Digitální a analogový svět

Fixace do digitálního média umožňuje živým organismům spolehlivé uchování informace Při popisu živé přírody d...


Fixace do digitálního média umožňuje živým organismům spolehlivé uchování
informace
Při popisu živé přírody dnes stále častěji používáme metafor a přirovnání
původně odvozených ze světa informačních technologií. Hovoříme třeba o
genetickém kódu nebo řešíme, kolik bajtů paměti by mohlo odpovídat kapacitě
lidského mozku. Související úvahy mají samozřejmě dopad v řadě oblastí: Mohou
pomoci vývojářům umělé inteligence (např. neuronové sítě si přímo berou
inspiraci ze světa živé přírody) a snad posunou kupředu i naše chápání
mechanismů působících v živé přírodě.
V následujícím článku se soustředíme na otázku, jak se v živé přírodě projevují
protiklady digitální versus analogový a software versus hardware. Na naše
otázky odpovídá doc. RNDr. Anton Markoš z katedry filozofie a dějin přírodních
věd na Přírodovědecké fakultě UK Praha.

Začněme třeba dosti triviální otázkou. Co v živých organismech můžeme chápat
jako digitální a co jako analogové?
Ty pojmy mají stejný význam jako ve světě výpočetní techniky. Digitální svět je
prostě světem diskrétních, od sebe jasně oddělených znaků, třeba nul a
jedniček, znaků, které představují jen sebe sama, a mezi nimiž neexistuje
přechod. Žádný znak není napůl 1 nebo 0. Takový sled dobře definovaných znaků
můžete kopírovat, zesilovat, uložit na nějaké médium a posléze se k informaci
zase vrátit. Naopak analogové struktury, pokud byste na ně chtěli uplatnit
takové postupy, se vám prostě utopí v přibývajícím šumu.

Co je tedy konkrétně v živé přírodě digitální? Geny? Bílkoviny? Nervová
soustava? Lidský mozek?
Digitální strukturou je sled "písmen" v DNA nebo v RNA, nebo třeba posloupnost
akčních potenciálů v nervovém vlákně. Na úrovni nukleových kyselin je příkladem
digitálního záznamu samozřejmě genetický kód. Právě jeho vynález pokládám za
největší objev živých bytostí...

Tady se přímo nabízí otázka, zda právě život není oním kódem? Je kód vynálezem
živých bytostí anebo spíše platí, že kód (tedy řekněme DNA) živé bytosti
vytvořil, je jejich jakousi esencí?
Takhle to sice řada genetiků opravdu chápe, já bych ovšem rád upozornil, že
mezi oběma přístupy je těžké rozhodnout. Koneckonců, stalo se to už dávno, před
asi 4 miliardami let...
Uvědomte si, že kód, ať už jde o čtyři písmenka genetické abecedy nebo sekvenci
nul a jedniček v případě softwaru, sám o sobě nemá žádný smysl. Potřebujete
"počítač", abyste ho na něm spustili. Ve světě výpočetní techniky také
neřeknete, že děrné štítky vytvořily počítač.
Pro genetický kód platí něco podobného jako pro software nebo lidský jazyk či
libovolnou jinou kódovou tabulku. Z trojice nukleotidů (a její odlišnosti od
ostatních, možných trojic nukleotidů) nijak nevyplývá, jakou budou kódovat
aminokyselinu. Tečky a čárky morseovky nejsou podobnější kódovanému písmenu než
jakémukoliv písmenu jinému. Slovo "zajíc" se nijak nepodobá skutečnému zajíci
(což je konec konců vidět i z toho, že v každém jazyce se používá slovo jiné).
Takže ještě jednou: Ona převodní tabulka je arbitrární. Způsob jejího ustavení
na počátku evoluce pokládám za jednu z největších záhad a současně objevů
živých bytostí. Znamená to, že informace o struktuře uložíte do média, které
samo o sobě žádnou strukturou není. DNA má mezi dalšími molekulami v živých
organismech samozřejmě zvláštní postavení, to vůbec nechci popírat.

Ještě bych se tedy vrátil k vaší myšlence, že živé bytosti nejsou tvořeny
kódem, ale spíše jakoby ten kód samy pro vlastní potřeby vynalezly...
Informace má smysl jenom tehdy, pokud existuje někdo (nebo něco, pokud se vám
více líbí toto zájmeno), kdo jí čte, kdo jí rozumí. Uvedu nyní příklady úmyslně
přitažené za vlasy vy také nejste svým adresářem nebo poznámkovým blokem
vytvářen, on vám spíše slouží k tomu, abyste si tam sáhl pro informaci, kterou
zrovna potřebujete. Pokud necháte svůj adresář nebo zápis zdrojového kódu
nějakého softwaru na Marsu (nebo pokud tam rozptýlíte svoji DNA), nestane se
nic. To kvůli té výše zmíněné arbitrárnosti zápisu kód sám o sobě nic neznamená.
Na druhé straně ale právě vynález té kódové tabulky, to, že zápis je
zakonzervován do digitálního média, že můžete vytvářet kopie zápisu a zase se k
němu vracet, vlastně umožnilo nějaké fixování pozemského života, dá-li se to
takhle říct. Evoluci mají i galaxie a živé organismy jsou v jistém ohledu
podobné i jiným jevům plameni, tornádu, víru (tady si můžete vypůjčit spoustu
různé terminologie a hovořit třeba o disipativních strukturách, jevech mimo
termodynamickou rovnováhu nebo o teorii chaosu). Hezky o tom mluví třeba otec
fraktálů a nositel Nobelovy ceny Benoit Mandelbrot.
Přes veškerou podobnost je ale jasné, že vy nebo já jsme přece jen dost odlišní
od tornáda mimo jiné i tou kontinuální evolucí trvající 4 miliardy let. Ona
fixace do digitálního média byla nutná, protože umožňuje spolehlivé uchovávání
jistých druhů informace srovnejte zablesknutí plamene s těmi 4 miliardami let
trvání buňky...

Pojďme dál. DNA je tedy digitálním kódem. Co její sestřička RNA a co proteiny?
Proteiny jsou přece rovněž lineárním sledem aminokyselin. Můžeme je tedy chápat
také jako digitální kód?
Dovolím si malou opravu: Molekuly proteinů jsou syntetizovány jako lineární
sled aminokyselin a to je rozdíl! Nadále pak existují jako chumáčky smotané do
nějaké konkrétní prostorové struktury. Právě ty prostorové struktury
představují opak softwarového kódu můžete to nazvat analogovým světem, tělem
nebo hardwarem, jak chcete.
Můžeme diskutovat, zda ta 3D struktura proteinů jednoznačně vyplývá z původní
lineární sekvence aminokyselin, nebo zda existují různé způsoby "motání". Ale
na tom podle mého názoru až tolik nezáleží. Důležité naopak je si uvědomit, že
ta 3D struktura přestala být digitálním zápisem, protože nemůžete dost dobře
přímo udělat její kopii (leda byste se na ní "podívali zvenku" ze čtvrtého
prostorového rozměru a odtud také pořídili otisk). Jakmile začnete chumáč
rozmotávat, už to nebude kopie. Tady samozřejmě opět značně zjednodušuji.
Existují laboratorní metody pro analýzu 3D struktury proteinů, při kterých
klubíčko nerozmotáváte, různé spektrální analýzy či nukleární magnetické
rezonance, ovšem příslušné technologie nejsou k dispozici v živých organismech.
Teď se vrátím k první části vaší otázky týkající se role RNA. Zatímco tvar DNA
je fixován v té populární, ale dosti monotónní dvojité šroubovici, RNA se kromě
toho, že jde pořád o digitální kód chová i jakoby analogově, "tělesně". Může,
podobně jako jsme to viděli u proteinu, vytvářet specifickou prostorovou
strukturu. V této roli se RNA začne chovat už ne jako děrná páska, ale jako
"analogové" tělo, podobně jako protein, tedy není možné jednoduše vytvářet její
kopie, oproti proteinu však má tu výhodu, že za jistých okolností ji lze zase
rozmotat na jednorozměrnou stuhu a díky tomu opět "přečíst" jako sled znaků.

Kde se vlastně ta kódová tabulka, která převádí sekvenci bází v DNA na sekvenci
aminokyselin, vzala? Myslíte si, že vznikla najednou?
To je velká záhada. Podívejte se, jak to vypadá u dnešních počítačů. Tam ty
tabulky byly vytvořené vesměs najednou, třeba přiřazení určitého příkazu v
programátorském jazyce nějaké strojové instrukci by samo o sobě nemělo smysl.
Tyhle tabulky ale vytvořili programátoři s jasným záměrem, nevzniklo to "samo".
V živé přírodě, alespoň podle mého názoru, musel spolu digitální zápis a
analogový svět koexistovat nějak déle a současný vztah mezi genetickým zápisem
a "analogovým" tělem je až výsledkem proběhlého vývoje.
Teď se zřejmě zeptáte, jak vypadaly předešlé fáze toho vývoje. Nevím a neví to
dnes asi nikdo. Cairns-Smith přišel s myšlenkou, že kopírování a obecně tyhle
"digitální triky" se živé organismy mohly naučit od jílů. Zde je vlastně metoda
zrcadlení podobná jako v DNA jedna vrstva jílového krystalu sedá na druhou a
vytvářejí své zrcadlové kopie. Krystal obsahuje nepravidelnosti, a ty se mohou
více nebo méně věrně kopírovat do další vrstvičky. Jinou možností je pak často
zmiňovaný svět RNA. Ribonukleová kyselina by zde současně hrála roli
digitálního média i onoho světa tvarů (viz odpověď na předešlou otázku RNA se
podle okolností může chovat jako DNA i jako protein, a to včetně schopnosti
fungovat jako katalyzátor). Polarita DNA-protein by pak byla až důsledkem
pozdějšího vývoje, původně byl hardware a software totožný.

Co byste řekl organismům, které jsou dnes buď výhradně analogové nebo výhradně
digitální? Mám tím na jedné straně na mysli priony (tedy de facto shluky
bílkovin bez jakékoliv fixace v genetickém kódu), na druhé straně viry (což v
některých případech skutečně neznamená nic jiného než kus nukleové kyseliny).
Nemohlo by studium těchto extrémních podob živé přírody pomoci odpovědět na
otázku, jak vlastně spolu koexistuje digitální a analogový svět?
Tak počkejte. Priony vyloučíme jako první to jsou prostě molekuly proteinu,
který se nesprávně "sbalil" do třírozměrné struktury a potom funguje jako
jakési "krystalizační jádro" pro balení všech nově syntetizovaných proteinů
tohoto druhu.
A co se týče virů: Viry nejsou podle mého názoru živé, nejde o samostatné
organismy, ale o soubory genů "nahrané" do vhodného média: virová částice je
jakési CD přenášející balík souborů. CD je k ničemu, pokud se nenajde příslušné
zařízení k přehrání záznamu, a má-li se záznam množit, musí být k dispozici
také "vypalovačka" i výrobna nosičů to vše zajišťuje buňka.
Zajímavější je výzkum na buňkách. Existuje projekt, který se ptá, co to obnáší
být "minimálním organismem" či buňkou. Jde o to určit nejmenší množství genů,
které ještě buňce postačí pro udržení života. Co to ale v praxi znamená? Půjde
o bakterii neschopnou přežít mimo speciálně vyladěné prostředí laboratoře. To
prostředí bude poskytovat celá okolní biosféra v čele s pánem tvorstva...
Podobně i takové viry o podstatě života příliš neřeknou, protože jde opět o
parazity naprosto závislé na jiných živých organismech.

Ale to jsme odbočili od otázky po čistě digitálních organismech...
Výhradně digitální organismy no, v něčem implementované být musejí. Digitální
informace letící vesmírem jako záření toho moc nezmůže, alespoň pokud nevěříme
na anděly. Když andělem není, tak si nakonec musí najít přijímač, do kterého se
může implementovat jako když pošlete někomu program přes satelit.

Co je co v molekulární biologii?
Priony: Chomáčky určitým způsobem smotané bílkoviny, které mohou být příčinou
smrti. Nejznámější prionovou chorobou je BSE, známá pod "mediální" zkratkou
nemoc šílených krav.
Genetický kód: Způsob, kterým se sled čtyř typů nukleotidů, známých "písmenek"
DNA, převádí na sekvenci aminokyselin, která tvoří protein. Tři za sebou jdoucí
písmenka (triplet) nukleové kyseliny odpovídají jedné aminokyselině. V
intencích našeho článku při tom dochází k přepisu digitálních znaků do
prostorové analogové struktury. Jedná se o několikastupňový proces, mezi DNA a
proteinem dochází k přepisu přes několik typů RNA. Ribonukleová kyselina (RNA)
funguje v roli jakéhosi poslíčka.
Kódová tabulka: V kontextu našeho článku jde o přiřazení, které existuje mezi
určitou trojicí (tripletem) nukleotidů RNA a aminokyselinou. Například trojici
bází CUA (cytosin-uracil-adenin) odpovídá aminokyselina leucin, trojice UGA
(uracil-guanin-adenin) znamená konec čtení apod.

text ON-LINE
Kompletní podobu tohoto článku najdete na portálu Science World
(www.scienceworld.cz) s datem 8. 8. 2003.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.