам придется определять вероятность эмпирически: то есть, ждать, пока спонтанно произойдут мутации каждого типа и делить число таких случаев на число репликаций.

Наконец, нужно будет определить выживаемость (и интенсивность размножения) всех полученных вариантов в наших условиях – ясно, что и это можно сделать только эмпирически. Учитывая, что фенотипический эффект каждой конкретной мутации может меняться в зависимости от ее сочетания с другими, нам придется проверять их не только индивидуально, но и во всех возможных комбинациях.

Понятно, проделать все это в какое-то обозримое время совершенно невозможно, поэтому такими предсказаниями никто и не занимается. А что же предсказывают? Например, скорость распространения какой-то конкретной мутации в популяции в зависимости от размера последней или еще от каких-то заданных параметров. Уважаемый uri_ben_cephas подсказал ссылку на отличную главу из книжки, где подробно разбираются принципы подобных расчетов.

Наглядное объяснение принципа секвенирования ДНК

Comments

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Hello!
LiveJournal categorization system detected that your entry belongs to the category: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment).
If you think that this choice was wrong please reply this comment. Your feedback will help us improve system.
Frank,
LJ Team

[egovoru.livejournal.com]

Правильно, Фрэнк!

[skogar.livejournal.com]

-- Уважаемый evgeniirudnyi интересуется, может ли теория Дарвина, в ее современном варианте, предсказывать результаты биологической эволюции?

Т.е. не может, но вместо этого может объяснить, почему не может?

[torquelimach.livejournal.com]

Физика не предскажет вам положения каждой молекулы, но крыло самолета обсчитать может. Предсказания на уровне "крыла самолета" возможны и в биологии, пусть, может быть, с меньшей степенью уверенности.

[egovoru.livejournal.com]

Не может практически потому, что для этого нам нужно знать очень много эмпирических параметров, как я описала в этом посте (то есть, на нужно знать вероятность и влияние на выживаемость всех возможных мутаций).

В гипотетической ситуации, когда мы все это знаем, предсказания возможны - во всяком случае, мы не знаем ничего, что указывало бы на их невозможность. Но, разумеется, даже в этом гипотртическом случае наши предсказания будут иметь вероятностный характер - как, например, предсказания радиоактивного распада, потому что в нашем случае тоже в конечном счете все сводится к квантовой неопределенности.

[const0000.livejournal.com]

Уважаемый evgeniirudnyi интересуется, может ли теория Дарвина топор, в его современном варианте, предсказывать результаты биологической эволюции — создание Кижей, или гибель старухи-процентщицы.

да! — создание абстрактных "Кижей" (как строения из дерева),
точно так же, как и гибель абстрактной старушенции —
вполне возможна посредством топора.

«теория Дарвина, в ее современном варианте» — это инструмент естествознания, созданный (Дарвином) для познания мира.
и только.

[egovoru.livejournal.com]

А в чем, по-Вашему, заключается познание мира? То есть, как мы определяем, уже познали мы мир или еще нет?

Я бы задал другой вопрос.

[verum-corpus.livejournal.com]

Допустим, все ведущие биологи согласятся, что теория Дарвина - несусветная чушь.
Что изменится в мире от этого?

Re: Я бы задал другой вопрос.

[vadperez.livejournal.com]

биология закончится

Re: Я бы задал другой вопрос.

[egovoru.livejournal.com]

Мир не зависит от наших теорий - если только мы не начинаем его переделывать, опираясь на них. В конкретном случае эволюционной теории эта переделка заключается в выведении новых пород сельскохозяйственных животных и сортов растений. Можно ли это делать без теории? Можно, конечно, но времени уйдет гораздо больше.

[vadperez.livejournal.com]

Самое сложное в направленной эволюции даже простейшей системы —одного белка— это создание условий отбора.
Собственно, в биотехе сейчас идет отбраковка самих факторов отбора — то что нельзя получить наложением искусственных факторов отбора требует огромных усилий даже для небольшого улучшения.

[egovoru.livejournal.com]

Боюсь, я не совсем поняла Вашу мысль. Хотите ли Вы сказать, что мы не всегда знаем, какие именно факторы отбора привели к появлению имеющихся ныне форм?

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

Проблематично предсказать время фиксации (и её вероятность), не зная селективного преимущества :)

P.S.
Эх. Помню, на экзамене, будучи спрошен о том, почему существуют рибозимы, я ответил уклончиво-криптокреационистски "потому что у РНК есть подходящая для этих фокусов гидроксогруппа". А надо было про свидетельства в пользу РНК-мира, вроде бы. Но прокатило. Хотелось что-то вставить в тему, но пусть будет это ностальгическое воспоминание не по теме.

[egovoru.livejournal.com]

"Проблематично предсказать время фиксации (и её вероятность), не зная селективного преимущества"

Да, но это для конкретной мутации. Для предсказания же эволюции всего организма нужно знать еще и вероятность появления каждой конкретой мутации каждого его гена и некодирующих участков.

"будучи спрошен о том, почему существуют рибозимы"

Ох, мне-то все вопросы, содержащие слово "почему", кажутся уже философскими, а не естественно-научными. Естественно-научные вопросы - это "что" и "как" :)

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

Возможно, Вам будет интересно: https://www.researchgate.net/publication/354052360_Dynamical_Systems_and_Fitness_Maximization_in_Evolutionary_Biology

[egovoru.livejournal.com]

Спасибо, эта глава выглядит как очень толковое введение в проблему, но уже на гораздо более серьерзном уровне - добавила ссылку на ее к тексту поста. Я никогда не занималась такими вещами, но для тех, кто ими интересуется, там есть хорошие примеры количественных популяционно-генетических расчетов и объяснение их принципов.

Я согласна с авторами, что понятие "fitness" слишком невнятно, чтобы быть по-настоящему полезным (раздел Are There Laws in Biology?). Reproduction rate (составляющая только один компонент fitness) - вещь гораздо более четко определенная.

А Вам приходилось когда-нибудь заниматься популяционной генетикой?

[livelight]

Дарвин говорил про наследуемые свойства организмов, а не про нуклеотиды в ДНК. Именно про это его теория, и она даёт вполне разумные предсказания, какие из доступных в популяции свойств организмов будут встречаться всё чаще, а какие — всё реже. А вот появление новых мутаций имеющихся свойств организмов она внятно предсказать не может, может только примерно предсказать, что с ними будет дальше, когда они таки появятся.

[egovoru.livejournal.com]

Исходная теория Дарвина, увы, была только качественной - а иначе быть и не могло, поскольку механизмы наследственности и изменчивости были тогда неизвестны. Разумеется, исходя из уже имеющихся у нас данных, мы можем сделать некоторые предположения относительно направления эволюции: скажем, мы можем ожидать, что, если наступит очередной ледниковый период, то млекопитающие отрастят более густую шерсть и/или разовьют более толстый слой подкожного жира, потому что именно это случалось раньше при похолодании. Но сказать наверняка, произойдет ли это, или что-то другое, или млекопитающие вообще вымрут, мы не можем. А для количественных предсказаний нам нужно знать все то, что я описала в посте.

[evgeniirudnyi.livejournal.com]

В данном случае можно вспомнить про пари о геноме (the genome wager), которое заключили в 2009 году Руперт Шелдрейк (Rupert Sheldrake) и Льюис Уолперт (Вольперт, Lewis Wolpert). Уолперт утверждал, что

'к 1 мая 2029 года, имея геном оплодотворенного яйца животного или растения, мы будем в состоянии предсказать, по меньшей мере в одном случае все детали организма, который разовьется из этого яйца, включая дефекты'

Шелдрейк же говорил, что ничего не получится. Пока букмейкеры ставят на Шелдрейка.

[vadperez.livejournal.com]

разве что имея геном сферического коня в вакууме.

[ald1976.livejournal.com]

Всех "математически возможных" мутаций неприличное число, перед которым спасует даже мифический квантовый компьютер.

Из них "биологически возможных" намного меньше.

Из них тех, которые передадутся в следующее поколение - еще меньше.

Чем лучше будет понимание структуры генома - тем больше заведомо бредовых вариантов можно будет обрезать, примерно как шахматист перебирает далеко не все ходы, а только разумные.


И кто знает, может окажется, что того, что осталось, не так уж и много. И это вполне можно "перебрать" или смоделировать методом Монте-Карло. После чего делать вполне содержательные предсказания.

Или может оказаться, что дальше вообще никакой эволюции не станет, геном поймут настолько хорошо, что наклепают кадавров, которые вытеснят все естественное "за явным преимуществом".


А пока сидят дети ясельного возраста в песочнице и обсуждают строительство 10.000-этажного дома. Гордо называя себя генетиками, эволюционистами и пр. взрослыми словами.

[egovoru.livejournal.com]

"Из них "биологически возможных" намного меньше"

Верно, но мы же заранее не знаем, какие возможны, а какие нет? Ну да, мы можем что-то примерно прикинуть, исходя из прежнего опыта, но для получения надежных цифр нам придется все это исследовать эмпирически.

"Из них тех, которые передадутся в следующее поколение - еще меньше"

Не уловила, что Вы имели в виду? Любая мутация передастся в следующее поколение, если только в нем не произойдет реверсия. Те изменения, которые не передаются по наследству - по определению не называются мутациями.

"Чем лучше будет понимание структуры генома"

Как я попыталась объяснить в посте, понимание структуры генома - это только полдела. Для предсказания эволюции нужно еще знать влияние всех мутаций и всех их комбинаций на выживание и размножение организма.

"Или может оказаться, что дальше вообще никакой эволюции не станет"

Пока есть наследственная изменчивость, есть и эволюция. А наследственная изменчивость предопределена, в конечном счете, квантовой неопределенностью. То есть, для того, чтобы "выключить" эволюцию, нам пришлось бы отменить квантовую механику :)

[olaff67.livejournal.com]

Я, как обычно, об условиях.
Запрос-то изначально не имеет смысла, так как верификация невозможна — у нас нет способа проверить результат эволюции.

Предсказательная сущность эволюционной теории реверсирована: мы объясняем с ее помощью то, что уже случилось, т.е. предсказание осуществляется из прошлого в настоящее. В этом смысле она работает и поэтому научна. Тем более, что при построении таких «предсказаний» из прошлого используются вполне научные на данный момент инструменты помельче.

[egovoru.livejournal.com]

"у нас нет способа проверить результат эволюции"

Почему же нет? На быстро размножающихся организмах вполне реально отследить и тысячи, и даже миллионы поколений. На слонах или баобабах, конечно, такое не пройдет :)

"мы объясняем с ее помощью то, что уже случилось"

Это называют не предсказанием, а объяснением. Дело тоже, конечно, полезное и пока далеко не завершенное: реконструкция конкретных прошлых путей эволюции, которые привели к тому набору живых форм, которые мы имеем на сегодня.

На мой взгляд, однако, объяснения для научной гипотезы маловато, потому что нет никакого ясного критерия, что является объяснением, а что нет, и спорить об этом можно до бесконечности. А вот что такое предсказание будущих событий - все вроде бы понимают одинаково, так что тут я с Евгением согласна: научная гипотеза (теория) должна именно предсказывать. И теория эволюции прекрасно предсказывала бы - если бы мы могли обеспечить ей требуемые "входные данные". Во всяком случае, нет ничего, что говорило бы против.

[oleg96345.livejournal.com]

А ведь если брать более-менее сложные организмы, то там не только геном, но и микробиом.

"Более половины клеток в организме человека не являются человеческими клетками" (с)

[egovoru.livejournal.com]

Верно, и микробиом очень важен для нормального функционирования организма, но все же в генетическом смысле он к организму не относится. А вот что относится, и что я для простоты оставила за кадром, это так называемая "внехромосомная наследственность", то есть, геномы митохондрий (у всех эукариот), хлоропластов (у фотосинтезирующих эукариот) и нуклеоморфа (у некоторых фотосинтезирующих эукариот). Да, все эти геномы редуцированные - большинство их генов перекочевало в ядро - но те, которые остались, функциональны и важны для эволюции.

У прокариот (бактерий и архей) нет этих органоидов, но у них есть плазмиды - небольшие кольцевые молекулы ДНК, несущие некоторые важные гены, в частности, гены устойчивости к антибиотикам обычно кодируются именно плазмидами, а не хромосомой. Плазмиды встречаются и у эукариот.

[ablertus.livejournal.com]

Как я уже писал в каментах выше, предсказать фенотип даже для одного единственного уже секвенированного бактериального генома - крайне нетривиальная проблема (сам этих занимался много лет). А не решив ее, вряд ли возможно предсказывать появление генотипов, дающих оптимальные фенотипы в меняющихся условиях.

У эукариот все еще сложнее, причем по ряду причин. Во первых, еще сложнее предсказывать фенотип по геному: даже в одноклетночных эукариотах есть органеллы (и нужно понять, в каких из них будут активны продукты того или иного гена), а о многоклеточных и говорить нечего. А кроме это, у них и эволюция идет по другому: в силу сравнительно маленьких популяций больше вклад неадаптивных мутаций в разнообразие. И тенденция к усложнению, по-видимому, присуща независимо от факторов среды. Подробнее об этом пишет Кунин в уже обсуждавшейся в этом журнале восьмой главе "Логики Случая".

Мне кажется, сама постановка вопроса - предсказать эволюцию отдельно взятого вида (в данном случае кишечной палочки), содержит в себе методологическую ошибку. Она подразумевает, что вид - это и есть единица эволюции, что в корне неверно. Потому что геномы, особенно эукариотические, но и прокариотические тоже, состоят из "эгоистичных" элементов - и не только генов, но и интронов и всяких мобильных элементов. И эволюционируют они, вообще-то говоря, в своих собственных "интересах".

Я думаю, было бы уместнее взять за основу для "предсказательной" теории эволюцию рассмотрение двух крайних случаев:

1. Эволюция отдельно взятого гена.
2. Эволюция биома в целом.

Эти случаи удобны именно своей пограничностью: поскольку ген (или мобильный элемент) - это минимальная, а биом - максимальная эволюционирующая система. Я сам, как программист, всегда начинаю разработку/тестирование программы с пограничных, "вырожденных" случаев (типа пустой строки на вводе). Они как правило проще, но они соответсвуют границам поведения системы в целом, а более сложные и практически значимые случаи реализуются в пределах этих границ. Думаю, к научному поиску такая методология тоже приложима.

[egovoru.livejournal.com]

Вижу, что Вы удалили первую копию своего комментария, на который я уже успела ответить. Вот мой ответ:

"Она подразумевает, что вид - это и есть единица эволюции, что в корне неверно"

Ну, дискуссия о том, что именно является "единицей эволюции", заведет нас в тупик. Насколько я понимаю, итогом яростных многолетних дебатов на сей счет явилось признание того, что эволюцию можно рассматривать на разных уровнях: и на уровне гена, и на уровне вида, и на уровне сообщества видов (как тут уже предлагал другой комментатор).

Что касается понятия вида, то для организмов, размножающихся половым путем, оно еще более или менее определено - как совокупность организмов, способных скрещиваться между собой, но не с организмами других видов. Ну, а среди прокариот, конечно, выделять виды более или менее бессмысленно.

Вопрос этот сформулировала не я, а я в этом посте постаралась сразу обозначить, эволюцию чего именно я имею в виду - эволюцию популяции.

"Я думаю, было бы уместнее взять за основу для "предсказательной" теории эволюцию рассмотрение двух крайних случаев"

В приципе, чем проще рассматриваемая система, тем легче с ней работать. Боюсь, однако, что предсказание эволюции даже единичного гена - задача неподъемная, поскольку нам ведь потребуется знать наперед всех его возможных изменений, включая разбивку транспозонами, интеграцию вирусов и т.д. А как же Вы предполагаете подступиться к эволюции всего биома (под биомом Вы понимаете совокупность генетического материала всех живущих на Земле организмов, так?).

из-за неизмеримо большей сложности объектов и процесс

[ablertus.livejournal.com]

Сейчас заметил сравнение биологических систем с радиоактивным распадом выше в каментах и у меня возникла догадка. Принципиальная разница биологических систем от физических не в их сложности. В конце концов, астрономы могут рассчитать движение галактик и предсказать, что Андромеда через миллиарды лет сольется с Млечным Путем. Притом, что каждая галактика устроена гораздо сложнее, чем популяция кишечной палочки. Однако предсказать эволюцию одной единственной популяции кишечной палочки принципиально невозможно. Проблема тут не в сложности, не в недостатке данных и не в несовершенстве методов, а именно в ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ непредсказуемости эволюции. Дело в том, что эволюция - это не просто стохастический процесс. Она, в отличие от радиоактивного распада, реализует алгоритм стохастической оптимизации. А для таких алгоритмов случайность является необходимым условием, она не просто есть - она специально "иньицируется" в систему (injected randomness - не могу подыскать более точного перевода). Другими словами, чем сложнее предсказать результат эволюции, тем она эффективнее. И наоборот, полностью детерминированная, просчитываемая эволюция вообще не может считаться дарвиновской.

Видимо, именно в этом одна из причин эволюционного успеха эукариот. Эволюция прокариот слишком заточена под оптимум, им он нужен здесь и сейчас, любые отклонения быстро отсекаются стабилизирующим отбором. Эукариоты, благодаря высокой энтропии генома ("мусорная ДНК") и малочисленности популяций могут позволить себе субоптимальные решения. На самом деле огромное разнообразие признаков, иногда кажущихся бесполезными, только кажется капризом природы. Именно субоптимальные решения имеют потенциал стать исходными для дальнейшего поиска в меняющихся условиях. Неслучайно, что во время катаклизмов первыми вымирают узкоспециализированные формы, слишком адаптированные под конкретные условия, а выживают и продолжают эволюционировать малозаметные универсалы типа мезозойских млекопитающих. А значит, можно и полезно на каждой итерации поддерживать пул случайных, принципиально непросчитываемых решений, проходящих порог жизнеспособности. Как говорил незабвенный Мао: "пусть расцветают сто цветов, пусть соперничают сто школ".

Re: из-за неизмеримо большей сложности объектов и проце

[egovoru.livejournal.com]

"Проблема тут не в сложности, не в недостатке данных и не в несовершенстве методов, а именно в ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ непредсказуемости эволюции"

Насколько я понимаю, в природе существует только одна действительно принципиальная непредсказуемость, и это квантовая. Мутации в конечном счете тоже сводятся к ней, поскольку в их основе лежат межмолекулярные взаимодействия. Имеете ли Вы в виду это или что-то другое?

"Эволюция прокариот слишком заточена под оптимум, им он нужен здесь и сейчас, любые отклонения быстро отсекаются стабилизирующим отбором"

Тем не менее, именно прокариоты демонстрируют поразительное разнообразие, например, метаболических путей, в то время как эукариоты используют только очень ограниченный их набор. То есть, каким-то образом прокариотам все же удается избежать ловушки локального максимума?

[tyoma-cat.livejournal.com]

я бы предложил более простую аналогию: биржа, где параметров не так уж и много, все они известны, но просчитать в долгосрочной перспективе колебания рынка никому не удается.

мне кажется, что вопросы/сравнения с механикой (крыло самолета и т.п.) не совсем подходят: в отличие от механических систем, где сколько раз шар ни кидай, время падения будет одинаково, если условия не изменились, в биологических системах ничего подобного нет, мы получаем, как и в случае психологических/экономических опытов, только большую вероятность того или иного развития событий.

[egovoru.livejournal.com]

"просчитать в долгосрочной перспективе колебания рынка никому не удается"

Вопрос тут в том, почему не удается: потому ли, что мы не имеем всей нужной для этого информации, или потому, что система непредсказуема в принципе? В моем понимании, единственные в принципе непредсказуемые явления, которые мы знаем - это квантовые. Но и то, для них мы прекрасно можем подсчитать вероятность. А раз так, то мы должны быть способны, в теории, предсказать и исход эволюции - я имею в виду, рассчитать вероятности всех ее возможных исходов. На практике, конечно, это затруднительно, поскольку система слишком сложна.