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

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.

Рис. 5.5.

Казалось бы, малые количества информации, необходимые для воспроизведения человека, прочесть легко. Но в основе ряда (1.29) лежит забывание системой предистории. По отношению к генетической информации оно содержит специфику.

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.

Рис. 4.5.

В зародыше тритона (среди многих других) существует участок – презумптивный глаз. При нормальном развитии из него вырастает глаз тритона. Этот участок можно хирургически вырезать на разных стадиях его развития и пересадить в другое место растущего организма также на разных стадиях его развития. Результаты таких реальных опытов дают разные пути развития презумптивного глаза:

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.

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