Life's Irreducible Structure

"Life's Irreducible Structure" ("Elu taandumatu struktuur") on Michael Polanyi artikkel.
Selle põhiteesi väljendav alapealkiri on "Eluprotsessid ja informatsioon DNA-s on ääretingimused äärte jadaga nende kohal" ("Live mechanisms and information in DNA are boundary conditions with a sequence of boundaries above them"). Mõeldud on seda, et DNA-s kodeeritud informatsioon annab "ääretingimused" füüsika ja keemia seaduste kohaselt toimivatele eluprotsessidele, kitsendades füüsikaliste ja keemiliste protsesside toimumise võimalikke viise, kusjuures eluprotsessid on üles ehitatud hierarhiliselt, nii et kõrgem tasand annab temast ühe astme võrra madalamale tasandile "ääretingimused".
Artikkel ilmus ajakirjas Science, New Series, 160 (3834), 21. juuni 1968, lk 1308–1312.
Polanyi selgitas selles artiklis esimesena, millises seoses bioloogilised hierarhiatasandid omavahel on. Naabertasandid piiravad teineteist, kuid ei määra teineteist ära. Kõrgem tasand paneb madalama tasandi koostisosad käituma nii, nagu nad omaette ei käituks.

Sissejuhatus

Kui kõik inimesed häviksid, jääksid eluta looduse seadused samaks, kuid masinate valmistamine seiskuks seni, kuni inimesed taas tekiksid. Masina valmistamine seisneb sobivate detailide väljalõikamises ning nende kokkupanemises nõnda, et nende ühisel mehaanilisel toimimisel oleks inimese jaoks mingi otstarve. Masinate struktuuri ja selle toimimise kujundavad inimesed, kuigi nad toimivad elutu looduse seaduste kohaselt. Masinat konstrueerides ja seda energiaga varustades rakendame eluta looduse oma eesmärgi teenistusse. Kui masin läheb rikki, ei puuduta see eluta looduse jõudusid, millele masin tugineb, vaid üksnes vabastab nad kitsendusest, mis neile oli peale pandud. Masin tervikuna töötab seega kahe printsiibi kontrolli all. Kõrgem printsiip – masina konstruktsiooni printsiip – rakendab madalamat printsiipi, mis seisneb masina töö aluseks olevates füüsikalistes ja keemilistes protsessides.
Samalaadse kahetasandilise struktuuri kujundame ka eksperimendi puhul. Ent eksperimentaator seab loodusele piirangud selleks, et vaadelda, kuidas loodus nende korral käitub, kuna aga masina konstruktor seab loodusele piiranguid selleks, et looduse toimimist ära kasutada. Kuid mõlemal puhul seatakse füüsika ja keemia seadustele ääretingimused. Masina puhul on meie põhihuvi ääretingimuste tagajärgedes, eksperimendi puhul looduslikes protsessides, mida ääretingimused juhivad.
Kastrul annab supile, mida me keedame, ääretingimused, meie aga oleme huvitatud supist; ja kui me vaatleme reaktsiooni katseklaasis, siis huvitab meid reaktsioon, mitte katseklaas. Seevastu malemängus seab mängija strateegia malereegleid järgivale käikude seeriale ääretingimused, kuid meid huvitab strateegia, mitte käigud; ja kui skulptor vormib kivi või maalikunstnik maalib, siis huvitavad meid materjalile seatud ääretingimused, mitte materjal ise.
Ääretingimused võivad olla kas katseklaasi tüüpi või masina tüüpi. Tähelepanu nihutades võime mõnikord ääretingimuste tüüpi muuta.
Kõik teated kujundavad masina tüüpi ääretingimused, ja need ääretingimused moodustavad järjestikuste tegevustasandite hierarhia. Sõnavara seab suulistele lausungitele ääretingimused; grammatika kasutab sõnu lausete moodustamiseks ja lausetest kujundatakse tekst, mis annab edasi teate. Kõigil neil staadiumidel oleme huvitatud hõlmava kitsendava jõu seatud ääretingimustest, mitte printsiipidest, mida nad rakendavad.

Elusmehhanismid on samas klassis masinatega

Vaatleme nüüd elusolendeid, pidades silmas, et loomad liiguvad mehaaniliselt ringi ning neil on siseelundid, mis teostavad funktsioone nagu masina detailid. Need funktsioonid hoiavad organismi elus, paljuski nagu masina detailide riketeta funktsioneerimine hoiab masinat käigus. Sajandeid tagasi püüdis füsioloogia tõlgendada organisme keeruka mehhanismide võrgustikuna. Elundid on määratletud nende elushoidvate funktsioonidega.
Kuni pole avastatud, mis kasu mingist organismi osast organismile on, jääb tema füüsikaline ja keemiline kirjeldus tähenduseta, nii nagu masina kirjeldus on tähenduseta, kui me ei tea masina otstarvet.
Nagu masingi, on organism süsteem, mis töötab kahe printsiibi järgi: tema struktuur on ääretingimus, mis kasutab ära füüsikalisi ja keemilisi protsesse, mille kaudu tema elundid oma funktsioone täidavad. Sel süsteemil on kahekordne juhtimine. Morfogenees on nagu masina kujundamine.
Ääretingimus on alati väline selle protsessi suhtes, mida ta piirab. Nõnda on elusasjade struktuur ääretingimuste komplekt, mis on rakendatavate füüsika- ja keemiaseaduste suhtes väline.

DNA informatsioon genereerib mehhanisme

Ent elundeid ei kujundata kunstlikult nagu masina detaile. Morfogeneesiprotsessile annab põhimõttelise seletuse DNA-s salvestatud informatsiooni ülekanne.
DNA molekul esindab koodi: ühikud on teatud järgnevuses, kusjuures iga ühik seisneb ühes neljast võimalikust orgaanilisest alusest (täpsemalt, iga ühik seisneb ühes neljast võimalusest, mis seisnevad kahe erineva liitaluse kahes asendis); informatsiooni edastab konkreetne järjestus. Selline kood annab kõige rohkem informatsiooni, kui iga ühik võib võrdse tõenäosusega seisneda mis tahes aluses neljast. Tegelikult on küll olemas mõningane liiasus, mis informatsiooni määra vähendab, kuid eeldame koos Watsoni ja Crickiga, et see ei takista DNA-l tõhusalt koodina toimimast. Lühiduse huvides ignoreerime DNA liiasust.
Kui DNA molekulide ehitus tuleneks sellest, et olemasolevad sidemed aluste vahel on tugevamad kui aluste teistsuguse jaotuse korral, siis puuduks DNA molekulil informatsiooniline sisu. Sel juhul oleks liiasus nii suur, et DNA molekul ei saaks koodina toimida. Tavalise molekuli puhul see just nõnda ongi. Tema ehituse määrab maksimaalne stabiilsus, mis vastab minimaalsele potentsiaalsele energiale. (Sageli toimib küll potentsiaalse energia stabiliseerivale jõule vastupidine stabiilsus. Kui vedelik aurustub, siis osakeste hajumise tõttu entroopia kasvab. Sellest tulenev vajalik korrektsioon on potentsiaalse energia tunduva kahanemise ja madalate temperatuuride korral tühine. Me jätame selle arvestamata ning ütleme, et keemilise sidemega stabiliseeritud keemilistel struktuuridel ei ole arvestatavat informatsioonilist sisu.)
Tänapäeva evolutsiooniteooria valguses tuleb eeldada, et DNA koodistruktuur on kujunenud juhuslike muutuste jadas, mille tulemuse on sanktsioneerinud looduslik valik. Ent olgu DNA konfiguratsioon milline tahes, ta saab koodina funktsioneerida ainult juhul, kui tema järjestus ei tulene potentsiaalse energia stabilisseivatest jõududest. See peab olema füüsikaliselt sama määramatu nagu sõnade järjestus raamatuleheküljel. Nii nagu viimane on lehekülje keemia suhtes väline, on DNA molekuli aluste järjestus DNA molekulis toimivate keemiliste jõudude suhtes. Just seetõttu on iga konkreetne järjestus ebatõenäoline, mistõttu tal saabki olla tähendus (mis sisaldab informatsiooni määral, mis vastab järjestuse ebatõenäosusele).

DNA toimib plaanina

Sõnad võivad raamatulehel paikneda läbisegi, nii et informatsioonisisu puudub. Nii et ebatõenäosuse määr iseloomustab võimalikku, mitte tegelikku informatsioonisisu. Nii ka aluste järjestus DNA molekulis on tähenduslik ainult eeldusel, et ta genereerib järglaste struktuuri, varustades nad oma informatsioonisisuga.
Kas morfogeneesi juhtimine DNA poolt on nagu masina konstrueerimine ja kujundamine inseneri poolt? Organismi genereerides käivitab kahekordse juhtimisega süsteemis ääretingimusena toimiva mehhanismi kasvu ja juhib seda. Ka DNA ise on säärane süsteem: iga informatsiooni edastav süsteem on kahekordse juhtimisega, sest informatsiooni edastamise huvides kitsendab ja korrastab ta elementide liikumist, mis muidu oleks juhuslik, ning toimib seega ääretingimusena. DNA puhul on see ääretingimus kasvava organismi plaan. (Konkreetse sügoodi DNA molekulis kantav plaan kirjutab ette ka selle organismi individuaalsed tunnused, mis figureerivad selektsioonilises evolutsioonis, kuid see jääb praegu kõrvale.)
Seega on igas looterakus DNA molekuli duplikaat, mis sisaldab tähenduslikku informatsiooni, mis kasvavat loodet kujundades tekitab selles ääretingimused, mis sõltumatuna keemilistest ja füüsikalistest jõududest juhivad väljaarenenud organismi elumehhanismi.

Siin tekivad mõned lisaprobleemid

Geoloogias, geograafias ja astronoomias on universumi ajaloo jooksul kujunenud elututel süsteemidel ääretingmused, kuid need süsteemid ei ole kahekordse juhtimisega. Nad meenutavad katseklaasi tüüpi ääretingimusi. Ühelt poolt masinate ja elusmehhanismide ning teiselt poolt eluslooduse vahel on seega katkestus; ei masinad ega elusmehhanismid ole taandatavad füüsika ja keemia seadustele.
See taandumatus ei seisne pelgalt selles, et elementide kokkupanemisel võivad ilmuda omadused, mida elementidel eraldi võetuna ei ole. Näiteks Päike on kerakujuline, kuid koosneb mittekerakujulistest osadest, ja ka gravitatsiooniseadus ei räägi keradest, kuid gravitatsiooni mõjul võtab Päike kera kuju. Säärased juhtumid on füüsikas ja keemias tavalised. Sageli nähakse siin üleminekut elusasjadele, kuid nii see pole, sest elusasjad ei taandu eluta looduse seadustele.
On siiski teistsugune järjepidevus elu ning eluta looduse vahel: elu algetel ei ole järsku erinevust puht füüsikalis-keemilistest eelkäijatest. Et lepitada seda järjepidevust elusasjade taandumatusega, meenutame elutuid tehisesemeid. Masinad on taandumatud; ükski loom ei valmista masinaid, kuid mõnel loomal on algelised tööriistad, mille kasutamine on vaevalt eristatav jäsemete kasutamisest. Informatsiooni edastavad helid võivad olla müraga nii moonutatud, et nad ei ole enam selgelt äratuntavad. Nõnda võib ka juhtimise ääretingimuste poolt viia järk-järgult nullini. See teeb mõeldavaks taandumatute printsiipide järkjärgulise emergentse ilmumise elu tekkimisel.

Nüüd me tunnustame lisanduvaid taandumatuid printsiipe

Taandumatud kõrgemad printsiibid lisanduvad füüsika- ja keemiaseadustele.
Ent sääraste lisanduvate juhtivate printsiipide panemine evolutsiooni valikuprintsiipide arvele on seotud tõsiste raskustega. Ääretingimuste tekitamine kasvavas feetuses DNA-s sisalduva informatsiooni ülekandmise teel on problemaatiline. Plaani kasvamine keerukaks masinavärgiks, mida ta kirjeldab, paistab nõudvat põhjuste süsteemi, mida ei saa kirjeldada füüsika ja keemia raames; need tingimused lisanduvad nii DNA ääretingimustele kui ka DNA tekitatud morfoloogilisele struktuurile.
Seda puuduvat printsiipi, mis DNA juhendi järgi ehitab kehalise struktuuri, võib illustreerida Drieschi avastatud ulatuslike regeneratsioonivõimetega merisiiliku lootel ning Paul Alfred Weissi avastusega, et täiesti lahku viidud looterakud kasvavad uuesti kokkupanduna selle elundi fragmendiks, millest nad eraldati. Siin on mängus integreeriv jõud, mida Hans Spemann ja Weiss nimetasid väljaks. See suunab lootefragmentide kasvu, nii et moodustuvad spetsiifilised morfoloogilised tunnused. Conrad Hal Waddington kujutas seda suunavat jõudu epigeneetiliste maastikena: loote kasvu juhib potentsiaalsete kujude gradient, umbes nagu raske keha liikumist juhib potentsiaalse energia gradient.
Meenutagem, kuidas Driesch ja tema toetajad võitlesid selle tunnustamise eest, et elu ei mahu füüsika ja keemia raamidesse, väites, et merisiiliku loote regenereerimisvõime ei ole seletatav masinalaadse struktuuriga, ning kuidas vaidlust jätkasid need, kes väitsid, regulatiivne ("ekvipotentsiaalne", "organismiline") integratsioon ei ole taandatav mingile masinalaadsele mehhanismile ning seetõttu ka mitte eluta looduse seadustele. Mina aga väidan, et masinad ja mehaanilised protsessid elusolendites ei ole ise taandatavad füüsikale ja keemiale. Nüüd ei ole organismilised protsessid enam ainsad, millest elusasjade taandumatus oleneb. Kui väljalaadseid jõude, mis juhivad regeneratsiooni ja morfogeneesi, saab tunnustada lahus tollest küsimusest, siis peaks nende olemasolu olema veenvalt tõendatud.
Taandumatuid printsiipe, mis lisanduvad morfoloogiliste mehhanismide printsiipidele, tõendab aistivus, mida me ise kogeme ning kõrgematel loomadel kaudselt täheldame. Enamik biolooge jätab selle ainese tulutuna kõrvale. Ent kui juba on tunnustatud, et elu ei mahu füüsika ja keemia raamidesse, siis pole alust jätta tunnustamata ilmne tõsiasi, et teadvus on printsiip, mis jääb fundamentaalselt välja mitte ainult füüsika ja keemia, vaid ka elusolendite mehhanismiliste printsiipide raamidest.