Livets spontane orden






Tværvidenskab. Hele livets udvikling må forstås både ud fra indre principper og ud fra historisk udvikling. Denne påstand medfører en ny biologi, hævder biologerne Brian Goodwin (venstre) og Stuart Kauffman (højre), der har besøgt Danmark.


Af Robin Engelhardt og Frederik Stjernfelt

Den centrale akse på seminaret "The Spontaneous Order of Life", der netop er blevet afholdt på Niels Bohr Instituttet med deltagelse af mange internationale kapaciterer, gik nok mellem de to teoretiske biologer Brian Goodwin og Stuart Kauffman. Allerede deres mærkelige titel antyder karakteren af deres synspunkter: de er teoretiske biologer. Teoretisk fysik har længe været en selvfølgelighed - men indenfor biologien har en konsekvens af neodarwinismen været, at der ingen teoretiske opgaver har syntes at være, alt kunne reduceres til en experimentel udforskning af, hvilke gener, der syntetiserede hvilke proteiner. Men hvordan organiserer disse proteiner sig i anden omgang til højtkomplicerede organismer? - det kan siges at være det spørgsmål, som britisk-canadieren Goodwin og amerikaneren Kauffman hver på sin måde insisterer på.


- Der er mange fællestræk i jeres videnskabelige synspunkter: I hævder begge, at der er blevet lagt alt for stor vægt på den naturlige udvælgelse i biologien på bekostning af den organiserede karakter ved levende væsener. Hvordan ville I karakterisere jeres repsektive bidrag til denne nye biologi?
Kauffman: "Vær nu først forsigtig. Der er ingen der véd, hvordan livet begyndte, og selv om vi kunne genskabe det i et reagensglas er det ikke sikkert, at det ville være den samme begyndelse. Men vi vender os mod den dominerende opfattelse af livets begyndelse, nemlig at det bestod i et enkelt RNA-molekyle, en enkelstrenget komplementær version af den kendte DNA-dobbelthelix, der kunne reproducere sig selv. Det er man gået ud fra i mange år, men alle forsøgene på at sandsynliggøre det er mislykkedes. Den næste idé var "RNA-verdenen", baseret på ideen om at RNA-molekylerne kan fungere både som replikator og katalysator. På den måde har Jack Szostak forsøgt at anvende en molekylær evolutionsteknik til at udvikle et RNA- molekyle, som kan virke som polymerase, og bevæge sig langs sekvensen på den enkeltstrengede RNA for at tilføje de nukleotiderne, der er byggestenene for RNA og DNA, på de rette steder. Selv om han får held med sig, så er det usandsynligt, at livet ville være startet med et så specialiseret molekyle. Muterende kopier af den ville klare sig dårligere og det ville ende med det jeg kalder en fejlkatastrofe, kopierne ville hurtigt fjerne sig fra det levedygtige.


Selv har jeg i årevis stået for den holdning, at den første spire til liv er det jeg kalder en autokatalytisk mængde af proteiner, dvs. en mængde af organiske kemikalier, der er i stand til at syntetisere sig selv. Ideen kommer først fra N. Calvins Chemical Evolution og er, at et molekyle kan være i stand til at katalysere mindre molekyler til en udgave af sig selv. Min ide er at i en ursuppe af DNA, RNA, proteiner og så videre kan det forekomme, at molekylerne katalyserer skabelsen af hinanden. Der er et ganske nyligt experiment af David Lee og andre, offentliggjort i Nature den 8. august i år, der understøtter denne ide: den første sammensætning af aminosyrer, kaldt peptid, som accelererer syntesen af sig selv."


Goodwin: "Ja, det er den mest afgørende opdagelse i biologien siden Crick og Watsons dobbeltspiral."


Kauffman: "Måske er det det eneste peptid med den egenskab, og så er vi lige vidt - ellerogså er det bare eet i en stor mængde, og så står vi over for noget afgørende nyt. Mulighederne for det sidste er sandsynligvis meget stor i en sådan suppe af polymerer, som jeg skitserede. Matematisk har jeg forsøgt at sandsynliggøre denne hypotese med perkolationsteori og faseovergange i komplekse systemer, der synes at pege på, at ved en vis koncentration af reaktioner kan et sådant system pludselig begynde at hænge sammen. Jeg håber at vi i de næste 3-4 år kan etablere de spontant opståede autokatalytiske mængder som en universel klasse af systemer. Hvis vi kunne vise, at de er forventelige ud fra vort univers og dets indretning, så ville det være en storslået ting."

At den slående grad af orden, form og struktur, vi møder hos levende væsener, skulle kunne reduceres til den naturlige udvælgelse blandt tilfældige mutationer, er således den darwinistiske reduktionisme de begge argumenterer imod. De her hver for sig gennem mange år ført en ensom kamp som kættere mod den herskende darwinisme og har for nylig fået vind i sejlene med oprettelsen af Santa Fe centret for studier i komplexitet, hvor Kauffman er ansat - iøvrigt sammen med fysikere, computervidenskabsmænd, økonomer, lingvister, antropologer og andet godt. For Goodwin var det på et tidligt tidspunkt et spørgsmål om at oprette en strukturalistisk biologi, at indse, at darwinismen forsøger at reducere biologien til en rent historisk videnskab. Men biologien som udviklingshistorie må operere, lyder hans argument, på en ganske særlig klasse af stabile genstande, der formår at udvikle sig og danne form. Synsvinklen må således udvides fra gen-niveauet til organisme-niveauet: generene regulerer naturligvis organismens udvikling, men de skaber den ikke - de regulerer noget, der i sig selv evner at antage og forandre form. Spørgsmålet om formdannelse, om morfogenese, bliver derfor centralt, og biologien bliver derfor forbundet med form- og mønsterdannelse, som den foregår også på andre områder, således allerede i makrofysikken. Goodwin udgav i 1991 Development og i 1994 How the Leopard Changed its Spots og arbejder for tiden på et programskrift med titlen Towards a New Biology.

Goodwin: "Det interessante er, at man har et selv-organiserende system, hvor intet er under kontrol. Ingen af komponenterne i en sådan suppe kan reproducere sig selv, men derimod koopererer de med hinanden på en sådan måde, at de opnår en lukket kreds af fordelagtige vekselvirkninger. Hovedideen i den nyere biologi, at livet styres af generne, må således opgives. Generne selv, ligesom DNA, afhænger af en lang række af reaktioner, og de kan ikke kopiere sig selv. De skaber ikke sig selv, de skaber celler. Denne kontekst er meget vigtig. Hvis du propper DNA ned i et reagensglas, vil det ikke lave mere DNA, men tværtimod blive mere og mere simpelt, hvorimod organismerne bliver mere og mere kompliceret. Der sker derfor et skift i fokus fra DNAet som kommandocentral til den udspredte aktivitet i en selvregulerende organisering, til dynamikken i hele organismen. Darwinismen mente, at man kan forstå biologisk form og opførsel ud fra tilfældig variation i generne plus naturlig udvælgelse. Ingen af os anfægter, at disse faktorer er vigtige, men de forklarer ikke hvorfor de biologiske former er mulige. Selvorganiseringen bliver fokus for en emergent transformation i biokemien."


Medens Goodwin angriber emnet så at sige "ovenfra", fra formdannelsens synspunkt, kan man sige, at Kauffman gør det "nedefra": hans ide er at undersøge hvilke mulige former forsamarbejde, der kan opstå i systemer, der består af netværker af mange samvirkende enheder. Det er jo fx. tilfældet med generene og deres regulering af organismens formdannelse.

 Det er en forlængst antaget ide, at ikke alle gener bare koder for et protein, men at der er en stor klasse af gener, der styrer, hvornår andre gener skal aktiveres, ligesom der er atter andre der styrer dem ... i et netværk af gensidige påvirkninger. Kan der siges noget generelt om et sådant netværks udseende. Kauffman kan foreslå, at man forbinder en række elektriske pærer med ledninger på kryds og tværs - kan man da sige noget om systemet i den måde de blinker på, når strømmen bliver sluttet? Der er naturligvis en langt mere end astronomisk mægnde af måder at forbinde pærerne på, hvis bare deres antal overstiger 100 (så er mængden af muligheder 2 i hundredte, langt mere end antallet af partikler i universet). Men hvis mængden af forbindelser til den enkelte pære i gennemsnit er 2, så viser det sig pludselig, at pærerne efter tilslutning ret hurtigt vil give sig til at blinke i eet af nogle ret få mønstre. Jo flere forbindelser, jo mere kaotisk opførsel får man.

 En sammenligning af nogle af de resultater, et autokatalytisk netværk som dette frembringer, med flere biologiske fænomener, fortæller, at organismers kompleksitet og fleksible stabilitet skyldes deres evne til at placere sig på kanten af denne simple orden og dette overvældende kaos. På den måde udnyttes begges kvaliteter: stabilitet og fornyelse. Kauffmans forslag er nu, at liv generelt er karakteriseret ved at organisere sig på denne grænse mellem orden og kaos. Hvis det er tilfældet, så bliver det pludselig forståeligt, hvorfor livet kan udvise så omfattende orden som tilfældet er, selv om tiden siden Big Bang slet ikke er lang nok til at den biologiske udvikling har haft tid til på tilfældig, darwinistisk vis at gennemprøve tilstrækkelig mange genkombinationer for at finde de få, der udviser orden.

Orden må derfor være meget udbredt i rummet af mulige genkombinationer, argumenterer Kauffman - og ligeledes må den organiserede orden give sig selv mulighed for i højeste potens at udvide sit eget "arbejdsområde" - sin niche - for at forøge sin egen autonomi. Det er nogle af de tanker, Kauffman har brugt mødet på Niels Bohr Instituttet til at udvikle.

Man kan sige, at den naturlige udvælgelse ikke selv udvælger de systemer der udviser kompliceret orden, men at de "finder deres vej" i et uendeligt rum af muligheder. Derfor skal den naturlige udvælgelse som evolutionær kraft suppleres med en anden og hidtil overset: selvorganiseringen i komplicerede systemer, som fører til det, Kauffman også kalder "den gratis orden".

Det er ikke nok, at man udsætter et system for naturlig udvælgelse, det skal være et ganske særligt system for at kunne udvikle sig - det skal som Kauffman siger have et "kuperet fitnesslandskab". Det vil sige, at det skal have mange konkurrerende genkombinationer, der hver for sig har høj tilpassethed, fitness, og som derfor er en slags tinder, hvis man tegner et landskab over tilpassetheden. Det går ikke med systemer, der kun har een tinde, for så er de ufleksible - og det går heller ikke med systemer, der er alt for kuperet og har alt for mange små tinder, konkurrerende versioner, for så er det ustabilt, så ændrer den pågældende organisme sig ved hvert lille skub.

Også her er den gyldne mellemvej mellem orden og kaos løseordet. Går man ind på disse teser, er livets opståen i universet ikke længere noget mærkeligt tilfælde, og vi står ikke længere existentialistisk på kanten af en uforståelig verden, sådan som den franske biolog Monod engang kunne foreslå. Vi er "hjemme i universet", som Kauffman med en vel farlig popularisering kan foreslå Kauffman udkastede disse teser i en omfattende artikelsamling med den Darwin-drillende titel The Origin of Order (1993), der blev fulgt af en mere populær og syntetiserende fremstilling i At Home in the Universe (1995).


- Står vi over for en ny biologi, som er mere stukturel end historisk?
Kauffman: "Den vil altid forblive historisk, men den vil blive mere og mere strukturel. Som jeg har sagt i mine forelæsninger, så vil det rum, hvori de mulige historiske hændelser udfolder sig altid være meget større end de faktiske.


Hvordan fungerer blandingen mellem selvorganisering og udvælgelse? D.Wolpert og B.McCrady har for nylig lanceret No Free Lunch teoremet, og det siger, at hvis man har givet to søgealgoritmer, der skal gennemsøge den samlede mængde af mulige genkombinationer for at finde de mest tilpassede, så er der ingen af dem der generelt vil fungere bedre end den anden. Og det vil sige, at evolutionen slet ikke kan nå at gennemsøge mængden af mulige gener indenfor kosmologisk tid, hvis den går helt tilfældigt frem.


Det er interessant, for nu er det sådan, at evolutionen, forstået ud fra den gængse evolutionsteori, bruger mutation, udvælgelse og rekombination, for at lede efter godt tilpassede organismer i et ellers tilfældigt fitnesslandskab. Men at klatre op ad en lokal bakke i fitnesslandskabet for at nå det højeste, mest tilpassede punkt dur ikke, hvis fitnesslandskabet er meget kuperet, så bliver man bare fanget på en lille bakke og når aldrig op i bjergene. Heller ikke de ukorrelerede landskaber dur, hvilket igen stiller spørgsmålet: hvor kommer de gode landskaber fra? Rekombination af gener - det vi kalder sex - kræver både glatte landskaber og den højtkomplicerede genetik, vi kender. Sex er et egnet søgeinstrument til at finde de bedst tilpassede kombinationer. Den er imidlertid ubrugelig i et tilfældigt landskab, hvor man ikke kan finde stabile typer - ergo kan landskabet ikke tage sig således ud. Tværtimod ser det ud til, at der i højt omfang foregår en samtidig emergens af nicher og organismer så at de fleste kan klare sig hele tiden."
"Livet er kun een manifestation blandt flere af universelle principper."    
Goodwin: "Vi må oprette en ny forening mellem funktionalisme og strukturalisme, ingen af dem er tilsrækkelige. Mange af en organismes dele samarbejder funktionelt - medens organismen strukturerer, opbygger sig selv. Den består ikke af præeksisterende dele som en maskine. Det betyder, at der er en afgørende forskel mellem organismen og en maskine, ligesom Kant har defineret det. Maskinen er ganske vist funktionel, men den hverken strukturerer eller reproducerer sig selv. Denne indsigt genindfører strukturen i biologien på det allermest basale niveau. Darwinismen som historisk videnskab opfatter evolutionen som fuldstændig tilfældig og blind. Heroverfor åbner selvorganisering døren til forståelighed. Darwinismen var god i begyndelsen, men er siden gået til ekstremer og må nu afbalanceres. Samtidig har den fjernet biologien fuldstændig fra fysikken - nu kan de to igen mødes og forenes, fordi liv er selvorganiserende fysiske systemer."


- Der er to nylige opdagelser, der har betydning for jeres forskning - det mulige liv på Mars og fundet af et selvreplicerende 32-leds protein ...
    Kauffman: "Det første at sige om påstanden om liv på Mars er: jeg reagerer ligesom alle mulige andre: det er spændende, men ikke bevist. Jeg mødte lederen af NASA Dan Golden tre dage efter nyheden - og han mener også selv det samme. Men fundet kan tolkes således, at sandsynligheden for liv på Mars er steget fra 1 ud af en milliard eller 1 ud af en million til ti-femten procent. Det vil vi finde ud af inden for de næste 10-15 år, når vi får sendt en ekspedition derop. Og så vil vi få afgjort, om det er opbygget ligesom livet på jorden eller om det er radikalt forskelligt fra det vi kender. Hvis det er opbygget på DNA og RNA, så vil alle slutte, at så har livet spredt sig fra een og samme kilde, fra Mars til Jorden eller omvendt. Jeg vil derimod sættebåde mine penge og mit humør ind på at det vil være baseret på andre biokemiske stoffer - på en anden autokatalytisk mængde. Naturligvis bliver vedligeholdelsen af en autokatalytisk mængde nemmere med DNA, der sikrer en stabil reproduktion - men et helt tilsvarende princip med sammenpasning af molekyler kan være realiseret med andre stoffer på Mars."


- Brian Goodwin, for Dem udgør biologisk form, morfologi, et selvstændig studieobjekt, uafhængig af det substrat, den organiserer. Hvilken status her disse morfologier? Er de uafhængige selv af tid og rum?
Goodwin: "Ja, de fordrer bare en indre dynamik, et modtageligt medium, der kan give anledning til formdannelse. Og modtagelige medier findes ikke kun i levende væsener. De findes også i kemien - og efter nye argumenter også i universets galakser. Dette er derfor en extrem indsigt: der findes universelle principper for formdannelse, livet er kun een manifestation blandt flere af universelle fysiske principper. Også livet viderefører centrale fysiske egenskaber, og dette viderefører derfor den såkaldt rationelle morfologi fra før Darwin - Goethe, Cuvier, Saint Hilaire og så videre - idet den nu skal baseres dynamisk og ikke længere statisk. Hele livets udvikling må nu forstås ud fra indre principper - så vel som ud fra historisk udvikling. Det bliver en overgribende forandring af biologien - en ny biologi."


Kauffman: "En anden måde at sige det på er: sæt, at vi kan skabe selvreproducerende autonome agenter - og det kan vi! - og antag at vi faktisk finder liv på Mars. Så kan vi begynde at studere hvordan dette hidtil ukendte liv danner økosystemer, og vi vil være på vej mod en generel biologi, frem for den hidtidige biologi, som har måttet lade sig nøje med det liv, der var for hånden. Findes der en generel biologi for sådanne autokatalytiske processer i hele universet? Vi vil komme til at lave selvreproducerende molekylære systemer, og det vil åbne et vidensområde, hvor fysikken vil rejse sig og favne biologien.


Een af glæderne ved at være her i København er at det giver mig mulighed for at udtrykke ideer, der er resultat af to et halvt års arbejde. Lad os sige, at en bakterie svømmer mod strømmen for at nå hen til en fødekilde, det gør den for sin egen skyld - men den er bare et fysisk system. Hvad skal det sige, at et fysisk system kan være en autonom agent, der handler på egne vegne? Det må dels være en autokatalytisk mængde, som vi har været inde på, dels må det besidde det jeg kalder termodynamiske arbejds-cyklusser. En af de afgørende ideer heri er følgende: lad os tage den fysiske definition af arbejde: kraft gange vej - men hvem bestemmer vejens retning? Hvad er en maskine andet end en "styret udløsning af energi" - men hvor kommer styringen fra? Hvad gør celler: de udfører arbejde, der former udløsningen af energi, der former deres arbejde ... Det er ægget og hønen om igen. Een arbejdsopgave muliggør en anden, der muliggør en tredje, der muliggør ... cellen indeholder en række af arbejdsopgaver, der lukker sig selv i en cyklus, og det er i og med dem, at cellen konstruerer sig selv væk fra ligevægt ved forbrug af energi fra omverdenen. Den lukker sig om et rum af autokatalytiske opgaver. Således har biosfæren konstrueret sig selv - jeg mener det ikke som en metafor, den har bogstavelig talt konstrueret sig selv. Spørgsmålet er, hvad der følger af denne ide om autonome agenter. I løbet af det næste tiår vil vi sikkert lave autonome agenter i konstruktionen af en generel biologi, og set bagud fra et tidspunkt om 40-50 år så vil samudviklingen af grupper af autonome agenter tage sig ud som lige så afgørende som computerrevolutionen."

Goodwin: "Begrebet om et kohærent lukket system fører til en ny type begrebslig enhed, en hel række af nye begreber, som vi indirekte kender allerede: et sådant system har fx. etverdensbillede. Vi må udvikle et sæt begreber, der er egnet til at dække det indre rum som en autonom agent har. Der er vel ingen af os, der vil kalde bakterier bevidste, men de har både intentionalitet og en vis frihed. Vi vil nu på en ny måde kunne klassificere organismer i naturlige arter, alt efter deres forskellige rationelle organiseringer. Stabilitet vil blive hovedproblemet på alle niveauer - fra gener og om til disse organismers Umwelt, deres omverden. Disse væsener vil også have et indre erfaringsrum. Vi bevæger os derfor henimod en teori der lige så meget er om subjekter som om objekter. Objektivitet er og har altid været intersubjektiv enighed og objektiviteten er således subjektivt afledt. Roger Penroses arbejde kan umiddelbart arbejde med i denne sammenhæng, der handler om qualia, om mulige bevidsthedskvaliteter. Er en sådan videnskab mulig? Det er en storslået opgave! Hvilken teori og metode vil være nødvendige? Dette rejser igen dybe etiske spørgsmål, og denne videnskab vil implicere en naturalistisk etik: hvis man kan forstå andre væsener, så må man også give dem ret til at udtrykke sig."


- Er der ikke et problem så direkte at aflede etiske domme fra videnskabelige indsigter?
Goodwin: "Nej, tværtimod bliver een af opgaverne at gå imod positivismens forestilling om et skarpt skel mellem fakta og værdi, som man kun kan overtræde ved den naturalistiske fejlslutning. Andrew Collier har netop udviklet en realistisk videnskabsfilosofi med bogen Critical Realism, der hævder at der må være en kontinuitet mellem videnskab og etik. Det følger den store tradition fra Sokrates og Spinoza - så budskabet er, at vi igen skal forene etik og videnskab."


- De nævner ofte den ide, at Deres biologiske synspunkter indebærer at man må anerkende intuitionen som en selvstændig og ikke-logisk tankemåde. Men ved at gøre det, geråder De da ikke i det Kant kaldte den "transcendentale illusion", at der gives intuitiv erkendelse uden begreber?
Goodwin: "Det var netop Kants position som Goethe gik videre fra: mennesker har intuitiv erkendelse og fænomenologisk indsigt. Det er ret problematisk, men jeg kan ikke se, hvorfor det ikke skulle være muligt intuitivt at gribe en helhed som en enhed. Min oplevelse af Goethes teorier ...


- De tænker på teorien om urplanten ...
" ... ja og farvelæren, de teorier er temmelig oplysende. Min tro på intuitionen er ikke nogen direkte følge af min biologiske teori, men den er heller ikke inkonsistent med den."


- Stuart Kauffman, når man læser Deres bøger, så møder man en lang række spændende spørgsmål, og det er overraskende at opdage, at de allesammen kan besvares med eet og samme middel: de såkaldte NK-Booleske netværker. Hvad er denne models status? Bevirker dens almengyldighed at den udgør en slags transcendental indsigt i selvorganiserende systemer?"


Goodwin: " - ja, en generisk indsigt i dem - "
  
Kauffman: "Nu er der altså to slags NK-modeller, der bare har samme navne. Det ene angår det man billedligt kan forestille sig netværker af forbundne lysende pærer der tænder og slukker hinanden - de udviser en karakteristisk overgang mellem orden og kaos og antyder noget tilsvarende for netværket af gener, der opretholder sig tæt på den faseovergang mellem orden og kaos som 1,6 milliard års udvikling har ført det hen til. Den anden angår modellerne af fitnesslandskaber og - endnu dybere - koevolution mellem flere forbunde arters fitnesslandskaber. Per Bak, Kim Sneppen og flere andre har har udviklet teorien om selvorganiserende kritikalitet, der bevirker, at sådanne systemer opretholder sig på grænsen mellem orden og kaos, hvor der bestandig foregår både mange små og få store ændringer. Min NKCS-model for arter, der udvikler sig sammen, viser, at arter, der indbyrdes kan afstemme deres plads i disse landskaber, går det bedre. Noget helt analogt kan gælde for den tekniske udvikling, hvor produkter også sam-udvikler sig på grænsen mellem orden og kaos - derfor er erhvervslivet stærkt interesseret i teorien ..."
  
- Vi har lagt mærke til at der trods Deres enighed er en stærk forskel i de metaforer De anvender. Brian Goodwin taler ofte om blidhed, hensyn, samarbejde, indlevelse mellem organismer, et næsten kommunitaristisk sæt af metaforer, medens Stuart Kauffman oftere taler i liberalistiske udtryk som Adam Smiths med den usynlige hånd, der resulterer af de mange egoistiske enkelthandlinger ..."
Kauffman: "Ja, det er der noget om, men den usynlige hånd handler altså også om samarbejde - plantearter, der handler med hinanden, så den ene får sukker og den anden kvælstof. Når først vi forstår mere om autonome agenter - som vi slet ikke ved nok om endnu - tror jeg biosfæren vil se langt mere samarbejdende (omend måske nok ikke "blid") ud end nu."
Goodwin: "Ja, Stuart siger altid til mig: livet er hårdt! det er en kamp! Men jeg synes det er en dans."

0 comments:

There was an error in this gadget