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Text File  |  1996-12-01  |  16KB  |  282 lines

  1.  
  2.                           Tree Shaped Chromosomes
  3.                           =======================
  4.  
  5. This document discusses the virtues of employing tree-shaped chromosomes in
  6. artificial life programs, and ones that use genetic modelling which includes
  7. genetic recombination.
  8.  
  9. Index
  10. ~~~~~
  11. Modern Life is Rubbish
  12. Coloured Bodies
  13.  
  14. Modern Life is Rubbish
  15. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  16. In the process of presenting evidence for the theory of evolution, scientists
  17. have drawn attention to the way in which some organisms seem to be adapted to
  18. their environment in ways that seem to suggest that an historical development
  19. has been instrumental in moulding their forms.
  20.  
  21. Such signs of history have been referred to as "Scars of Evolution" by Elaine
  22. Morgan.  The word "scars" is well chosen as it implies that the signs are
  23. almost always maladaptive to some degree or other, and that a designer would
  24. avoid such features.
  25.  
  26. Many organisms display signs that one structure has been adapted from an
  27. original use to a new role, signs of "lock in" of arbitrary or non-optimal
  28. designs, vestiges of historical structures of no apparent utility, and
  29. sometimes complete lack of features which it seems they would find
  30. advantageous, but are not suggested by small variations in the embryological
  31. development of their forms.
  32.  
  33. As well as being applied to specific phenotypic aspects of individual
  34. organisms, the same technique of examining apparently imperfect adaptations
  35. may be applied to the study of the genetic machinery in an attempt to trace
  36. its history.
  37.  
  38. When examining multicellular organisms such as ourselves, one of the curious
  39. features is that we seem to be colonies of millions of bacteria-like
  40. organisms.  These creatures are all clones of one another, descended from a
  41. single cell, and most of them are still capable of asexual reproduction. 
  42. Amazingly, each of them contains a copy of the entire genetic heritage of the
  43. organism.
  44.  
  45. There are undoubted advantages in storing the information locally to the
  46. cell.  In particular, translation and transcription into amino acids can
  47. occur adjacent to the information store, and when the cell decides to
  48. reproduce in mitosis it has all the information it needs to pass to its new
  49. sister cell.
  50.  
  51. It seems that there are also huge disadvantages to using local storage.  The
  52. sheer quantity of redundant information involved is colossal, when it is
  53. considered that there must be a cost in terms of the chemicals, time and
  54. energy required to support all the information.
  55.  
  56. As organisms age their genetic homogeneity decreases due to mutations in the
  57. individual cells.  In older people this results in cancers, as well as other
  58. signs of cellular lack of harmony symptomatic of ageing.  Those cells in the
  59. germ line responsible for gamete production are affected in the same manner
  60. as other cells.  With all the copies of the genome available, you might have
  61. thought that this resource could be used as a multiple back up device, or as
  62. a gigantic error correction system, but in fact cells do not communicate with
  63. their neighbours about genetic matters directly at all.
  64.  
  65. The question arises: would the organism be better off if it could maintain a
  66. central genetic database and then network its cells together?
  67.  
  68. If this proved tp be possible then in principle a whole series of changes
  69. could be made.  If, for example, the information store could be decoupled
  70. from the two important processes of transcription and replication, then a
  71. more energy-efficient and secure storage system could be developed.
  72.  
  73. If cells could communicate genetic information to one another then improved
  74. error checking could be implemented and compression techniques would be
  75. available if required.  Viruses could be virtually defeated from subverting
  76. such communication channels by employing encryption techniques.  Better cell
  77. to cell communications could also eliminate the physical substance transfer
  78. involved in sex.  
  79.  
  80. The kind of network required need not be fast; indeed the speed of the
  81. nervous system would be more than sufficient: genes do not control their
  82. hosts in real time but via the slow-motion remote control of protein
  83. manufacture.  Communications could even take the form of local transactions
  84. between adjacent cells.
  85.  
  86. There is no proposal here to defend here the viability or otherwise of such
  87. possible alternatives to the current arrangements, but that such
  88. possibilities exist and may be greatly superior to existing systems is worthy
  89. of consideration.  Because it is at the bottom so to speak of a series of
  90. developmental stages, the genetic substrate may be helpfully seen as the most
  91. ancient and primitive structure of modern life, and though there is a sense
  92. in which it is immensely high technology, there are many ways in which its
  93. 'design' seems to bear witness to the nature of life's last common ancestor,
  94. rather than modern utility.
  95.  
  96. If such a system was to be found to be superior, then the conclusion would
  97. follow that the existing arrangement exists as a kind of local optimum of a
  98. system with much better global maxima.  It would be a sign that developmental
  99. constraints on the organism have limited it to the current system which
  100. displays all too clearly its historical legacy, and that this design defect
  101. had become "locked in" by all the subsequently constructed structures which
  102. are built on top of it.
  103.  
  104. The phrase "The bathwater cannot be thrown out because of the baby" would
  105. seem appropriate in this context.  Unfortunately, as time passes the dirt in
  106. the bathwater is liable to accumulate as more and more "lock in"s occur on
  107. different levels, until it is difficult to make out the baby at all.
  108.  
  109. Any watching designers would wring their hands in frustration, desperate to
  110. be able to start on a fresh new drawing board, and use the old evolved design
  111. as the basis for a completely new organism with all such constraints designed
  112. out.
  113.  
  114. Coloured Bodies
  115. ~~~~~~~~~~~~~~~
  116. The invention of sex may be a usefully considered to be a major landmark in
  117. the development of modern organisms.  One of the reasons for this is that it
  118. probably marks the end of the evolution of the main structure of the genetic
  119. code, the reason for this being that any major structural changes are likely
  120. to be incompatible with existing organisms, and so would be incapable of
  121. interbreeding with them.  If a new variation upon a genetic mechanism is good
  122. enough that its organisms can afford to abandon the rest of the gene pool in
  123. which they find themselves, then it may prevail.  Otherwise the majority are
  124. likely to win out over any innovations in the genetic system.  Sex could be
  125. described as a heavy subsequently constructed structure, built on top of the
  126. genetic mechanism which tends to fix it in position.
  127.  
  128. The above description applies to small, gradual changes in the genetic
  129. structure, but is not relevant to theories of genetic takeover of the kind
  130. described by A. G. Cairns-Smith, which remain possible for as long as a
  131. superior genetic substrate can be envisaged.
  132.  
  133. Having mentioned Cairns-Smith's work, another of his metaphors seems
  134. appropriate to the discussion.   He describes the "lock in" phenomena
  135. concisely, using the metaphor of building a stone arch.  This is a classic
  136. metaphor illustrating that the initial stages of final constructions may be
  137. best seen by envisaging preliminary supporting structures; in the example of
  138. the stone arch, this may be a mound of earth.  If the mound of earth is then
  139. removed, the arch becomes suddenly brittle and "locked in" to a state where
  140. all the stones depend on each other.  Once this dropping away of preliminary
  141. structures has occurred, there is often no going back, even if the resulting
  142. construction contains aspects which are no longer appropriate to the use to
  143. which it is being put.
  144.  
  145. It seems unfortunate that Cairns-Smith's work has not found a wider audience
  146. within the A-life community.  One problem may be that a well known A-life
  147. enthusiast Stuart Kauffman has proposed a conflicting theory of the origin of
  148. life to the one Cairns-Smith proposes, involving autocatalytic sets.  The
  149. author believes that this barrier may eventually be resolved by problems
  150. within the autocatalytic theory.  Cairns-Smith's own critique of models of
  151. "chemical evolution" seems to be applicable, as autocatalytic sets would seem
  152. to have a "low ceiling" in terms of information storage.
  153.  
  154. Turning back to chromosomes, meiosis will now be examined.  Although there
  155. seems to be some control by the structure of chromosomes over meiosis, in
  156. that some parts of the genome are more sexy than others and different parts
  157. have different baseline mutation rates, these effects provides very little
  158. structure to meiosis.  Apart from the near immunity of that genetic
  159. wasteland, the Y chromosome, and inversions, no parts of the genome which are
  160. treated with additional respect by the process.
  161.  
  162. Meiosis' lack of discrimination may be an aspect of its even-handedness.  If
  163. the meiotic process can be influenced by a particular gene in a manner that
  164. makes that gene more likely than its alles to find its way into gametes, then
  165. that gene will come to dominate, even it it has other severe side-effects on
  166. individuals who bear it.  This kind of gene is often referred to as an outlaw
  167. gene.  There is subsequent pressure on meiosis from the other genes in the
  168. organism which all suffer from the adverse effects of outlaw genes.  It has
  169. been theorised that under some conditions the outlaws are fairly effectively
  170. suppressed.   It may be that the form of the suppression forces meiosis to be
  171. simple, as any structural complexity offers outlaws opportunities for
  172. subverting the process to their own ends.
  173.  
  174. The "some conditions" under which the outlaws are suppressed are theorised to
  175. be as follows:
  176.  
  177. Outlaws that act by subverting meiosis or around the point of conception are
  178. known as segregation distorters.  They may act at other points in the
  179. lifecycle of the organism, as in the example of a behaviour pattern,
  180. influenced by a gene on the Y-chromosome, causing parents to invest more
  181. resources in bringing up sons than daughters.
  182.  
  183. Outlaw genes not only help themselves to a larger slice of the genetic pie
  184. than they would normally receive, they usually help their chromosomal
  185. neighbours too.  Sometimes the entire chromosome containing the gene is
  186. helped.  If an organism has a large number of chromosomes then a larger
  187. proportion of the organism's genes suffer as a result of their association
  188. with the outlaw than would if the organism had fewer chromosomes.  These are
  189. more likely to act in unison to suppress the effects of the outlaw genes,
  190. than if there are, for example, only two chromosome pairs, in which case one
  191. of them may want the outlaw to succeed because its genes will directly be
  192. levered into the next generation by the outlaw's mechanism.  It will try to
  193. block any suppression effects which the other chromosome pair would like to
  194. impose on the outlaw.
  195.  
  196. If this reasoning is correct then it follows that multiple chromosomes and
  197. sex go together.  No suggestion is being made here as to which of these
  198. adaptations came first.  There may be other pressures favouring multiple
  199. chromosomes (including structural and engineering considerations).  However,
  200. organisms using sex with a low chromosome count may need some variations in
  201. its style of meiotic division if they are not to become prey to outlaw genes.
  202.  
  203. The reason for interest here in the structure of chromosomes is as follows.
  204. Genes display associations with other genes in the genome, in that some
  205. groups of genes are more likely than others to find themselves sharing bodies
  206. in offspring.  These genes are described as being linked to one another.
  207.  
  208. The mechanism behind linkage is very simple: genes that are on the same
  209. chromosome are linked roughly in proportion to the distance they are from one
  210. another along it.  This distance is related to the probability that meiosis
  211. or mutation will act to cleave the two genes involved.  Genes on different
  212. chromosomes are considered not to be linked at all - their probability of
  213. sharing a body in the next generation is ½.
  214.  
  215. At first sight the ends of chromosomes look like interesting places in terms
  216. of linkage as the distance only goes in one direction so to speak.  This
  217. interest rapidly diminishes upon closer examination.
  218.  
  219. Linkage is important.  Even in asexual organisms where genetic shuffling is
  220. not the norm, it may play some role.  Characters which are developmentally
  221. related or inter-dependant would gravitate towards close linkage.  Genes that
  222. need one another for their mutual well being would be inclined to find
  223. themselves next door to one another.  Within linkage groups, genes would tend
  224. to cooperate more with their neighbours than with the rest of their
  225. particular genome when they encounter copies of them in other bodies. 
  226. Recognising a copy of your close neighbour out in the world may be exactly
  227. equivalent to recognising a copy of yourself.
  228.  
  229. The means by which genes are brought together is of course natural selection,
  230. but of a slightly unusual type.  Usually selection may be thought of acting
  231. on the phenotypes of organisms, but in any individual organism genetic
  232. linkage displays no obvious signs of its effects.  It is only when the
  233. organism reproduces that some important groups may be separated if they are
  234. not closely linked.  The selection pressures may be thought of as being
  235. towards evolvability, and away from rapid genetic decay in descendants.  For
  236. a justification of the plausability of such selection pressures I refer you
  237. to the chapter named "Kaleidoscopic Embryos" in Richard Dawkins' book,
  238. "Climbing Mount Improbable".
  239.  
  240. Linkage comes to follow and mirror the structure of the organism.  This is 
  241. not meant literally, in the sense that genes associated with different adult
  242. bodily parts would like to form an isomorphic structure on the genome, but
  243. giving due consideration to the developmental history of the organism.  In
  244. the complex and mysterious growth processes of embryology, genes can be seen
  245. as waltzing with other genes, and their partners tend to become their eternal
  246. soulmates.
  247.  
  248. The main point to be made here is that distance is a very crude
  249. one-dimensional symmetrical measure.  If an organism could have
  250. multi-dimensional asymmetrical, conditional, with complex interdependencies
  251. as relationships portrayed by links, then it would benefit in that the
  252. complex relationship between genes in embryological processes could be
  253. captured more clearly.
  254.  
  255. Tree-shaped chromosomes are referred to here.  This is for a number of
  256. reasons.  Heirarchical trees are familiar data structures to many.  They are
  257. easy to implement on existing computers.  A simple representation can be
  258. imagined as a one-dimensional string of characters using nested brackets to
  259. indicate the branching depth.  There is no need to imagine anything as
  260. complex as branching in the physical DNA used to encode genes.  A simple
  261. one-dimensional structure may be used, but it should contain markers (serving
  262. the same function as the brackets referred to above) which encode information
  263. relating to the tree structure, and which influence meiosis.  It is easy to
  264. imagine the sexual process as being represented by a pruning and grafting
  265. process between chromosomes.
  266.  
  267. I do not claim that "tree-shaped" is in any sense an optimal structure and it
  268. may be preferable to consider genes as being related to groups of linkage
  269. properties in an orthodox object-oriented manner.
  270.  
  271. With the existing state of the genetic substrate, the advantage of having a
  272. better map between genetic and developmental/phenotypic structure may be
  273. counterbalanced by a corresponding high cost of implementation.  The existing
  274. genome is one-dimensional and complex links would probably have to be
  275. represented physically on it in some manner, and then read in the process of
  276. meiosis.  This kind of selective meiosis would be just the kind of mechanism
  277. outlaw genes would love to get their hands on in pursuit of their own
  278. subversive goals.  These disadvantages may contribute to the apparent absence
  279. of such geometries from modern organisms.  However, messianic A-life heads
  280. should not allow themselves to be constrained by such considerations.
  281.  
  282.