Information-theoretic Limits on Programmatic Specification of Biological Systems
Diese Arbeit verwendet die Informationstheorie, um zu zeigen, dass biologische Organismen nicht über genügend interne Information verfügen, um ihre mikroskopische Organisation vollständig vorzuspezifizieren, wodurch eine Grobkörnungsschwelle etabliert wird, die notwendig macht, dass das Genom als eine grobe Spezifikation fungiert, die durch geteilte physikalische Dynamiken und Umweltzufälligkeit zusammengestellt wurde, anstatt ein deterministisches Programm zu sein.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie müssten versuchen, eine riesige, selbstreparierende Stadt zu bauen, indem Sie nur ein einziges, winziges Bedienungshandbuch verwenden. Sie denken vielleicht, wenn das Handbuch detailliert genug wäre, könnte es genau festlegen, wo jeder einzelne Ziegelstein, jedes Fenster und jede Straßenlaterne bis auf den Millimeter platziert werden soll, für jedes Gebäude in der Stadt. Dies ist der Traum hinter der Vorstellung, dass unsere DNA ein „Masterplan“ ist, der jede einzelne Bewegung unseres Körpers programmiert. Aber um zu verstehen, warum dies unmöglich sein könnte, müssen wir uns zwei große Ideen ansehen. Erstens gibt es die Information: Denken Sie an dies als die Gesamtzahl der Bits (Nullen und Einsen), die man in eine Nachricht packen kann. Eine kurze Textnachricht enthält sehr wenig Information; ein hochauflösender Film hat sehr viel. Zweitens gibt es die Komplexität: Die schiere Anzahl der Möglichkeiten, wie Dinge angeordnet werden können. Ein einfaches Spielzeug hat wenige Anordnungen; eine geschäftige Stadt mit Millionen von Menschen, die sich bewegen, hat eine fast unendliche Anzahl an möglichen Anordnungen. Wissenschaftler fragen sich schon lange: Besitzt das „Bedienungshandbuch“ innerhalb einer lebenden Zelle (das Genom) genug Information, um die exakte Position und Bewegung jedes einzelnen Moleküls in einem Organismus zu diktieren, oder ist das Handbuch nur eine grobe Skizze, die sich auf die Gesetze der Physik verlässt, um die Details auszufüllen?
Diese Frage ist wichtig, weil sie die Art und Weise verändert, wie wir das Leben selbst sehen. Wenn die DNA ein vollständiges Programm ist, dann ist das Leben wie ein Roboter, der ein vorgeschriebenes Skript ausführt. Wenn sie nur eine Skizze ist, dann ist das Leben eher wie eine Jazzband: Die Notenblätter geben die Töne und den Rhythmus vor, aber die Musiker (die physikalischen Gesetze) improvisieren die exakte Performance in Echtzeit. Ein neues Paper von Tuomo Kiiskinen, Oscar Kivinen und Manuel A. Rivas nutzt die Mathematik der Informationstheorie, um diese Debatte zu klären. Sie behandeln das Genom und die Umgebung als ein begrenztes „Informationsbudget“ und fragen, ob dieses Budget groß genug ist, um für die exakten, mikroskopischen Details eines lebenden Körpers zu bezahlen.
Die Hauptfindung der Autoren ist ein entschiedenes „Nein“. Sie beweisen, dass ein Organismus schlichtweg nicht über genügend Information verfügt, um seine eigene mikroskopische Organisation bis auf die exakte Position jedes Atoms zu spezifizieren. Sie zeigen, dass das Genom zwar brillant darin ist, die Arten der Teile und die allgemeinen Regeln des Spiels festzulegen, aber viel zu klein ist, um als detaillierte Karte für jede einzelne Bewegung zu dienen. Anstatt eines vorgeschriebenen Skripts fungiert das Genom eher wie ein Spielplan oder ein Satz von Regeln für einen „universellen Compiler“ (die Gesetze der Physik), der das Programm ausführt. Der Compiler nimmt die groben Anweisungen und ermittelt unter Verwendung der Gesetze der Chemie und Physik die exakten Details in Echtzeit.
Um dies greifbar zu machen, nutzen die Autoren eine schöne Analogie: Denken Sie daran, das Genom nicht als einen Eiskunstlauf-Choreografen zu betrachten, der jede Drehung und jede Wendung des Körpers eines Skaters diktiert, sondern als den Spielplan eines Hockey-Trainers. Der Trainer legt die Kader, die Taktiken und die Aufstellung fest. Aber der Trainer sagt dem Puck nicht exakt, wohin er fliegen soll; das macht die Physik zur Laufzeit. Das Spiel sieht aus wie Hockey, weil es die Strategie des Teams (das Genom) ist, nicht weil jede Koordinate vorprogrammiert wurde.
Das Paper schließt die Idee der „programmierten Mikrozustands-Determinismus“ explizit aus. Das ist die schicke Art zu sagen, dass die DNA unmöglich eine Liste von Anweisungen enthalten kann, die jedem Molekül zu jedem Zeitpunkt genau sagt, wo es zu sein hat. Die Autoren argumentieren, dass der Versuch, die exakten 3D-Koordinaten jedes Atoms in einem Protein oder einer Zelle aufzuschreiben, eine Informationsmenge erfordern würde, die weit über der Kapazität des gesamten Genoms des Organismus liegt. Beispielsweise berechnen sie, dass die Spezifizierung der exakten atomaren Struktur aller Proteine eines Menschen etwa 41 % der gesamten Informationskapazität des menschlichen Genoms für allein diese eine Aufgabe beanspuchen würde – und das, ohne die restliche Zelle überhaupt zu berücksichtigen! Wenn man versucht, den exakten Pfad eines sich entwickelnden Embryos zu spezifizieren, ist die benötigte Information Millionen Mal größer, als das Genom halten kann.
Die Autoren sind sich dieser Sache sehr sicher. Sie haben nicht nur geraten; sie haben einen mathematischen Beweis auf der Grundlage zweier solider Regeln erstellt: Erstens, dass das Genom eine endliche Größe hat (es kann nur so viele Bits speichern), und zweitens, dass Information nur lokal übertragen werden kann (ein Molekül kann nicht sofort wissen, was auf der anderen Seite der Zelle passiert). Sie haben auch Simulationen durchgeführt und reale Daten überprüft. Sie untersuchten die Proteinfaltung mittels AlphaFold-2 (einer berühmten KI zur Vorhersage von Proteinstrukturen) und fanden heraus, dass die strukturelle Information in Proteinen etwa 27 Mal größer ist als die Information in der DNA, die sie kodiert. Sie simulierten auch eine ganze Bakterienzelle (JCVI-syn3A) und stellten fest, dass die benötigte Information, um deren exakte räumliche Anordnung zu verfolgen, mit zunehmendem Wachstum der Zelle schnell die Kapazität des Genoms übersteigt.
Was bedeutet das also? Es bedeutet, dass das Genom eine Spezifikation eines Generators ist, kein Trajektorien-Programm. Es sagt der Zelle, was sie bauen soll und wie sie es im allgemeinen Sinne bauen soll, aber es verlässt sich auf die gemeinsamen Gesetze der Physik, um die schwere Arbeit der exakten Detailbestimmung zu erledigen. Das Genom ist der Bauplan für das Ensemble (die Gruppe möglicher Ergebnisse), nicht das Skript für die individuelle Trajektorie (den exakten Pfad). Das bedeutet nicht, dass das Leben zufällig ist; es bedeutet nur, dass das „Programm“ viel grobkörniger ist, als wir dachten, und der Rest durch die Physik des Universums selbst gehandhabt wird. Das Paper bestätigt, dass kein bekanntes natürliches Umweltsignal diese Lücke füllen kann; die Umgebung hilft zwar, ist aber keine geheime zweite Festplatte für die Zelle. Das Ergebnis ordnet die Biologie neu ein: Wir sind keine Roboter, die einen vorgeschriebenen Code ausführen, sondern das Ergebnis eines kompakten Satzes von Regeln, die mit den unendlichen Möglichkeiten der Physik interagieren.
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