Blir det akseptabelt å snakke om biologiske systemer og prosesser i design-termer?
Av David Coppedge, 12. mars 2024. Oversatt herfra

For spørsmålet som stilles i overskriften, er svaret: Det virker slik noen ganger. Og kan snakk om design i en slik sammenheng gjøres uten å bli naglet, sensurert eller latterliggjort av pressen? Kanskje. Vi får se. I det følgende eksempel, tenk på 'Darwinisering' lik en beskyttelse, som kan fjernes, for å komme til de viktige varene inni -se Bilde 1: Beskyttelses isolasjon:

En bemerkelsesverdig artikkel ble publisert i Bioessays i januar -lenke, med tre forfattere fra University of Washington, Steven S. Andrews, H. Steven Wiley og Herbert M. Sauro. Ingen av dem har noen kjent sympati for intelligent design. Og likevel kunne mye av artikkelen, "Design Mønstre for biologiske celler," ha blitt skrevet av en av PhD-ene som presenterte ideer på Conference on Engineering in Living System (CELS).

"Designmønstre er generaliserte løsninger på ofte tilbakevendende problemer. De ble opprinnelig utviklet av arkitekter og informatikere for å skape et høyere abstraksjonsnivå for designene sine. Her utvider vi disse konseptene til cellebiologi for å gi et nytt perspektiv på de utviklede designene av cellers underliggende reaksjonsnettverk. Vi presenterer en katalog med 21 designmønstre delt inn i tre kategorier: Kreasjonsmønstre beskriver prosesser som bygger cellen, strukturelle mønstre beskriver oppsettet til reaksjonsnettverk, og atferdsmønstre deres nettverks reaksjonsfunksjoner. Anvendelse av dette mønsterspråket på E. colis sentrale metabolske reaksjons nettverk , gjærferomon -responssignalnettverket, og andre eksempler gir ny innsikt i disse systemene."

Bilde 2. Ulike typer design-mønstre

Tatt for gitt
Forfatterne stiller ikke spørsmål ved Darwinistisk Evolusjon, tar den for gitt ca. 14 ganger i artikkelen. De snakker om "utviklingen av komplekst liv" og konvergent evolusjon, spekulerer til og med om livet på andre planeter ville utvikle seg på samme måte som her på jorden. Slikt snakk er også vanlig i biomimetikklitteratur: for eksempel snakket en forfatter om en genial løsning som ble "foredlet over mer enn million millioner år ved evolusjon," som om naturlig utvalg ga en organisme et start-forsprang. Vi kan trygt avvise uttalelser som enten -politisk lisensierte eller er en misforståelse av evolusjonen, i dens ikke-styrte betydning.
De viktige elementene er disse: en katalog med 21 designmønstre presentert som løsninger på ingeniørproblemer som celler har løst. Her er ett eksempel:

Porer og pumper
Problem
Cellulære komponenter, fra ioner til proteiner, må vanligvis lokaliseres til de riktige sider av membraner, inkludert plasma-membran, kjerne-membran og andre organelle membraner.
Løsning.
Trans-membranporer og pumper som bruker enten aktiv eller passiv transport. Disse porene og pumpene er vanligvis ganske selektive i hvilke molekyler de overfører og blir ofte omgitt av eksterne signaler.

Bilde 3. Na+K+-pumpe (fra wikipedia)

Cellemembraner er ganske gjennomtrengelige for oksygen, karbondioksid og andre små ikke -polare molekyler, men er effektivt ugjennomtrengelige for større og mer ladede molekyler, en egenskap som er esensiell for å etablere og vedlikeholde celleorganisasjon. Transport av disse sistnevnte artene forekommer via transportører og kanaler, inkludert ionekanaler, passive og aktive transportører for ioner eller andre små molekyler, protonpumper, ABC -transportører, fotosyntetiske reaksjonssentre for elektron-transport og ATP -syntaseproteiner for mitokondriell protontransport. Kjerne-porekomplekset er en spesielt stor pore, som muliggjør passiv transport av små molekyler og utfører aktiv transport på proteiner som har kjerne lokalisering eller kjerne eksport-signaler.
Leserne kan glede seg over alle de 21 av disse designmønstrene på fritiden i den frit tilgjengelige artikkelen. Den viktigste takeawayen er at forfatterne ser på celler ikke som dårlig utformede konglomerasjoner av tilfeldige deler, som noen blinde fiklere koblet sammen fra alle ting som var tilgjengelige, men som samlinger av elegante løsninger til ekte problemer for ingeniører. Det representerer et bemerkelsesverdig skritt mot designtenking i biologi, fra en uventet kilde.

Motivasjon for artikkelen

Bilde 4. Ett høne-egg for proteiner vs. enzymer/membraner: Kanskje kategoriseringen 'creational' får en mer bokstavelig betydning, om en tenker over det?

I en video i artikkelen, forklarer Dr. Sauro fra bioingeniøravdelingen hva som motiverte artikkelen. Han begynner svaret sitt med å holde opp en kopi av Bruce Alberts lærebok Molecular Biology of the Cell, en tykk 'murstein' med 1500 sider.
"Vi begynte å tenke: Er det noen måte vi kunne abstrahere denne informasjonen på et høyere nivå, for å hjelpe oss med å forstå hva som skjer i en celle? Og vi ble rammet av denne andre boken, som er totalt forskjellig, designmønstre. Den berømte boken i informatikk av en såkalt gjeng på fire. Det er en interessant bok fordi den beskriver hvordan man løser komplekse problemer på en slags forenklet måte. Og vi tenkte: Er det noen måte å 'gifte' denne boka med Alberts-boka? Det er i utgangspunktet det som motiverte oss til å skrive denne artikkelen."
Etter rekkefølgen på designmønsterboka delte forfatterne systemer i molekylærbiologi i de samme tre grunnleggende kategoriene: opprinnelse (creation -som syntese av ett protein), strukturelle (for eksempel en fosforyleringskaskade med innganger og utganger), og atferd (slik som en nedroings-oscillator).

Fra denne disposisjonen korrelerte forfatterne informatørenes designmønstre med sine faktiske implementeringer i celler. Implementeringen ser ut som logiske diagrammer i kretsdesign. Mekanismer kan være ganske forskjellige, forklarer Sauro, og likevel kan det underliggende designmønsteret være det samme når det blir undersøkt på et høyere nivå.

Viktigheten av artikkelen
Dr. Sauro føler at artikkelen er viktig av flere årsaker. Den gir en ny måte å formidle ideer i molekylærbiologi, slik at beregnings-teoretikere og eksperimentalister kan forstå hverandre. En annen fordel ved tilnærmingen er å motivere andre biokjemikere til å bygge videre på deres stillas av designmønstre. Dette formoder at mange flere ingeniørløsninger kan identifiseres; Faktisk håper Sauro andre vil bidra til å konstruere en søkbar database med designmønstre. Maskinlæring kunne da gjenkjenne mønstre i nylig identifiserte nettverk i levende organisme, og utvide vår forståelse av cellulære nettverk. Dette vil være veldig nyttig for komplekse signalnettverk, for eksempel når det er vanskelig å finne ut hva som skjer. Maskinlæring kan sammenligne kjente designmønstre med input/output -oppførselen til komponentene, noe som førte til et "aha!" øyeblikk som løsner kompleksiteten til et gjenkjennelig logisk diagram.

Sauro krediterer primærforfatter Steven Andrews for den klare og lesbare formen som artikkelen ble presentert på. Han håper mange forskere vil lese den, fordi det dekker et bredt spekter av biologi og bør interessere alle biologer - og, vil vi (Coppedge) legge til ingeniører. Det er et springbrett for ideer som også kan interessere de som forbereder seg til neste CELS -konferanse.
"Designmønstre er tilbakevendende løsninger på ofte oppståtte problemer. Alle biologiske celler møter de samme problemene med hvordan de skal konstruere de biokjemiske komponentene som de er bygget fra, hvordan man kan koble disse komponentene sammen til nyttige reaksjonsnettverk, og hvordan du bruker disse reaksjonsnettverkene for å animere livet."

Bilde 5. Maskineri som kunne lagres i database med designmønstre

Forfatterne er raske med å anerkjenne visse forgjengere i biologisk designtenking.
"Ideen om å forstå cellulære systemer når det gjelder funksjonelle deler, er selvfølgelig ikke ny. For eksempel har Hartwell et al. Del Vecchio et al. vektlagt de sentrale rollene til kontrollmekanismer, og Khammashs gruppe har fokusert på mekanismer som gir integrert tilbakemeldingskontroll. I motsetning til disse og andre verk, er fokuset vårt større, og dekker et bredere sveip av cellebiologiske mekanismer. Vårt perspektiv er også subtilt annerledes. I stedet for å fokusere på et bestemt biologisk tema, er vår vektlegging på utviklingen av en katalog over løsninger som celler har utviklet, for å løse spesifikke problemer. Dette designmønsterkonseptet er nyttig for å abstrahere et bredt spekter av celle-funksjoner i et håndterbart sett med distinkte mønstre, slik at man bedre kan se paralleller og forskjeller mellom forskjellige cellesystemer. Det hjelper også med å bygge en forståelse for hva verktøyceller må jobbe med, og hvorfor forskjellige cellulære mekanismer fungerer som de gjør."

Fremtiden for designmønster-tilnærmingen
Det er klart at designtenking er en fruktbar heuristikk for oppdagelse. Men hva med de "sammenkoblede og hierarkiske designmønstrene" som så nevnes? Kunne de utvikle seg? I Illustra-filmen Darwins dilemma -lenke, er slike hierarkiske mønstre (eksemplifisert i kroppsplanene til den kambriske faunaen), vist å motstå darwinistiske tilnærminger -lenke, fordi de krever 'top-down' design, som med en blåkopi eller logisk diagram før sammensetning. Er ikke dette tilfelle for alle "designmønstre"?

Forfatterne garanterer for mye kreativitet til den neo-darwinistiske mekanismen. De antar at problemet motiverer sine egne løsninger innen biologi:
"Går man ennå lenger unna, kan man spekulere om livet på andre planeter, hvor de samme problemene sannsynligvis vil oppstå, og igjen nødvendigvis vil bli adressert med mange av de samme løsningene. Dette antyder at designmønstrene som er oppført her, sammen med andre som ikke er adressert, med rimelighet kan betraktes som universelle prinsipper i livet."

Bilde 6. Kroppen er hierarkisk bygd opp (Douglas Axe)

Mest sannsynlig vil denne typen spekulasjoner tørke på egen hånd, i det etterfølgerne til Bruce Alberts legger flere sider til molekylære biologiske lærebøker. Hvis, som forfatterne konkluderer med, at de som er involvert i simulering av celler, vil referere til en database med designmønstre i deres multiskala modellering, bør det bli stadig tydeligere at celler ligner på motoriske mesterverk. Darwinisering ville da avta lik overflødige ord, i fremtidige forskningsprosjekter som er fokusert på designmønstre.

Om forfatteren: DAVID COPPEDGE -kredit til David Coppedge (Bilde 7)

David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund