vesm9301_015

Chaos v biologii

JAROSLAV DROBNÍK

Jakkoli pestré jsou tvary a struktury organismů, jsou konec konců důsledkem struktury a agregace určitých typů molekul - převážně makromolekul. Bohatost a provázanost životních pochodů, od jednoduché chemické reakce až po komplikované genetické regulace, je svou podstatou opět projevem přeměn a vzájemných interakcí těchto molekul a z nich vytvářených vyšších struktur.

Vývoj biologie založený na těchto premisách vždy provázel stín alternativních hypotéz, které se zakládaly na postulování něčeho mimo svět atomů a molekul, životní síly nebo jiného nehmotného principu. Nedaly se však objektivně - tj. opakovaně, nezávisle na pozorovateli a místě - potvrdit experimentem, a proto se označují jako nevědecké. Ze stejného důvodu nemají ani význam pro praktickou činnost lidstva. To ovšem neznamená, že nemá smysl se s nimi seznámit. Některé jejich postupy, chápány jako metafora nebo model, mohou být užitečné i v konstrukci vědeckých hypotéz - ta ostatně není možná bez fantazie, jejíž zdroje mohou být jakékoli.

Naše poznání má vlastnost fraktalů: část celku má stejně složitou strukturu jako celek, neboť každá část, na kterou celek při zkoumání rozložíme, se v dalším kroku opět stává celkem. Řečeno jinou metaforou má naše snaha dosáhnout pravdy stejný průběh jako urychlování hmotné částice k rychlosti světla: čím blíže se k pravdě dostáváme, tím roste obtížnost postupu. Proto v každé etapě poznání zůstává nenulový rozsah skutečností nepoznán a vzhledem k fraktalové povaze může být vnímán jako neznámý celek. Na tomto základě pak staví a bude vždy stavět onen proud alternativních hypotéz života i světa. Domněnka, že s postupem vědy alternativní hypotézy vymizejí, je iluze.

Naivní je také představa, že tyto hypotézy mají stále onu primitivní podobu klasické "životní síly". Z výše uvedených důvodů skutečně jako stín provázejí vývoj vědy, a proto i ony se modernizují. Alternativní hypotézou v biologii naší doby je např. představa, že život na Zemi založila jakási vesmírná civilizace. Tato hypotéza se zrodila z množiny nepoznaných skutečností týkajících se evoluce genetického kódu.

Kromě množiny nepoznaných skutečností mají alternativní hypotézy ještě další kořen, ze kterého stále vyrůstají. V prvém odstavci jsme prohlásili, že pro tvary a procesy v biologii jsou určující vlastnosti molekul. Zhusta se však tato teze formuluje tak, že tvary a procesy v biologii lze bezezbytku vysvětlit vlastnostmi a interakcemi molekul. Takové tvrzení je však v rozporu se skutečností a z tohoto rozporu klíčí antiteze, že kromě fyziky a chemie molekul potřebujeme ještě další princip, sílu či intelekt k vysvětlení života.

Pokusíme se paralelou jednoduchého příkladu ukázat, že tomu tak není: Povolíme-li vodovodní kohoutek jen tak, aby voda netekla spojitým proudem, ale dostatečně k tomu, aby neodkapávala pravidelným laminárním způsobem, nastane v jeho ústí turbulence a kapání je nepravidelné. Nikdo nebude v tomto jevu hledat přítomnost žádného vyššího principu či neznámé síly. Jde jen o hydrodynamiku, povrchové napětí, gravitaci, atd., čili o soubor známých zákonů; nicméně délku intervalu mezi odkápnutím dvou následných kapek předpovědět nemůžeme. Je sice determinován zmíněnými zákony, ale jejich vztah k jevu, který pozorujeme, není lineární, tj. důsledek není úměrný příčině. Naopak, v turbulenci může mít nepatrná příčina velké důsledky a naopak. To vede ke zřetězení příčin a následků způsobem, který nazýváme deterministický chaos.

Výsledek jevů řidících se deterministickým chaosem není však náhodný. Počasí je dobrým příkladem. Víme, že předpověď na delší dobu je značně nejistá, ale lidové pranostiky nás přesvědčují, že ve větším souboru existují jisté pravidelnosti. Ty bychom objevili i v pokusu s kohoutkem, kdybychom vhodným způsobem registrovali větší počet kapek. Vlastností deterministického chaosu je totiž užší či volnější nahloučení stavů okolo určité hodnoty nazývané atraktor. V případě počasí jsou to ony předvánoční oblevy, zmrzlí muži, Medard apod.

Poznání zákonitostí deterministického chaosu je poměrně novou disciplínou, a proto ne všechny vztahy jsou známy, a hlavně aplikace na jiné vědní obory jsou v samých začátcích. V biologii se prokázalo, že i tak pravidelný jev jako bušení srdce je důsledkem zákonitostí chaosu. V tomto případě atraktor vymezuje úzkou oblast jevů. V případě výše zmíněného počasí je oblast atraktoru, jak každý víme, poměrně široká. Je zřejmé, že aplikace principu chaosu bude velmi plodná v ekologii, evoluci, ale méně zřetelné je, že takto musíme nahlížet i na biochemii a molekulární genetiku.

V chemismu reakcí, které uskutečňují přeměnu látek a energií v organismech, je jen málo takových, jež mají stoprocentně jednoznačný průběh. Většinou z výchozího stavu může s různou pravděpodobností probíhat několik reakcí. Ještě zřetelněji vynikne takovýto multipotenciální charakter u asociace makromolekul, která je podstatou molekulární genetiky. Každé přisednutí např. dvou polynukleotidů na sebe nebo specifické bílkoviny na určité místo na DNA či určité molekuly na receptor je určeno asociační konstantou danou množstvím uvolněné energie. Přisednutí na "chybné" místo je také charakterizováno asociační konstantou a "správnost" pochodu z hlediska genetického, biochemického nebo regulačního je pouze výrazem kvantitativního rozdílu obou konstant.

Konstanty tedy determinují biochemické pochody, genetické či jiné regulace, a proto nepatrná změna v okolí děje, která v rozhodujícím okamžiku změní energetické stavy a tím i poměr konstant, může mít obrovské důsledky z hlediska životních pochodů. Známým příkladem malých změn s velkými následky je kvantověmechanický tunelový jev, který může způsobit, že v okamžiku párování nukleotidů jsou elektrony v konjugovaném systému bází na "nesprávném" místě. Právě nelinearita kauzálních vztahů je momentem, který podřizuje jak biochemii, tak i molekulární genetiku zákonitostem deterministického chaosu.

Tedy nikoli zvláštní síla, princip, či transcendentní intelekt je příčinou, proč nemůžeme redukovat životní děje na pouhou fyziku a chemii molekul. Tyto faktory sice životní děje determinují, ale způsobem, který nedovoluje zpětně z velikosti důsledků usuzovat na velikost příčin a obdobně nedovolí jednoznačně předpovídat děje na větší počet kroků do budoucna.

Je velmi žádoucí, aby zejména pedagogové a mladá generace si tyto skutečnosti uvědomili, protože ve velké většině probíhá výklad, a tedy i vnímání biochemie, a zejména molekulární genetiky tak, jakby procesy v organismech probíhaly podle jednoznačné lineární kauzality. Ve skutečnosti nejsou "zákonitosti", které píšeme na tabuli a do učebnic ničím jiným než atraktorem dějů probíhajících podle deterministického chaosu.

Není pochyb o tom, že využití modelu deterministického chaosu přinese v blízké budoucnosti zcela nové přístupy v biologii. Patrně nejdříve v ekologii a evoluci, později ve fyziologii, biochemii a molekulární genetice. Mám jen obavu, jak se uplatní naše biologie, protože na rozdíl od anglosaského způsobu univerzitního vzdělání je u nás tradiční separace studia biologie od matematiky a fyziky považována div ne za přednost.