Кіріспе

Канадалық математик және биолог Брайан Кэри Гудвин (25 наурыз 1931 жыл - 15 шілде 2009 жыл) (Сент-Анн-де-Бельвю, Квебек, Канада – Дартингтон, Тоттнес, Девон, Ұлыбритания) – Канадалық математик және биолог, Ашық университетінің зейнеткер профессор және теориялық биология мен биоматематиканың негізін қалаушылардың бірі. Ол даму биологиясында күрделі жүйелер мен жаратылымдық модельдерді қолдануды енгізді. Ол табиғатқа қатысты редукционистік көзқарас күрделі ерекшеліктерді түсіндіре алмайтынын айтты және морфогенетикалық өрістер эволюцияны итермелеуде табиғи іріктеудің орнын баса алатынын күмәндік тудырған структуралистік теорияны ұсынды. Ол сонымен қатар «Үшінші мәдениет» қозғалысының белгілі өкілі болды.

Өмірбаян

Брайан Гудвин 1931 жылы Канаданың Квебек провинциясының Монреаль қаласында дүниеге келген. Ол Макгилл университетінде биологияны оқыды, содан кейін Оксфордта математиканы оқу үшін Родс стипендиясы бойынша Ұлыбританияға эмиграциялады. Конрад Хэл Уоддингтонның жетекшілігімен "Даму және эволюцияның жалпы теориясы бойынша зерттеулер" тақырыбында диссертациясын қорғап, Эдинбург университетінде докторлық дәрежесін алды. Содан кейін ол 1983 жылға дейін Сассекс университетінде жұмыс істеді, одан кейін Милтон-Кейнстегі Ашық университетінде толық профессор болып, 1992 жылы зейнетке шықты. Ол басқа зерттеушілермен бірге математикалық биологияның қалыптасуына үлкен үлес қосты. 1965-1968 жылдары Рокфеллер қоры ұйымдастырған "Теориялық биологияға қарай" тақырыбында Вилла Сербелониде өткен танымал жиналыстарға қатысушылардың бірі болды. Содан кейін ол Ұлыбританияның Девон қаласындағы Шумахер колледжінде оқытты, онда колледждің Холистикалық ғылымдар магистрі бағдарламасын ашуға белсенді қатысты. Өліміне аз уақыт қалғанда Шумахер колледжінің негіздеуші мүшесі атанды. Гудвин сонымен қатар MIT-те зерттеуші болып жұмыс істеді және Мексика қаласындағы UNAM сияқты бірнеше институттардың көп жылдық қонағы болды. Ол Нью-Мексикодағы Санта-Фе институтының негіздеуші мүшесі болды және бірнеше жыл бойы ғылым кеңесінің мүшесі ретінде қызмет етті. Брайан Гудвин 2009 жылы велосипедтен құлап, жасалған операциядан кейін ауруханада қайтыс болды. Оның үшінші әйелі Кристал және қызы Линн күйіп қалды.

Гендік желілер мен даму

Франсуа Якоб пен Жак Монод гендік реттеудің алғашқы моделін жасағаннан кейін көп ұзамай Гудвин генетикалық осциллятордың алғашқы моделін ұсынды, гендер арасындағы реттеуші өзара әрекеттесулердің кезеңдік құбылуларға мүмкіндік беретінін көрсетті. Бұл модель жарияланғаннан кейін көп ұзамай ол статистикалық механиканы қолдана отырып, күрделі гендік реттеуші желілердің жалпы теориясын да жасады. Гудвин осцилляторының ең қарапайым түрі өзін-өзі басатын бір генді қамтиды. Гудвин теңдеулері бастапқыда консервативті (Гамильтондық) жүйелер тұрғысынан құрастырылған, сондықтан биологиядағы реттеуші құбылыстарға нақты көзқарас үшін қажет болатын диссипативтік әсерлерді ескермеген. Содан бері көптеген нұсқалар жасалды. Ең қарапайым (бірақ реалистік) формула үш айнымалыны қарастырады: X, Y және Z – РНК, белок және теріс кері байланыс циклын тудыратын соңғы өнімнің концентрацияларын көрсетеді. Теңдеулер келесідей:

және жабық осцилляциялар n>8 үшін пайда болып, лимит циклдері сияқты мінез-құлық көрсетеді: жүйенің күйіне бұзылыс келтірілгеннен кейін ол бұрынғы аттракторына оралады. Бұл модельге қарапайым өзгерту енгізу, транскрипция механизміндегі қосымша қадамдарды енгізетін басқа терминдерді қосу арқылы кіші n мәндері үшін осцилляцияларды табуға болады. Гудвиннің моделі және оның кеңейтімдері жылдар бойы циркадтық сағаттар, жасушалық бөліну немесе физиологиялық бақылау жүйелері сияқты осцилляторлық мінез-құлықтың басқа модельдерінің негізгі қаңқасы ретінде кеңінен қолданылып келеді.

Даму биологиясы

Даму биологиясы саласында Гудвин өзін-өзі ұйымдастыруды, бір жасушалы (мысалы, Acetabularia) және көп жасушалы организмдердегі, соның ішінде Drosophila-ның ерте дамуындағы нақты мысалдарды пайдаланып, үлгілердің қалыптасуында зерттеді. Ол морфогендік өрістер, химиялық сигналдардың кеңістіктегі таралуы (морфогендер) арқылы анықталатын, ұрықтың пішінін қалыптастыра алады деп болжады. Осылайша геометрия мен даму математикалық формализм арқылы байланыстырылды. Гудвин әріптесі Линн Трейнормен бірге организмдегі физикалық шекаралар мен химиялық градиенттердің өзгеруін сипаттайтын математикалық теңдеулер жиынтығын жасады. Актин микрофиламенттерінен тұратын және микротүтіктер желісімен нығайтылған вискоэластикалық материал – өсімдік жасушаларының кортикаль цитоплазмасының (немесе цитогельдің) механохимиялық қасиеттерін қарастыру арқылы Goodwin & Trainor (1985) кальцийді және цитоплазманың механикалық қасиеттерін қалай байланыстыруға болатынын көрсетті. Цитогель – цитоскелетпен кальций иондарының диффузиясы мен өзара әрекеттесуі мүмкін үздіксіз вискоэластикалық орта ретінде қарастырылады. Модель механикалық кернеу өрісінің және цитогельдегі кальций таралуының эволюциясын сипаттайтын екі сызықты емес дербес дифференциалдық теңдеуден тұрады. (Трейнор және Гудвин, 1986) көрсеткендей, параметрлердің белгілі бір диапазонында жүйеде тұрақсыздықтар пайда болып, дами алады, бұл жасуша ішіндегі кернеу мен кальций концентрациясының үлгілеріне әкеледі. Теңдеулердің жалпы түрі мынадай:

Бұл теңдеулер сәйкесінше, эталондық күйден ауытқудың және кальций концентрациясының кеңістіктік-уақыттық динамикасын сипаттайды. Мұнда x және t – кеңістік және уақыт координаттары. Бұл теңдеулерді көптеген әртүрлі жағдайларда қолдануға болады, ал әртүрлі функциялар P(x) ортаның нақты механикалық қасиеттерін енгізеді. Бұл теңдеулер күрделі геометриялық мотивтерден бастап тербелістер мен хаосқа дейін әртүрлі статикалық және динамикалық үлгілерді тудыра алады (Briere 1994).

Құрылымдық

Ол сондай-ақ, гендер биологиялық жүйелердің күрделілігін толыққанды түсіндіре алмайды деген пікірді ынталы түрде қолдады. Осы тұрғыдан алғанда, ол редукционизмге қарсы жүйелік көзқарас тұжырымдамасының ең белсенді жақтаушыларының біріне айналды. Ол сызықты емес құбылыстар мен олардың мінез-құлқын анықтайтын түбірлік заңдар биологияны және оның эволюциялық жолдарын түсіну үшін өте маңызды екенін ұсынды. Оның эволюциялық биологиядағы позициясын структуралистік деп сипаттауға болады. Гудвинге сәйкес, табиғаттағы көптеген үлгілер күрделіліктің салдарынан туындаған шектеулердің туынды өнімі болып табылады. Өсімдіктер мен жануарлардың кеңістіктік құрылымында байқалатын мотивтердің шектеулі жиынтығы (кейбір өлшемдерде) Гудвиннің пікірінше, осындай шектеулердің әсерін көрсетеді. Табиғи іріктеудің рөлі екінші деңгейде болар еді. Бұл пікірлер қатты дау тудырды және Гудвинді көптеген белгілі дарвинистік эволюционистермен қақтығысқа түсірді, ал кейбір физиктер оның кейбір көзқарастарын логикалық деп тапты. Мысалы, физик Мюррей Гелл-Манн: «Биологиялық эволюция – генетикалық материалдағы негізінен кездейсоқ өзгерістер мен табиғи іріктеуге негізделген – нақты организмдердің құрылымына қатысқанда, ол физикалық ғылымдардың заңдарына бағынады, олар тірі жандардың қалай құрылуы мүмкін екеніне шешуші шектеулер қояды» деп мойындады. Оксфорд университетінің ғылымды түсіну жөніндегі бұрынғы профессоры және белгілі дарвинистік эволюционист Ричард Доукинс: «Менің ойымша, [оның тезисін] қолдайтын көп айғақ жоқ, бірақ Брайан Гудвин сияқты біреудің мұндай нәрселер айтуы маңызды, өйткені ол қарсы тұрған жақтан келеді, ал шындық, мүмкін, осы екеуінің арасында жатыр» деді. Доукинс сондай-ақ: «Морфологияның түбірлік заңдары тек белгілі бір шектеулі пішіндерге ғана рұқсат ететіні шын мәнінде қызықты мүмкіндік» дегенмен келісті. Гудвин болса, негізгі дарвинизмді емес, оның асыра сілтеулерін ғана қабылдамады.

Қабылдау

Биолог Герт Кортхоф Гудвиннің зерттеулерін жоғары бағалап, оның «дарвинизмді ғылыми тұрғыдан жетілдіруге» тырысқанын айтты. Дэвид Б. Уэйк те Гудвиннің зерттеулерін оң пікірмен бағалап, оны «ойлы ғалым, қазіргі эволюциялық, генетикалық және даму биологиясының қалыпты көзқарастарына қарсы шыққан ұлылардың бірі» деп сипаттады. Гудвин табиғи іріктеу эволюцияны түсіндіру үшін «жеткіліксіз күш» екенін және тек сүзу механизмі ретінде ғана жұмыс істейтінін айтқан. Ол қазіргі эволюциялық биология биологиялық форма туралы теорияны түсіндіре алмағанын және эволюциядағы морфогенездің маңыздылығын назарға алмағанын мәлімдеді. Ол неодарвинизмді алмастыруға жаңа эволюциялық теория ұсынғанын айтты. Бірақ сыншыл рецензияда биолог Кэтрин С. С. Прайс, Гудвин өзгерістің жалғыз көзі ретінде мутацияға балама ұсынғанымен, бейімделу механизмі ретінде табиғи іріктеуге балама ұсына алмағанын атап өтті. Прайс Гудвиннің «эволюция туралы талқылауы бұрыс, жеткіліксіз дамыған және дұрыс ақпараттандырылмаған» екенін, дарвинизмді бұрмалағанын, әлсіз аргументтерді қолданғанын және популяциялық генетикадан алынған зерттеулерді елемегенін мәлімдеді.