Страница 51 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Рассмотренные в предыдущем параграфе вопросы требуют более подробного анализа понятия – чтение генетической информации.

Поня­тие обычного чтения имеет смысл по отношению к уже син­те­зирован­ной информации. Оно означает, что существует предвари­тель­но запом­нен­­ный случайный выбор, устанавливающий связь между бук­ва­ми и зву­ками, между словами и реальными объектами, включая их вза­и­модей­ст­вия между собой.

Обязательное участие случайностей в синтезе информации приво­дит к тому, что алфавиты при сопоставлении символов и звуков и слова­ри при сопоставлении слов и объектов неоднозначны. В зависимости от конкретного контекста одни и те же буквы могут отвечать разным зву­кам, а одинаковые слова – разным объектам, и наоборот. Как отмечалось в параграфе 8 главы II, это же характерно и для генетического кода.

Син­тез информации при обычном чтении задан разумом человека. Но в этом участвуют особен­нос­ти его органов чувств, двигательных сис­тем, физио­логии орга­ни­зма и, главное, взаимодействия организма и его окру­жения. В языках всех времён и народов есть общее в формировании первичных инстинктивных звуков ребёнка, глаголов и существительных. Без этого написать и прочесть книгу человек не смог бы при всём всеси­лии своего разума. Как было показано в предыдущем параграфе, и это есть характерная особенность генетического кода.

Прочесть текст – это означает восстановить из цепочки синтеза ин­фор­мации – Случайности –  Условия – Запоминание – только послед­нее её  звено. Но этим чтение исчерпано быть не может. Это показывает сов­­ременный компьютерный перевод текстов, который по объёму слова­рей часто выше любого переводчика, но смысл текста передать может не все­гда. Причина в том, что запоминание и его обращение в виде чтения обязательно сопровождается процес­са­ми синтеза информации (типа  Sk,s  на рис. 1.7), которые прямыми со­по­с­тав­лениями со словарями не исчер­пы­ваются – обязательно в этом должен участвовать весь контекст.

Прочесть генетическую информацию так же, как и при человечес­ком чтении, означает повторить последний этап в цепочке синтеза ин­фор­мации. Для генетической информации такое повторение есть реаль­ный физико-химический про­цесс. Его повторение при генетическом чте­нии воз­мож­но в уз­ких строго опре­де­лён­ных условиях, в частности, в при­­сут­ст­вии конкрет­ных продуктов, пос­ту­пающих в задан­ное время и в опре­де­лён­ных прост­ран­ствен­ных местах. В сложных организмах в таких процессах участвуют и старшие  ступени иерар­хии синтеза информации (по отношению к данной). Любой сбой в этом исключает вос­про­изве­де­ние за­пом­ненного – чтение инфор­ма­ции.

Энтропия-информация, составляющая запомненную ге­не­тическую информацию, есть иерархическая переменная, опи­сы­ваемая рядом (1.29) из главы I. Например, человек как би­ологический вид  k = n  уров­ня иерархии энт­ро­пии-ин­фор­­ма­ции, относится к по­с­лед­­ним членам в соста­ве ряда (1.29). Количество ин­формации, описывающее его отли­чия от пре­ды­ду­щей (n – 1) ступени иерархии, меньше, чем количество инфор­ма­ции, опи­сы­вающей иерархичес­кие различия форм жиз­ни двух­милли­ар­­до­­лет­ней палеонто­ло­ги­ческой давнос­ти.

Человеку без­различно как и когда обра­зо­вались клетки, из которых он сос­тоит, и как запоминались за­коны их взаимо­дей­­ствий. Если задать все типы кле­ток, составляющих чело­ве­ка, и законы их взаимодействий, то воспро­из­ве­сти человека было бы не­трудно. Но получить информацию об этих клет­ках и законах можно, если воспроизвести в виде фи­зико-хи­мических процессов этапы синтеза информации, происходив­шие на пре­дыдущей (n – 1) ступени иерархии энтропии-информации в ряде (1.29).

Исходные элементы и на этом уровне энтропии-информа­ции забы­ли свою предисторию. Узнать их свойства мож­но в том случае, если вос­про­извести (n – 2) сту­пень синтеза ин­формации. И так далее. Поясню на примере ран­них стадий онтогенеза три­тона.

Взрослого тритона характе­ризует область на k-той плос­ко­с­ти син­те­за информации (рис. 4.5). Онтоге­нез тритона на­чи­­нается от за­ро­ды­ше­вой эука­ри­оти­чес­кой кле­т­ки, содержащей конкрет­ную ДНК три­тона – ге­не­тичес­кую ин­­фор­ма­цию о взрос­лом орга­ни­з­­ме. Она при­над­лежит иерар­­хической плос­ко­с­ти (k – m) синтеза ин­формации (рис. 4.5). Ор­га­нел­­лы этой клет­ки, её метаболизм возникли на основе её пред­ис­то­рии. Но кон­к­ретно для тритона всё это за­­быто – его заро­дышевая клетка мо­­жет стать ос­но­вой взрос­лого ор­га­­низ­ма, не вспоми­ная явно про свою пред­ис­то­рию как клет­ки. Един­­­ст­венное в чём пред­история про­­яв­ля­ется – усло­вия, в которых мо­жет существовать и раз­виваться эта заро­ды­шевая клет­ка. Подобное сочетание забывания и па­мяти ха­рак­­терно и в про­цес­се раз­­вития взрос­­­лого организма на всех этапах чтения генети­чес­кой ин­фор­­­мации, содержа­щей­ся в ДНК этой клетки.

существует граница раз­­­ви­тия во времени, ниже ко­торой  пере­сад­ка презумп­тив­но­го глаза в организм, ушедший в развитии впе­рёд, будет давать ре­зультат, за­ви­сящий от места, куда произ­ве­дена пересадка: на голове хозяина вырастет из него глаз или мозг, в дру­­гих местах вырас­тут органы, которые им соответст­вуют при нормальном развитии;

выше этой границы, когда презумптивный глаз получил  приз­на­ки дифференцировки как глаз (хотя бы начальные), он в любом месте организма будет продолжать расти до состояния глаза.

Обычно (см., например, обзор [95]) это трактуют в тер­ми­нах цен­но­сти и незаменимости информации, перенесенных в про­цессы биоло­гии из теории информации (как науки о передаче чело­ве­чес­ких со­об­ще­ний). Цели эволюции жизни нет, а потому обсуждать такие трак­тов­ки смы­с­ла не имеет. Реальная “цель” эволюции жизни – рост энт­­ро­пии-ин­фор­мации, ограни­чен­­ный услови­я­ми. Чтение гене­ти­ческой ин­­фор­ма­ции можно и нуж­но обсуждать в терминах иерархических плоско­с­тей син­те­за информации, а строгий смысл ценности и незаменимости инфор­мации был дан в параграфе 12 главы I.

На иерархическом шаге  син­те­за энтро­пии-инфор­мации  ре­­ализует­ся ступень зародышевых кле­ток земно­вод­ных . Част­ный объект этой плоскости – за­родышевая клет­ка три­то­на, взрос­лый организм которого принадле­жит плоскости   (рис. 4.5).

Объекты плоскости  в виде зародышевых клеток генетичес­ки спо­­­собны к самоорганизации, описы­ва­емой функ­циональными связя­ми в следующей иерархической плоскости . Фило­ге­нети­чески это есть плоскость простейших многоклеточных организ­мов, у ко­то­рых ещё нет выраженной дифференцировки органов.

В про­цес­се онтогенеза тритона идёт рост клеток в пределах функ­ци­ональных связей, условий и законов (рис. 1.2) этой плоскости. Если хи­рур­ги­чес­ки изъять клетку тогда, когда её развитие отвечает этому уров­ню иерар­хии, и пе­ре­са­дить её даже в более “взрослый” организм – она про­дол­жает размно­жать­ся в соответствии с законами своей ступени иерархии. Главное от­ли­чие этой ступени в том, что на ней не про­читаны ещё команды необратимой специализации клеток. Филоге­не­тически на этой плос­ко­сти их и не было в геномах клеток.

Однако ДНК тритона более сложная, чем филогенетически была когда-то у простейших многоклеточных организмов. Это выражается тем, что в процессе роста зародышевых клеток их разное расположение в зародыше (разная “экология”) дифференцирует их развитие. В результа­те продукты, гетерокатализи­руе­мые ДНК, становятся разными в прост­ранственно разных группах клеток. Это внутреннее необратимое изме­не­ние пер­вич­ных клеток, сохраняющих тождественные ДНК. Оно уве­ли­чи­вает но­мер иерархической ступени синтеза информации.

Генети­чес­­ки та же самая клетка становится иной морфологически. Она теперь принадлежит иерар­хической плос­кости синтеза информации . Хирур­ги­чес­­кая пересадка происходит по отношению к клет­­кам другого уров­ня иерархии син­­теза энтро­пии-информации. У них всё та же тож­де­ст­венная ДНК, но иной класс гетерокатализируемых ею реакций. Они согла­со­ва­ны с имею­щи­­ми­ся в организме и необходимыми для них про­дуктами и удалением отходов. Но конкретные реакции с уча­с­тием этих продуктов уже не мо­гут быть столь универсальны, как на пре­дыдущем уровне иерар­хии. Высота старших ступеней иерархии мень­­­ше. Не­об­ратимое из­ме­не­ние за­родышевых клеток отражено тем, что хирур­ги­чес­кая пере­сад­ка их в лю­бое место организма тритона даст ре­зуль­­татом рост глаза как диф­фе­рен­цированного органа.

Системе безразлично её прошлое, но оно сохраняет свое значение в виде конкретных условий, гарантирующих как тождественность, так и несопоставимое различие результатов. В таком чтении генетической ин­формации последовательно участвуют многие плоскости (рис. 4.5) син­те­­за ин­фор­ма­ции, число которых есть .

Прочесть генетическую информацию нельзя без учёта ин­формации  о предыдущих пло­с­­­ко­с­тях, ко­торая необ­хо­дима для чтения информации в плоскости  k. Свойства объектов на лю­бом  k-ом уровне иерархии неу­с­транимо зависят от информации , определяющей положение этой плоскости на оси  J.  Это ин­фор­мация об адиабатических инвари­ан­тах задачи. Её определяет прин­цип максимума производства энтропии. Она должна быть долговре­мен­но запомненной. Именно она и есть генетическая инфор­ма­ция.

На каждом уровне иерархии энтропия-информация содержит сос­тав­ляющие Ik, iSk,s, связанные между собой функциональными зави­си­мо­­стями в плоскости функций комплексного переменного . Ин­формация Sk,s приближённо определяется процессами cамоорга­ни­за­ции рис. 1.2. Она не входит в состав гене­ти­­­чес­кой инфор­ма­ции как специ­а­ли­зи­рованные кодоны, но без участия генети­чес­кой информации воз­­ник­нуть не может – факт принадлежности дан­ной ДНК плос­ко­с­ти  Jk  за­даёт внешне наб­людаемые свойства ДНК и про­­ис­ходящие с её помо­щью гетероката­ли­тические ре­ак­ции и процессы. Информация  Sk,s  воз­ни­ка­ет как результат самоор­ганизации (критерии рис. 1.2) элементов, свой­ства которых задаёт Sk,g .   

Информация  Ik  семантическая. Связанные с ней из­ме­нения энер­гии взаимодействий напрямую в ДНК (как ре­зуль­тат выбора из случай­но­стей) “не записаны” –  они относятся к усло­ви­ям. Однако проигно­ри­ро­вать условия нельзя – ничего читаться не будет или прочтённое будет несопоставимым с “записью”. Поэтому для чте­ния генетической инфор­ма­ции предыдущие уров­ни синтеза информации необходимы, но на уров­не иерархии  k  вся плос­кость (k – 1) не нужна. Достаточны вос­про­изведение  Jk  и част­ные случаи связи переменных   и  .

Ряд (1.29) для любой формы жизни запомнен в конкретном виде как целое. Поэтому для плоскостей синтеза информации (k – m) и далее до плоскости k тритона в целом процессы в любой плоскости зависят не только от предыдущих, но и от последующих плоскостей синтеза инфор­мации – от продуктов, производимых под контролем гетерокатализа по их законам. Они могут включаться тогда, когда онтогенез дошёл до со­от­ветствующих старших ступеней иерархии. Это изображено связями на рис. 4.5, описывающем хирургические пересадки у тритона.

Физико-химический характер чтения генетической информации за­­даёт единственный способ его реализации – поместить ДНКk конкрет­но­го вида живого на уровне иерархии  k  в среду, содержащую объекты и продукты уровня иерархии (k – m), и так далее вверх. Создать их в комп­лексе может последовательное функ­ционирование запомненной ДНКk.

Поэтому неустранимо чтение генетической информации есть пов­то­­­рение синтеза генетической информации путём воспроизве­де­ния ха­рак­терных объектов, то есть путём последовательной иерархи­ческой ра­бо­ты участков ДНК, которые отражают переход по ступеням иерархии энтропии-инфорамции на основе принципа максимума производства энт­ро­пии. Именно это и происходит реально, когда онтогенез индивидуаль­ного организма повторяет ключевые этапы филогенеза – синтеза ин­фор­­мации на основе принципа максимума производства энтропии – ко­то­­рые были в предистории его как биологического вида.  Закон повто­ре­ния филогенеза в  процессе онтогенеза был известен ещё Дарвину.

Реальность всех форм жизни заключает­ся в том, что тождественно одна и та же ДНК может управлять гетерока­та­лизом, создающим клетки, которые морфологически и функционально разные в одном и том же ор­га­низме (пример зародыша тритона был дан выше). В одной и той же ДНК не только содержится избыточность её уча­ст­ков (проверенных от­бором на завершённость гетерокатализа и способ­ность к самовос­про­из­ведению), но эти участки могут по сигналам метаболизма включать или выключать свою ак­тив­­ность в гетерокатализе.

Гетерокатализ есть физико-химический процесс. Наиболее прос­той сигнал управления для него есть присутствие или отсутствие конк­рет­­ных продуктов. Они могут поставляться извне (независимо от про­цес­сов в данной клетке, в том числе, за счёт работы других клеток) или синтезироваться с участием ДНК в самой клетке.

Следующий по сложности сигнал управления для ДНК формируют механические воздействия на неё  давление, растяжение или сжатие.

Жизнь существует в атмосфере практически при постоянном дав­ле­нии. С некоторыми оговорками это справедливо и для водных орга­низ­­­мов. Поэтому общепринято рассматривать живые системы как изоба­ри­ческие. Это неверно, так как существуют механические напряжения и деформации. Как составляющие энергии в термодинамических потен­ци­алах (см. главу VI) они эквивалентны с внешним давлением  атмосфер­ное давление мо­жет быть строго постоянным, а механические процессы в клетке и её ок­ружении могут вызывать напряжения и деформации, исключающие воз­можность считать её изобарической.

Молекула ДНК, существование которой в данном виде (как и лю­бой молекулы) определяет минимум свободной энергии, отличается от большнства других молекул тем, что этот минимум одинаков при разных последовательностях в ней кодонов (нуклеотидов). Продольная жёст­кость молекулы ДНК не постоянна по её длине, тем более, что она про­ст­­ранственно сложно перевита сама с собой. В таких условиях малый вклад механической энергии деформации клетки, передаваемой ДНК, мо­­жет нарушать энер­ге­ти­ческое равноправие участков ДНК (кодонов, ге­­­нов), то есть служить уп­равляющим сигналом для начала или оста­нов­ки гетерокатализа в оп­ре­делённых участках ДНК. Механические прост­ран­ственные ограни­че­ния в процессе роста клеток и их колоний  одни из самых частых и сильных условий, налагаемых на клетки в многокле­точ­ном организме. Досто­вер­но экспериментально установлено, что в ДНК содержатся механизмы, пре­об­разующие механические воздействия в остановку или изменение пути гетерокатализа.

Электростатические поля есть решающее в формообразовании, на­пример, нервных клеток (см. главу VII).

Внешние магнитные поля, воздействующие на всё живое (напри­мер, магнитное поле Земли и поля обиходных технических устройств), ма­­лы. Однако вклад столь слабых полей в ки­не­тику хими­чес­ких реакций есть приз­нанный научный факт [96]. Это зна­чит, что они мо­гут быть в орга­низ­ме управляющими воздействиями, в част­но­сти, для ДНК. Досто­верных исследований в этом направлении практически нет.

Обязательно должно проявляться биохимически действие электро­маг­­­нит­ных полей сугубо конкретных дискретных частот относительно ма­­лого уровня мощности и ма­лой величины кванта энергии (например, на верхней границе радиолокационного диапазона и немного выше).

Факт, что процессы гетерокатализа с учас­ти­ем ДНК силь­но зави­сят от внешних условий как в классическом физи­ко-хи­ми­чес­ком и меха­ни­ческом виде, так и экзотически. Наиболее распространённые и дейст­венные сигналы, переключающие гетерокатализ от одних участков ДНК к другим, преимущественно химические. Их вы­ра­батывает сама ДНК в ви­де изменений внешней среды за счёт продуктов гете­ро­ка­тализа.

В этом участвуют вещества, поступающие от других клеток или из внешней среды в окружение конкретных групп клеток. Если эти веще­ства изменяются по отношению к тем, которые оп­ре­деляют онтогенез дан­­ного индивидуума, то он  при тождественно той же самой ДНК сфор­ми­­руется иным. Если это изменение при онтогенезе есть систематически вос­производимый результат (может быть запомнен выживанием выжи­ва­­ю­­щих), то организм приобретёт другие, в том числе и внешние приз­наки. Например, хорошо известно влияние на форми­ро­вание челове­чес­кого пло­да лекарст­вен­ных препаратов, нико­ти­на, алкого­ля, наркотиков и дру­гих факто­ров, если они дейст­вуют в процес­се беременности.

            В этом возникают принципиально разные пути. Приём лекарст­ва есть чисто внешний фактор. При его действии феноменологи­чес­ки дру­гой организм из той же ДНК будет вырас­тать пока это лекарство дейст­ву­ет. Однако аналогичное воздействие может стать постоянным необра­ти­мым фактором внешней среды на про­тя­­же­нии поколений. Организмы, выжившие в новых ус­ловиях, будут иметь ДНК, тождественную со старыми организмами, но внешние приз­на­ки их будут другими. Воз­мо­жен парадокс – генетически за­кре­п­лённое действие внешних факторов, ко­то­рое не сопровождатся изме­не­ни­ем ДНК – “изменение генетической информации” может про­и­зой­ти без факти­чес­кого изменения ДНК. В чис­том виде это не наблюдается, так как такой вариант измен­чивости (если он возник) бу­дет оптимизироваться за счёт мутаций и ре­аль­ного из­ме­нения ДНК. Преимущественным является принципиально иной путь, ко­гда внеш­­няя среда не­об­ра­тимо переключает процессы в ДНК. Он вы­соко вероятен потому, что любой вид жизни есть отображение рав­но­ве­сий, в которых участвуют экстремумы энтропии-информации и её производ­ст­ва. Подробнее об этом в параграфе 4 и в главе V.

            В ДНК со­дер­жится из­бы­точность неработающих кодонов, которые не есть инфор­ма­ция. Одно­разовое изменение внеш­них условий может ока­заться столь специфичным, что заработали “мол­чав­­шие” ранее кодо­ны. Это означает, что за­вер­ша­ется ге­те­ро­ка­тализ на основе этих кодонов (ранее не завершённый). В этом дополнительно могут играть роль и му­тации. Продукты такого изменённого гетерокатализа становятся новыми условиями гетерокатализа для ста­рых “информационных” кодонов. ДНК становится новой за счёт включе­ния в работу давно существующих в ней “старых” участков. Опять случайные изменения этого рода преобра­зуют­ся в дальнейшем выживанием выживающих, которое преобретает внешние признаки оптимизирующего отбора. Почти одинаковая ДНК в таких условиях может стать носите­лем информации о другой форме или даже другом виде организма, кото­рая будет со­вершенствоваться даль­ней­­­шим отбором. Пример – шимпанзе и человек. Целенаправленных (с та­­кой точ­­ки зре­ния) сравнений ор­га­низ­мов и их ДНК поч­ти нет.

            Малые изменения ДНК наблюдаемы, если они приводят к размно­же­нию клеток. Однако в сложном организме размножение какого-либо одного вида клеток ещё не есть факт синтеза информации о новом изме­нён­ном орга­низ­ме в целом – новые клетки должны быть совместимы с ме­таболизмом и выживанием всего организма. Естественно, что случай­но­сти сами по себе не могут обеспечить такую “целесообразность”. Наи­бо­лее вероятный результат –  несовместимость новой клетки и организ­ма. Это и есть онкогенез. Канцерогены есть вещества, изменяющие гете­рока­та­лиз в ДНК (как правило, с участием мутаций). Однако бесспорно, что в этом участвуют и стабилизирующие условия. Ведь частота возник­но­ве­ния в здоровых организмах единичных раковых клеток на порядки больше час­тоты роста из них злокачественных опухолей.