Страница 50 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

            В главе II было подчёркнуто, что генетический код весьма далёк от совершенства в терминах ма­те­ма­тики. Он вы­рож­ден­ный. Его алфавит из­бы­точный. Если люди с подобным прими­ря­ют­ся, на­при­мер, в англий­с­кой орфографии, то только потому, что и для человека его письменность формируется как запоминание случайного выбора. Это не предопре­де­ля­ет оптимальности. То, что запомнено из случайностей, даже чело­ве­чес­­кому разуму далеко не просто перевести на уро­вень най­денной позже опти­мальности  мешают традиции.  Тем более, не может эволюция жизни исправлять накапливающуюся “традицион­ность”. Не го­воря уже о том, что совер­шенство есть тупик эволюции, так как ог­ра­ни­чивает или даже исключает возможности новой ступени иерар­­­хии слу­чайностей.

            Аналогичная неоптимальность проявляется и на уровне чтения ге­не­тической информации как синтеза аминокислот и белков с помощью гетерокатализа, управляемого ДНК. Напомню, что возникновение гене­ти­ческого кода основно на том, что только совместно три случайных нук­ле­отида – кодон – могут катализировать син­тез одной аминокислоты. Энер­ге­ти­чески равноправны разные комбинации нуклеотидов в ДНК в форме ко­­донов. Это разрешает их образование случай­ным обра­зом. Но условия ограничивают возможные случайно­с­ти.

Для природы “слова” ге­не­тического кода в ДНК “имеют смысл”, когда с их помо­щью можно катализировать синтез ами­нокислот и из них – белков. В этом дей­ст­вует самый жёсткий отбор – если невозмо­жен гетерокатализ белка, то и предмета для разговоров об информации нет.

Однако свершившийся ге­терокатализ ещё не означает, что “пред­ло­­же­ния”, состав­лен­ные из этих “слов”-белков имеют “смысл”. Созданы толь­ко новые объекты, которые обеспечивают переход на следующие сту­пени иерархии. Это есть “предложения”, “абзацы”, “книга” в целом. Возможность их запоминания проверяется самостоятельно.

В связи с информацией в ДНК возникает парадокс. Информация есть запомненный выбор из случайно­с­тей. Ка­­за­лось бы, чем больше в ДНК кодонов, тем боль­ше ва­риантов их случайных комби­на­ций. Поэтому при синтезе информации за­по­м­ненная един­ственная ДНК боль­шой длины есть вы­бор из боль­шего числа слу­чай­но­с­тей. В ней должно быть больше ин­фор­мации.

Напрашивается связь – чем больше длина ДНК, тем больше в ней информации. Это не так! Это спра­вед­ливо тог­да, когда слу­чай­ности не­­за­ви­­симые, не ог­раниченные ус­ло­вия­ми, чего нет в ДНК. В ней сущест­вуют в боль­ших количества такие участ­ки, ко­торые в данных условиях не спо­соб­ны гетерокатали­зи­ро­вать син­тез белков. В ДНК, напри­мер эука­риот, присут­ст­вуют до сотен тысяч повто­ров нук­леотидных после­до­ва­­тель­но­с­тей на уровне ге­нов. В двойной спирали ДНК, как правило, рабо­тает только малая часть кодонов. В ре­зуль­тате количест­во ко­до­нов (и соответственно ну­к­леотидов) в ДНК (её дли­на) не определяет коли­че­ства ин­фор­мации в ней. Условие для ДНК как источника и но­си­теля ин­фор­мации в том, что её “молчащие” участ­ки (не при­­водящие к завер­шён­но­му син­те­зу белков), по­в­то­ры в ней нуклеотидных по­с­ле­до­ва­­тель­но­с­тей огра­ни­чи­вают не­­­­­оп­ре­делённость, вы­­­бор из ко­­­торой создаёт ко­ли­чество ин­­фор­ма­ции. Опять тот же важ­­ней­ший вопрос о не­зави­си­­мо­сти слу­чайно­с­­тей и ус­ло­ви­ях. Слу­­­чайности в воз­никно­ве­нии и эволюции жиз­ни не есть независимые!

            В том, что число нук­ле­о­тидов в ДНК ещё не опре­де­ляет количест­ва информа­ции в ней, можно убедиться на ос­нове рис. 4.4 [83], где по­ка­зано число нулеотидов в ДНК разных форм жизни. Ми­ни­мальное число нук­лео­ти­дов у вирусов. Ви­русы вряд ли явля­ются пер­вич­ными формами жиз­ни. Они нашли свою эко­ло­ги­чес­кую ни­шу на этапах эволюции вбли­зи тех, когда сфор­ми­ровались хо­тя бы прокариоты. Это самостоятельный во­прос и об­суждать ви­русы не буду.

ДНК грибов содержат от 10 до 100 миллионов нук­ле­оти­дов. Но при эволюции жиз­ни уд­ли­не­ние и услож­не­ние их ДНК останови­лось. При­­­чи­ны этого детально не исследо­ва­лись, но ясно, что они в спе­ци­фике их ис­ход­ной ДНК – в грибах встречаются ами­но­кис­лоты, которых нет у жи­вот­ных и растений. Они есть разброс вблизи вершины очень острого экстремума энтропии-информации. Поэтому грибы можно счи­тать тупи­ком, за­мы­­­кающим интервал между коли­чест­ва­ми в 10 и 100 мил­ли­онов нук­ле­отидов в ДНК (который от­де­ляет кольцевые ДНК бактерий от двой­ной спирали растений и животных).

Организмы уровня растений и животных имеют своей основой эука­­­риотическую клетку. Размеры их ДНК начинаются от количества в 100 мил­лионов нуклеоти­дов на одну ДНК. Эукариотическая клетка сим­би­онт прокариотических кле­ток. Как ор­га­нел­лы в составе эукариоти­чес­кой клетки они выполняют клю­чевые функ­ции, например, митохондрии есть поставщик энер­гии для метабо­лиз­ма. Как прокариотическая клетка со своей ДНК митохондрии защи­ще­ны от быстрой изменчивости боль­шим количест­вом информации, от­де­ляющим друг от друга бактерии. Не меньшую за­щи­ту им создаёт слож­­ность внутриклеточной “экологи­чес­кой ниши”, ко­торая отбрако­вы­вает мутации, выходящие за пределы рас­смотренных в предыдущем па­ра­графе порогов.  

Рост числа нуклеотидов в ДНК выс­ших форм жизни не означает сопостави­мого с ним роста коли­че­ст­ва ин­фор­мации в их ДНК. Ко­личество информации есть с обратным знаком количество уст­ра­нён­ной неопределённости. Для того, чтобы её подсчи­тать, надо рас­смот­реть все возможные, совмести­мые с усло­ви­ями,  ком­бинации ко­до­нов.

У бак­терий не может быть “не работающих” комбинаций кодонов. Неоп­ре­де­лённость для них приближённо может быть оценена как число не­за­ви­си­мых перестановок примерно между миллионом кодонов. Это не­­пред­ста­вимо большое число. Конечно, такая постановка задачи для бак­­терий упрощенная. Условия существуют и для их геномов. Но они от­­носительно слабые и неопределённость, из которой запоминание долж­­­но синтезировать информацию, всё равно останется огромной.

 Имен­но поэ­то­му, как всё время подчёркивалось выше и в [2]  [11], количества ин­фор­­ма­ции, ответственной за бактерии, огромно. Это подтверждает как малое чис­ло видов бактерий по срав­не­нию с коли­чест­вом видов высших форм жиз­ни, так и продолжение эво­лю­ции, несмотря на вызываемые ими бо­лезни – изменчивость высших организмов проис­хо­­дит быстрее, чем из­мен­чивость бактерий, что, во­п­ре­ки инфекциям, сох­ра­ня­ет жизнь в её выс­ших формах.

            Переход от кольцевой ДНК к линейной двойной спирали в эука­ри­о­тической клетке многоклеточного организма сопро­вож­дается десяти­крат­ным увеличением минимального числа кодонов в ДНК. Очень труд­но при таких числах примириться с тем, что с их участием слабо увели­чи­вает­ся число возможных (ограниченных биологическими условиями) пе­­ре­ста­­но­вок между ними (и тем са­мым количество информации в ДНК), от­вет­­ст­вен­ных собственно за выс­­шие формы жизни – внутри их иерар­хи­ческих ступеней роста энт­ро­пии-информации.

Двойная спираль в условиях многоклеточного организма при­водит к новым ещё более узким условиям. Внутри эукариотической клет­ки-сим­­­би­он­та, несмотря на принцип структурной комплементарности, дей­ст­­вуют сложные условия для её метаболизма (по исходным и промежу­точ­ным продуктам). Многие участки ДНК не могут завершить гетерока­та­­лиз бел­ка. Это задаёт следующий (по отношению к кольцевой ДНК) уро­вень иерар­хии энтропии-информа­ции. На нём случайности при под­счё­тах не­оп­ре­де­лён­ности отно­сит­ся не ко всем возможным переста­нов­кам кодо­нов в ДНК, а только к тому их неболь­шому числу, которое сов­местимо с метаболизмом органелл в эукариоти­чес­кой клетке и её самой в целом. Объектом для вычисления возможных перестановок становятся, как пра­ви­ло, крупные блоки ДНК типа генов и их изменений как целого.

В результате, например, у тритона 99,98% кодонов не работает. Да­­же, если исхо­дить из потолка для высших форм жизни – 1011 кодонов в ДНК – то у три­тона для подсчёта возможных случайных перестановок останется все­го 107 элементов, то есть примерно столько же, как у бак­те­рий. Как было пояснено выше, в отличие от бакте­рий, при подсчётах пе­ре­становок в ДНК высших форм жизни надо учитывать ограничения со­су­ществования ядер­ной ДНК со всеми органеллами клетки, поэтому не­оп­ределённость на­много мень­ше.

            Физико-химически двухзаходная спираль ДНК получила по отно­ше­нию к кольцевой возмож­ность удлинения не меньше, чем в 10000 раз. И (как видно из рис. 4.4) она использовала эту воз­можность. Но удли­не­ние ДНК само по себе не есть рост количества информации в ДНК (в отличие от бактерий). Бо­лее того, достигнув у амфибий громадной дли­ны ДНК при дальнейшей иерархической эволюции жизни сокращается в длине. Возникает, каза­лось бы, парадокс – птицы, а тем более млекопи­та­ющие, для своей ре­а­ли­зации требуют бльших коли­честв информации, чем самые сложные ам­­фибии, а число кодонов в ДНК у них до 100 раз меньше воз­мож­­ного для амфибий максимума. Не толь­ко “молчащие” участки ДНК сок­ра­щают при этом количество слу­чайностей. Не забы­вай­те, что существуют повторы в ог­ромных коли­чест­вах одинаковых по­с­ледовательностей нук­ле­о­тидов в ДНК. Их также необходимо исключать из подсчёта случайностей.

            Разные последовательности кодонов и генов в ДНК энергетически равно­правны. В результате возникают изощрённые процессы переноса боль­­ших участков ДНК, в частности, с помощью полового размно­же­ния. Это иерархически более старшая ступень,­ имеющая сво­и новые элемен­ты, свои случайности для них, свои ус­ло­вия, ограничивающие слу­чай­но­с­ти. Биологи даже вводят термин – по­зи­ционная информация, понимая под ним, что один и тот же ген может работать разным образом при разном положении в цепи ДНК.

            Случайность при перестановках крупных комплексов в ДНК соз­даёт сле­ду­ющий уровень иерархии энтропии-информации. На нём, на­при­мер, от количества повторов комплексов зависит интенсивность про­­­из­­вод­ства конкрет­ных белков. Казалось бы, повторы не есть новая ин­фор­­мация. Однако на уровне онтогенеза это не так. Рост организма в це­лом, диф­фе­ренцировка его органов будут иными в функции от скорости син­теза конкретных белков в конкретном месте и времени. Этим управ­ляет число повторов, а потому оно становится информацией как запом­нен­ным выбором из случайностей на следующих иерар­хи­ческих ступе­нях синтеза информации – об ор­га­низме в це­лом, об его онто­ге­незе, о диф­­фе­ренциров­ке его органов.

Аналогично “молчащие” участки ДНК. На старших иерархических ступенях синтеза информации они при определённых условиях могут ста­новиться работающими как ком­п­лексы. Это, например, превращения личинка – ку­колка – бабочка, которые подробно рассмотрены в главе V.

Перенос крупных комплексов ДНК исследован весьма под­роб­но. На уровень практических биотехнологий вышли результаты участия в та­ком переносе плазмид, транс­по­зонов, фагов, и многие дру­гие. Транс­дук­ция – перенос вирусами ге­не­тического материала между разными клет­­ками – вводит, наряду с половым процессом, иерархически высокую случайность обмена круп­ными комплексами ДНК, проверен­ными на син­тез информа­ции на уровне клеток. Она делает возможным пе­­ренос ин­формации между жи­вот­ными и растительными клетками, меж­ду про­ка­риотами и эука­ри­о­та­ми, обмен участками ДНК между поло­выми и со­ма­ти­чес­кими клетками. Сегодня ясно, что возможны количественные от­кло­­не­ния от наслед­ст­венных законов Менделя. Реально многие му­та­ции находят свое выра­же­ние в формальном ви­де пере­ме­щения по геному неких под­виж­ных эле­мен­тов. Ясно, что сегодня нельзя сводить опи­са­ние эволюции с участием слу­чай­ностей в ДНК только к точечным мутациям и дарви­нов­с­кому отбору из них.

Ступень син­те­за информации об организме в целом существует и неустранима. Канцерогенез есть от­ра­жение завершившегося размноже­ни­ем синтеза информации в ДНК, ко­то­рая несовместима со стар­шими сту­пенями иерархии – синтезом ин­фор­мации об организме в целом.

Результаты и литература о таких процессах – огромны. Однако де­та­­ли­зи­ровать на их основе при­веденные выше соображения не буду.

Важнейшее, что вносят в них [2] – [11] и эта работа:

энергетическое равноправие разных линейных конфигураций мо­­лекулы ДНК есть причина иерархичности в ней синтеза информации;

длина или масса ДНК не есть напрямую мера содержащейся в ней информа­ции;

случайности в эволюции ДНК и информация в ДНК многосту­пен­чато иерархич­ны и на старших ступенях оперируют “осмыс­ленными” ком­плек­сами.

В под­твер­ждение этого даже только рис. 4.4 весьма красноречив. Ог­ромные избыточные количества кодонов при пе­ре­хо­де к выс­шим фор­мах жизни (рис. 4.4, например, у амфи­бий), не­из­беж­но должны включать в себя самые разнообразные хи­мер­ные моле­кулы конкретных ДНК. Сре­ди них есть в ощутимых коли­чест­вах (а не как невероятно ма­лая случай­ность) такие химеры, которые мо­гут существовать и даже вос­про­изво­диться. Но подавляющее боль­шин­ст­во из них неустойчивы – в процессе самовоспроизведения видоиз­ме­няются.

Вполне возможно (с элементом небольшой гротескности), что да­же внутри кого-то из нас существуют химерные молекулы ДНК, гибри­ди­зирующие верблюда и муху одновременно. Но узнать об этом мы не мо­жем – нет условий для гетеро­ка­тализа, реализующего та­ко­го монстра. Однако существует хотя бы один подобный монстр как таксономи­чес­кая градация, содержащая сотни тысяч видов. Это насеко­мые. Как видно из рис. 4.4, внутри ответственной за них таксоно­ми­чес­кой гра­­дации ко­ли­чество кодонов в ДНК может отличаться почти в 100 раз. И это нашло вполне реального гибридизированного в ДНК, хоть и не старшего таксо­но­мически верблюда, но крупную предшествующую таксономическую градацию, сосуществование которой с насекомым в одном геноме есть условие реали­зации десятков и сотен тысяч их конкретных видов. Это уже упоминавшаяся цепочка размножения:  яйцо – куколка – бабочка. Она заслуживает подробного пояс­не­ния, которое будет да­но в следу­ю­щей главе. Другой пример – кит как “таксономическая корова”. Это пред­меты для реальных исследований и результатов.

Гротескная избыточная случайность без “цели”, но при жёстких ог­­­­раничениях условий – это есть основное для ДНК как молекулы. Ог­ром­­ный диапазон случайностей и избыточности в ДНК имеет кон­к­рет­ную физико-химическую причину – ДНК есть класс молекул, для ко­то­рых разные последовательности кодонов энергетически равно­прав­­ны. Это важнейшая её особенность как источника и носителя инфор­мации.