Jestem biologiem teoretycznym. W swoich badaniach zajmuj si modelowaniem matematycznym procesw selekcji naturalnej. Kim jest biolog teoretyczny? Z reguy jest to z wyksztacenia matematyk (jak ja) lub fizyk, z marnym pojciem na temat biologii, zajmujcy si natomiast w swoich badaniach problematyk z tej dziedziny. Sytuacj t najlepiej zilustruje poniszy dowcip branowy.
Biolog teoretyczny spotka bac ze stadem owiec i zaproponowa mu zakad. Jeli zgadnie, ile owiec urodzio si w tym roku, bdzie mg sobie jedn wybra. Baca przyj zakad. Biolog teoretyczny w pamici rozwiza problem i poda odpowied. Zdziwiony baca potwierdzi, po czym, zgodnie z umow, pozwoli mu wybra jedn owc. Biolog teoretyczny wybra t, ktra najbardziej przypada mu do gustu.
Na to baca:
– Wy to chyba jestecie biolog teoretyczny?
– A po czym to, baco, poznajecie?
– Bocie wzili mojego psa.
Biolog teoretyczny musi zatem mierzy si z takimi problemami, jak: dynamika wymierania gatunkw, ewolucyjne przyczyny starzenia si organizmw, zoono i stabilno ukadw ekologicznych czy ewolucja zachowa kooperacyjnych (wicej informacji na temat nowych teorii majcych zastosowanie w opisie zjawisk ewolucyjnych mona znale w ksice P. Conveveya i R. Highfielda Granice zoonoci, Prszyski i S−ka). Jeli chodzi o badania empiryczne, to prawdopodobnie powany problem sprawioby mu odrnienie bobra od wiewirki. C, biologia teoretyczna (ostatnio lansowana jest konkurencyjna nazwa biomatematyka) jest dziedzin egzotyczn i poniekd niszow. Orodki zajmujce si zagadnieniami z tego zakresu s rozsiane po caym wiecie i niezbyt liczne. W porwnaniu np. do metod matematycznych fizyki, w formalnym opisie procesu ewolucji jest jeszcze wiele biaych plam. Wci nie mamy eleganckiej teorii doboru naturalnego, ktrej wewntrzn spjno mona by porwna do mechaniki klasycznej. Nie znaczy to, e teoria ewolucji jest bdna, jak ostatnio mona usysze, po prostu cigle uczymy si tworzy narzdzia matematyczne pozwalajce opisa ten skomplikowany proces. Mamy za sob sporo sukcesw, lecz wiele ciekawych odkry jest jeszcze przed nami. Mimo to biologia teoretyczna nie jest dziedzin mod.
Pocztki zastosowa matematyki w biologii sigaj koca XIX stulecia. Wiek XX przynis narodziny syntetycznej teorii ewolucji (zwanej te neodarwinizmem). Jej twrcami byli J.B.S. Haldane, R.A. Fisher i S. Wright. To wanie wtedy narzdzia matematyczne zastosowano w biologii na wiksz skal. Kolejnym sukcesem w opisie matematycznym selekcji naturalnej bya teoria doboru krewniaczego stworzona przez W.D. Hamiltona i G. Price’a. Byli to najwybitniejsi teoretycy drugiej poowy XX w. Trzeci z nich, byy inynier lotniczy John Maynard Smith, zasyn wprowadzeniem teorii gier do zastosowa biologicznych. I tu zaczyna si moja opowie.
Stworzona przez Johna von Neumanna i Oskara Morgensterna teoria matematyczna, opisujca procesy decyzyjne w sytuacjach konfliktowych. Wykorzystywana w ekonomii i naukach spoecznych. Gwatowny rozwj zawdzicza pracom Johna F. Nasha (patrz: film Pikny umys). W biologii teori gier wykorzystuje si do opisu selekcji naturalnej konkurencyjnych strategii adaptacyjnych. Przez strategie rozumiemy wzorce zachowa czy cechy fizyczne osobnikw, ktre jako przekadaj si na ich sukces reprodukcyjny (liczb pozostawionego potomstwa). Dobr naturalny eliminuje osobniki z niszym sukcesem reprodukcyjnym ni konkurencja (wicej na ten temat mona znale w ksice R. Dawkinsa Samolubny gen).
Moja przygoda z biologi teoretyczn zacza si w momencie wyboru tematu pracy magisterskiej. Postanowiem zaj si wanie teori gier ewolucyjnych. Powicona bya ona przeniesieniu – stosowanych w ekonomii – metod gier z du liczb graczy na grunt biologii. Jak si okazao, te tzw. due gry mog si okaza niezwykle przydatnym narzdziem. Skonio mnie to do kontynuowania bada w tym kierunku i byo to formalne rozpoczcie kariery naukowej. Rozpoczem studia doktoranckie w Instytucie Nauk o rodowisku UJ. Ju jako doktorant zaczem pisa pierwsz publikacj zawierajc rozwinicie wynikw z pracy magisterskiej. Bya ona powicona stworzeniu oglnego schematu pozwalajcego na matematyczny opis ewolucji ekosystemu zoonego z osobnikw rnicych si pod wzgldem kilku cech (np. pci i nalecych do rnych gatunkw). W zwizku z tym musiaem zgbi tajniki tzw. asymetrycznych gier ewolucyjnych (sytuacje, w ktrych osobniki w populacji podzielone s na dwie grupy, a interakcje zachodz tylko pomidzy osobnikami z przeciwnych grup, np. rnicych si pci). Wczeniej, do napisania pracy magisterskiej, nie byo mi to a tak potrzebne, wic poddajc si wrodzonemu lenistwu ograniczyem si do znajomoci modeli podstawowych i na ich podstawie przeniosem metody duych gier na grunt biologii.
Ku mojemu zdumieniu, we wzorach, ktre byy w ksikach, brakowao jednego, moim zdaniem wanego, elementu. Modele te opisyway interakcje pomidzy osobnikami z dwch podpopulacji. W rozwizaniach ksikowych sukces reprodukcyjny osobnika danego rodzaju zalea tylko od skadu (proporcji wystpowania rnych strategii osobniczych) populacji przeciwnej, natomiast nie zalea od rnicy w rozmiarach obydwu populacji. Zatem w myl tej teorii sukces reprodukcyjny zajca zaley od jego strategii yciowej i od tego, czy wilki s szybkie, czy leniwe i nie chce im si dugo biega, natomiast nie ma na wpywu liczba wilkw przypadajcych na gow zajca. Wydao mi si to podejrzane. Uzbrojony w podstawowy or matematyka, czyli kosz na mieci, mzg, papier i dugopis, zaatakowaem problem. W kocu udao mi si wymyli metod, ktra pozwolia pokaza sprzeczno pomidzy modelami podstawowymi i asymetrycznymi, oraz stwierdzi, e te drugie s niepoprawnie skonstruowane. Polegaa ona na takiej zamianie wsprzdnych w modelu, by udowodni, e sprzeczno siedzi w parametrach pierwotnie pominitych. Bya to sztuczka matematyczna, ktrej, jak sdziem, poza t prac nie da si zastosowa, a ju na pewno nie w konkretnych problemach biologicznych. Pozwolia mi na rozwizanie kontrowersji i moga w poczuciu dobrze spenionego obowizku przej na matematyczn emerytur. Dziki niej co pierwotnie skomplikowanego stao si niezwykle proste...
Nastpnie zajem si zagadnieniem bliszym rzeczywistoci. Chodzio o stworzenie matematycznego modelu zjawiska rodowiskowej determinacji pci (ESD−environmental sex determination). Polega ono na tym, e pe nowo narodzonego potomstwa zaley od czynnika zewntrznego (np. u pazw od biecej temperatury). Pytanie brzmi: czy jest to adaptacja pozwalajca redukowa negatywne skutki wikszej miertelnoci osobnikw ktrej pci? Byo to dla mnie wyzwanie, poniewa po raz pierwszy musiaem wyj poza rozwaania czysto abstrakcyjne i stworzy model zjawiska z realnego wiata. Jak zwykle, zamiast porzdnie zgbi literatur przedmiotu i zdoby solidne teoretyczne fundamenty, zaczem si zastanawia, jak mona by to zrobi po swojemu. Oczywicie, oglnie wiedziaem co na temat problemu regulacji proporcji midzy pciami (W przyrodzie obserwuje si z reguy proporcj 1:1 samcw do samic. Pytanie brzmi, dlaczego tak jest, skoro pojedynczy samiec moe zapodni bardzo duo samic? Jedna z hipotez gosi, e samica, ktrej strategia polega na rodzeniu potomstwa w proporcji 1:1, ma wikszy sukces reprodukcyjny ni inne samice.), ale nie za wiele. Za twrc klasycznej teorii, rozwijanej przez licznych nastpcw, uwaa si Ronalda A. Fishera. Teoria opiera si na zaoeniu, e samica produkujca potomstwo tej pci, ktra jest w niedoborze w populacji, bdzie miaa wicej wnukw. W zwizku z tym, wanie liczb wnukw przyjmuje si za miar sukcesu reprodukcyjnego.
W swojej pracy nie przyjem takiego zaoenia. Zamiast szuka parametru charakteryzujcego sukces reprodukcyjny, skoncentrowaem si na dynamice zmian proporcji pomidzy poszczeglnymi typami osobnikw okrelanych przez pe i dziedziczon strategi. W swoim modelu uwzgldniem dotychczas pomijany fakt, e geny kodujce strategi osobnicz dziedziczone s te przez synw (tylko nie ulegaj ekspresji z tego wzgldu, e samce nie rodz dzieci). Wykorzystujc rozwinite we wczeniejszych pracach metody duych gier ewolucyjnych, sformuowaem model ewolucji proporcji pci w populacji, pozwalajcy na analiz tego problemu. Otrzymane wyniki byy zaskakujce. Okazao si, e wedug przewidywa nowego modelu dobr naturalny nie jest w stanie wypromowa adnej konkretnej strategii osobniczej, natomiast samoregulacja proporcji pci objawia si na poziomie caej populacji. Stao to w sprzecznoci z pogldem, e dobr faworyzuje samice rodzce potomstwo w stosunku samcw do samic 1:1. Rezultat ten sugerowa, e nie ma sensu dalej si zajmowa zjawiskiem ESD, poniewa nie jest ono adaptacj.
Gwnym celem stao si wyjanienie zaistniaych kontrowersji. Byo dla mnie zaskoczeniem, e odpowied przynioso zastosowanie techniki wykorzystanej w mojej pierwszej publikacji. Pierwotnie mylaem, e metoda ta ma znaczenie czysto matematyczne i jest nieprzydatna z aplikacyjnego punktu widzenia. Okazao si jednak, e abstrakcyjna sztuczka jest duo waniejsza ni wyniki, do osignicia ktrych zostaa stworzona. Dziki niej udao mi si pokaza, e klasyczne podejcie, przyjmujce liczb wnukw za miar dostosowania, jest nieprawidowe z matematycznego punktu widzenia, co stawia pod znakiem zapytania poprawno obowizujcej teorii determinacji pci. Jak to w nauce bywa, wynik ten rodzi kolejne pytania, a te z kolei implikuj kolejne hipotezy.
Stanlimy przed koniecznoci rewizji obecnie obowizujcych pogldw. Ciekawe, e celem byo pierwotnie stworzenie pewnego maego przyczynku do biecego, zdawaoby si ugruntowanego, stanu wiedzy. To, e w efekcie udao si te fundamenty podway, w duej mierze wyniko z pewnych zbiegw okolicznoci. Historia ta pokazuje rwnie, e prawdziwy badacz nie powinien adnej wiedzy przyjmowa za dogmat. lepe przyjcie utartych pogldw prowadzi do powtarzania cudzych bdw, a czsto si zdarza, e prawda ley tu obok. Trudno jest nie podda si obowizujcym schematom mylenia, ale, jak pokazuje mj przykad, czasami wystarczy ich nie zna. Jak wida, cnota lenistwa i ignorancja mog prowadzi do niezwykle twrczych rezultatw. Oto zrobilimy kolejny krok naprzd w rozumieniu otaczajcego nas wiata. Kto moe zapyta: i co z tego? Jaki poytek bdzie ze znajomoci mechanizmw regulacji proporcji midzy pciami? C, pewnie aden… Ale przypomnijmy sobie, e kluczowy element, bez ktrego powstanie tych wynikw nie byoby moliwe, stanowia metoda, co do ktrej sam nie miaem wtpliwoci, e si do niczego wicej nie przyda.
Badania podstawowe s dla nas skarbnic praktycznych rozwiza nurtujcych nas problemw. Nikt dzi nie wyobraa sobie wspczesnego wiata bez laserw czy nylonu, a s to wanie skutki uboczne teoretycznych bada podstawowych, nie za celowych prac wdroeniowych. Modele dynamiki zmian liczebnoci populacji mog mie wpyw na epidemiologi. Powstae narzdzia matematyczne mog znale zastosowanie w dziedzinach tak odlegych od biologii ewolucyjnej, jak np. ekonomia. I to wanie te dziedziny s bliej codziennego ycia. Miaem te szczcie, e zajem si dziedzin, w ktrej wiele jest jeszcze do odkrycia. W czasach niesamowitego rozwoju i uszczegowienia nauk przyrodniczych, biologia teoretyczna jest jednym z ostatnich obszarw wiedzy, w ktrym mona si poczu jak dziewitnastowieczny badacz, kadcy fundamenty pod rodzc si wielk teori.