Michael Levins Seneste Forskning: Celler som agenter og Lokale Beregninger i Det Formskabende Rum
Baggrund og Forskningsfokus
Michael Levin er Vannevar Bush Professor i Biologi ved Tufts University, hvor han leder Allen Discovery Center, samtidig med at han har en associeret stilling ved Harvard Universitys Wyss Institute. Hans laboratorium integrerer tilgange fra udviklingsbiologi, datalogi og kognitionsvidenskab for at undersøge fremkomsten af form og funktion i levende systemer. Levins forskning fokuserer på at forstå de biofysiske mekanismer, der implementerer beslutningstagning under kompleks mønsterregulering, og udnytte endogen bioelektrisk dynamik til rationel kontrol af vækst og form. Ved hjælp af biofysiske og beregningsmæssige modelleringsmetoder søger hans team at forstå den kollektive intelligens af celler, når de navigerer i fysiologiske, transkriptionelle, morfogenetiske og adfærdsmæssige rum.
Udfordring af Traditionelle Syn på Biologisk Udvikling
Levins arbejde udfordrer fundamentalt det traditionelle syn, at organismer udvikler sig i henhold til en mekanistisk udfoldelse af den tegning, der er kodet i deres DNA. Selvom DNA indeholder vigtig information, antyder Levin, at organismer synes at udvikle sig med et mål i tankerne og kan nå det mål på trods af skiftende og iboende uforudsigelige omstændigheder. Denne evne til at tilpasse sig uforudsigelige omstændigheder tyder på, at udviklingsmæssige veje ikke fuldstændigt kan være blevet programmeret ind i organismen på forhånd, men skal opfindes undervejs.
Bevis for Agentisk Celleadfærd
Levin peger på adskillige eksempler, der demonstrerer målrettet adfærd i biologiske systemer. For eksempel, hvis en salamanders lem bliver skåret af, regenererer den en identisk ny lem, uanset hvor snittet blev foretaget. Haletudsers hoveder kan blive "scrambled", men de omarrangerer sig og udvikler sig til normale frøer. Udviklende embryoer kan tilpasse sig betydelige ændringer i antallet af celler, og under visse omstændigheder, når kun én celle er tilgængelig til at danne en embryonisk struktur, vil cellen vikle sig rundt om sig selv for at danne den ønskede struktur. Endnu mere bemærkelsesværdigt kan planariske fladorme manipuleres til at dyrke hovederne på andre arter af fladorme uden nogen genetiske ændringer.
Konceptet om Celleagentur og Kompetence
Levin beskriver biologiske strukturer som havende en "multiskala kompetencearkitektur", hvor celler, væv og organer udviser regulativ plasticitet – evnen til at tilpasse sig forstyrrelser såsom ekstern skade eller interne modifikationer og stadig udføre specifikke adaptive opgaver på tværs af metaboliske, transkriptionelle, fysiologiske og anatomiske problemrum. Han argumenterer for, at celler ikke er passive komponenter, men besidder adskillige kapaciteter for adfærd, fordi de stammer fra forfædres encellede organismer med rige repertoire. Dette agentur skal "tæmmes" og kan udnyttes af den evolutionære proces i flercellede organismer.
Bioelektrisk Signalering som "Kognitivt Lim"
En af de vigtigste mekanismer, hvormed celler koordinerer deres aktiviteter, er gennem bioelektrisk signalering. Celler skaber og deler bioelektriske signaler gennem gateways i cellemembranen kaldet ionkanaler, som tillader visse ladede molekyler at passere gennem membranen, hvilket skaber forskellige ladninger inde og uden for cellen. Levin beskriver bioelektricitet som "den kognitive lim, der holder vores celler sammen". I hjernen styrer bioelektricitet, hvordan vi behandler information og bevæger os gennem rummet, mens det i andre dele af vores kroppe, hvor signalerne er mindre og langsommere, holder en slags kollektiv hukommelse, der fortæller celler, hvordan de skal skabe de fysiske strukturer, vores krop kræver, og hvordan man reagerer, når disse strukturer er beskadigede.
Kollektiv Intelligens af Celler
Ifølge Levin kan individuelle celler løse simple problemer og har simple mål – overlevelse og reproduktion. Men når celler begynder at arbejde sammen, skaber de en kollektiv intelligens, der er i stand til at huske og opnå større mål, såsom at danne de systemer og organer, der udgør en krop. Bioelektricitet giver celler mulighed for at forbinde sig til et netværk, der kan beregne og lagre minder om meget større mål. Som Levin udtrykker det, "Dine individuelle celler har ingen idé om, hvad en finger er, eller hvor mange fingre du skal have, men et kollektiv af celler har absolut".
Morfisk Rum og Udviklingsmæssig Målsøgning
Levin introducerer konceptet udviklingsmæssigt morfrum for at forklare, hvordan specifikke anatomiske mål morfologier kommer fra. Han sætter spørgsmålstegn ved, om evolution virkelig søger i det vanskelige rum af genetiske mikrotilstande for biologiske systemer. I stedet antyder han, at "evolution søger efter simple maskiner, der trækker gratis gaver ned fra fysikkens, beregningens og geometriens love". Dette stemmer overens med hans synspunkt om, at biologiske strukturer følger matematiske mønstre og regler, der i sagens natur er ikke-fysiske.
Platonisk Synspunkt og Ikke-Fysiske Indflydelser
I sit seneste arbejde foreslår Levin et "radikalt platonisk synspunkt, hvor noget af det kausale input til sind og liv stammer fra uden for den fysiske verden". Han argumenterer for, at respekterede fysikere og dataloger har været platonikere, og at mange nutidige biologer også er kommet ud som platonikere. Ifølge Levin er de bemærkelsesværdige komplekse strukturer i biologien ikke blot det uundgåelige resultat af naturlig selektion eller fysikkens love. I stedet er de baseret på logiske og matematiske realiteter, der kun kan beskrives som ikke-fysiske.
Fysiske Systemer som Grænseflader til Platoniske Mønstre
Levin antyder, at fysiske systemer – maskiner, computere, embryoer, biobotter osv. – er markører for mønstre i et platonisk rum. De fungerer som grænseflader, hvorigennem disse mønstre trænger ind i den fysiske verden. Således er det langsigtede forskningsprogram at forstå og udnytte kortlægningen mellem de markører, vi laver, og de mønstre af form og adfærd, der vises. Dette perspektiv hjælper med at forklare, hvorfor biologiske systemer kan opnå specifikke mønstre på trods af nye forhold, interventioner, ændringer i miljøet og ændringer i deres egne dele.
Eksperimentelle Resultater: Bioelektriske Terapier
Levins laboratorium har gjort adskillige lovende opdagelser, der afslører det terapeutiske potentiale ved bioelektricitet. I et eksperiment var forskere i stand til at bruge en beregningsmodel til at forudsige de normale spændingsmønstre for et udviklende frøembryo og bestemme, hvordan disse mønstre blev forstyrret af eksponering for nikotin, hvilket forårsager unormal hjerneudvikling. Ved at finde en behandling, der ville genoprette normale spændingsmønstre, var frøembryoer i stand til at reparere og komme sig efter nikotininducerede defekter.
Kræftbehandling Gennem Bioelektrisk Normalisering
Levins team har også udforsket en bioelektrisk tilgang til kræftbehandlinger. De ser kræftceller som dem, der er blevet afbrudt fra det cellulære kommunikationsnetværk og handler som individer. Ved at blokere nogle ionkanaler og genoprette normale bioelektriske mønstre kan de genforbinde kræftceller til det større netværk og tøjle de skurkagtige celler. På trods af kræftfremkaldende mutationer opfører cellerne sig normalt, fordi de deler minder med andre celler gennem elektriske synapser, og deres mål bliver organniveau-mål snarere end blot at lave kopier af sig selv.
Gennembrud inden for Regenerativ Medicin
I samarbejde med David Kaplan skabte Levin en enhed fyldt med en cocktail af lægemidler, der var beregnet til at justere adfærden af cellulære ionkanaler og tilskynde til vækst. Denne enhed tillod en voksen frø – som normalt ikke kan regenerere lemmer – at genvinde et funktionelt ben. Imponerende nok skulle enheden kun påføres i 24 timer for at kickstarte regenereringsprocessen. De to forskere har oprettet et firma kaldet Morphoceuticals for at udvikle dette arbejde til kliniske applikationer, startende med at studere dets anvendelse i pattedyr.
Levende Robotter: Xenobots og Anthrobots
En af de mest slående demonstrationer af celleagentur er Levins arbejde med biobotter, mikroskopiske "robotter" lavet af levende celler, der er blevet skåret løs fra en organismes bioelektriske signaler for at blive uafhængige aktører. Disse inkluderer Xenobots, millimeterbrede klumper lavet af frøceller, der kan reparere sig selv, når de er beskadigede, og arbejde sammen om at feje pletter af snavs i en bunke. For nylig annoncerede laboratoriet oprettelsen af Anthrobots – ligeledes aktive klynger dyrket fra voksne menneskelige trakealceller.
Helbredende Egenskaber ved Anthrobots
Da forskerne tilføjede en klynge Anthrobots til et beskadiget ark af nerveceller, parkerede Anthroboterne sig over det beskadigede område, og nerverne under dem begyndte at hele. Disse botter kan bevæge sig hen over et beskadiget sted, sidde der og hjælpe nerverne med at strikke over, hvilket i det væsentlige reparerer skaden i løbet af tre dage. Fordi Anthroboter ville blive skabt af en patients egne celler, ville de være i stand til at bevæge sig gennem kroppen uden at blive angrebet af immunsystemet. Levin forestiller sig, at de til sidst kunne aflevere regenerative molekyler, jagte kræftceller, rense plak fra arterier og mere.
Den "Kognitive Lys Kegle" og Skala af Mål
Levin introducerer konceptet om en "kognitiv lys kegle" til at kategorisere og sammenligne kognitive systemer baseret på størrelsen og formen af de mål, de kan understøtte. Den rumlige udstrækning af denne form bestemmes af, hvor langt væk agenten kan sanse og udøve handlinger, mens den tidsmæssige dimension er fastsat af, hvor langt tilbage den kan huske, og hvor langt frem den kan forudse. Enkeltcellers homeostatiske mål er omtrent på størrelse med en celle og har begrænset hukommelse og forudsigelseskapacitet, mens væv, organer, hjerner, dyr og sværme danner forskellige slags sind, der kan række ud efter større mål.
Evolution som en Søgning efter Kompetente Problemløsere
Levin argumenterer for, at evolution ikke blot søger i det enorme rum af alle mulige lokale regler, men i stedet søger rummet af adfærdsformende signaler, hvormed celler hacker hinandens funktionalitet. Den kollektive intelligens af cellulære sværme har store implikationer for evolutionens hastighed og forløb. Ved at bruge en variations autoencoder-lignende arkitektur af komprimering til et generativt genom frigøres evolution fra overtræning på tidligere forhold og skubbes til at udvikle generelle problemløsningsmaskiner, som uundgåeligt viser robusthed, plasticitet og adaptiv succes under fuldstændig nye omstændigheder.
Opskalering fra Cellekompetence til Kollektiv Intelligens
Basale cellekompetencer forsvandt ikke under overgangen til flercellethed; i stedet blev de skaleret op som en kollektiv intelligens til at operere i større og mere komplekse problemrum. Mekanismer, hvormed enkeltcellekompetencer potenserer problemløsningskapaciteter, inkluderer gap junctions sammenlægning af intracellulære miljøer og andre former for vævsniveau signalering, der fremmer deling af kemiske engrammer, forstørrer hukommelse og forudsigende kapacitet og gør det muligt for celler at forfølge større måltilstande i morfrum.
Kommunikation og Kontrol Blandt Celler
Nøglefunktionen ved at opskalere individualitet er, at højere kontrolniveauer får deres komponenter til at gøre ting, de ikke gør, når de opererer som individuelle enheder. Når celler forbinder deres interne signalnetværk, opskaleres de fysiologiske setpunkter, der tjener som primitive mål i cellulære homeostatiske sløjfer, og de måleprocesser, der detekterer afvigelser fra det korrekte område, begge. I store cellekollektiver opskaleres disse massivt både i rum (til en væv- eller organskala) og tid (større hukommelse og forudsigelsesevner).
Samarbejde og Dannelse af Superagenter
Levin adresserer problemet med samarbejde i biologiske systemer ved hjælp af Prisoner's Dilemma-rammen. Han beskriver, hvordan evolution opdagede et specielt protein – Connexin – der tillader to naboceller at forbinde deres interne miljøer direkte, hvilket sikrer, at næringsstoffer, informationssignaler og andre molekyler hurtigt og ligeligt deles. Denne sammensmeltning implementerer en slags øjeblikkelig "karma": uanset hvad der sker på den ene side af den sammensatte agent, godt eller dårligt, påvirker hurtigt den anden side. Under disse forhold sikres perfekt samarbejde ved umuligheden af at snyde og slette grænser mellem agenterne.
Implikationer for Medicin og Fremtidige Teknologier
Indsigterne fra Levins arbejde har adskillige medicinske implikationer. For eksempel initierer forebyggelse af fysiologisk kommunikation i kroppen – ved at lukke ned for gap junctions eller indsætte stykker af plastik mellem væv – kræft, en lokaliseret tilbagevenden til en gammel, encellet tilstand. Kunstigt at tvinge celler tilbage i bioelektrisk forbindelse med deres naboer kan normalisere sådanne kræftceller og skubbe dem tilbage i det kollektive mål om vævsvedligeholdelse og vedligeholdelse.
Ud over den Fysiske Verden: Indtrængende Sind
I sin seneste preprint-artikel tager Levin sine ideer endnu videre og antyder, at der ikke er nogen a priori grund til, at Platonisk rum kun ville indeholde statiske abstrakte objekter. Nogle platoniske realiteter synes at være i konstant bevægelse, og hvis platonisk rum kan omfatte objekter, der bevæger sig og skifter, spørger Levin, "hvorfor kunne platonisk rum ikke indeholde mønstre, der er intelligente og aktive i en vis grad?". Dette rejser den spændende mulighed for, at "nogle af de platoniske mønstre, der betyder noget for biologien, selv er intelligente i en vis grad".
Fremtidige Retninger: Forståelse af Grænsefladen
Levin erkender, at der stadig er mange ubesvarede spørgsmål om, hvordan og hvorfor levende systemer følger abstrakte principper. Han spørger, om der måske er en "kraft" ud over "hvis du bygger det, vil de komme"-modellen af fysiske objekter, der trækker mønstre fra rummet. Er indholdet af det platoniske rum under "positivt tryk", der på en eller anden måde tilskynder til deres udseende i verden som påtrængende tanker, arketyper, kunstværker?. Selvom han ikke hævder at have alle svarene, mener Levin, at forskere er nødt til at blive seriøse med at finde ud af det.
Konklusion: Et Nyt Paradigme for Forståelse af Livet
Michael Levins forskning tilbyder et radikalt nyt paradigme for at forstå biologiske systemer, et, der behandler celler som agenter med deres egne kompetencer og ser organismer som kollektive intelligenser styret af ikke-fysiske mønstre og principper. Ved at lære at dechifrere og manipulere bioelektriske signaler håber Levin at finde nye måder at hjælpe vores kroppe med at helbrede sig selv. Hans arbejde har allerede ført til lovende fremskridt inden for regenerativ medicin, kræftbehandling og skabelse af nye levende robotter med terapeutisk potentiale. Efterhånden som han fortsætter med at udforske grænsefladen mellem de fysiske og ikke-fysiske aspekter af livet, kan Levins forskning fundamentalt transformere vores forståelse af biologien og åbne op for nye muligheder for medicinsk intervention og bioteknologi.
Add comment
Comments