Философия биологии

Простейшая иллюстрация причин плохой интерпретируемости глубокого обучения.

#публикация_дня Умом биологию не понять? Часть 1 Главная публикация последних дней - статья, сопровождающая выход AlphaFold3, нового продукта Google DeepMind. Предыдущая версия программы, AlphaFold2 привела к революции в структурной биологии: к возможности предсказывать трехмерную структуру белка по его аминокислотной последовательности с точностью, сопоставимой с экспериментальными данными. AlphaFold3 переходит к следующем шагу - предсказанию трехмерной структуры белков в комплексе с другими белками, нуклеиновыми кислотами, малыми молекулами, ионами, а также предсказанию изменения трехмерной структуры белка в результате модификаций его аминокислотных остатков (например, фосфорилирования). Точность предсказаний не такая высокая (например, 76% в случае взаимодействий с малыми молекулами, то есть потенциальными лекарствами), но все равно намного выше, чем у ближайших конкурентов (у которых, в данном случае, она составляет 40%), которые, к тому же, специализированы под предсказание структуру комплексов белка с только одним из перечисленных выше типов молекул. По сравнению с AlphaFold2 в алгоритм обучения внесены некоторые изменения, но они не изменяют сути: AlphaFold3 - это результат глубокого обучения. Глубокое машинное обучение - это наиболее эффективный/аккуратный, но при этом наименее интерпретируемый/объяснимый метод машинного обучения (см. иллюстрации ниже). В случае AlphaFold2 и AlphaFold3 скачкообразное улучшение предсказаний не сопровождается (насколько мне известно) каким-либо улучшением понимания фолдинга белка (сворачивания цепочки аминокислотных остатков в трехмерную структуру): несмотря на громкие заголовки многих СМИ, AlphaFold2 не решает проблемы фолдинга белков. Философа может удивить использование понятия "понимание" в этом контексте. С работ В. Дильтея конца XIX века понимание как Verstehen - как проникновение в другое сознание при помощи передаваемых им внешних знаков - обычно рассматривается как специфический метод гуманитарных наук и противопоставляется объяснению в естествознании. Однако в последние годы в философии науки произошёл всплеск внимания к проблеме понимания в естествознании, научного понимания (scientific understanding). Под пониманием некоторого феномена можно подразумевать, например, наличие теории этого феномена, из которой исследователь может выводить качественные следствия, не прибегая к точным вычислениям. В случае AlphaFold2 такой теорией мог бы быть набор правил фолдинга белка. Вообще, в случае проблемы фолдинга наблюдается, кажется, обратная корреляция между интерпретируемостью инструмента предсказания (и тем пониманием феномена, которое он даёт) и точностью предсказаний. Интерпретируемость и понятность падает, а точность возрастает в следующем ряду: математические модели (простейшая - представление белка как статистического клубка) - компьютерная симуляция (методы молекулярной динамики) - глубокое обучение. Случайна ли эта корреляция?

Модель биосферы из статьи Falkowski, P. G., Fenchel, T., & Delong, E. F. (2008). The microbial engines that drive Earth's biogeochemical cycles. Science, 320 (5879), 1034-1039, на которую часто ссылается Дулиттл.

#публикация_дня #рецензия_на_статью Песня или певец? Часть 4 (окончание) Авторы хвалят определение Халла за то, что оно допускает эволюционные объяснения с привлечением разных уровней биологической организации. Однако трактовку пролиферации интеракторов как размножения (reproduction) с образованием череды поколений, подразумеваемую Халлом, Дулиттл и Папаль считают слишком узкой и предлагают включить в определение ЕО также повторное возникновение (recurrence) и персистирование (persistence) интеракторов. Экосистемы или биогеохимические циклы редко (если вообще) размножаются, но они могут возникать повторно или, очевидно, хотя бы сохраняться. Повторно возникающие экосистемы одного типа (например, пустыни) будут включать похожие, но не совпадающие списки репликаторов (например, видов). Даже если экосистема не возникает повторно, а просто персистирует, ее взаимодействие со средой приводит к процветанию подходящих репликаторов (видов). При этом экосистема может увеличиваться или уменьшаться, что можно рассматривать как аналог увеличения и уменьшения приспособленности. Итак, тезис авторов состоит в том, что естественный отбор - это процесс, в котором избирательная гибель и пролиферация интеракторов приводит к избирательному сохранению производящих их репликаторов - вне зависимости от того, формируют интеракторы ряды поколений или нет. Другими словами, песня (интерактор как процесс) важнее певца (репликатора как вещи). Хотя Дулиттл и Папаль во многом опираются на философские, а не на биологические исследования, они рассматривают свою статью как манифест, который, за счёт нового определения естественного отбора, должно изменить структуру исследований в области эволюционной биологии.

#публикация_дня #рецензия_на_статью Песня или певец? Часть 4 (начало) Главный тезис статьи можно сформулировать так: естественный отбор (evolution by natural selection, ЕО) нужно определять по Д. Халлу, но с добавлением "вне зависимости от того, формируют интеракторы ряды поколений (lineages) или нет." Определение Дэвида Халла известное, но не классическое. Поэтому авторы начинают с объяснения, чем плохо определение Ричарда Левонтина, которое они рассматривают как стандартное для синтетической теории эволюции. Определение Г. Спенсера "survival of the fittest", одобренное Ч. Дарвином, исправляли и уточняли по-разному. В 1970 американский генетик и эволюционист Р.Ч. Левонтин предложил "рецептурное" (алгоритмическое) определение: ЕО - это процесс, который возникает при выполнении трех условий: (1) Среди особей вида есть изменчивость (variation) по морфологическим, физиологическим или поведенческим признакам (принцип изменчивости) (2) Изменчивость частично является наследственной, то есть индивиды напоминают родственников больше, чем неродственных особей, в частности потомки напоминают родителей (принцип наследственности) (3) Различающиеся особи (variants) оставляют разное число потомков в следующем или в более отдаленных поколениях (принцип дифференциальной приспособленности). Определение Левонтина не удовлетворяет авторов, так как, во-первых, основано на размножении и, во-вторых описывает эволюцию только на одном уровне организации. Это не обязательно уровень организма, определение можно расширить в духе теории многоуровневого отбора, предполагая, что особи можно заменить генами, популяциями и т.д. Вектора отборов на разных уровнях организации можно дальше складывать, они могут быть разнонаправленными ("интересы" мобильных элементов обычно противоречат "интересам" организма), но на базовом уровне описание остаётся одноуровневым. Второго недостатка избегает определение американского философа Дэвида Халла, за счет замены единицы отбора (организма, вида и т.д.) на пару интерактор-репликатор. Понятие репликатора вводит британский эволюционист Ричард Докинз в "Эгоистичном гене" (1975), определяя его через способность передавать свою структуру в почти неизменном виде при последовательной репликации (копировании). В качестве пары к репликатору Докинз предложил машину (vehicle). Главный пример репликаторов - это гены, главный пример машин - это организмы. В результате Докинз приходит к формулировкам вроде "Мы (организмы) - машины для выживания генов". Американский философ науки Дэвид Халл (1980) заимствует у Докинза понятие репликатора, но заменяет скандальную машину на интерактора (interactor), чтобы заменить коннотацию пассивности на коннотацию активности. Интерактор, по Халлу, взаимодействует как единое целое со средой, в результате чего репликаторы с разной структурой копируются с разной скоростью. В результате он приходит к следующему определению ЕО: "Это процесс, в котором избирательная гибель и пролиферация (proliferation) интеракторов приводит к избирательному сохранению (perpetuation) производящих их репликаторов". Данное определение является универсальным и было применено Халлом к эволюции науки (эволюционную эпистемологию Халла я подробно рассматриваю в диссертации, с. 117-128).

#публикация_дня #рецензия_на_статью Песня или певец? Часть 3 Позиция авторов стоит особняком в сравнении с другими современными предложениями по пересмотру синтетической теории эволюции (неодарвинизма, the modern synthesis, СТЭ). Наиболее известной попыткой такого рода является расширенный эволюционный синтез (the extended evolutionary synthesis, РЭС) Г. Мюллера, М. Пильюччи, К. Лала (Лаланда) и целого ряда их единомышленников. РЭС подчеркивает активную роль организма в эволюции (за счет конструктивности онтогенеза, конструирования экологических ниш, эволюции культуры и т.п.), вплоть до приписывания любым организмам агентности. Подход же Дулиттла и Папаля ведёт, наоборот, к смещению акцента с организма на процессы более высокого (или, вообще говоря, более низкого) уровня . Несколько лучше подход авторов согласуется с близким к РЭС, но более радикальным "третьим путём эволюции", точнее говоря - с принципом биологическом относительности его представителя Дэниса Нобла. Согласно принципу биологической относительности, для биологических систем нельзя априори указать привилегированный уровень каузации (например, ген по Р. Докинзу или организм по РЭС). Дулиттл и Папаль идут даже дальше, утверждая, что из-за каузальных взаимодействий уровни организации биологических систем даже не являются дискретными. Также подход авторов отчасти согласуется со сторонниками теории многоуровневого отбора (С.Дж. Гулд, Н. Элдредж, Э. Ллойд и др.), признающими возможности отбора на разных уровнях организаци и, соответственно, отказывающихся как от геноцентричности СТЭ, так и организмоцентричности РЭС. Опять-таки Дулиттл и Папаль идут дальше, указывая, что для участия в естественном отборе сущности не обязаны быть целостными и размножаться (как гены, клетки, организмы, популяции, виды или клады в случае теории многоуровневого отбора): это могут быть, например, экосистемы или биогеохимические циклы. Ещё одно направление пересмотра СТЭ - построение эволюционной теории на основе аналогии со статистическими теориями в физике и на основе геномных данных, связанное, в первую очередь, с работами Е. Кунина. Оно кажется полностью противоположным замыслу Дулиттла и Папаля. Кунин с соавторами на основе априорных соображений проводят резкую границу между разными уровнями биологической организации и рассматривают размножение в качестве необходимой предпосылки биологической эволюции. Вероятно, лучше всего подход авторов согласуется с не биологическим, а философским направлением - процессуальной философией биологии (Дж. Дюпре и др.). Она предполагает переход от онтологии вещей (объектов, субстанций) к онтологии процессов: не процессы оказываются врéменными изменениями вещей, а вещи оказываются временно стабилизированными процессами. Для перехода к субстанциальной онтологии требуется, в частности, разрушение интуиции организма как вещи/субстанции. Это согласуется с подходом Дулиттла и Папаля, подчеркивающих, что естественный отбор может происходить на уровне надорганизменных процессов. Однако Дюпре идёт гораздо дальше: на основе априорных соображений предлагает построить элиминативную процессуальную онтологию жизни, разрушив интуицию вещности/субстанциональности любых биологически сущностей (включая гены).

#публикация_дня #рецензия_на_статью Песня или певец? Часть 2 Следствием подхода Дулиттла и Папаля является включение в процесс естественного отбора даже не только экосистем, но и биогеохимических циклов и, в пределе, всей биосферы. Это перекликается с идеями отечественных исследователей, разрабатывавших экосистемную теорию эволюции (В. А. Красилов, С. М. Разумовский, А. Г. Пономаренко, В. В. Жерихина), определявших жизнь как способ упорядочения и стабилизации геохимических циклов (А.С. Раутиан), понимавших эволюцию как эволюции биосферы (Г.А. Заварзин) и т.п. Однако самой известной сейчас концепцией эволюции биосферы является гипотеза Геи британца Дж. Лавлока, согласно которой Земля обладает собственными механизмами саморегуляции и даже может рассматриваться как суперорганизм, прообразом которого является мать-земля или богиня Гея. Гипотезу Геи любят континентальные философы, но с точки зрения СТЭ она бессмысленна: подобные механизмы саморегуляции могли возникнуть лишь в результате естественного отбора, а биосферы не размножаются. Дулиттл недавно посвятил статью, а затем и целую книгу (выйдет в конце года) защите осмысленности концепции Геи с эволюционной точки зрения - дарвинизации Геи. Это тем более любопытно, что в молодости Дулиттл прославился, наряду с Р. Докинзом (см. "Расширенный фенотип"), как один из главных критиков этой гипотезы. Отказавшись от размножения как необходимой предпосылки естественного отбора, Дулиттл переходит к поддержке концепции Геи (которую по-прежнему считает невозможной, например, Е. Кунин). Также важным следствием подхода авторов является включение в процесс естественного отбора ранних, доклеточных этапов эволюции. Эти этапы хотя бы частично происходили на уровне (экологических) сообществ, а в отношении сообществ понятие размножения (reproduction) является проблематичным.

#публикация_дня #рецензия_на_статью Песня или певец? Часть 1 Вчера была индексирована статья в журнале Philosophy, Theory, and Practice in Biology (PTPBio), которую трудно обойти вниманием хотя бы из-за названия: Towards a more general theory of evolution by natural selection: A manifesto Тем более это трудно сделать, если учесть, что одним из двух авторов является Форд Дулиттл - американский биолог, известный работами по эндосимбиотическому происхождению хлоропластов, возникновению эукариот, горизонтальному переносу генов в эволюции прокариот, критике концепции дерева жизни и конструктивной нейтральной эволюции. В последние годы Дулиттл публикует работы почти исключительно по философии биологии. Его соавтор - канадский философ Франсуа Папаль, Обсуждаемая статья абстрактна, концептуально сложна и контринтуитивна, не поддается краткому пересказу, поэтому я реагирую на неё в виде длинной рецензии. В первой части рецензии я поясню цель авторов, во второй - укажу на интересные следствия достижения этой цели, в третьей - сравню подход авторов с другими современными попытками пересмотра синтетической теории эволюции и лишь в четвертой части дословно приведу основной тезис и прокомментирую аргументацию авторов. Авторы начинают с обсуждения два известных определений естественного отбора, которые я пока не привожу. Оба не удовлетворяют авторов, так как основаны на наличии у отбираемых сущностей размножения. Действительно, современная биология накапливает данные о важной роли экологических и эволюционных взаимодействий, которые не связаны с размножением. Например, биоплёнки (скажем, на наших зубах) состоят из микробов разных видов, причём лишь некоторые из этих видов синтезируют полимеры, образующие матрикс биоплёнки. Более того, со временем видовой состав одной и той же биоплёнки может изменяться. Биоплёнка выглядит адаптивной, но что является носителем этих адаптаций? Из-за гетерогенного и переменного состава биоплёнки это не могут быть адаптации отдельных прокариотических клеток или видов. Может быть, это адаптации биоплёнки как экосистемы? Но согласно определениям естественного отбора, основанным на размножении, экосистемы не могут приобретать адаптации: на экосистемы не действует естественный отбор, ведь они не размножаются. А не размножаются они, в частности, потому, что не обладают необходимой для этого целостностью (cohesiveness). Авторы хотят расширить определение естественного отбора так, чтобы под него подпадали не целостные и не размножающиеся сущности (которые, может быть, уже естественнее называть не биологическими системами, а биологическими процессами). В одной из предыдущих статей Дулиттла Processes and patterns of interaction as units of selection: An introduction to ITSNTS thinking эта цель сформулирована в виде метафоры: показать, что в эволюции важна песня, а не певец (it's the song, not the singer, сокращенно - ITSNTS), то есть важнее процесс, а не его носитель. Всё это выглядит контринтуитивно, и авторы это осознают: ведь выбранная ими метафора противоположна народной мудрости - идиоме it's the singer, not the song. На русский язык эту идиому можно приблизительно, перевести как "не место красит человека, а человек - место". К сожалению, при переводе исчезает коннотация процессуальности, а для авторов важно, что в данном случае песня - это процесс.

#новость_дня

#публикация_дня Первый понедельник мая в Великобритании - выходной. Коллектив Nature вместе со всей страной ставит майское дерево и выбирает майскую королеву. Отцы-пилигримы не одобряли языческие традиции, поэтому Science рассылает новости в штатном режиме. Зачем эпидемиологам изучать историю? В Current Biology опубликована статья, согласно которой в средневековой Англии люди и обыкновенные белки поочередно заражали друг друга проказой. В 2016 году было обнаружено, что обыкновенные (рыжие) белки (а не только девятипоясные броненосцы) могут быть носителями возбудителей проказы, но случаи заражения людей от белок оставались неизвестны. Авторам обсуждаемой статьи удалось секвенировать геном Mycobacterium leprae из костей рыжих белок средневекового Винчестера, это один из первых случаев надежного определения какого-либо патогена в останках нечеловеческого животного. Оказалось, что генетически M. leprae средневековых винчестерских белок ближе к M. leprae средневековых винчестерцев, чем к M. leprae современных белок. Точно неизвестно, каковы были пути передачи, но в Винчестере для этого были благоприятные условия: там был и крупный рынок беличьего меха, и лепрозорий. Именно по причине этого соседства для исследования были выбраны кости винчестерских белок. Авторы статьи предполагают, что подобные исторические исследования могут помочь предсказывать переносы патогенов от животных к людям, новые эпидемии и пандемии. Кажется, данная работа действительно демонстрирует новые возможности исторической эпидемиологии, о которых, конечно, размышляли в контексте пандемии COVID-19: и у математических моделей будущих пандемий, и у исторических аналогий c пандемиями прошлого есть свои преимущества и недостатки.

#новость_дня #рецензия_на_статью

#новость_дня #рецензия_на_статью Почему не бывает истинно многоклеточных прокариот? Часть 2 Гипотеза авторов построена на трех предпосылках. 1) Все современные истинно-многоклеточные организмы в онтогенезе развиваются клонально (в результате деления единственной клетки и нерасхождения ее потомков), а не в результате агреграции множества клеток разного происхождения. При этом переход от одноклеточности к клональной многоклеточности приводит к резкому уменьшению эффективного размера популяции, по эмпирическим данным - на 2-3 порядка. 2) Двадцать лет эволюционист Майкл Линч предложил неадаптационистскую (не основанную на прямом действии действии естественного отбора) модель увеличения сложности организмов, основанную на увеличении размера генома. Первоначально геном увеличивается за счет "мусора" (нейтрального или даже вредного), но в ходе дальнейшей эволюции этот мусор частично используется и приводит к появлению инноваций. Одной из причин такого увеличения размера генома является как раз уменьшение эффективного размера популяции (например, при возникновении эукариот): оно приводит к ослаблению естественного отбора, усилению дрейфа генов и накоплению генетического мусора. Неадаптационистской модели увеличения сложности большое внимание уделял Евгений Кунин в "Логике случая", в соответствии с общим акцентом книги на важной роли случайных (нейтральных) процессов в эволюции. Я также упоминаю её в своей диссертации, посвященной критике адаптационизма (с. 183). Хотя полемический ярлык "адаптационизм" и другие термины, изобретенные С. Дж. Гулдом, не используются авторами и комментаторами обсуждаемой статьи, дух Гулда проявляется, например, в использовании выражения just-so stories по отношению к предыдущим объяснениям перехода к истинной многоклеточности (под влиянием Гулда детские "вот такие истории" Киплинга теперь ассоциируются с некритически принимаемыми объяснительными нарративами). 3) Наименее очевидная предпосылка: по каким-то причинам, согласно данным эволюционной геномики, при уменьшении размера популяции геном прокариот не увеличивается (как происходит у эукариот, и как предсказывает модель Линча), а уменьшается. На основе этих трех предпосылок авторы выдвигают гипотезу: истинно многоклеточных прокариот не существует, потому что у прокариот переход к клональной многоклеточности уменьшает, за счет сокращения генома, ресурсы для дальнейшей эволюции (в отличие от эукариот, которые, наоборот, приобретают дополнительный объём генома). Прилагаемая компьютерная модель, честно говоря, скорее иллюстрирует приведенное качественное рассуждение, чем добавляет что-то новое. Венгерский биолог-теоретик Эорс Шатмари, соавтор Джона Мейнарда Смита по книге "Главные эволюционные переходы" (к ним относится, конечно, и переход к многоклеточности) написал в PNAS комментарий к статье. Он отмечает, в частности, что статус гипотезы зависит от разрешения загадки, почему размер генома прокариот уменьшается при уменьшении размера популяции. Самое интересное, что Шатмари предлагает экспериментальный способ проверки гипотезы авторов статьи: уменьшить размер популяции какого-нибудь прокариота с примитивной многоклеточностью (например, цианобактерии), но в качестве компенсации ожидаемого сокращения генома накачивать его новыми генами при помощи горизонтального переноса.

#публикация_дня #рецензия_на_статью Почему не бывает истинно многоклеточных прокариот? Часть 1 Nature и Science одновременно отмечают в новостной рассылке орангутана, который залечил рану, залепив её разжеванным лекарственным растением. Вам хотелось бы узнать, почему в биомедицинских исследованиях не стоит отказываться от подразделения людей (всего) на два пола. Я же эгоистично выбираю новость, основанную на статье Bingham, E. P., & Ratcliff, W. C. (2024). A nonadaptive explanation for macroevolutionary patterns in the evolution of complex multicellularity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(7), e2319840121. Многоклеточность возникала более 50 раз, впервые - не менее 3 млрд. лет назад, у цианобактерий. Однако сложная/истинная (complex) многоклеточность (крупные, долгоживущие организмы из множества клеточных типов) возникла только пять раз, и только среди эукариот. В результате этих переходов появились животные, растения, грибы, бурые водоросли и красные водоросли. Традиционно наличие сложной многоклеточности только у эукариот объясняют особенностями эукариотических клеток, дающими преимущество на этапе перехода к многоклеточности. В свое время я именно под таким углом зрения формулировал задачу для Турнира юных биологов. В статье же приведено объяснение перехода к сложной многоклеточности на уровне популяционной генетики и эволюции генома, а не отличий между клетками. Это неадаптационистская (nonadaptive) модель, т.е. она не рассматривает явление (переход к многоклеточности или отсутствие такого перехода) как непосредственный результат естественного отбора. Лаборатория Уильяма Рэтклиффа - последнего автора - известна экспериментальной моделью возникновения многоклеточности у одноклеточных дрожжей - выведением "дрожжей-снежинок".

#публикация_дня

#публикация_дня Что нового в исследованиях экспериментальных практик? Ряд интересных статей, вышедших на прошлой неделе, затмевает интересная книга - коллективная монография "Experimentation in the Sciences: Comparative and Long-Term Historical Research on Experimental Practice" издательства Springer (пока доступна лишь частично, на Google Books). Один из редакторов - канадец Ив Жэнгра, чья "Социология науки" выходила в издательстве Вышки. В 1970-е годы в философии науки происходит исторический и социологический поворот (в сторону от создания или реконструкции логики науки), символом которого стал Томас Кун. В 1980-е годы он дополняется практическим поворотом - переносом акцента исследований с теории на практику. Практический поворот тесно связан с возникновением философии эксперимента (хотя своя практика есть и у теории), вбирает в себя исторический и социологический аспекты. Обсуждаемая монография посвящена памяти одной из ключевых фигур практического поворота - канадца Яна Хакинга (1936-2023). Каждая глава книги посвящена экспериментированию в одной из наук. Бросается в глаза свежий кастинг - глава о науках о жизни написана не Х.-Й. Райнбергером, о химии - не Б. Бенсауд-Венсан. Сам Жэнгра написал главу о физике, хотя в этой области есть много более известных специалистов. По-видимому, к участию в сборнике были приглашены только франкоязычные авторы. Показательно, что многие главы посвящены наукам, в которых эксперимент возник относительно недавно: социологии, экономике, менеджменту, археологии. Наиболее интригующей выглядит глава "Медицинская клиника как экспериментальная практика", дополняющая главу с конвенциональным названием "Экспериментирование в медицине". Исследование научных практик требует глубокого погружения в науку, эту область трудно истоптать, поэтому сюрпризы могут быть преподнесены и через сорок лет после выхода пионерских работ. Посмотрим, удалось ли это сделать авторам монографии.

Я философ (кандидат наук) и биолог (специалитет по молекулярной биологии), бывший преподаватель Вышки и Кировской ЛМШ. Этот канал посвящен свежим публикациям по биологии, медицине, философии и истории, представляющим интерес с точки зрения философии биологии. Рубрики: #публикация_дня #рецензия_на_статью #книжная_рецензия