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

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.

Рис. 4.4.

До 10 миллионов нуклеотидов в ДНК бактерий. Молекулы ДНК у бактерий кольцевые. В них работают все кодоны. Количество информации определяется числом вариантов их случайных перестановок. Ограничительные условия, хотя и есть, но минимальны. Однако в них входит физико-химическое ограничение длины замкнутого кольца ДНК. Кольцевые ДНК – тупик эволюции.

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.

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