Genetika naša každodenná

1.1.05

O krížení a mutácii, DNA, ale aj účelovej funkcii, teda zmysle života

"Jablko nepadá ďaleko od stromu."
"Aká matka, taká Katka."

Tento článok si nenárokuje o presnosť z pohľadu biológie, genetiku a jej javy využívam ako obraz, v zjednodušení na modelový príklad, symbolickú paralelu, ktorú je možno rozvinúť v iných rovinách.

A znova fígle z vysokej školy... Spomínam si na hodiny optimalizácie. Profesor nám prikázal ("priateľsky odporučil") na vlastné náklady prekopírovať si dvesto rukou písaných "skrípt" so strašidelnými zlomkami a maticami, na ktoré sa asi od strany 100 dalo pozerať výlučne len z estetického hľadiska. Asi tak ako na rokokové ornamenty na stene. Keď som začul "matica M s vlnkou strieškou a dvoma hviezdičkami", trochu ma to vždy vytrhlo zo zaujatia kurzom perzštiny pre samoukov, ktorým som sa vtedy svedomito zaoberal pod lavicou... Mierne som i znervóznel - "toto budem musieť vedieť na skúšku"? Každému nám naviac odporúčal zadovážiť si výkonnú kalkulačku, v cene tretiny priemernej výplaty, bez ktorej sa zápočtovky a skúšky robili ťažko. A že vzdelanie je zadarmo! Cieľom predmetu bolo hľadanie extrémov a optimálnych hodnôt funkcií - exaktnými metódami.

Naproti tomu, o čosi neskôr sme si zapisovali predmet "Genetické algoritmy", ktorých cieľom bolo to isté, aj keď použitá metodika bola... z opačného konca vesmíru. Tam som už s perzštinou veľmi nepokročil - prednášky ma celkom bavili. Doteraz je to pre mňa akýmsi obrazným porovnaním medzi exaktne vedeckým prístupom a "prirodzeným hľadaním" - čohokoľvek v živote.

Tiež som si myslel, že genetika sa učí len na medicíne. Ale napodobovať jedinečné riešenia prírody sa i v technológiách stáva módou. Nazvime gén vlastnosťou človeka (či už fyzickou, alebo inou, nie tak zjavnou). Genofond potom bude istý súbor - kombinácia týchto vlastností, ktorými ten-ktorý človek disponuje. Prvým známym poznatkom je, že zdedíme časť vlastnosti po rodičoch a ďalších svojich predkoch. Dajme tomu - fialové oči po otcovi, bradu ako Kriváň po mame, vlasy sťa konope - úplne ako mala jedna babička a tvrdohlavosť po tej druhej. Voláme to krížením, teda miešaním pôvodných vlastností tak, aby vznikli nové kombinácie. Je logický zjavné, že nech sa mamka s tatkom snažili akokoľvek svedomito vyberať si partnera s dobrým genofondom (pekný, dobrý, šikovný a snáď aj bez strašných excesov v rodine), úplne nové vlastnosti tak nezískame - sme obmedzení na súbor čŕt predkov. To nie je zčasti na škodu - veď všetky tie generácie pred nami sa nejakým spôsobom prispôsobili životu na svojom kúsku sveta - podediť po nich tieto stáročné informácie (pre bunky tela) je celkom výhra.

Napriek tomu je každý z nás úplne jedinečný a máme čosi naviac, čo sa vymyká z bohatstva celej rodiny. Túto tajomnú druhú polovicu - "hru náhody" v prírode - zastupuje operácia (zasa sme v jednej z bizarných matematík) zvaná mutácia. Znamená malé zmeny parametrov, našich telesných vlastností - o menšiu či väčšiu hodnotu. Dajme tomu, že zdedíme modré oči, ale sú o malý stupeň nevädzovejšie, alebo zelenšie, alebo sivšie, než mal náš "darca", ten po kom ich máme. Svetlejšia, tmavšia, odchlpenejšia pokožka. Kratšie prsty, inakšia tvár, pevnejšie nehty. Tieto náhodné zmeny nemusia byť až také náhodné - veď o mutácii hovoríme aj v prípade už spomenutých nindža korytnačiek, Spidermana (po slovensky pavúkodlaka) a iných chemikáliami a žiarením postihnutých (ne)tvorov. Chemikálie sú v skutočnosti všetky prvky a zlúčeniny vesmíru - a žiarení je takisto celé spektrum. Inými slovami, mutácia je ovplyvnenie organizmu prostredím. Nielen to, že nám narastú krivé nohy, ale i to, že sa prostrediu prispôsobujeme. Naše chemické a žiarivé okolie na nás vplýva a my sa meníme tak, aby sme sa v ňom cítili svojim spôsobom dobre.

Na okraj spomeňme zlaté pravidlo našich materí - nikdy sa neženíme v rodine, "lebo z toho budeme mať degenerované deti"... Z toho snáď môžeme odvodiť konštatovanie, že celý tento podivuhodný systém krížení a mutácií - je dobrý taký aký je.

Vrátim sa späť ku technike. Rôzne gény (vlastnosti) môžme pre zjednodušenie poňať ako číselné hodnoty (parametre) - a každému jednému priradiť rôzne intervaly - teda množiny v ktorých sa môže meniť. Jeden genofond môže vyzerať napríklad takto [1. vlastnosť,2. vlastnosť]=[-11,3.22]. To si môžeme predstaviť ako súradnice, nad ktorými sa rozprestiera ľubovoľná divotvará funkcia - napríklad ako pohorie. A teraz nás zaujíma, v ktorých súradniciach má funkcia maximum alebo minimum? Profesor optimalizácie by našiel určite voľajaký zákerný algoritmus - a profesor genetických algoritmov by zasa začal skúšať rôzne náhodné kombinácie a skúmať, ktorá dáva aký výsledok. Ak hľadáme maximum, vybral by zopár kombinácií, pre ktoré dáva funkcia najväčšie číslo a tie by sa snažil kombinovať (krížiť) a upravovať (mutovať) - kým by neprichádzal k lepším a lepším výsledkom. Výhody a nevýhody sú takmer zjavné. Exaktné optimalizačné algoritmy môžu nájsť presný výsledok, ale aj uviaznúť v lokálnom extréme. Keď si predstavíme kopcovitú krajinku - ukážu nám presný vrchol kopca - ale toho najbližšieho miestu, odkiaľ začneme hľadať. Možno to bude vrchol najnižšieho kopca v pohorí. Genetický algoritmus nás zasa môže priviesť k najvyššiemu kopcu, aj keď jeho vrchol netrafí na milimeter presne.

Funkcia dvoch premenných, krivoľaká ako pohorie

Mapa je jej premietnutie na plochu s pomocou farieb

2 súradnice každej polohy môžeme považovať za 2 gény

Dajme tomu, že sa pozeráme na mapu. Náhodne si vyberme desať súradníc a pohľadáme ktoré ležia v najvyššej nadmorskej výške. Vyberieme si päť najlepších a čo s nimi? Prvá metóda je navzájom ich prekombinovať ich jednotlivé parametere - "gény". Takto sa môžeme priližovať k vrcholu, ale nikdy naň nevstúpime - lebo sme obmedzení len na kombinácie predošlých hodnôt. Akoby sme si povedali, že hľadať môžme len na niektorých rovnobežkách a poludníkoch. Nuž toto bolo kríženie. Druhá metóda, mutácia, znamená že budeme mierne upravovať hodnoty našich počiatočných tipov - či sa nedostaneme ešte o kúsok vyššie. Meniť o veľa aj o málo. Je jasné, že toto by nám umožnilo presne trafiť vrchol, ale čo ak začneme na zlom mieste - a budeme sa stále iba motať po výmoľoch pooraného poľa? Avšak skombinovaním týchto dvoch postupov - krížením a mutáciou predošlých tipov - môžeme obsiahnúť obe výhody - približovať sa k tomu správnemu kopcu a zároveň sa trafiť na samotný vrchol. A toto všetko môžeme využiť aj na zložitejšie funkcie - nielen s dvoma, ale aj stovkami premenných či génov naraz. Počítač ich môže kombinovať a náhodne meniť... a my čakať na výsledok, alebo koniec vyučovacej hodiny.

Kríženie znamená kombinovať navzájom gény (premenné)
rôznych východzích hodnôt (súradníc).

Mutácia predstavuje pozmenenie vstupných premenných (génov)
o nejakú hodnotu (posúvanie súradníc v okolí).

Celé to nie je žiaden nový zázrak od filozofa s copyrightom - odpozerali sme to od prírody. Rodičia dodajú svoje gény a gény svojich predkov, tie sa premiešajú, vyberie sa ich kombinácia a táto sa ešte trošku "zmutuje" novými odchýlkami. Výsledok sme my, v plnej kráse. Vďaka kríženiu podobní svojej biologickej rodine a blížiaci sa "optimálným hodnotám človeka" a vďaka mutácii úplne jedineční, originálni - pokus prírody, v ktorom skúma zatiaľ nevyskúšané hodnoty čŕt a vlastností. Škaredé voči nám? Nuž, kto nevyskúša, nikdy sa nič nedozvie.

Genetický algoritmus predstavuje v porovnaní s algebraickou optimalizáciou väčšie množstvo jednoduchších výpočtov (veľakrát dosadiť vstupy do účelovej funkcie a získať výstupy), čo pred príchodom počítačov zvládala len príroda a jej genetika - zatiaľ čo človek sa musel uspokojiť s algebrou a lokálnymi optimami. Dnes pomaly učíme naše technológie napodobňovať prírodné procesy, genetické algoritmy sa stali hitom v optimalizácii, podobne napodobňujeme neurónové siete v ľudskom mozgu a binárnu logiku 0/1, "áno"/"nie", nahrádza logika "áno"/"skôr áno"/"čosi medzi"/"skôr nie"/"nie" - vo fuzzy systémoch. Svet je zložitý a pomaly na to prichádzajú i večne zjednodušujúci technici. Doteraz sme boli tak nadšení vedeckotechnickým pokrokom, že sme jeho zjednodušenia (systematizáciu, racionalizáciu, katagorizáciu) aplikovali i na všetko živé. Nielenže to ublížilo tým, ktorí sa nezmestili do nejakej zo škatuliek, ale trpeli tým (nepriamo) v následkoch všetci. Dnes konečne nekonečnú zložitosť okolo nás aplikujeme na techniku. A čo naša ekonómia a politika, nedajbože spoločnosť, kedy sa poučí?

Zo základných genetických postupov možno vyvodiť jednoduché polárne princípy a potreby ľudskej bytosti - podobať sa a odlišovať sa, prináležať a vydeľovať sa. Byť podobný a zároveň trochu iný, "jedným z..." a zároveň jedinečný. Žiadna z nich nie je dobrá ani zlá. Zlé môže byť extrémne priklonenie sa len k jednej strane - vytvoriť uniformnú spoločnosť, alebo absolútny individualistický chaos. "Dobrá" (alebo skôr prirodzená) je rovnováha medzi nimi. Prinajmenšom dynamická rovnováha - každý chvíľku ťahá pílku. V histórii sa ľudia prichyľujú k jednému či druhému extrému - k masovej, mravčej, militaristickej rovnakosti - alebo naopak k anarchii individualistov, kde sa každý snaží byť originálny, ale v tejto snahe sú nakoniec všetci rovnakí. Je to ako kruh, kde sa extrémy navzájom dotýkajú. Zároveň môžeme urobiť porovnanie s extrémistickými konzervatívnymi alebo progresívnymi snahami - buď zachovať všetko nemenné (čím spoločnosť ustrnie na jednom mieste), alebo sa úplne odtrhnúť od minulosti, vymazať ju z pamäti a žiť len pre neustály rast, pokrok, ctiť si iba veci nové a moderné.

Kríženie - vzájomné kombinácie génov

Mutácia - genóm sa mení náhodne i vplyvom prostredia

Kríženie a mutácia zostávajú spriahnuté ako dvaja milenci. Ako deň a noc, svetlo a tieň. Najmä tienistá polovica zostáva opomínaná a zatracovaná - snáď i preto, že slovo "mutovať" má v našom slovníku miesto kdesi vedľa nadávok a radioaktívnych pavúkov. Naviac, moderná spoločnosť má rada vypočítateľné a teda bezpečné veličiny - náhodné zmeny nás desia, tak ako tma, v ktorej nevieme, čo ukrýva. Dobré, alebo zlé? Čokoľvek. Potenciál. Ako som už naznačil, mutácia v prírode nie je náhodná. Zmena génov nám umožňuje prispôsobiť sa meniacim sa životným podmienkám - teplu, svetlu, rôznym žiareniam, čistote, strave. Na svoje prostredie reaguje telo práve pozvoľnými zmenami parametrov, ktorými si hľadáme to svoje optimum, aby sa nám žilo na svojom mieste pohodlne, aby sme prežívali, zvládali rôzne choroby. Tak ako sme sa napríklad prispôsobili slnečnej intenzite vo svojom klimatickom pásme farbou pokožky. Príroda skúša rôzne kombinácie i excesy - možno ako púhe zvedavé experimenty - čo z toho vzíde, ako to prijmeme medzi sebou, ako to prijme Zem. Ostáva posledná zákerná otázka - čo je tá tajomná účelová funkcia?

Hľadanie účelovej funkcie, alebo toho, čím by sme boli schopní posúdiť kvalitu genofondu človeka - je podobné ako hľadanie zmyslu života. Je to vitalita, šťastie, miera naplnenia, alebo len prosté adaptovanie sa na podmienky, schopnosť prežiť? Veď podobne mutujú baktérie a víry i všetky ďalšie organizmy - všetci sa snažíme prispôsobiť a prežiť. Ak sa takto pozrieme v rámci celosvetového ekosystému na človeka, môže sa nám javiť ako snáď až príliš úspešný a premnožený prvok. Preto i "ten najsilnejší a najpočetnejší" je sotva to pravé kritérium posudzovania pre ľudstvo - oplývajúce vedomím, bohatým citovým svetom, kultúrou a umením...

Presahy

Skôr než sa naháňať za zmyslom života, môže byť súdnejšie zachovať si obdivný rešpekt pred dielom Boha/bohov/Prírody/Vesmíru/Náhody. Prakticky užitočné zasa nájsť prirovnania tohto zvláštneho mechanizmu vo svojom bežnom živote. V podobe symbolu - predobrazu. Tak ako to urobila technika. Ja osobne bezprostredný presah vyššie uvedených poznatkov vnímam v prítomnosti rôznych sexuálnych orientácii. Aj keď sa nikdy nedokázalo, že by jestvoval nejaký "teplý gén", alebo ich kombinácia - chvalabohu - vždy možno aplikovať praktické ponaučenia genetiky. Uprednostňovanie rovnakých jedincov vo výbere spoločnosti nezabepečuje smerovanie k optimu - o to sa starajú práve mutácie a tiež excesy. Genetika tak prehovára na tému uniformity - pokiaľ budeme ľudí "triediť" na základe modelu jedneho správneho spôsobu bytia (napr. heterosexualita) a spájať sa výlučne na základe podobnosti - naša spoločnosť uviazne možno v optime, ale len v optime "lokálnom" (na vrchole malého kopca). Príkladom sú rôzne pokusy o vytvorenie mravčej spoločnosti živých strojov - či už vojakov (nacistických, alebo stalinských), alebo matiek-rodičiek, či uniformne odetých robotníkov. Dosiahli možno prvoplánový "súlad", funkčnosť, no ustrnuli na jednom mieste a čoskoro zanikli.

Práve výnimky, prítomnosť neobvyklého, vymykajúceho sa, to čo nazývame "poruchy", dráždivé elementy - stimulujú spoločnosť, dávajú jej nové impulzy. Občas ich zavrhneme ako "nežiadúce", niekedy nám však ako "nápad" či "experiment" umožnia posunúť sa ďalej, objaviť nové možnosti. Ako teplý takto vnímam seba vo vzťahu k spoločnosti - som ten, ktorý jej ponúka svoju odlišnosť, inú skúsenosť, svoj možno bolestivý zápas s netoleranciou, svojské videnie sveta - ako dar. Nechcem aby sma rešpektovali na základe toho, že "som v podstate rovnaký ako vy" a nehryziem. Hryziem, omíňam, som nepohodlný kamienok v topánke, nútim Vás rozmýšľať, presahovať vaše pohodlné poučky o rodoch a rodinných hodnotách, zvažovať vaše dogmy i zavrhovať vaše "všeobsiahlé" pravdy. Ďalším zaujímavým faktom je, že homosexualita, ako "nepotrebná črta", za tisícky rokov nevymizla zo sveta - nevhodný gén by už dávno zanikol.

Miera represií voči sexuálne a rodovo neštandardným ľuďom je ukazovateľom. Väčší odpor k inakosti prezrádza spoločnosti choré aj v ďalších ohľadoch (judaistický starovek, stredoveký kresťanský svet, moslimské teokracie dnes). Odsudzovať na základe toho, že je sexuálna "vychýlenosť" v menšine, ba dokonca výnimkou - je len slabým argumentom - tak ako zriedkavosť ryšavého, alebo zelenookého génu. Aj tie sú na prvý pohľad bezúčelné, zbytočné. A predsa sú. Sú krásne. Robia svet pestrejším. Hľadať za všetkým účelnosť je len ľudským obmedzením chápania komplexnosti sveta - ktorý nie je iba nevyhnutne racionálny.

Hoci, ako napovie ďalší článok, aj keď je pre nás "optimum" či "účelová funkcia života" neznáma - nijako nám to neprekáža v žití. Aspoň sa tak sebaisto nepúšťame na krehký ľad génového inžinierstva, šľachtenia a klonovania "ideálneho ľudského jedinca".