Evolutsioonilise kruvikeeraja lugu

Marek Strandberg

Stuart Kauffmani pöördeline lugu viib igava deterministliku universumi põnevatele arenguteedele. 27. aprillil pidas Stuart Kauffman Tartu ülikooli semiootikaosakonnas tähelepanuväärse seminari ja esines ka 24.–29. aprillil Tartus toimunud konverentsil „Mis on elu?”. Stuart Kauffman on maailma tippteadlasi elussüsteemide modelleerimise alal. Ta on üks keerukate süsteemide matemaatilise uurimise Santa Fe keskuse rajajaid Ameerika Ühendriikides. Tartu seminaril kõneles ta viimasel ajal selles valdkonnas toimunud arengust. Siinkohal võiks Stuart Kauffmani enda mõtteilma teisenemise kokku võtta kui muutuse füüsikalise bioloogia mõtte kandjast mittefüüsikalise bioloogia mõtte kandjaks. Mõneti teistsugune, aga mitmeti sarnane mittefüüsikalise bioloogia suund on biosemiootika, mille juurtest osa, eriti Jakob von Uexkülli tööde kaudu, on Eestiga tugevalt seotud. Kauffmani tulek bioloogiasse jääb aega, mil avastati geenid, mis sünteesivad valke, mis omakorda lülitavad sisse või välja geene, mis sünteesivad muid valke. Sealhulgas ka neid valke, mis näiteks saavad välja lülitada neid geene, mis sünteesivad valke, mis mõjutavad just mainitud geeni. Ehk muutus arusaadavaks, õigemini vahest arusaadavamaks, see, kuidas saavad püsivalt kõrvuti toimida geneetiliselt identsed, kuid täiesti erineva valgulise mustriga rakud. Vastastikused seosed ja mõjud muutusid 1960. aastatel elu uurijate jaoks füüsikaliselt ning keemiliselt aina selgemalt mõistetavaks. Kauffmani arvates elab aga teadusmaailm teatud mõttes endistviisi Newtoni avastuste varjus, lootes, et kõigi universumi osakeste asukoha ja impulsi teadmine annab diferentsiaal- ja integraalarvutuse abil meile kirjelduse nii universumi minevikust kui ka tulevikust. Henri Poincaré tähelepanek selle kohta, et kolme keha liikumist kirjeldavat võrrandilahendust ei ole Newtoni seaduste järgi võimalik leida, tõi pisitasa füüsikalisse maailma deterministliku kaose mõiste, mille puhul väikesed muutused süsteemi või seda kirjeldavate võrrandite parameetrites võivad liikumistrajektoorides põhjustada etteaimamatu ulatusega muutusi.

Muutuste jaoks ei ole füüsika seisukohalt vaja muutjat. See näib olevat looduse üks omadusi. Disainilahendused ilma disainerita või loodus ilma loojata on ka Darwini tähelepanek, tema evolutsiooni kontseptsiooni üheks peamõtteks saanud põhitees.

1965. aastal geenide valklülitite avastamise eest Nobeli auhinna saanud Jacques Monod rõhutab samuti seda, et eesmärkidel ei ole eluga asja. Kas suhkrulahuses kõrgema kontsentratsiooni poole kulgeval bakteril on mingeid teadmisi sellest, mis ta teeb ja mille poole püüab? Monod’ selge vastu on ei. Tegemist on protsessiga, kus tagasisidemehhanismid määravad (molekulaarsel tasemel) nii protsesside suuna, intensiivsuse kui ka kõik muud omadused. Monod’ jaoks on bakter tagasisidestatud masin, mille valiku (omaduste mõttes) on teinud juhus ja keskkond, see tähendab, darwinlik evolutsiooniprotsess.

Kauffman kritiseerib sellist angloameerikalikku, teleonoomilistel masinatel põhinevat füüsikalist bioloogiat, pidades seda mitte ainult ebapiisavaks, vaid koguni valeks. Kauffman on kasutusele võtnud toimija (ingl agent) mõiste. Elussüsteemid on tegijad ja kujundajad.

Kauffman osundab, et bioloogilistel süsteemidel või nende osadel on funktsioonid. Süda pumpab verd, pidades ülal vereringet. Mäest veereval ja Newtoni seadusi näitlikustaval kivil ei ole aga vahetut funktsiooni sellessamas mõttes, nagu see on südamel. Elutuil asjadel ei ole ses mõttes tegemisi, nagu näiteks on baktereil, kes glükoosi kontsentratsioonigradienti järgides jõuavad söögini.

Pelk juhuslikkus universumis ei saa olla aluseks, et kujuneksid ja saaksid looduslikus valikus kontrollitud kõikvõimalikud nt kahesaja aminohappe pikkused valgujupid. Universum ei ole selleks nii vana ja valgustruktuuride võimalusi on nii pööraselt palju, et neist ei jõua moodustada promilligi, ammugi siis veel looduslikus valikus testida.

Kauffman irriteerib siinkohal mõttega ei muust kui elu enese tähenduslikust ehk funktsionaalsest toimimisest. Nii on biosfäär üsna unikaalne arengutee, kus organismide võrgustik toimib, valib ja kujundab oma struktuuri.

Kauffman räägib elussüsteemidest kui kantilikest tervikutest, viidates Immanuel Kanti tervikukäsitlusele. Kantiliku osa ja terviku vastassuhte ja seose näitena toob Kauffman Iisraeli bioloogi Gonen Ashkenasy uuritava üheksast ensüümist koosneva süsteemi, kus üheskoos toetatakse üksteise formeerumist, moodustades sel moel suletud autokatalüütilise võrgustiku – võrgustiku, mille osadel on oma funktsioonid. Kauffmani jaoks on deterministlik universum pigem ironiseerimise kohaks, kui teaduses seda nii on sünnis nimetada, sest tõepoolest on tavapärasel juhuslikul moel molekulaarsete harulduste (mis kõigile vaadelda ja kasutada) sünd deterministlikes protsessides üsna vähetõenäone. Just erinevate elusate toimijate tegevuses sünnivadki valikud ja tekib arengu trajektoor. Südame funktsioon on verd pumbata, kuid südamel on ka oma löökide heli, mis tekib südame tukslemisel südamepaunas. Nii on mitmetel koosmõjulistel ja esmast funktsiooni omavatel elu aspektidel ka mingid kõrvalfunktsioonid. Esialgu vaid omadused, mis võivad funktsioonideks üle kasvada. Kauffman tavatseb multifunktsionaalsust ilmestada kruvikeeraja näitega, mis on tehtud kruvide keeramiseks ja seda funktsiooni kandev ese, kuid millega võib avada ka värvipurki või kasutada enesekaitseks või veel kirjeldamatul arvul muudel viisidel. Nii nende funktsioonide vahele kui ka kõrvale jääb ilmselt määramatu hulk kõrvalfunktsioone, mis on olemas või avalduvad esemel, mille esmane funktsioon on kruve keerata.

Muid ülesandeid, mida kruvikeerajaga lahendada saaks, on aga lõpmatult palju. Paraku ei ole need muud ülesanded ei tähtsuse ega ka muus järjekorras ritta seatavad. Sellest ka järeldub, et nende muude ülesannete osas on üsna raske, kui mitte võimatu tegeleda arvutamisega. Arvudega tehted on võimalikudseetõttu, et arvudel on oma järgnevus. Mainitud kruvikeeraja lisafunktsioonidel järgnevust pole. Need on lihtsalt olemas.

Nagu öeldud, on lahendusi ettearvamatul hulgal, järjekorda neid panna ei saa ja mis sellest järeldub? Aga see, et ei ole algoritmi arvuti jaoks ega valemitki, saamaks teada, milline neist funktsioonidest ühtedes või teistes oludes ilmneb. Nii esitab Kauffman elegantsel moel kirjelduse mittearvutatavatest nähtustest, mis võiks olla mittefüüsikalise teaduse mõistmise peamisi võtmeid.

Kruvikeeraja mittearvutatav multifunktsionaalsus on asja üks tahk. Kui valime kruvitsa teadmata tähtsusega rollidest ühe – nt värvipurgi avamise – oleme ninapidi vastakuti teisegi määramatuse ja mittearvutatavusega. Ka neid asju, mille abil värvipurki avada, on arvutamatult määramatul hulgal.

Teatud mõttes koosneb ju üsna deterministlikult kokku pandud rakkki ilmselt paljudest „kruvikeerajatest”, millel on tavaliselt üks peamine või esmane otstarve, kuid mis on seisus, et leida veel muidki kasutusvaldkondi. Sellist käitumist ei saa me paraku ühelgi põhjusel välistada, leiab Kauffman. Veelgi enam, näiteks evolutsioonis on see üks põhilisi muutuste allikaid. S. J. Gould ja N. Eldridge nimetasid seda eksaptatsiooniks.

Kingloom, üsna suur ainurakne, leiab keskkonnas molekulaarsete „kruvikeerajatega” manipuleerides oma käitumisviisi oma suhete kaudu keskkonna ja seal olijatega, saavutades nobedalt kohanemise oludega ja ligipääsu toidule. See valik kujuneb vastastikustes suhetes ja seda ei ole olemas enne, kui on olemas need suhted – suhted keskkonnanähtuste, muude elukate, toiduga. Nii tekitab ja leiab kingloom oma ökoniši koos funktsioonide ja tähendustega. Turustamisega näib olevat sama lugu. Kui ei osteta ei valget, sinist ega punast hambapastat ja kui proovida müüa valget pastat siniste ja punaste triipudega ning seda saadab edu (ilmub nõudlus), siis ilmneb ka ettevõtja funktsioon: ehitada tehas, mis toodab sini-puna-valgetriibulist hambapastat.

Nii selgitab Kauffman elu kui ennustamatu kuluga protsessi, kus kerkib pidevalt ülesandeid, mida lahendada, ja ka lahendusi, mille juurde jõutakse.

Funktsioon, mida peab silmas Kauffman, ei olegi muu kui tähendus. Nii laialt ja üldistatult, kui tähendust käsitleda saab ja on põhjust. Siin ongi see koht, kus füüsikalise bioloogia arvutatavus, algoritmika ja kvantitatiivsus asenduvad mittefüüsikalise bioloogia funktsionaalsuse ja kvalitatiivsusega. Arvatavalt on see koht tunnetuses, kust algab omaette teadusena semiootika mitte füüsikaliste ja keemiliste protsesside üldistajana, vaid kvalitatiivsete nähtuste uurijana. Jah, tõepoolest, ka kõik äratundmisprotsessid järgivad füüsikalis-keemilisi seadusi. See ei ole vaidluse koht. Pöörlevad katalüüsivad valgud rakumembraanis tunnevad ära väljastpoolt tuleva molekuli, sellest käivitub terve kaskaad edasisi protsesse – fosforüülimine, defosforüülimine jms. Aga organismide teabemaailmas ei tajuta mitte ainete molekulaarset koostist, vaid hoopis neid kvalitatiivseid omadusi, mida membraaniensüümid või retseptorid eristavad ning mille kaudu siis rakk tunnetab oma ümbrust, lahendab probleeme, otsib vastuseid uutele olukordadele ehk küsimustele. Otsib ja leiab funktsiooni. Leiab tähenduse. See on aga mõistete ja nende suhete maailm. Semiootika. Kauffman leiab, et ega defineerida elu piiritletud füüsikalis-keemilise protsessina olegi võimalik. Elu olemus on pigem suhetes, tähenduste tekitamises ja kasutamises. Ses mõttes on eluteaduses ilmsiks tulnud nii mõndagi huvitavat. Eelmisel sügisel üllitati eesti keeles saksa bioloogi Andreas Weberi raamat „Kõik me tunneme”, kus elu loomust käsitletakse küllalt Kauffmani-lähedaselt väärtusi ja selle alusel valikuid tegeva süsteemi ja nähtusena.

Kauffman kirjeldab ökoniššide moodustumist evolutsiooniliste valikute eelduste (kruvikeerajate!) puhul ka kala ujupõie näite abil, mis evolutsioonis on kujunenud kopskalade kopsudest. Ujupõis tagab stabiilse ujuvuse teatud sügavustel ja on muu hulgas abiks toidu kättesaamisel, kuid samal ajal kujuneb selline ujupõis omakorda uueks ökonišiks bakteritele ja ussidele. See on meile selge tagantjärele, organismide otsustuste ennustamine on aga piiratud – muidu ei oleks need ju otsustused. Kas saab ennustada, millised võimalikud aspektid näiteks inimese puhul võivad kujuneda evolutsioonilise muutuse oluliseks osaks järgmise kolme miljoni aasta vältel? Ilmselt mitte. Neid võimalusi on ju kirjeldamatult palju, nagu on ennustamatud ka sellesama kolme miljoni aasta jooksul muutuda võivad keskkonnaolud. Nagu öeldud: elu funktsioonid, elu tähendus ei ole loenduv ega ka ette arvutatav. Ses osas on Giuseppe Longo, Maël Montévil ja Stuart Kauffman esitanud ajakirjale Biological Physics peagi ilmuva tähelepanu väärt artikli „No entailing laws, but enablement in the evolution of the biosphere”. Selles artiklis keskenduvad autorid biosfääris toimuvate protsesside põhimõttelisele mittearvutatavusele. Sel moel, nagu kirjeldavad näiteks Newtoni või Schrödingeri võrrandid määratletud raamidega maailmas toimuvat liikumist, ei olevatki võimalik üles tähendada biosfääri käitumist. Isegi kui ponnistades ja vaeva nähes õnnestubki mingi võrrand kirja panna, siis ennustavaks muutub see teadupoolest vaid integreerides. Tingimused aga, mis integreerimiseks vajalikud, on sedavõrd muutlikud ja arvukad – täpsemini, sisaldavad ennustamatult uut – mistõttu niisugune ülesanne jääb biosfääri protsesside puhul Kauffmani põhjendust mööda lahenduseta. Kauffman julgeb isegi väita, et kui neil on oma väidetes õigus, saab rääkida selgelt tõsiasjast, et füüsika piir elu ja biosfääri vundamendi kirjeldamisel on kätte jõudnud. Kauffman möönab, et mõistagi on universumi seadused seotud ja nendepõhised mudelid ennustusvõimelised. Eluga sellesama universumi osana on aga teised lood. Alan Turing oma arvutusmasinat kirjeldades ei olnud võimeline ennustama, ja ilmselt ei olnud keegi võimeline ennustama ei elektroonilise tekstitöötluse, failijagamise, virtuaalse tegelikkuse, e-majanduse ja suure hulga sotsiaalsete veebivõrgustike (ehk interneti enesegi) teket. Iga samm ja muutus on oludes esile kutsunud järgmise ja see omakorda järgmise. Areng nähtusena tingib aina uute ja uute ökoniššide tekke ja seda põhjusel, et molekulaarbioloogilisi kruvikeerajaid ja nende kasutusvaldkondi on kirjeldamatu hulk ja nende loomus võimaldab neid igal sobilikul hetkel uuel viisil kasutusse võtta. Kalade ujupõis on seal elunevate usside ja bakterite elukohaks, aga seda mitte seetõttu, et ränk konkurentsitöö oleks neile sellise elupaiga tekitanud, vaid seetõttu, et eelmine evolutsiooniline uuendus on selle võimaluse loonud.

Kõikvõimalike muutuste ja arenguteede tõenäosuste väljarehkendamine ei anna paraku aimu tulevikust. IBMi kunagine juht arvas, et maailm vajab ehk maksimaalselt kolme suurarvutit. See oli tol ajal nähtav tõenäosus. Järgnevaid võimalusi ei olnud veel olemas. Ometi just elamise peen ennustamatus ehk ebatõenäosus muudab elu elamisväärseks, muutlikuks ja võimalusi tekitavaks. Elu loomuse märgilise ja tähendusliku aspekti võimalik dominatsus ning selle mitmeplaaniline mõistmine võib osutuda mõttelaadi ja maailmatunnetuse arengus uueks aluseks.

Nädala pärast on Sirbil hea meel vahendada oma lugejaile biosemiootik Kalevi Kulli ja Stewart Kauffmani vestlust, mis elu mõistmise lugu veel mõnest aspektist lahti harutab.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming