Генри Квастлер (11 ноября 1908 г. – 4 июля 1963 г.) был австрийским врачом и рентгенологом, который стал пионером в области теории информации , применяемой в биологии после эмиграции в Америку. [1] Его работа с Сиднеем Данкоффом привела к публикации того, что сейчас обычно называют законом Данкоффа.
Квастлер провел свою раннюю карьеру в Вене в качестве врача. Он получил медицинское образование в Вене в 1932 году, сосредоточившись на гистологии и радиологии. Он встретил свою жену, Гертруду Квастлер , шляпницу, когда она пришла к нему на лечение от туберкулеза. Они поженились в 1933 году. Пара переехала в Албанию, когда король Зог попросил Квастлера обучить рентгенологов. Там он также работал над малярией. Экспертиза Квастлера в области малярии принесла ему место в Международном совете здравоохранения. С приближением Второй мировой войны в 1939 году пара покинула Албанию и отправилась в Америку. В течение года Квастлер работал рентгенологом в больнице Нью-Рошель в Нью-Йорке. В 1942 году Квастлеры переехали в Урбану, штат Иллинойс, где Генри работал главным рентгенологом в клинике больницы Карла. [2] Находясь в Иллинойсе, Гертруда Квастлер изучала искусство. Вскоре она стала известной художницей. Генри также рисовал как любитель. По словам его сестры Йоханны, пара иногда выставлялась вместе. [3]
В 1949 году Квастлер оставил свою медицинскую практику, чтобы сосредоточиться на науке. Хайнц фон Фёрстер , хорошо знавший Квастлера, сказал, что он стал еще больше интересоваться радиацией после изобретения атомной бомбы, которую он считал «ужасающей человеческой катастрофой». Фёрстер вспоминал, как Квастлер размышлял: «[Квастлер спросил] „Могу ли я теперь, как работающий человек, узнать, какой ущерб был нанесен радиацией атомных бомб?“ — это был его исследовательский вопрос. Поэтому он начал проводить эксперименты по радиационному повреждению живых организмов». [4] ... Генри Квастлер изучил основные концепции и формализмы теории информации с почти невероятной скоростью. И почему? Потому что ему срочно нужен был этот инструмент.». [4]
В 1940-х годах Квастлер встретился с Данкоффом и сотрудничал с ним, чтобы разработать теорию информации в биологии. Они интересовались проблемой определения информационного содержания гена. После смерти Данкоффа Квастлер организовал симпозиум «Теория информации в биологии», основанный им в 1952 году. Вскоре Квастлер заинтересовался тем, как можно использовать теорию информации для понимания происхождения жизни. В 1953 году он отредактировал « Теорию информации в биологии» . [5] В 1956 году он отредактировал еще один сборник эссе « Теория информации в психологии: проблемы и методы ». В том же году он помог организовать симпозиум по теории информации в биологии в Гатлинбурге, штат Теннесси, который два года спустя привел к появлению одноименной книги. [6]
Несмотря на все его усилия, туберкулез его жены медленно ухудшался. Ухудшение здоровья жены заставило Квастлера устроиться на работу в Брукхейвенскую национальную лабораторию в Нью-Йорке, где он продолжил работать как над радиационной, так и над информационной биологией. [7] [2] Когда его жена умерла в 1963 году, Квастлер был опустошен. Он принял большую дозу таблеток, лег рядом с ней и держал ее за руку, пока не умер. Ричард Дибенкорн позже сказал: «Ни моя жена, ни я не можем вспомнить пару, с которой мы сталкивались, более неразделимую». [7] Хайнц фон Ферстер сказал о Квастлере, что он был «исключительно добросовестным, этически и морально сознательным человеком». [4]
По словам Ферстера, Квастлер и Данкофф попытались ответить на следующую проблему:
Сколько битов должно туда войти? И каково информационное содержание того, что производит эти биты? Каково — на языке теории информации — соотношение между количеством разнообразия или сложности, которое эта система может создать и породить, и количеством разнообразия или сложности, с которым она сама была построена? [4]
По словам Лили Э. Кей, Квастлер и Данкофф создали «первое техническое применение теории Вайнера-Шеннона в генетике». [2] Квастлер и Данкофф предположили, что ошибки репликации, неизбежные при биологическом воспроизводстве, должны контролироваться статистическим процессом, который функционирует как «контрольное устройство» внутри гена. Квастлер сравнил это с системой «сдержек и противовесов» в американской конституции. [2] В результате этой работы возникло положение, известное как «закон Данкоффа». Нематематическое утверждение этого закона заключается в том, что «наибольший рост происходит, когда совершается наибольшее количество ошибок, соответствующих выживанию». [8]
В 1964 году книга Квастлера « Возникновение биологической организации» была опубликована посмертно. В 2002 году Гарольд Дж. Моровиц описал ее как «удивительно пророческую книгу», которая «удивительно современна по своим взглядам». В ней Квастлер впервые выдвигает теорию возникновения, разрабатывая модель «серии становлений от пробионтов до прокариот». [5]
Работа основана на лекциях, прочитанных Квастлером во время весеннего семестра 1963 года, когда он был приглашенным профессором теоретической биологии в Йельском университете. В этих лекциях Квастлер утверждал, что образование одноцепочечных полинуклеотидов вполне соответствовало вероятности того, что могло произойти в добиологический период Земли. Однако он отметил, что полимеризация одноцепочечного полимера из мононуклеотидов происходит медленно, а его гидролиз — быстро; поэтому в закрытой системе, состоящей только из мононуклеотидов и их одноцепочечных полимеров, будет полимеризована лишь небольшая часть имеющихся молекул. Однако одноцепочечный полимер может образовать двухцепочечный полимер путем комплементарной полимеризации, используя одноцепочечный полинуклеотид в качестве шаблона. Такой процесс является относительно быстрым, а полученный двухцепочечный полинуклеотид гораздо более стабилен, чем одинарный одноцепочечный, поскольку каждый мономер связан не только вдоль сахарофосфатного остова, но и посредством межцепочечных связей между основаниями.
Способность к саморепликации, фундаментальная черта жизни, появилась, когда двухцепочечные полинуклеотиды распались на одноцепочечные, и каждая из них послужила шаблоном для синтеза комплементарной цепи, производя две двухцепочечные копии. Такая система изменчива, поскольку могут происходить случайные изменения отдельных оснований и распространяться. Отдельные репликаторы с различными нуклеотидными последовательностями также могут конкурировать друг с другом за предшественников нуклеотидов. Мутации, которые влияют на состояние сворачивания полинуклеотидов, могут влиять на соотношение ассоциации цепей к диссоциации и, таким образом, на способность к репликации. Состояние сворачивания также будет влиять на стабильность молекулы. Эти идеи затем были развиты для размышлений о возникновении генетической информации, синтезе белка и других общих чертах жизни.
Лили Э. Кей говорит, что работы Квастлера «являются ярким примером хорошо обоснованного эпистемического поиска и любопытного дисциплинарного провала». Стремление Квастлера создать биологию, основанную на информации, было новаторским, но его работа была «страдающей от проблем: устаревшие данные, необоснованные предположения, некоторая сомнительная нумерология и, что самое важное, неспособность создать экспериментальную повестку дня». Однако «дискурсивная структура» Квастлера выжила. [2]
Сорок пять лет спустя после предложения Квастлера 1964 года Линкольн и Джойс [9] описали кросс-каталитическую систему, которая включает два фермента РНК (рибозимы), которые катализируют синтез друг друга из четырех компонентов-субстратов. Этот синтез происходил в отсутствие белка и мог бы стать основой для искусственной генетической системы.